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矿物绝缘电缆的性能及其应用前景 摘要在现代的配电系统中矿物绝缘电缆有着广泛的使用空间，其耐火性、耐久性、安全性、可靠性、施工便捷和经济性是传统的电力电缆所无法取代的。 关键词矿物绝缘电缆 重要场所 危险场所 消防 电气火灾 安全性 矿物绝缘电缆（MineralInsulatedCables）简称MI电缆，是一种无机材料电缆。电缆外层为无缝铜护套，护套与金属线芯之间是一层经紧密压实的氧化镁绝缘层。按用途不同可分为配线电缆（WiringCables）、加热电缆和加热元件（HeatingCablesandHeatingElements）、热电偶电缆及补偿电缆（ThermocoupleCablesandCompensating）、特种电缆（SpecialCables），在实际应用中最常用的是配线电缆，本文着重介绍配线电缆在工程应用中的主要特性。 安全性 据统计，1997年我国电气火灾发生次数占火灾总次数的26.5，造成的损失为总损失的43.9。1998年相应比例为27.5和37.3，电气火灾的发生次数以及所造成的损失均属各类火灾之首。据分析，其中由线路引发的占电气火灾的一半之多，所以合理地选择电缆是避免电气火灾或即使发生火灾也能可靠保证消防设备供电的连续性，进而尽早灭火，减少损失的重要环节。 矿物绝缘电缆是由铜和氧化镁制成。铜的熔点为1083℃，氧化镁的熔点是2800℃。所以在其温度不超过1000℃时，电缆结构不会出现问题。因此在绝大部分场所是不会因熔化或燃烧而解体的，更不会传播火种。 矿物绝缘电缆是由无机材料制成，它不会放出任何烟雾和有害气体，而相比之下，传统的电缆（包括阻燃、低烟低卤、低烟无卤和其相应的耐火电缆）在着火、被火烧或长期过载绝缘受损时烟雾和有害气体都会存在。聚氯乙烯绝缘电缆的烟雾中有大量的CO、CO2和氯化物，其它电缆的烟雾中还会含有溴化物、氟化物和硫化氢，这些物质对人的危害是很大的。根据美国海军工程标准NES713提供数据，一些有害气体很少量就会造成人体的极大伤害（见表1）。含氯化物的电缆燃烧时产生HCL气体会使弱电系统损坏。矿物绝缘电缆在火灾时，可保证3小时以上的持续供电时间，远远大于国家规范的要求（见表2）。 表1部分有害气体对人体的伤害量 气体名称 化学式 30分钟致死浓度（ppm） 二氧化碳 CO2 100000 一氧化碳 CO 4000 硫化氢 H2S 750 氨 NH3 750 甲醛 HCHO 500 氯化氢 HCL 500 内烯腈 CH2CHCN 400 二氧化硫 SO2 400 氮氧化物 NONO2 250 酚 C6H5OH 250 氰化氢 JCN 150 溴化氢 HBVr 150 氟化氢 HF 100 光气 COCL2 25 表2消防用电设备在火灾发生期间的最少连续供电时间 序号 消防用电设备名称 保证供电时间（min） 1 2 3 火灾自动报警装置 人工报警器 各种确认、通报手段 ≥10 ≥10 ≥10 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 消火栓、消防泵及自动喷水系统 水喷雾和泡沫灭火系统 CO2灭火和干粉灭火系统 卤代烷灭火系统 排烟设备 火灾广播 火灾疏散标志照明 火灾暂时继续工作的备用照明 避难层备用照明 消防电梯 直升停机坪照明 60 30 60 ≥30 60 ≥20 ≥20 ≥60 60 60 60 在耐过电压方面，传统电缆在超过其极限耐压值发生意外时被击穿，绝缘层被损坏，电缆必须更换，而矿物绝缘电缆击穿的是击穿处的空气电离作用，氧化镁熔化后成份不会改变。所以矿物绝缘电缆在耐过电压和性能稳定性方面远远优于传统电缆。 在防水、防爆方面，矿物绝缘电缆是最安全的电缆。由于其护套是无缝铜管，水、油和气体不会渗透到电缆内部，在有腐蚀性的特性场所可加装PVC护套，多种的防护措施使其有极高的安全性。在耐机械损伤方面，矿物绝缘电缆可经受剧烈的机械破坏，而不会损害其导电性能，在电缆外径变形到原外径1/3的情况下仍可正常工作。在耐辐照方面，因为其为无机材料制成，材料自身时性稳定，可长期保持较高绝缘电阻，而传统电缆其绝缘层在强辐照下很容易老化，绝缘特性降低出现危险。 从上述各方面的比较可以看出，矿物绝缘电缆是最安全的电缆。 二．耐火性 目前常用的聚氯乙烯电缆（普通型、阻燃型、耐火型等）最高使用温度为70℃，超过此温度绝缘层老化加速，寿命缩短，进而引发火灾。按照英国BS6387电缆耐火特性测试标准，只有矿物绝缘电缆能满足以下三种测试 A明火燃烧950℃，持续3小时 B明火燃烧650℃，喷淋水持续15分钟 C明火燃烧950℃，每隔30秒用重物撞击， 国产的耐火电缆（NHVV）只能满足GB12666.6-90耐火测试中A类测试明火燃烧950℃，持续90分钟。而大多数厂家生产的耐火电缆仅能满足B类测试；明火燃烧750℃，持续90分钟。下面引用公安部四川消防科研所和浙江久立耐火电缆有限公司做的几种电缆短样随炉温变化的耐火实验数据（见表3）由实验结果可以看出矿物绝缘电缆的耐火特性是十分优秀的，即使其它任何电缆附加保护装置也无法与其相比。 表3电缆燃烧试验结果 序号 加热时间（分、秒） 炉温（℃） 备注 1 0 33 开始加温 2 10分 238 3 13分 386 炉中开始大量冒出黑烟 4 14分13秒 506 普通聚氯乙烯电缆穿管短路 5 14分55秒 559 阻燃电缆短路 6 15分58秒 579 阻燃隔氧层电缆短路 7 20分38秒 596 阻燃电缆穿管短路 8 25分10秒 650 耐火电缆短路 9 26分36秒 670 阻燃隔氧层电缆穿管短路 10 35分34秒 784 耐火电缆穿管短路 11 50分 901 12 60分 953 13 70分 1003 14 80分 1043 15 120分 1037 矿物绝缘电缆仍完好 三．高可靠性 一种定义耐火电缆的依据是GB12666.6-90电线电缆耐火性试验方法和IEC331（1970），这一标准定义“耐火电缆是在长时间燃烧以及长时间燃烧后仍能继续正常工作的电缆；假设火的大小足以破坏施加火焰处的有机材料。”就其结构而言，耐火电缆就是在导电线芯上缠绕云母带再挤塑料绝缘和护套，从试验内容上是一种单一的火焰燃烧环境。对于电缆系统而言，结构的破坏和热绝缘的损坏并不重要，主要判断准则是该电缆在整个火灾过程中维持电路的完整性如何。而在火灾现场各种外界因素的作用很多，如重物冲击，对于外层烧毁而使内部绝缘层变得结构疏松的耐火电缆来说，就如雪上加霜，稳定性大打折扣，虽然可以在线路上加防火措施也很难弥补其先天的不足，而矿物绝缘电缆内部结构紧密，铜外套在高温下不会脱落，即有重物冲击，一般情况下只会变形而不会断裂，它有先天的优越性。所以在耐火性能上矿物绝缘电缆占有绝对的优势。电缆除了火的作用外，建筑物的移动、振动以及水的冲击对电缆有更加不良的作用。从公安部四川消防科研所及浙江久立耐火电缆有限公司作的模拟实体火灾电缆特性实验报告中就可看出，见表4、表5。 表4重物冲击实验电缆失效记录 敷设 方式 燃烧时间 短路电缆 下落物 重量kg 下落时间 绝缘电阻 MΩ/500V 备注 支 架 裸 敷 13分55秒 隔氧层电缆 GZR-VV-41.5 0 重物尚未下落,该电缆表面温度732℃,绝缘、护套材料全部烧毁、隔氧材料散脱 14分56秒 耐火电缆 NH-VV-3614 1．6 14分56秒 0 下落1．6kg重物至使线芯短路,该电缆表面温度318℃,绝缘、填充材料及护套材料烧毁,云母带粉化 矿物绝缘电缆BTTZ-34 20分钟 3．3 20分钟 70 护套表面起氧化皮, 有砸痕,未砸破 25分28秒 5．2 25分28秒 300 护套表面起氧化皮, 有砸痕,未砸破 31分 7．5 31分 150 护套表面起氧化皮, 有砸痕,未砸破 表5水喷洒冲击实验电缆失效记录 敷设 方式 燃烧时间 短路电缆 喷水时间 喷水压力 MPa 绝缘电阻 MΩ/500V 备注 支 架 敷 设 15分52秒 隔氧层电缆GZR-VV-41.5 未喷水 0.1 0 尚未喷水,电缆表面温度685℃,喷水后只剩铜导电线芯, 绝缘、护套材料全部烧毁、隔氧材料散脱 13分41秒 耐火电缆 NH-VV-3614 未喷水 0.1 0 尚未喷水,电缆表面温度583℃,喷水后只剩铜导电线芯, 绝缘、填充材料及护套材料烧毁,云母带粉化 矿物绝缘电缆BTTZ-34 32分25秒 32分25秒 0.1 16 护套表面起氧化皮 43分25秒 43分25秒 0.1 400 护套表面起氧化皮 矿物绝缘电缆在带15KW水泵负载的实验中，可以发现在水喷淋冲击其所载电流几乎没有变化，所以矿物绝缘电缆的耐火性能是极为可靠的。 四．耐久性 正常使用电缆寿命是由其绝缘层的完好程度来决定的。塑料电缆中寿命较长为交联聚乙烯绝缘电缆。在完全正常的使用条件下，最长的使用寿命是40年左右，聚氯乙烯绝缘电缆的使用寿命约为20年。如果出现过载情况发生，寿命会大幅度降低，如果发生局部火灾，电缆受损还必须更换。按建筑物正常的使用寿命计算，电缆也至少得更换2次以上。 矿物绝缘电缆的寿命取决于铜护套的氧化速度，其氧化速度与其工作温度有关，即使在250℃下长期使用，需要2.57年才使铜护套氧化0.025mm，表6列出了不同温度下铜护套的氧化速率。 表6不同温度铜护套氧化速率 序号 护套厚度（μm） 250℃（年） 400℃（年） 800℃（小时） 1 25.4 2.57 0.0538 0.259 2 50.8 10.3 0.233 1.04 3 127.0 64.3 1.46 6.48 4 254.0 257 5.83 25.9 由此表中数据可以看出，即使是最小规格的矿物绝缘电缆（其铜护套厚度为0.46mm）其寿命也可达数百年，远远超过建筑物的使用寿命而实际上电缆也不可能长期在250℃下使用。即使铜护套氧化，其氧化物-氧化铜仍是良导体，对其性能的影响很小。所以，矿物绝缘电缆是一种“永久性电缆”。 五．经济性 电缆的经济性应从两方面考虑一是初投资、二是运行费用。 从初投资方面，由于矿物绝缘电缆的结构与材料和其他电缆不同，同截面电缆单位长度的价格要比聚氯乙烯绝缘电缆（包括阻燃和耐火电缆）高，但是矿物绝缘电缆的使用温度为95℃，IEC364-5-52394年修订版规定裸矿物绝缘电缆使用温度可达105℃，因而载流量要比耐火电缆高得多。若按允许温升到90℃来选择矿物绝缘电缆，在25mm2以下时,其截面比耐火电缆小一个截面等级，而35 mm2及以上时（35 mm2及以上的矿物绝缘电缆为单芯结构），可以小两到三个截面等级。相对于耐火电缆单纯从价格上相差不大，在矿物绝缘电缆相对与耐火PVC电缆NH-VV（70℃）、耐火PVC钢带铠装电缆NH-VV22（70℃）、耐火低烟无卤电缆NH-DW-YJE（90℃）的性格比较中，相同载流量下的价格差在-2237之间，这个比较是在以下条件下进行的 载流量按照环境温度30℃。 NH-VV电缆及NH-DW-YJE电缆价格按照国家红本价格下浮30计算。NH-VV22电缆价格按照国家红本价格下浮35计算。 矿物绝缘电缆的护套替代DE线。 可以看出矿物绝缘的价格并不是很高，但其优异的性能指标是其它传统电缆无法比的，所以矿物绝缘电缆的性价比是非常高的。 矿物绝缘电缆比密集型母线槽（三相五线）的价格优势更为明显，2001000/A时密集型母线槽比其贵604147，而且耐火及施工费用方面矿物绝缘电缆有很大的优势。 矿物绝缘电缆可以直接明敷，不需其它的防火附件（如防火桥架或耐火线槽等），桥架或线槽部分可以节省很多的资金，因为矿物绝缘电缆的外层为铜护套可以作为接地线，节省一根电缆，而且接地效果和可靠性更好，也节省了相应的施工费用。矿物绝缘电缆施工方便，节省施工时间和强度，其弯曲半径小于传统电缆，节省空间。 如浙江久立耐火电缆有限公司在人民大会堂大礼堂改造工程中，采用矿物绝缘电缆的工程总造价是采用耐火电缆方式的97.59，而且施工周期短，施工用料少，工人劳动强度降低，劳动用工的工时数为采用耐火电缆的38。 从使用费用方面，矿物绝缘电缆允许在更高的温度下使用，截面35 mm2及以上为单芯结构，散热条件好，只需明设，而其它电缆，尤其是消防用电线路必须加以保护（如明敷穿钢管做防火处理、耐火线槽或暗设埋入混凝土中等），这样就会使电缆比在其明敷时载流量更低，同截面时损耗比矿物绝缘电缆要大得多。在电压降方面，矿物绝缘电缆也远优于传统电缆。表7中更出了矿物绝缘电缆与聚氯乙烯绝缘电缆的载流量及电压降的对比，可以明显看出矿物绝缘电缆的优势。 表7矿物绝缘电缆与聚氯乙烯绝缘电缆载流量及电压降对比 电缆芯线截面 矿物绝缘电缆（4芯） 聚氯乙烯绝缘电缆（4芯） 载流量（A） 电压降（毫伏/安培/米） 载流量（A） 电压降（毫伏/安培/米） 1.5 21 24 15.5 25 2.5 28 14 21 15 4 37 9.1 28 9.5 6 47 6 36 6.4 10 64 3.6 50 3.8 16 85 2.3 58 2.4 25 110 1.45 89 1.55 表中环境温度均为30℃，矿物绝缘电缆温升至护套温度为70℃，聚氯乙烯电缆温升至芯线温度70℃。 相同截面截流量的增加可以减小占用的空间，电压降的降低不仅可以提高电源使用效率，还可以提高受电设备的使用寿命和可靠性，而且上述的比较中只是一次性投资的比较，还未考虑聚氯乙烯电缆由于自然老化在2040年就要更换的因素。所以在经济性方面从整体考虑，矿物绝缘电缆优于传统电力电缆。 六．易于施工 相同截面下，矿物绝缘电缆的外径、体积、重量比传统电缆小得多。据俄罗斯学者计算，在1050A的三相交流线路中，矿物绝缘电缆与橡皮绝缘电缆相比，重量轻30，外型尺寸小67。美国电气保险商试验室（UL）确认矿物绝缘电缆比其他电缆穿刚性电缆管（RigidConduit）重量轻60，所需空间少80。另外矿物绝缘电缆允许的弯曲半径比其它电缆小得多，其弯曲半径根据规格不同在电缆外径的26倍之间，远比传统电缆的1030倍要小，所以安装的要求比传统电缆宽松，所需的空间也小，劳动强度也低，尤其是在改造工程中，其优势更为明显。所以矿物绝缘电缆在施工便捷方面远优于传统电缆。 在国外矿物绝缘电缆已得到广泛应用，其领域包括民用及公用建筑、机场、地铁、医院、古建筑、加油站、船坞、冶金等等。在国内近几年才开始应用。1999年建设部发行了矿物绝缘电缆的施工图集，其可靠性得到了认可，并将以其十分优越的性能在今后的工程使用中得到更加广泛的认同。 参考文献 1.〈〈民用建筑电气计规范〉〉JGJ/T 16-92中国计划出版社 1993 2.〈〈电源质量问题初探〉〉国际铜业学会（中国） 3. 公安部四川消防科研所及浙江久立耐火电缆有限公司〈〈模拟实体火灾 电缆特性实验报告〉〉 2001.7