耐火电缆中云母带的应用和选择.pdf

1 9 9 9年第 3期 N o．3 1999 电 线 电 缆 El e c t r i c W 1 r e＆ Ca b l e l 0 耐 火 电缆 中云母 带 的应 用 和选 择 王 B e , 谢 万 春 1 1 1 ．中 国四连 国际经 济技 束合作 司 ，上 海 2 0 0 0 3 0 ；2 ．乏津 市安琪 尔特 种残 蜕有 限套 司，乏 津 3 0 0 J 9 0 摘 要 目前 国内外 已开发 出多种 耐 欠 电缆 大 多数 电缆在 燃烧 过程 中和 燃烧蛄 束后 ， 其灰烬 仍 有 一 定的鲍缘 性 能 ， 但 遇 到震 动 时 ， 鲍缘友 烬便 脱 落 基 于上 述原 因 ， 越 来越 多的 电缆采 用 高 云母台 量 、 高质 量的 云母 带 。 试 验证 明， 只要 连用 高质 量云母 带 并采 用适 当的 电蜕结 构和 生产 工 艺便 可保 证 电缆通 过 耐 火、 机 械 冲 击、 电应力和 喷 水燃烧 试验 。 关键 词 耐 兜 电蜕 { 云母 带 ； 材料 { 工 艺 中 围分类 号 T M 2 4 9 文献 标识 码 A 1 引 言 火 灾 发 生 时 ， 尤 其 是 在 机 场 、 医 院 、 购 物 中心 、 地铁 、 各 类 高 层 建 筑 及 重 要 工 业 设 施 等 场 所 ， 最 关 键 的 是 确 保 人 生 安 全 和 应 急 系 统 的正常运 行 包括 电话 、 消防水 泵、 电梯等设 备 。 这 就要 求 电缆 必 须 在 一 定 时 间 内保 证 电 力和信号 的正常传输 。 1 9 8 0年 云 母 带 绕 包 耐 火 电 缆 首 次 应 用 于英 国北 海 海 上 油 并 平 台 。 在历 经 了 多次 重 大 火灾后 ， 我 国油 田、 核 电站 、 飞机 、 船舶 、 地 铁 和其 他 人群 集 中 场所 开始 增 多 云母 带耐 火 电缆 的使用 。 由于对人身安全的 日益重视 ， 市 场 对 耐 火 电缆 的需 求 也 F I 益 增 大 ， 而 大 多数 云母带置 于火焰 中时无 烟无 卤， 故采 用云母 带 绝缘 的耐 火 电 缆 与其 他 结 构 的 无 云母 耐 火 电缆相比可大大提高电缆 整体性能。 目前 ， 耐 火 电缆用 云母带 的生产 厂家越来越 多， 质量 和 价 格 相 差 很 大 ， 这 对 我 国 电 缆 生 产 厂 家 也 增大 了云母 带选 择 和应 用 的难度 ， 本文将 主 要针对此现象作一探讨 。 ’ 2云母 的组份 及 特 性 云 母 是 一 种 天 然 矿 物 质 ， 由 于 其 出 色 的 收 稿 日期 1 9 9 9 1 J 0 作 者简 介 王 玮 1 9 6 8 一 ． 男 ． 陕 西 省 西 安 市 人 ， 工 程 师 介 电性 能 、 热 稳 定 性 、 辐 射 稳 定 性 和 化 学 稳 定 性 ， 云 母 一 直 被 列 为 电气 领 域 最 佳 的 绝 缘 材 料 之 一 天 然 云 母 分 白云 母 、 金 云 母 两 种 。 白云 母 的化 学 成 份 为 铝一 钾 硅 酸 盐 ， 金 云 母 为 铝 一 钾 一 镁 硅 酸 盐 。 其 本 质 为 具 有 片 状 结 构 矿 物 质 。 经 过 特 殊 的 热 处 理 、 化 学 处 理 和 机 械 加 工 可 将 云 母 矿 石 浆 化 ， 并 制 成 云 母 纸 。 白 云母 因极 佳 的耐 老 化 性 和 易 于 加 工 ， 目前 仍 占 市 场 主 导 ， 其 电 气 性 能 在 6 0 0 。 C 以 下 无 明显 变 化 。 相 反 ， 金 云 母 的 电气 性 能 因其 产 地不 同 ， 质 量 差 异 和 分 散 性 较 大 。 合 成 云 母 是 指 以氟 离 子 替 代 羟基 人 工 合 成而制得 的云母 。我 国和前 苏联 在人工合成 云母 方 面 做 了大 量 的研 究 ， 并 开 发 了 多 种 合 成形 式 ， 目前 已投入批 量生 产 的合 成云母 种 类为氟金云母 。 欧美 因环保条例 较严 ， 并未积 极 开发 合成云母 。 氟金云母与 天然云母 相 比， 其 高温 下电气绝缘 性能较好 ， 但硬 度较 高 ， 氟 金 云 母 的 奠 氏 mo h s 硬 度 为 3 ． 4 ， 而 天 然 云 母 为 2 ． 5 云 母 纸 本 身 不 含 任 何 粘 结 剂 ， 而 是 靠 云 母 片 t l 身 相 互 连 结 ， 保 持 其 结 构 完 整 性 。 尽 管 云 母 纸 的 电 气 绝 缘 性 能 十 分 出 色 ， 但 其 强 度 Q ㈣ 年- 、 ，0 维普资讯 准标网 w w w .z h u n b i a o .c o m 免费下载 1 9 9 9年 第 3期 No．3 199 9 电 线电 缆 El e c t r i e W i r e＆ Ca b L e 1 9 9 9年6月 J u n．， 1 9 9 9 目 ● a ＼ { _ 图 1 云 母 绝 缘 电 阻 翠 与 温 厦 关 系 很 低 ， 这 就 要 求 采 用 补 强 材 料 与 云母 纸 复 合 制 成 云母 带 目前 国 内对 小 截 面耐 火 电缆 的 需 求越 来越大 ， 对 于云母 带生产 厂家急 需 开 发一种既有极佳 的柔软性可绕包导体截 面小 至 0 ． 5 ～ 2 ， 5 i g l m ， 同 时又 有 足 够 强 度 可 适 应 高 速 绕 包 或 纵 包 的云 母 带 。 国 内 厂家 生 产 的 云母 带 存 在 硬 度 大 ， 厚 度 太 厚 ， 粘合 剂含 量过 高 以 及 云母 片 易 于脱 落 等 缺 陷 ， 无 法 满 足 市 场 需 求 。 国 外有 关 生 产 厂 家 已 开发 出超 薄 云 母 带 可 用 于 小 截 面 耐 火 电缆 的 制 造 ， 其 结 构 为 白 云 母 或 金 云 母 辅 以单 面 补 强 ， 其 补 强 材 料 为 玻 璃 布 或 高 分 子 薄 膜 ， 粘 合 剂 为 有 机 硅 弹性体 。此类 云母带可 承受 热冲击 和电气 负 荷过载等苛刻 的运行环 境 目前 市 场 上 供 应 的 云母 带 品 种 有 三 种 白云母带 、 金云母 带和氟金合成云母 带 。 其 云 母 材 料 的 物 理 电气 特 性 如 表 1所 示 。 从 表 1 可 见 ， 常 温 下 白云母 的 电气 绝缘 性 能 最 佳 。 但 在耐 热方 面最 差 。 白云母在 6 0 0 。 C时， 开始释 放 出分子中结晶水。金云母 则在 8 0 0 。 C开始 释 放 结 晶水 。氟金 云 母 中含 9 ． 5 6 重 量 百 分 比 的 氟 ． 在 6 0 0 。 C 时 ， 氟 离 子 开 始 释 出 ， 到 1 1 0 0 。 C 时 ， 氟 离 子 基 本 完 全 释 出 。但 以上 三 种云母的层状物理结构 皆可保持到其相应熔 点 ， 不 发 生 变化 。 表 1云母特 性 特性 白 云 母 金 云 母 氟 金 云母 密 度 g ／ e m0 2 7 ～ 2 ． 9 2 ． 7 ～ 2 一 踮 硬 度 奠 氏 2 ． 8 2 5 熔 点 ／ ℃ l 2 O O ～ l 3 0 0 1 2 o o ～ 1 3 0 0 t g6 2 3 。 C 1 0一 1 0 一 舟 电 常 数 5 ～ 8 5 ～ 7 体 积 电阻 率／ n c m 2 r C 1 0l E ～ 1 0 1 0 1 6 0 C , 。 C 1 O ～ 1 09 1 0 1 0 击穿电压 ／ 1 5 9 ～ 1 2 5 ～ kV／ ； r i m 3 17 2 8 1 分 子 结 构 KAI a At S i a KM g 3 AI S i O 】 ， O H O】 。 OH 1 【】 _ l 0 K M R A1 O F2 3云母 带 的应 用 和选 择 通常耐火电缆中云母带直接绕包在导体 表 面 ， 其 结 构 如 图 2所 示 强 内 护喂 i母 带 鞍 屡艳 孽 展 ■苏早 体 图 2耐 火 电缆典 型结 构 在 理 想 状 态 下 ， 采 用 图 2结 构 的 耐 火 电 缆 在燃 烧 后 ， 云母 完 全 烧 结 在 铜 线 表 面 ， 如 图 3所 示 ． 形 成 一 层 绝 缘 层 ， 具 有 一 定 的机 械 强 度 并 且 耐 水 ， 这 样 可保 持 电缆 在 1 0 0 0 。 C 时 正 常运行数 小 时， 可满 足消 防和极 端苛刻 环境 的要求 ， 如油 田和海上钻井平 台。 图 3 电缆 线芯 表面 云母 烧结层 维普资讯 准标网 w w w .z h u n b i a o .c o m 免费下载 1 9 9 9年 第3期 No．3 1 9 99 电 线电 缆 E] e c t r i c Wi r e＆ Ca bl e 1 9 9 9年 6月 J u n ， 1 9 9 9 电 缆 和 以 上 状 态 相 差 甚 远 ， 这 主 要 是 因 为 云 母 带 选 材 不 当 和 绕 包 工 艺 不 规 范 造 成 的 3 ． 1 补 强材 料 的 影 响 耐 火 电缆 用 云母 带 的 补 强 材 料 主 要 有 玻 璃 布 和 高 聚 物 薄 膜 两 种 ， 其 中 玻 璃 布 补 强 云 母 带 又 分 单 面和 双 面 国 产用 于 耐 火 电 缆 的 云母 带 主要 以 双 面 玻璃 布 补 强 为 主 。双 面 补 强 的 云母 带 ， 其 成 本 较 高 。 国产 云 母 带 之 所 以 采 用 双 面 有 其 客 观 原 因 ， 即我 国 云 母 带 生 产 厂 的 制 造 设 备 粘 台 工 艺 较 落 后 ， 云 母 片 在 绕 包 过 程 中易 脱 落 ， 只有 采 用 双 面 玻 璃 布 补 强 才 可 减 少 云母 片 的脱 落 。但 这 样 也 带 来 以 下 不 利 因素 1 带 材 成 本 增 大 。 玻 璃 布 、 粘 合剂 等用 量 加倍 导 致 原 材 料 成 本 上 升 ； 粘 台 工 艺 复 杂 导 致 加 工 成 本 上 升 。 2 云母 烧 结 层 结 构 松 散 ， 抗 机 械 冲 击 性 差 。 这 是 由 于双 面补 强 ， 云母 纸 和 导 电线 芯 之 间 和 云母 带 相 互 之 间分 别 有 一 层 和二 层 玻 璃布 ， 这样 云母烧结 层 自身、 烧结层 和线芯表 面都 存 有 空 隙 3 烧 结 层 结 构 松 散 还 导 致 导体 表 面 电 晕 放 电严 重 。 4 电 缆 外 径 增 大 ， 综合 成本 上 升 。 国外 公 司 生产 的云母 带 一般 只 采用 单 面 朴强 ， 早 期 仅 以 玻 璃 布 作 为 朴强 材 料 ， 近期 随 着 技 术 的 更 新 ， 国外 一 些 公 司 又 开 发 出 以高 分 子薄 膜作为 补强材料 的新 型云母带 ， 绕 包 时云母 纸朝 向导 体线 芯 薄膜 补强 云母 带与 玻璃布 补强 带相 比 ， 有如 下优势 常 态 击 穿 电 压 太 大 提 高 ， 由 l _ 2 k V 提 高 到 5 k V ； 抗拉 强度增大 ； 表面光滑 ， 有利于后道 的挤 出工序 ； 接头 连接 方便 ， 仅需在 云母 带正 反两面 包 以粘 胶 带 ； 工艺 范 围宽 ， 耐 机 械 冲 击 包 括 刮 、 碰、 挤 、 擦 等 等 ； 省 去 云 母 带 外 加 保 护 层 ， 如 玻 璃 布 、 聚 酯 8 带 、 无 纺 布 等 。 当 然 ． 薄 膜 补 强 云 母 带 在 应 用 上 也 有 其 特 定 要 求 ， 绕包 角 一 定 要 在 4 O 。 ～5 O 。 之 间 在 挤 出之 前 ， 端 头一 定 要 绕 包 聚 酯 胶 带 以 免 云 母 带 橙 落 。 云 母 带 补 强 用 玻 璃 布 ， 通 常 采 用 E 玻 璃 抽 丝 织 布 制 成 ， 又 称 为 无 碱 玻 璃 纤 维 布 。 云 母 带 生 产 厂 家 在 选 择 玻 璃 布 时 ， 一 定 要 确 认 E 玻 璃 及 拉 丝 工 艺 过 程 中投 有 采 用 润 滑 剂 ． 这 是 因 为润 滑 剂 燃 烧 后 会 碳 化 ， 这 样 便 导 致 击 穿 电 压 下 降 ， 而 且 润 滑 剂 会 使 玻 璃 布 同 云 母 层 的粘 结 能 力 降 低 ， 在 绕 包 时 z 母 带 会 离层 、 云母 脱落 ， 使 电缆难 以通过耐 生试 验 国 内 部 分 厂 家 生 产 的 玻 璃 布 其 抗 拉 强 度 较 低 ， 于 是 在 玻璃 纤 维 中 加 芳 纶 或 其 他 有 机纤 维来 提 高 其抗 拉性 能 。由 于 有 机 纤 维 在 燃 烧 后 炭 化 ， 这 样 也 会 导 致 电 缆 燃 烧 时 击 穿 电压 下 降 。 国外 同行 在 这 方 面 专 门做 过 研 究 ， 对 两 根 7 ／ o ． 5 mm 的 绞 线 进 行 对 比试 验 ， 每 根 绞 线 绕 包 一 层 单 面 玻 璃 布 补 强 的 云 母 带 ， 带 宽 6 mm ， 搭 盖率 为 5 0 ， 其 中 1 样 品 1的绝 缘 为 纯 玻 璃 布 补 强 云母 带 ； 2 样 品 2的绝 缘 为 含 5 0 芳 纶玻 璃 布 补 强 云 母 带 。 试 验 时 ， 将 5 0 0 mm 长 度 的 样 品 放 人 烘 炉 ， 并 通 过 5 0 0 V DC 兆 欧 计 进 行 测 量 。每 次 测量前样 品需在测t温度下放置 1 0 mi n 。试 验 结 果 见 图 4 ， 3 ． 2高分子材料 的影 响 我 们 知 道 绝 大 多 数 火 灾 发 生 时 ， 现 场 人 员不 是 由火 灾 直 接 致 死 ， 而 是 由火 灾 引 起 的 烟 雾 窒 息 而 死 。 国 内耐 火 电缆 绝 缘 层 目前 已 有 部分 厂家采 用 聚乙烯 P E 或交联 聚 乙烯 XL P E ， 但 太 部 分 厂 家 仍 采 用 聚 氯 乙烯 P VC ， 至 于 外 护层 ， 则 基 车 都 在 使 用 阻燃 性 P VC。这 样 火 灾 发 生 时 ， 尽 管 耐 火 电 缆 仍 能 正 常 工 作 ， 但 P VC燃 烧 引 起 的 大 量 黑 烟 、 有 毒 气 体 和酸 性 气 体 等 ， 其 中酸 性 气 体 HC I 或 维普资讯 准标网 w w w .z h u n b i a o .c o m 免费下载 维普资讯 准标网 w w w .z h u n b i a o .c o m 免费下载 l 9 9 9年第 3期 No．3 1 99 9 电 线电缆 El e c t r i c W i r e＆ Ca b l e l 9 9 9军6月 J u n ， 1 9 9 9 含 氟量 也 控 制 在 1 重量 百分 比 以 下 ； 2 国 外 制造 的 天 然 云 母带 已 能 满 足 国 际 和 欧 美 各 国有 关 耐 火 电缆 的标 准 。我 们 知 道 ， 英 国 BS 6 3 8 7 、 德 国 DI N 4 1 ‘0 2等 标 准 对 耐 火 电缆 的 要 求 都 高 于 我 国 的 GB 1 2 6 6 6 ． 6 ， 而 英 国 BI CC 仅 使 用 白云 母 带 就 可 达 到 BS 6 3 8 7 C 类 要 求 9 5 0 。 C／ 3 h 。 我 们 采 用 瑞 士 依 索 拉 I S OL A 公 司 的 薄 膜 单 面补 强 金 云 母 带 C a b l o s a m 3 1 5 ． 6 4 0 4试 制 了 耐 火 电 缆 其 金 云 母含 氟 量 仅 为 0 ． 3 。 燃 烧 试 验 结 果 见 表 2 。 襄 2 C a b l o a m 3 1 5 ． 6 4 I o 4盒 云母 带试验 结果 拄 1 TK YDYD， M AX FOH 均 为 低 烟 无 卣绝 绿 及 护 套 耐 火控 审 j 电缆 2F RA DJ YAP R为对称 屏蔚控 制耐火 电缆 3英 唇 B S 6 3 8 7标准 是世界 上耐 耐 火电境 考棱最 全 面和 最严 格 的标准 } C代表 电缆 耐 火特性 9 5 0 士4 0 C 3 h 1 w 代表 喷 水 耐火特 性 6 5 0士4 ℃ 1 5 mi n ； z代 表 机 械 冲击 耐火特 性 9 5 0 士4 0 C 1 5 mi n ① 导线 结构 为单根 ② 导线 结构 为 7 k0 ． 5 2mm 的绞线 导线 结构 为 7 f _ 6 8眦m 的绞线 如 上 所 述 ， 云母 在 高 温 下 分 子 结 构 会 产 生 裂解 ， 白云 母 和 金 云 母 会 释 出 结 晶 水 ， 氟 金 云 母 则 会 将 其 吉 量 近 1 O 的 氟 离 子 逐 步 释 出。 大家都知道 ， 卤族元素 的毒性和腐蚀 性极 强 ， 耐 火 电缆 中所 用 材 料 吉 有 氟 离 子 时 ， 对 人 身 安 全 就 已有 极 大 的 危 害 ， 若 所 用 材 料 中吉 有 大 量 氟 离 子 ， 其 危 害 性 可 想 而 知 t 另 外 ， 由于 氟 金 云 母 硬 度 较 高 ， 将 氟 金 云 母 带 用 于 电 缆 线 芯 绕 包 尤 其 是 小 截 面 线 芯 时， 带材与线 芯表 面绕包后 的覆贴 紧密 性 10 相 对 较 差 ， 不 利 于耐 火 电缆 的制 造 。 3 ． 4云母 带分 切 和 装 盘 质 量 的影 响 云 母 带 的分 切 质 量 对 云母 带 的绕 包 质 量 有 很 大 的影 响 。其 分 切 及 装 盘 应 做 到绕 包 紧 密 、 表 面平 整 ， 无 抽 丝 和 带 盘 松 动 。 如若 不 然 ， 在 每 盘 云 母 带 的 绕 包 开 始 阶 段 会 出 现 带 材 张 力偏 小 ． 在 绕 包 中后 阶段 又会 出现 张力 过大 ． 这 样 便 导 致 绕 包 质 量 无 法 控 制 ， 绕 包 表 面 起 皱 ， 断 带 等 现 象 频 频 发 生 。 3 ． 5云 母 带 绕 包 工 艺 推 荐 由 于 云 母 带 及 其 绕 包 加 工 的成 本 在 电缆 总体 成 本 中 占有 较 大 比重 ， 为 了提 高 质 量 、 降 低 成 本 ， 我 们 在 制 定 云 母 绕 包 工 艺 时 应 注 意 以下 几点 1 尽 量 选 用 整 卷 长 度 5 0 0 m 的带 材 ； 2 云母 带 厚 度≤ 0 ． 1 1 mm； 3 粘 胶 带 厚 度≤ 0 ． 0 2 mm； 4 绕 包 角 度 在 4 O 。 ～ 5 O 。 为 宜 带 材 与 电揽 线 芯 夹角 ； 5 绕 包 搭 盖 率 3 0 ～ 4 8 为 宜 ， 搭 盖 率 须 均 匀 ； 6 带 材 宽 度 选 择 应 适 当 ， 确 保 绕 包 表 面平 整 、 不 起 皱 。 使 用 薄型 粘 胶 带 可减 小 带 材 接 头 处 绝 缘 厚度 ， 确保挤出机头不被卡住 。 尽可能选用绕 包 头 转 速 高 于 2 0 0 0 r ／ rai n 的绕 包 机 ， 这 样 可 提 高 生产 速 度 。 4结论 耐 火 电 缆 只 要 采 用 高 质 量 的 云 母 带 ， 可 大 大提 高 产 品性 能 ， 却 使 是 天 然 云 母 也 可 满 足 GB 1 2 6 6 6 ． 6标 准 的 A 类 和 更 为 苛 刻 的 B S 6 3 8 7标 准 的要 求 。当 然 ， 仅 有 高 质 量 的云 母 带 是 不 够 的 ， 要 生 产 出 高 质量 的 耐 火 电 缆 ， 必 须 注 意 云 母 带 、 绝 缘 料 和 护 套 料 的适 当组 合 和 生产 工 艺 的严 格 控 制 也 是 至 关 重 要 的 维普资讯 准标网 w w w .z h u n b i a o .c o m 免费下载