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铁路隧道防火防水防鼠蚁照明电缆的研制

时间:2018-02-22 16:15:22 来源:

1引言
随着我国高速铁路网的不断完善,高铁网规模效应也逐步显现。作为高速铁路的配合工程,铁路隧道建设也将越来越多,这给电缆企业带来了无限商机。根据目前铁路隧道照明及施工电力负荷的要求,铁路隧道内所需敷设的电缆大致可分为以下7种:
1)隧道内的固定照明及施工作业照明用电,用电电压为单相220V;
2)隧道内的铁路施工及公务养护维修机械作业用电,用电电压为三相380V;
3)隧道外其他用户,如工区、巡守房及警卫室等用户的动力及照明用电,用电电压为单相220V及三相380V;
4)对隧道内的固定照明及施工作业照明用电实施全段或分段的多点控制,设置的1条控制电缆;
5)为保障用电安全,实施TN-S保护系统,设置1条接地线;
6)隧道内的固定照明及施工作业照明实施分段控制时,设置1条照明用电缆;
7)当隧道长度在3.5km以上时,必须在隧道中另设电力变压器,设置的1条高压电力电缆。
但是,在隧道内沿洞壁一侧架设电缆时,可供“不侵入限界”挂设电缆的空间净距是非常有限的,当按规定间距挂设各种电缆时,至多只能挂设4~5根电缆。因此,上述的7根电缆就需要在洞壁两侧挂设或改由地下敷设,这样就会大大增加了施工难度,进而增加工程造价。
另外,在铁路隧道这一相对较为封闭的环境中,是比较容易发生火灾、水患和鼠蚁等龋齿动物啃咬的。如若有火险发生,火焰蔓延,非阻燃耐火型电缆极易在火焰中被破坏,会对火险的抢救带来极大的难度,而且电缆绝缘、护套材料在火焰中燃烧释放的各种有害气体,也会对人员造成伤害。而水患的发生则会造成电缆浸水,进而是电路短路而损坏电缆甚至损坏整个电路。而鼠蚁的啃咬则会直接伤害电缆,造成电路中断。
根据上述条件,本公司经过不断的试验,摸索和验证研制开发了铁路隧道防火防水防鼠蚁照明电缆。
2性能要求与电缆结构
2.1 环境要求
因为使用环境的特殊性,所以铁路隧道防火防水防鼠蚁照明电缆应具备以下的性能。
1)隧道环境较为封闭,在施工时各种机械摩擦易蹦出火花,而引发火灾,故要求电缆必须具有阻燃或耐火等防火性能。
2)因铁路隧道多在山中,而且所在地点不一,而我国南方与北方温差比较大,可达到80℃左右,所以设计电缆需具备耐高、低温性能。
3)不管是山岭隧道、水下隧道还是城市隧道,在施工中都会出现滴水或渗水等积水现象,所以设计电缆需具备一定的阻水性能。
4)隧道的周围属于无人居住的区域,是鼠蚁容易聚集的地方,所以设计电缆应有防鼠蚁性能。
5)现在空气质量较差,而隧道又是一个封闭的环境,空气的各种污染物极易积累沉降,而它们具有较强的腐蚀性,所以设计电缆应具备一定的耐腐蚀功能。
2.2 电缆结构
根据上述的性能要求,本文设计出了一种新型铁路隧道防火防水防鼠蚁照明电缆,电缆电压等级为0.6/1kV,9芯,4+1+4结构。图1为电缆的设计结构图。
 
3材料选用
3.1 导体
    因为是在隧道密闭环境中,电缆敷设方式为固定敷设,动力线芯和接地线芯选用绞合紧压铜导体,控制线芯采用了单根实心铜导体,且单根铜丝的体积电阻率不大于1.7×10-8Ω·m。
3.2 绝缘
传统防火电缆的防火绝缘层是在电缆的导体上绕包云母代和挤包阻燃电缆料的组合体来起到阻燃防火或耐火的作用,和普通电缆相比,还会增大电缆的整体外径,且生产效率不高。根据铁路隧道防火防水防鼠蚁照明电缆的环境要求,本文选用了一种新型的无卤低烟阻燃陶瓷化聚烯烃材料来代替传统防火电缆的防火绝缘层,无卤低烟阻燃陶瓷化聚烯烃材料是一种新型的阻燃耐火环保电缆料,有着优良的绝缘性能,优异的阻燃性和耐火性,优异的隔热隔温性能,优良的耐高低温性能和良好的加工性能。本文采用ø65mm挤塑机(螺杆为低烟无卤专用螺杆)在铁路隧道防火防水防鼠蚁照明电缆的导体上直接挤包一层无卤低烟阻燃陶瓷化聚烯烃电缆料代替传统阻燃防火电缆的组合阻燃防火绝缘层,不但减小了电缆的绝缘外径,提高了生产效率,而且阻燃防火性能完全满足要求甚至还高于传统电缆阻燃防火性能。
3.3 成缆与绕包层
为了更好地控制电缆的外径,成缆时,把接地线放在中心,控制线芯作为动力线芯边缘间隙的填充物进行成缆芯绞合,缆芯的绞合节距比控制在25~30倍。绕包层采用双层绕包结构,一层为防火玻璃丝带,具着防鼠蚁啃咬的作用;一层为阻燃型阻水带,具有一定的阻燃性能,且每层的搭盖率不小于20%。
3.4 内护层
因聚乙烯有着较好的耐水性和极低的透水率,选用聚乙烯作为该电缆的内护层,能够实现该电缆的径向防水功能。
3.5 铠装层
隧道里面的环境比较恶劣,电缆在施工时可能会出现不同程度的碰撞,为保障电缆的安全使用,我们设计了铠装层结构,以保障电缆在使用中经受各种异物的撞击。铠装层采用镀锌钢带绕包结构。
3.6 外护层
外护层同样采用有着优异性能无卤低烟阻燃陶瓷化聚烯烃材料作为外护套料,其成分与绝缘相同。
3.7 保护加强层
因隧道多在山中,特别是南方鼠蚁比较多,本文在设计研制该电缆时充分考虑到了鼠蚁灾害,在无卤低烟阻燃陶瓷化聚烯烃材料外护套之外设计了一层保护加强层,保护加强层的材料为新型尼龙材料,具有良好的耐热、耐低温、耐磨、耐化学性和自润滑性,在电缆护套中被称为“柔软铠装”。
4电缆工艺控制
4.1 工艺流程
    铁路隧道防火防水防鼠蚁照明电缆的工艺流程为:拉丝—绞合—挤包绝缘—成缆绕包—挤包内护套—铠装—挤包外护套—挤包保护加强层—成品检验。
4.2 关键工序
   采用全新的无卤低烟阻燃陶瓷化聚烯烃材料作为绝缘和护套,无卤低烟阻燃陶瓷化聚烯烃材料是以聚烯经树脂为基料,加入高效成瓷填料及其他功能助剂,经混炼、塑化和造粒而成,加工工艺与传统的低烟无卤材料相似,因此,在加工时建议使用低烟无卤挤出生产线,挤塑机的螺杆长径比为25:1最佳,压缩比为1.5:1~2.5:1,挤出方式为半挤管式或挤压式,加工温度为机身温度110~40℃,机头温度130~145℃。材料受潮时,应先将材料置于70℃±5℃烘箱中烘干1~2h后使用,如果出现塑化不良,应适当提高机筒温度,但不要高于160℃。无卤低烟阻燃陶瓷化聚烯烃材料的主要性能见表1所示。
表1 无卤低烟阻燃陶瓷化聚烯烃材料性能
项目 单位 典型值
密度 g/cm³ 1.5
抗张强度 MPa ≥9.3
断裂伸长率 % 60
20℃体积电阻率 Ω·m 2.0×1012
介电强度 MV/m 26
冲击脆化温度 -40
卤酸气体释放量 mg/g 0
pH值 - 6.0
电导率 μS/mm 0.7
毒性指数 - 0.6
烟密度(无焰) - 151
烟密度(有焰) - 52
氧指数 % 45
    电缆的加强保护层为尼龙材料[1],属于极性介质,具有亲水基因,极易吸潮,常温条件下将其放入水中,吸水饱和率约为1.6% ,如果在50%的相对湿度下,其吸水率约为0.7%。根据材料厂家介绍,当尼龙料含水量超过0.3%,就无法挤出,且不具有一般塑料明显的 “三态”特性——玻璃态、高弹态和黏流态,即只有明显的玻璃态和黏流态,挤出温度范围比较窄,因此,加工比较困难。挤出前,应先将材料置于80~110℃烘箱中烘干5~6h后使用。建议采用螺杆长径比一般为25:1的挤塑机,螺杆和机筒间隙为0.14~0.18mm,压缩比为4:1或3.5:1,普通渐进型的螺杆在低速时可保证塑化,但挤出量不大,而分离型螺杆塑化更均匀,挤出量更大。挤塑机的温度控制在205~235℃之间,模具不宜过大,模芯内劲只要比缆芯大2~4mm即可,模套比模芯外径大1.2~2.5mm即可(根据挤出的厚度选择),模芯模套的承线长度控制在25~35mm。
 
5性能测试
本文试制的电缆样品(规格为4×35+1×16+4×2.5 ,耐压等级为0.6/1kV),经国家特种电线电缆产品质量监督检测中心(安徽)检验其性能指标达到了设计要求,如表2所示。
 
 
                     
 
 
 
 
 
表2  电缆物理机械性能


项目 单位 技术要求 测试值
1
1.1
 
 
1.2
绝缘物理机械性能
原始性能
抗张强度
断裂伸长率
空气烘箱老化后
(100℃,168h)
抗张强度
抗张强度变化率
断裂伸长率
断裂伸长率变化率
 
 
MPa
%
 
 
MPa
%
%
%
 
 
≥9.3
≥150
 
 
≥9.0
±30
≥150
±30
 
 
12.5
310
 
 
11.8
2
270
-1
2
2.1
 
 
2.2
护套物理机械性能
原始性能
抗张强度
断裂伸长率
空气烘箱老化后
(100℃,168h)
抗张强度
抗张强度变化率
断裂伸长率
断裂伸长率变化率
 
 
MPa
%
 
 
MPa
%
%
%
 
 
≥9.0
≥150
 
 
≥9.0
±30
≥150
±30
 
 
14.3
290
 
 
13.8
-2
280
1
3
3.1
3.2
电气性能
绝缘电阻常数(20℃)
4h交流电压试验
(4kV)
 
MΩ·km
 
≥500
 
不击穿
 
5389
 
未击穿
4
4.1
4.2
 
4.3
4.4
 
4.5
燃烧性能试验
成束燃烧试验(A类)
耐火特性
 
卤素含量测试
pH值
电导率
烟密度
 
m
 
 
mg/g
 
μS/mm
%
 
≤2.5
2A熔断器未熔断
指示灯未熄灭
≤5
≥4.3
≤10
≥60
 
1.08
未熔断
未熄灭
0.03
6.5
4
92
5
5.1
 
5.2
特殊试验
白蚁试验(实验群体法)
  蛀蚀等级
大鼠啃咬试验
防护等级
     
 
1级
 
显著
 

 
6结语
本文主要介绍了铁路隧道防火防水防鼠蚁照明电缆的结构设计、材料选择、生产工艺和性能检测,该产品在试制成功后已投放市场销售,经客户使用反馈良好,其性能可满足铁路隧道的各种环境状况,达到了客户使用要求。该产品一线多能,在市场上具有较大的竞争优势,前景广阔,经济效益显著。
参考文献
    [1] 宋明明. 电力电缆尼龙12护套挤制工艺的探讨[ J ]. 电线电缆, 2008 (5) : 42-45.

责任编辑:杨恒勇,乔文玮

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