首页 > 论文范文 > 工程工业论文 > 电力工业论文 > 非铠装B1级阻燃多芯低压电缆结构优化设计

非铠装B1级阻燃多芯低压电缆结构优化设计

2025-03-27 187 上传者：管理员

摘要：非铠装B1级阻燃多芯低压电缆因缺少金属保护层在B1级燃烧试验中更容易出现热释放速率峰值（HRR峰值）和受火1 200 s内热释放总量(THR1 200)超标现象。从B1级阻燃性能和电缆材料成本、工艺等方面对该类电缆的B1级阻燃结构设计优化进行了研究。研究结果表明，高氧指数隔氧层挤包结构可使各规格电缆具有较优的B1级阻燃性能，但相关的材料成本较高、生产周期较长和工艺成本较高；多层阻燃包带绕包结构可使50 mm2及以上规格电缆具有较优的B1级阻燃性能，且相关的材料成本较低、生产周期较短和工艺成本较低，但不宜在35 mm2及以下规格电缆中使用。

关键词：
B1级阻燃电力电缆
多芯低压电缆
电气性能
结构设计
非铠装电缆
加入收藏

随着我国基建事业不断发展,对电力设施使用的安全可靠性愈加关注,要求与电力设施配套的电缆不仅应具有优异的电气性能,同时还应具有较高的阻燃性｡目前,特别是商场､地铁､剧院和医院等人员密集场所的电力设施用电缆,B1级阻燃性能已成为常规要求｡依据标准GB31247—2014《电缆及光缆燃烧性能分级》[1]规定,B1级阻燃电缆的研制不仅需要关注其阻燃效果,而且还需控制其燃烧过程中产热､热量产生速率､烟气产生速率等相关技术指标｡相对于铠装B1级阻燃电力电缆,无铠装B1级阻燃电力电缆的结构设计难度较高｡为了在确保电缆具有优异电气性能的同时,通过B1级阻燃试验和控制电缆制造成本,本文对不同规格非铠装B1级阻燃多芯低压电缆结构的优化设计进行了研究｡

1、电缆B1级阻燃性能指标

依据电缆及光缆燃烧性能分级标准GB31247—2014和试验方法标准GB/T31248—2014《电缆或光缆在受火条件下火焰蔓延､热释放和产烟特性的试验方法》[2],B1级阻燃性能指标(B1级燃烧试验要求技术参数)主要包括:火焰蔓延(FS)≤1.5m;热释放速率峰值(HRR峰值)≤30kW;受火1200s内热释放总量(THR1200)≤15MJ;燃烧增长速率指数(FIGRA)≤150W/s;产烟速率峰值(SPR峰值)≤0.25m2/s;受火1200s内产烟总量(TSP1200)≤50m2｡

2、电缆B1级阻燃结构优化设计

2.1电缆B1级阻燃结构设计关键

目前,按照铠装与否,B1级阻燃电力电缆可分为铠装型B1级阻燃电力电缆和非铠装型B1级阻燃电力电缆｡前者在燃烧过程中,不仅可借助铠装层起到隔火､降低火焰向绝缘层蔓延的可能性,而且还可借助铠装层起到捆扎作用,防止垫层､内护套､隔氧层和绝缘层等非金属材料结构在燃烧过程中发生滴落,进而加剧燃烧程度,释放更大的热量和更多的烟气｡相对于此,后者因无铠装层,在燃烧过程中火焰在缺少金属保护层的电缆中更容易向绝缘层蔓延｡根据相关燃烧试验研究结果,相同规格的非铠装型B1级阻燃电力电缆会产生更多的热量和更大的烟气总量｡因此,在非铠装型B1级阻燃电力电缆结构设计时应对其火焰蔓延､热量释放和烟气产生进行控制,以实现电缆的B1级阻燃性能｡

在对大量各规格类型的非铠装型B1级阻燃电力电缆的B1级燃烧试验结果统计后发现,导致电缆B1级燃烧试验失败的关键在于HRR峰值和THR1200两项指标不合格,与此同时还发现在燃烧过程中出现绝缘线芯向上延燃不良现象时,HRR峰值和THR1200往往出现超标现象｡由此可分析得,确保绝缘线芯在燃烧过程中不发生延燃是非铠装B1级阻燃电力电缆结构设计的关键｡

2.2电缆B1级阻燃结构设计优化过程

本文以常规WDZB1-YJY0.6/1kV非铠装B1级阻燃多芯低压电缆为例,由于该类中小规格非铠装多芯低压电缆的B1级燃烧试验通过率始终不太理想,因此必须进行结构优化设计｡

2.2.1基于B1级阻燃性能的结构设计优化

该类非铠装B1级阻燃多芯低压电缆的常用B1级阻燃结构设计方案有高氧指数隔氧层挤包+外护套结构(即隔氧层结构)和多层阻燃包带捆扎+外护套结构(即多层包带绕包结构)两种[3]｡各结构元件所选材料为:隔氧层材料选用氧指数>45%的无卤阻燃聚烯烃材料;包带材料选用以玻璃纤维布(玻纤)为基材的低烟无卤高阻燃包带,氧指数≥70%,烟密度(NF值)≤100;外护套材料采用低热释放型低烟无卤阻燃聚烯烃护套料,氧指数≥40%｡在现有各供货规格(范围覆盖1.5~240mm2)WDZB1-YJY0.6/1kV非铠装B1级阻燃多芯低压电缆中选取较典型的4个规格(4×1.5mm2､4×35mm2､4×50mm2､4×240mm2)电缆作为试样,分别采用两种结构制作了4个规格电缆试样,并以此进行了B1级燃烧试验｡

表1示出了B1级燃烧试验时确定的试样根数N,表2示出了试验结果,可见:a.相对于多层包带绕包结构的WDZB1-YJY0.6/1kV非铠装B1级阻燃多芯低压电缆,各规格隔氧层结构电缆的B1级阻燃性能均较优,且符合标准要求｡经分析,其原因可能是隔氧层材料中含有大量的无机阻燃填料[如Mg(OH)2和Al(OH)3等],在燃烧过程中Mg(OH)2和Al(OH)3在高温下受热分解产生大量的水,进而高温蒸发形成水蒸气,降低电缆缆芯表面温度起到延缓燃烧进程的效果,同时水蒸气可稀释燃烧物表面的氧气和燃烧生成的可燃性气体,进而降低燃烧剧烈程度,起到阻燃的作用[4];Mg(OH)2和Al(OH)3受热分解后的产物MgO和Al2O3可在燃烧物表面形成

致密的氧化物覆盖层,起到隔绝氧气和阻止燃烧生成的可燃性小颗粒挥发的效果,大大降低火焰燃烧的强度和高度;Mg(OH)2在加热过程中形成的MgO具有较大的表面积,能吸附烟尘,在固相中促进了炭的形成,这不仅可起到阻燃的效果,也可有效减少烟气的产生,同时也可阻止火焰向缆芯内部蔓延,增强阻燃效果｡b.相对于4×1.5mm2多层包带绕包结构的WDZB1-YJY0.6/1kV非铠装B1级阻燃多芯低压电缆,4×50mm2､4×240mm2规格多层包带绕包结构电缆的B1级阻燃性能均较优,且符合标准要求,4×35mm2规格多层包带绕包结构电缆的部分B1级阻燃性能处于临界状态,存在一定的超标风险性｡经分析,其原因可能是35mm2及以上多层包带绕包结构电缆选用的包带由玻纤､Mg(OH)2和Al(OH)3等无机材料组成,具有优异耐热性能和软化温度高达500~750℃的玻纤和Mg(OH)2､Al(OH)3等无机材料共同作用,可在燃烧过程中起到降温､阻燃和抑烟的作用;Mg(OH)2和Al(OH)3受热分解后的产物MgO和Al2O3可与玻纤一起筑成一道坚固的“防火墙”阻止火焰向缆芯内部扩散,同时还降低了绝缘与空气接触的可能性,进而起到阻燃的作用｡c.4×1.5mm2多层绕包结构的WDZB1-YJY0.6/1kV非铠装B1级阻燃多芯低压电缆的B1级阻燃性能超标,表明多层绕包结构不适于小规格非铠装多芯低压电缆｡经分析,其原因可能是电缆外径小,在燃烧过程中热量传导面积小,热量传递更为迅速,电缆燃烧更加迅速;相对于电缆外径大于20mm时试样安装间距为20mm,电缆外径范围为5~20mm时,试样安装间距等于电缆外径,小尺寸电缆的间隙比(试样安装间距/电缆外径)更大,空气流通更顺畅,与氧气接触更充分,有利于电缆的燃烧｡

表1B1级燃烧试验时各规格WDZB1-YJY0.6/1kV电缆试样根数

表2B1级燃烧试验时各规格WDZB1-YJY0.6/1kV电缆试验结果

对于WDZB1-YJY0.6/1kV非铠装B1级阻燃多芯低压电缆,基于B1级阻燃性能的结构设计优化结果为隔氧层结构和多层包带绕包结构均较适宜50mm2及以上规格电缆结构设计,且以隔氧层结构为优,而35mm2及以下规格电缆结构设计仅宜采用隔氧层结构｡

2.2.2基于材料成本和工艺的结构设计优化

表3示出了隔氧层结构和多层包带绕包结构的WDZB1-YJY0.6/1kV非铠装B1级阻燃多芯低压电缆试样的材料成本,可见多层包带绕包结构电缆成本明显低于隔氧层结构电缆｡同时,隔氧层结构电缆的生产工序涉及成缆(绕包)､挤包隔氧层和挤包外护套等工序,而多层包带绕包结构电缆的生产工序涉及成缆(可包括多层包带绕包)和挤包外护套等工序,相比前者,后者的生产周期更短,可有效缩短供货周期,人工成本､电费和设备损耗等相关制造费用更低,可提升产品竞争力｡因此,对于WDZB1-YJY0.6/1kV非铠装B1级阻燃多芯低压电缆,基于材料成本和工艺的结构设计优化结果为相对于隔氧层结构,多层包带绕包结构更适宜大､中规格电缆结构设计｡

表3各规格WDZB1-YJY0.6/1kV电缆试样材料成本

3、结论

本文以WDZB1-YJY0.6/1kV电缆为例,从B1级阻燃性能和电缆材料成本､工艺等方面对非铠装B1级阻燃多芯低压电缆的B1级阻燃结构设计优化进行了研究,研究结果为:a.相对于多层包带绕包结构,隔氧层结构可使各规格电缆具有较优的B1级阻燃性能,满足相关标准要求,且有较大余量;但相关的材料成本较高､生产周期较长和工艺成本较高｡b.多层包带绕包结构可使50mm2及以上规格电缆具有较优的B1级阻燃性能,且相关的材料成本较低､生产周期较短和工艺成本较低电缆｡c.4×35mm2､4×1.5mm2中小规格多层包带绕包结构电缆的HRR峰值和THR1200不是处于标准临界值,就是明显超标,因此从质量､成本和生产周期等多方面因素考虑,35mm2及以下规格电缆均宜选用隔氧层结构｡囿于现有条件,本文非铠装B1级阻燃多芯低压电缆的B1级阻燃结构设计优化试验验证未能全竟,望能为后续相关产品的阻燃性能提升提供参考｡

参考文献:

[1]全国消防标准化技术委员会防火材料分技术委员会.电缆及光缆燃烧性能分级:GB31247—2014[S].北京:中国标准出版社,2015.

[2]公安部.电缆或光缆在受火条件下火焰蔓延､热释放和产烟特性的试验方法:GB/T31248—2014[S].北京:中国标准出版社,2015.

[3]中国电器工业协会.额定电压1kV(Um=1.2kV)到35kV(Um=40.5kV)挤包绝缘电力电缆及附件第1部分:额定电压1kV(Um=1.2kV)到3kV(Um=3.6kV)电缆:GB/T12706.1—2020[S].北京:中国标准出版社,2020.

[4]宋超.Mg(OH)2､Al(OH)3的阻燃机理和性能研究[J].广西民族大学学报(自然科学版),2010(S1):84-86.

文章来源:朱学勇,聂祝婷,肖云.非铠装B1级阻燃多芯低压电缆结构优化设计[J].光纤与电缆及其应用技术,2025,(02):17-19.