額定電壓1500V及以下軌道交通用直流電纜的設(shè)計(jì)與加工

1、2013年第1期No12013電線電纜Electric Wire Cable 2013年2月Feb,2013額定電壓1500V 及以下軌道交通用直流電纜的設(shè)計(jì)與加工歐迪恒(金杯電工股份有限公司,湖南長沙410205摘要:針對(duì)城市地鐵用“額定電壓1500V 及以下軌道交通用直流電纜”應(yīng)具備的無鹵、低煙、阻燃A 類、阻水、防水、防鼠、防白蟻、無毒、耐紫外線等性能,以及電纜敷設(shè)的復(fù)雜環(huán)境,介紹了電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選型、配合和加工技術(shù)要點(diǎn)。關(guān)鍵詞:軌道交通用直流電纜;三元乙丙膠;阻水帶;高阻燃無鹵玻璃纖維帶;聚烯烴中圖分類號(hào):TM2469文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1672-6901(201301-000

2、8-04Design and Processing for Rail Transit Cable up to DC 1500VOU Di-heng(Goldcup Electric Apparatus Co,Ltd,Changsha 410205,China Abstract :Rail transit cable of up to DC 1500V should be of characteristics such as halogen-free ,smoking-low ,class A flame-retardant ,water-blocking ,water-resistance ,

3、rat-resistance ,termite-resistance ,non-toxic ,UV-resist-ance ,and the complex environment for cable laying ,we have introduced the cable structural design ,material selec-tion ,matching and processing technologyKey words :rail transit cable ;EPDM ;water resistance tape ;high level halogen-free and

4、flame-retardant glass fiber ;polyolefin收稿日期:2012-05-17作者簡介:歐迪恒(1965,男,高級(jí)工程師作者地址:湖南長沙國家高新技術(shù)開發(fā)區(qū)東方紅中路580號(hào)4102050引言隨著城市化進(jìn)程明顯加快,建設(shè)快速的地下軌道交通網(wǎng)絡(luò)已刻不容緩。截至2010年3月,國家發(fā)改委已審批28個(gè)城市建設(shè)地鐵,并在復(fù)核其它5個(gè)城市地鐵項(xiàng)目,全國將有33個(gè)城市擁有地鐵;到2020年,在已建的480km 地鐵線路基礎(chǔ)上,再造6100km 城市地鐵,投資金額將達(dá)到11568億元。這就需要大量的軌道交通用電纜。眾所周知,傳統(tǒng)的軌道交通用電纜含有鹵素,一旦發(fā)生火災(zāi),電纜燃燒時(shí)

5、釋放的鹵化氫氣體,使人窒息,人們幾乎沒有逃生的機(jī)會(huì)。為此,德國、法國在21世紀(jì)初率先提出無鹵、低煙、阻燃、無毒、環(huán)保軌道交通電纜的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。隨后,歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)(CENELEC 制定了軌道交通電纜EN 系列標(biāo)準(zhǔn)。我們根據(jù)歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)(CENELEC 、國際電工標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)(IEC 、國家電線電纜標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)、鐵道部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及電纜的敷設(shè)條件,并參考國內(nèi)先進(jìn)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),制定了額定電壓1500V 軌道交通用直流電纜企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。為滿足該電纜具有無鹵、低煙、阻燃A 類、阻水、防水、防鼠、防白蟻、無毒、耐紫外線等性能,本文對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選型、材料配合以及關(guān)鍵生產(chǎn)工藝進(jìn)行了研究。1電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)11總

6、體結(jié)構(gòu)該電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮以下幾個(gè)因素:(1電纜敷設(shè)或彎曲安裝使用時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力,會(huì)出現(xiàn)開裂現(xiàn)象,故要求盡可能柔軟;(2電纜運(yùn)行時(shí)有可能長期浸泡在水里面,必須具有優(yōu)異的阻水、防水性能;(3電纜若僅采用氧指數(shù)較高的無鹵低煙阻燃護(hù)套料,則無法通過成束燃燒A 類試驗(yàn),故還需覆蓋或擠包其它高阻燃材料。圖1為過去行業(yè)內(nèi)該電纜普遍采用的結(jié)構(gòu)。據(jù)地鐵公司專家介紹,采用該結(jié)構(gòu)的電纜,敷設(shè)在轉(zhuǎn)角處,使用一段時(shí)間后,彎曲部位所產(chǎn)生的應(yīng)力,會(huì)導(dǎo)致開裂現(xiàn)象出現(xiàn),嚴(yán)重時(shí)影響電網(wǎng)正常運(yùn)行,故不得不更換。究其原因,一是防水層采用鋁塑粘接層,它是由涂塑鋁帶與聚乙烯護(hù)套粘接組合而成,使電纜變硬;二是無鹵、低煙、高阻燃隔氧料和無鹵

7、、低煙、高阻燃護(hù)套料其邵氏硬度大(通常在HSA90以上,影響電纜的柔軟性。因此,導(dǎo)致電纜彎曲部位在使用過程出現(xiàn)開裂現(xiàn)象的根本原因是鋁塑粘接防水層、隔氧層和護(hù)套層等三種材料硬度過大。顯然,要滿足電纜防鼠、防白蟻、抗紫外線等使用特性,取消或取代護(hù)套層是不可行的。如何取消或取代鋁塑粘接防水層和隔氧層,又能滿足電纜的徑向防水性能,并通過成束燃燒A類試驗(yàn)是該電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。經(jīng)過多次試驗(yàn),我們采用耐水性能優(yōu)良的乙丙膠作絕緣層,并適當(dāng)增加其厚度,以提高電纜的防水性能;增加高阻燃玻璃纖維帶厚度和繞包層數(shù),從而達(dá)到取消擠包隔氧層的目的。圖2為本文推薦的軌道交通用直流電纜的結(jié)構(gòu) 。圖1 原軌道交通用直流電纜結(jié)

8、構(gòu)圖圖2推薦的軌道交通用直流電纜結(jié)構(gòu)圖12導(dǎo)體結(jié)構(gòu)無鹵、低煙、高阻燃護(hù)套材料其邵氏硬度大,影響電纜的柔軟性。為杜絕電纜使用時(shí)開裂,應(yīng)盡可能減小電纜的彎曲半徑(標(biāo)準(zhǔn)值6D,同時(shí)一改傳統(tǒng)采用5類導(dǎo)體的做法,選用了GB/T39562008中最柔軟的第6類導(dǎo)體。13絕緣層選用三元乙丙橡膠作絕緣基料,其絕緣厚度在TB/T148412010絕緣厚度的基礎(chǔ)上加厚25 mm,以提高電纜的徑向防水性能(見表1。14阻水層阻水層包覆在絕緣上,其作用是阻止水通過絕緣和阻燃層之間的間隙沿著電纜縱向遷移。選用遇水膨脹型復(fù)合阻水帶,采用雙層繞包,每層搭蓋率不小于30%,保證電纜每處阻水帶不小于2層。15阻燃層電纜采用氧指

9、數(shù)大于50、厚度為025mm的無鹵玻璃纖維帶繞包,它不但具有高阻燃特性而且具有防鼠作用。采用雙層繞包,每層搭蓋率不小于60%,使得電纜每處無鹵玻璃纖維帶不小于4層,確保電纜阻燃性能達(dá)到A類要求。16護(hù)套層護(hù)套以乙烯醋酸乙烯(EVA、聚烯烴彈性體(POE作基料,氧指數(shù)大于35。依照IEC60245-1: 2003規(guī)定的護(hù)套厚度幾種計(jì)算方法,并對(duì)計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較。由于絕緣厚度加厚的因素,護(hù)套厚度最適合下面計(jì)算公式:t=0085D+045式中,t為護(hù)套厚度(mm;D為絕緣線芯假定直徑(mm。表1為常用的195mm2、1150mm2,1240 mm2三個(gè)規(guī)格直流電纜的結(jié)構(gòu)尺寸。表1額定電壓1500V

10、及以下軌道交通用直流電纜結(jié)構(gòu)尺寸項(xiàng)目規(guī)格導(dǎo)體標(biāo)稱截面/mm295150400電纜芯數(shù)111導(dǎo)體最大單線直徑/mm031031041絕緣標(biāo)稱厚度/mm454951護(hù)套標(biāo)稱厚度/mm222528電纜平均外徑上限/mm343850電纜最小彎曲半徑6D6D6D2材料選用及配合所有選用的材料應(yīng)不含鹵素,燃燒時(shí)發(fā)煙量低、無毒,能滿足ROHS指令,限制使用六類有害物質(zhì):鉛(Pb、汞(Hg、鎘(Cd、六價(jià)鉻(Cr+6、多溴聯(lián)苯(PBB、多溴二苯醚(PBDE。21絕緣膠材料選用和配方(1生膠。為滿足絕緣耐熱、耐水、耐臭氧、耐紫外線等性能,選用了美國陶氏(DOW生產(chǎn)的三·9·元乙丙橡膠NORD

11、EL IP4725P作基料,其乙烯含量高(70%、門尼粘度低(ML1+4,12525,相應(yīng)其絕緣電阻率高(20,不小于1014·m、加工性能好。(2交聯(lián)劑。采用過氧化二異丙苯(DCP作交聯(lián)劑,三烯丙基異氰脲酸酯(TAIC作助交聯(lián)劑。(3防老劑。為滿足空氣彈老化試驗(yàn)要求,兼顧對(duì)銅導(dǎo)體的保護(hù)作用,采用防老劑MB與防老劑RD并用。(4填充劑。選用難溶于水的微細(xì)滑石粉。(5絕緣膠基本配方。三元乙丙膠(NORDEL IP4725P100;過氧化二異丙苯(DCP38;三烯丙基異氰脲酸酯(TAIC29;氧化鋅5;防老劑MB2.5;防老劑RD1.2,;微細(xì)滑石粉(10m120;其它61.6;合計(jì)29

12、7;含膠率33.7%。2.2護(hù)套膠材料選擇以EVA、POE作基料,配合抗氧劑1010、防鼠劑、防白蟻劑、抗紫外線劑、消煙劑、軟化劑、氫氧化鋁等無鹵阻燃劑。護(hù)套防鼠性能:LD50大于2000 mg/kg;咬傷面積為0;實(shí)驗(yàn)期間,SD大鼠無中毒、致畸、致突變、致癌現(xiàn)象。護(hù)套防白蟻性能依據(jù)GB 2951.3886規(guī)定:白蟻擊倒時(shí)間KT50不大于350 min。3現(xiàn)場關(guān)鍵工序控制3.1絕緣3.1.1絕緣膠加工(1膠料和配合劑。采用電子稱稱量。膠料:三元乙丙橡膠;配合劑:超細(xì)滑石粉、氧化鋅、促進(jìn)劑、防老劑、交聯(lián)劑等。(2混煉。稱量好的膠料和配合劑采用密煉機(jī)混煉。(3濾橡?；鞜捄玫幕旌夏z在開煉機(jī)上壓片,片

13、狀膠料由皮帶輸機(jī)運(yùn)送到濾橡機(jī)對(duì)膠料的雜質(zhì)進(jìn)行過濾。(4加交聯(lián)劑。過濾后的膠料冷卻存放8 24 h后,再次投入密煉機(jī)混煉,并加入交聯(lián)劑。排料后由皮帶運(yùn)輸機(jī)輸送到開煉機(jī)上壓片,供壓延機(jī)輾頁。(5輾頁。采用壓延機(jī)壓片,膠片經(jīng)冷卻裝置冷卻后,存放8 96h后,供電纜擠出用。(6絕緣煉膠工藝參數(shù)見表2。3.1.2絕緣連硫?qū)w擠包乙丙橡膠絕緣料,采用擠橡連續(xù)硫化機(jī)組,嚴(yán)格控制擠出溫度、牽引速度、硫化汽壓,以保證電纜的電性能和絕緣層的物理機(jī)械性能;絕緣連硫工藝參數(shù)見表3。表2絕緣膠煉膠工藝參數(shù)工序名稱使用設(shè)備工藝參數(shù)項(xiàng)目控制范圍混煉壓片過濾加硫壓片輾頁密煉機(jī)開煉機(jī)濾膠機(jī)密煉機(jī)開煉機(jī)壓延機(jī)后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速/(r/m

14、in上頂栓壓力/MPa冷卻水壓力/MPa混煉時(shí)間/min排膠溫度/輥溫/機(jī)身溫度/機(jī)頭溫度/螺桿溫度/混煉時(shí)間/s排膠溫度/輥溫/輥溫/401101030160510556059029829025010952555605表3絕緣連硫工藝參數(shù)項(xiàng)目控制范圍機(jī)身溫度/:機(jī)頭溫度/:模套溫度/螺桿溫度/牽引速度/(m/min硫化汽壓/MPa硫化管道有效長度/m9029529829829529829521511018032護(hù)套護(hù)套擠出采用專用螺桿,其壓縮比小,出膠量大,螺桿轉(zhuǎn)速不宜太快,分段加熱,擠出時(shí)采用擠壓式,使電纜結(jié)構(gòu)緊密,有利于電纜的阻燃和防水效果;護(hù)套擠出工藝參數(shù)見表4。表4護(hù)套擠出工藝參數(shù)項(xiàng)

15、目控制范圍機(jī)身溫度/:機(jī)頭溫度/模套溫度/牽引速度/(m/min1202138215221602162216225 84成品電纜性能把地鐵常用的額定電壓1500V及以下軌道交通用直流電纜:195mm2、1150mm2,1400·01·mm2三個(gè)規(guī)格電纜,送有關(guān)權(quán)威檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測,各項(xiàng)性能指標(biāo)完全達(dá)到國內(nèi)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。表5為其中的1150mm2各項(xiàng)性能指標(biāo)。表5DC1500V1150mm2軌道交通用直流電纜試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)項(xiàng)目技術(shù)要求試驗(yàn)結(jié)果絕緣物理機(jī)械性能老化前抗張強(qiáng)度/MPa 老化前斷裂伸長率/%5020078400空氣烘箱老化(135,168h抗張強(qiáng)度變化率/%斷

16、裂伸長率變化率/%3030+25帶導(dǎo)體老化(100,168h抗張強(qiáng)度變化率/%斷裂伸長率變化率/%303043空氣彈老化(127,40h抗張強(qiáng)度變化率/%斷裂伸長率變化率/%30302113熱延伸試驗(yàn)(200,02MPa載荷下伸長率/%冷卻后永久變形/%175155耐臭氧試驗(yàn)(25,24h,臭氧濃度0025% 0030%無裂紋無裂紋護(hù)套物理機(jī)械性能老化前抗張強(qiáng)度/MPa 老化前斷裂伸長率/%9150102170空氣烘箱老化(100,168h抗張強(qiáng)度變化率/%斷裂伸長率變化率/%3030+10+8低溫拉伸試驗(yàn)(25,16h伸長率/%2056耐氣候老化(11008h老化抗張強(qiáng)度最大變化率/%伸長率

17、最大變化率/%3030+1(21008h老化后與504h老化后對(duì)比抗張強(qiáng)度最大變化率/%伸長率最大變化率/%151538試驗(yàn)項(xiàng)目技術(shù)要求試驗(yàn)結(jié)果電性能20時(shí)直流電阻/(/km環(huán)境溫度40電纜載流量/A成品電纜耐壓試驗(yàn)(65kV,5min20時(shí)絕緣電阻/(M·km0132490不擊穿1500128567不擊穿1750縱向透水試驗(yàn)(100,透水10次二端不應(yīng)有水滲出符合要求電纜燃燒試驗(yàn)電纜成束燃燒試驗(yàn)(A類炭化部分所達(dá)高度/m煙密度試驗(yàn)透光率/%25600575燃燒氣體腐蝕性試驗(yàn)絕緣pH值電導(dǎo)率/(s/mm阻水層pH值電導(dǎo)率/(s/mm阻燃層(玻璃纖維帶pH值電導(dǎo)率/(s/mm護(hù)套pH值

18、電導(dǎo)率/(s/mm4310431043104310550345205152036520385結(jié)束語我們研制的額定電壓1500V及以下軌道交通用直流電纜經(jīng)掛網(wǎng)運(yùn)行,防水性能優(yōu)良,在敷設(shè)、彎曲使用時(shí)未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象,完全滿足使用要求。參考文獻(xiàn):1TB/T148412010機(jī)車車輛電纜第1部分:額定電壓3kV及以下標(biāo)準(zhǔn)壁厚絕緣電纜S2歐迪恒電纜用三元乙丙膠的配合與混煉J特種橡膠制品,1991(4:13-163歐迪恒滿足VDE規(guī)范橡套軟電纜實(shí)用配合技術(shù)與加工J電線電纜,2008(5:檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿19-24(上接第7頁重度取值需慎重。180級(jí)的聚氨酯漆包線樣品,擬合活化能以及耐熱等級(jí)的評(píng)估受分解失重度取值的影響較大。由于長期烘箱老化實(shí)驗(yàn)還在進(jìn)行中,單獨(dú)借助TGA曲線擬合、評(píng)估耐熱等級(jí)的可靠性還有待繼續(xù)跟蹤。參考文獻(xiàn):1Toop D JTheory of life testing and use of thermogra