阻燃B1級城市軌道交通電纜的設計與制造

引言

傳統(tǒng)無鹵低煙阻燃電纜及試驗標準僅考慮電纜本體的不起燃性能、煙氣腐蝕性和透光率，忽略了電纜燃燒時的熱釋放過程、煙氣釋放過程、燃燒增長速率、燃燒滴落物以及煙氣毒性等特性。依據(jù)地鐵本身獨有的特點，一旦起火，容易造成火勢蔓延擴大和有毒濃煙的產(chǎn)生，不僅威脅到乘客的生命安全，更給疏散和救援工作造成較大困難。近年來，公眾對消防安全越來越重視，我國公安部引進借鑒歐盟CPR建筑指令并制定了《電纜及光纜燃燒性能分級》GB 31247-2014，其中，非礦物質(zhì)絕緣電纜的最高等級為B1級。目前城市軌道用信號電纜沒有統(tǒng)一的行標或國家標準，各個集成商之間的技術(shù)標準又不盡相同，主要以符合GB/T 19666-2019《阻燃和耐火電線電纜通則》的B類為主。隨著《電纜及光纜燃燒性能分級》GB 31247-2014的推出，B1級阻燃城市軌道交通電纜的研發(fā)勢在必行。

1 性能要求

根據(jù)GB 31247-2014《電纜及光纜燃燒性能分級》及城市軌道交通電纜標準要求，阻燃B1級城市軌道交通電纜燃燒性能、燃燒滴落物、煙氣毒性、腐蝕性能及電氣性能等指標要求見表1、表2。

表1  阻燃B1級城市軌道交通電纜電氣性能指標

注：導體電阻不平衡，即工作線對兩根導體的電阻之差與其電阻之和的比值。

表2  阻燃B1級城市軌道交通電纜阻燃性能

2 防火基本原理

燃燒是一個復雜的過程，但歸納一下必須符合三個要素，即可燃物、助燃物（空氣）、溫度（著火點），缺一不可。任何一個要素缺失，燃燒現(xiàn)象即可終止。若可以持續(xù)的現(xiàn)象發(fā)生，必須有產(chǎn)生火焰的自由基物反應。所以持續(xù)燃燒的要素為：可燃物+阻燃物+溫度+自由基物反應（3+1模式）。

自由基的反應也是材料在燃燒過程中的氣相反應，是聚合物受熱分解并釋放可燃性其他在環(huán)境氧氣助燃下產(chǎn)生火焰并釋放出熱量。材料持續(xù)燃燒中，若能切斷自由基的反應，則無熱釋放量反饋給基材，燃燒即會中斷。反饋給可燃性基材熱量大小將直接表現(xiàn)為燃燒過程的劇烈程度。阻燃的理念就是阻礙和減少可燃性基材在燃燒過程中熱釋放量最小化。

3 設計方案

根據(jù)使用場景的不同，城市軌道交通電纜分為綜合護套和鋁護套兩種結(jié)構(gòu)。其中，鋁護套結(jié)構(gòu)電纜因內(nèi)護層存在無機物金屬護層，研發(fā)難度較低，主要難度在綜合護套結(jié)構(gòu)電纜的研發(fā)。由于綜合護套電纜的內(nèi)護套采用縱包雙面鋁塑帶，護層較薄，外護層燃燒過程中容易向內(nèi)部纜芯傳遞熱量提升溫度，且鋁塑帶縱包合縫處屬于開放窗口，一旦內(nèi)護層在燃燒過程中結(jié)殼性不良，會導致向纜芯內(nèi)部流入助燃物空氣。因此，研發(fā)重點在于如何提高綜合護套型城市軌道交通電纜的阻燃等級。

方案1 防火材料的選擇

從燃燒的三要素來看，除了為滿足信號電纜的傳輸性能而無法更改的絕緣材料外，其他材料可優(yōu)先選用結(jié)殼性更好的、低熱釋放量值的無鹵低煙阻燃材料，可有效降低熱釋放總量和發(fā)煙總量，防止燃燒物滴落，同時防止熱量向內(nèi)部傳遞。

方案2 電纜結(jié)構(gòu)設計

鋁護套電纜由于采用厚度為1.2mm的無機金屬物鋁板焊接形成的金屬套作為屏蔽層，同時采用雙鋼帶鎧裝，因此只要內(nèi)墊層的結(jié)殼性良好，可阻止外部燃燒時產(chǎn)生的熱量向內(nèi)部傳遞。鋁護套電纜需要考慮的是如何隔絕助燃物空氣進入纜芯，并要求結(jié)殼性良好，防止絕緣層的聚乙烯材料產(chǎn)生滴落。

綜合護套電纜采用厚度僅為0.2mm的雙面鋁塑帶縱包，再擠塑一層塑料內(nèi)墊層，很容易在燃燒過程中因溫度過高，發(fā)生塑料內(nèi)墊層和鋁塑帶融化滴落。因此需要考慮如何防止內(nèi)墊層的燃燒物滴落，另外需考慮隔絕助燃物空氣進入內(nèi)墊層表面起到助燃作用。

4 創(chuàng)新方法的確定(1)內(nèi)、外護套采用防滴落的高阻燃護套料；(2)纜芯外繞包聚酯帶后再繞包結(jié)殼性較好的阻燃包帶，防止火焰滲入纜芯內(nèi)部，并防止纜芯在燃燒時滴落；(3)內(nèi)墊層外繞包一層阻燃包帶，防止內(nèi)墊層燃燒過程中產(chǎn)生滴落，同時可以填充鎧裝鋼帶和內(nèi)墊層間的間隙，減少助燃劑空氣滲入；(4)鎧裝結(jié)束后再繞包一層阻燃包帶，可以填充鎧裝鋼帶和內(nèi)墊層間的間隙，減少助燃劑空氣滲入；(5)必要時可適當增加絕緣外徑，避免因纏繞阻燃包帶引起的電容增大影響傳輸質(zhì)量的負面影響。

5 實施方案
5.1 電纜結(jié)構(gòu)

注：※為創(chuàng)新點

5.2 工藝路線

鋁護套電纜工藝流程圖——※創(chuàng)新點工序

綜合護套電纜工藝流程圖——※創(chuàng)新點工序

5.3 實現(xiàn)方法

阻燃B1級城市軌道交通電纜主要通過繞包結(jié)殼性較好的阻燃繞包帶、以及擠塑結(jié)殼性較好的高阻燃護套料等方式實施。通過以上措施可有效避免助燃劑空氣在燃燒過程中滲入電纜內(nèi)部，同時由于護層結(jié)殼性較好避免在燃燒過程中產(chǎn)生滴落，另外以上材料均屬于低熱釋放量材料，可降低熱釋放總量以及減少熱量向纜芯內(nèi)部的傳遞。

在選材過程中，結(jié)合電纜自身特點、制造成本、產(chǎn)品質(zhì)量等方面進行了綜合考量，最終阻燃繞包帶選用玻璃纖維帶，阻燃護套料選用高阻燃無鹵低煙聚烯烴護套料。

具體的創(chuàng)新優(yōu)化如下：

（1）成纜工序

成纜工序主要的作用是將線芯、對線組或四線組等絞合成纜芯，并通過非吸濕性絕緣帶如聚酯帶在纜芯外繞包固定。本工序的創(chuàng)新在于，在非吸濕性絕緣帶外繞包玻璃纖維帶，充分填充了金屬屏蔽層與纜芯間的縫隙，可在燃燒過程中避免助燃劑空氣滲入纜芯內(nèi)部加速燃燒，同時通過玻璃纖維帶結(jié)殼性較好的優(yōu)勢，避免在燃燒過程中產(chǎn)生滴落。

（2）鋁護套電纜內(nèi)墊層工序

內(nèi)墊層作用是鋁護套的塑料防護層，避免鋁護套在鎧裝過程中受傷。本工序的創(chuàng)新在于采用結(jié)殼性較好的高阻燃無鹵低煙護套料作為內(nèi)墊層。公知的鋁的熔點在660℃，而GB/T 31248-2014規(guī)定的火源功率為20.5kw，燃燒過程中溫度遠高于鋁的熔點，因此鋁護套外擠塑一層殼性較好的高阻燃無鹵低煙護套，可有效減少熱量向內(nèi)部傳遞，并避免在燃燒過程中鋁護套融化滴落。

（3）綜合護套工序

綜合護套是在纜芯外縱包雙面鋁塑薄膜并擠塑塑料防護層。本工序的創(chuàng)新在于采用結(jié)殼性較好的高阻燃無鹵低煙護套料作為綜合護套塑料護層。原理以及作用如上面第（2）條所述一致。

（4）在鎧裝工序前后增加繞包工序

城市軌道交通電纜采用雙鋼帶間隙繞包鎧裝，因此鎧裝層間存在大量縫隙空間，可大量滲入助燃劑空氣，有利于助燃。增加兩道繞包工序的創(chuàng)新是采用結(jié)殼性較好的玻璃纖維帶，可充分填充鎧裝間的縫隙，避免助燃劑空氣滲入電纜內(nèi)部。

（5）外護套工序

外護套的作用是鎧裝層外的塑料保護層，直接裸露在電纜外表面，若遇火則在燃燒過程中直接與火源接觸。本工序創(chuàng)新是外護套采用擠塑結(jié)殼性較好的高阻燃無鹵低煙護套料，該材料采用高填充率阻燃劑的優(yōu)質(zhì)阻燃塑料，機械物理性能良好，可有效起到延燃或不燃的效果，并避免在燃燒過程中產(chǎn)生滴落。

6 測試結(jié)果

本次試制的電纜為城際軌道交通電纜系列中制造難度最高、結(jié)構(gòu)最復雜的WDZB1-PTYA23 6×1.0mm的綜合護套電纜，該電纜由于纜芯直徑小，且纜芯采用對絞結(jié)構(gòu)，對絞結(jié)構(gòu)的纜芯縫隙大，空氣易進入纜芯縫隙內(nèi)，所以要通過阻燃B1級燃燒性能要求極為困難。表3、表4是我公司生產(chǎn)的WDZB1-PTYA23 6×1.0mm實際測試結(jié)果。

表3   阻燃B1級城市軌道交通電纜電氣性能測試結(jié)果

表4   阻燃B1級城市軌道交通電纜阻燃性能測試結(jié)果

7 結(jié)束語

隨著各大、中型城市地鐵、輕軌、有軌電車及磁懸浮等如火如荼的建設，阻燃B1級城市軌道交通電纜市場需求旺盛，但由于制造工藝的復雜，生產(chǎn)技術(shù)難度高，因此，生產(chǎn)企業(yè)要有效地控制產(chǎn)品質(zhì)量，必須建立長效的、切實可行的質(zhì)量控制與管理機制，確保產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品在使用過程中存在的安全隱患及風險，才能為企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)、為市場提供更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品