中压耐火电缆的优化设计.pdf

2012 年第 5 期 No． 52012 电 线 电 缆 Electric Wire ＆ Cable 2012 年 10 月 Oct．， 2012 中压耐火电缆的优化设计 迟先吉， 韩盼 兴乐集团有限公司，浙江 温州 325604 摘要 介绍中压耐火电缆优化设计的思路及隔热材料的选用， 采用温度测量方法来确定组合耐火层结构尺寸， 以达到耐火层最优的设计方案。 关键词 中压耐火电缆;工艺优化;结构设计;温度曲线 中图分类号 TM247． 1文献标识码 A 文章编号 1672- 6901 2012 05- 0011- 02 The Optimal Design of the Fire- Resistant MV Cable CHI Xian- ji，HAN Pan Xingle Group Co．，Ltd．，Wenzhou 325604，China AbstractThis paper describes the fire- resistant MV cable to optimize the design ideas and the selection of thermal insulation material，and the use of temperature measurements to determine the combination of fire- resistant layer structure size，in order to achieve optimal design fire- resistant layer． Key wordsfire- resistant MV cable;process optimization;structural design;temperature curve 收稿日期 2011- 12- 06 作者简介 迟先吉 1974 － ， 男， 工程师． 作者地址 浙江乐清市柳市后街工业区昌盛路 17 号 ［ 325604］ ． 0引言 随着我国经济建设步伐的加快， 高层建筑、 地 铁、 发电厂、 核电站、 隧道等重要场所的中压配电系 统， 对电缆在火灾条件下的安全性提出了更高的要 求， 于是中压耐火电缆应运而生。但是由于中压电 缆特殊的电气性能要求， 不能采用低压耐火电缆的 通用生产方式， 需要采用一种特殊的生产方式。这 导致中压耐火电缆结构尺寸偏大， 给敷设安装带来 不便。针对这种情况， 我们有必要根据中压耐火电 缆的特点， 对现有结构设计进行优化。 1中压耐火电缆优化思路 1． 1中压耐火电缆结构 由于中压交联聚乙烯 XLPE 绝缘电力电缆在 较高电压下运行， 其特殊的电气性能要求绝缘线芯 必须由导电线芯、 导体屏蔽、 XLPE 绝缘和绝缘屏 蔽、 金属屏蔽等组成。因此， 制造中压耐火电力电 缆， 不能采取在导体上绕包耐火云母带的方式， 也不 能采取铜芯铜护套氧化镁绝缘方式。绝缘线芯不能 设置耐火层， 只能在缆芯外设置， 采用隔热层、 降温 层和挡火层组合的耐火结构。 电缆由外至内的结构为外护套、 挡火层、 降温 层、 隔热层、 外屏蔽层、 绝缘层、 导体屏蔽层和导体。 外护套起阻燃作用; 挡火层由金属材料构成， 起到阻 止火焰向内蔓延及抗冲击保护作用; 降温层采用专 门研制的隔氧层材料， 该材料在高温时会形成一个 不熔不燃的氧化铝硬壳， 阻止火焰、 氧气向电缆内部 蔓延， 同时会放出大量水分， 水分蒸发吸收大量热量 对电缆起到降温作用， 从而在一定时间内从电缆表 面到内部形成温度梯度; 隔热层采用具有良好绝热 性能的石棉纤维带， 阻止高温传递到绝缘层。通过 以上各层的综合作用， 最终实现耐火的目的。隔热 层厚度通常选取 15 ～20 mm， 降温层为 2 ～3 mm。 1． 2存在的问题 中压耐火电缆采用在缆芯外设置组合耐火层， 在使用过程中出现两个问题 一是电缆载流量偏低， 电缆出现发热现象; 二是电缆外径较大给敷设安装 带来不便。其原因主要与组合耐火层有关， 组合耐 火层可实现电缆耐火， 但是它的存在对电缆的载流 量起到了一定的限制作用。其工作原理是通过隔绝 外界温度来实现的， 同时也限制了电缆本身热量的 散发。为了满足电缆耐火要求， 组合耐火层的结构 尺寸比较厚， 导体温度不能及时散发到空气中， 导致 电缆载流量降低。隔热层采用石棉纤维带绕包， 石 棉层较厚， 导致电缆外径偏大给敷设安装带来不便。 1． 3优化设计方案 1． 3． 1隔热材料的选取 隔热材料的选取主要考虑三方面因素 一是隔热 效果; 二是便于连续生产; 三是材料成本。隔热效果 主要以材料的导热系数为判断依据， 导热系数是指在 稳定传热条件下， 1 m 厚的材料， 两侧表面的温差为 1℃ K 时， 在 1 s 内通过 1 m2面积传递的热量。目 前常采用的隔热材料性能见表 1 玻璃纤维和玄武岩 纤维材料隔热效果是最好的， 但是由于其较脆会给生 产带来不便; 石棉材料虽然加工性能较好， 但是材料 导热系数相对来说较高， 需要隔热层厚度较厚; 陶瓷 纤维材料是一种集传统绝热材料、 耐火材料优良性能 于一体的纤维状轻质耐火材料， 导热系数较小， 同时 还可以通过添加加强材料制成一定强度的带材， 这就 为产品批量生产提供了可能。石棉纤维带参考价格 一般为20 元/kg，陶瓷纤维带价格在 28 元/kg， 但是 陶瓷纤维带比石棉纤维带密度低 10 左右， 而且隔 热性能好、 用量少、 产品外径小， 综合以上考虑决定采 用陶瓷纤维材料代替石棉带作为隔热层。 表 1常用隔热材料性能 材料名称 导热系数 / W/m K 材料性能 加工 性能 石棉0． 104 高度耐火性、 耐化学和热侵 蚀、 电绝缘性和绝热性， 是重要 的防火、 绝缘和保温材料 优异 玻璃纤维0． 035 绝缘性好， 耐热性强， 抗腐蚀 性好， 机械强度高， 但缺点是性 脆， 耐磨性较差 较差 玄武岩纤维0． 035 类似于玻璃纤维， 其性能介 于高强度 S 玻璃纤维和无碱 E 玻璃纤维之间 较差 陶瓷纤维0．06 是一种纤维状轻质耐火材 料， 具有重量轻、 耐高温、 热稳 定性好、 导热率低、 比热小及耐 机械震动等优点 优异 1． 3． 2组合耐火层结构尺寸的优化设计 在满足耐火要求的同时对电缆载流量影响又最 小， 找到这个平衡点是本次优化设计的关键。电缆 在较高电压下运行， 必须考虑温度对绝缘电阻的影 响。绝缘电阻与绝缘电阻系数成正比， 绝缘电阻系 数随温度上升而迅速下降。 从相关资料可查得， XLPE 绝缘电缆在短时间 内可以在 300℃ 下安全运行。基于以上考虑， 本次 优化设计采用不同的隔热层、 降温层厚度 见表 2 ， 在成缆过程中加入热电偶来对样品在火焰条件下的 温度情况进行监测， 得到组合耐火层厚度与火焰条 件下电缆内部温度曲线 见图 1 。从表 2 和图 1 可 知， 隔热层厚度为 9 mm、 降温层厚度为 2． 5 mm 的 样品 B， 在火焰条件下 90 min 后电缆内部温度在 300℃左右。在此温度下电缆既能满足耐火需要又 能保证对电缆载流量的影响最小， 同时电缆外径减 小 20 ～30 mm。 表 2组合耐火层厚度 单位 mm 样品编号ABCDE 隔热层691599 降温层2．52．52．52．03．0 图 1组合耐火层厚度与电缆内部温度曲线 2电缆的耐火试验 目前， 国内外对中压耐火电缆的试验还没有出 台相关标准。针对此情况， 我们参照 IEC 60331 及 GB/T 196662005 标准相关规定， 制定了中压耐火 电缆技术要求及试验方法。具体规定如下 电缆在 额定工作电压下， 火焰温度不低于750 ℃， 在供火时 间 90 min 内熔断器不断， 则判为合格， 反之不合格。 经过优化设计试制的样品 B， 经国家电线电缆监督 检验中心检测其性能完全符合标准要求。 3结束语 中压耐火电缆的设计不能只考虑电缆的耐火性 能， 应综合考虑材料的选择、 结构尺寸和电气性能 等， 通过试验验证得出最佳设计方案。随着科技的 发展， 我们应多关注其它新材料， 以便对中压耐火电 缆不断进行设计优化。 目前国内中压耐火电缆还没有统一的标准， 各 生产企业的生产工艺、 结构设计及检验标准各不相 同， 急需出台相关的技术标准， 以规范中压耐火电缆 的生产及检验。 参考文献 ［ 1］GB/T 196662005阻燃耐火电缆通则［ S］ ． ［ 2］GB/T 192162003在火焰条件下电缆或光缆的线路完整性 试验［S］ ． ［ 3］卓金玉． 电力电缆设计原理［M］． 北京 机械工业出版社， 1999． 21 2012 年第 5 期 No． 52012 电 线 电 缆 Electric Wire ＆ Cable 2012 年 10 月 Oct．， 2012