燃燒性能Ａ級礦物絕緣耐火電纜設(shè)計

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０引言

ＧＢ３１２４７—２０１４《電纜及光纜燃燒性能分級》將電線電纜的燃燒性能等級分為Ａ、Ｂ１、Ｂ２和Ｂ３共４個等級，其中Ａ級（不燃電纜）要求電纜按ＧＢ／Ｔ１４４０２《建筑材料及制品的燃燒性能燃燒熱值的測定》標(biāo)準(zhǔn)進行測試的總熱值（ＰＣＳ）≤２．０ＭＪ／ｋｇ方可判定為Ａ級［１－２］。ＧＢ５１３４８—２０１９《民用建筑電氣設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》的實施，對電纜燃燒性能等級有了更加明確和嚴(yán)格的要求。ＧＢ５００１６—２０１４（２０１８版）《建筑設(shè)計防火規(guī)范》最新修訂版的征求意見稿中第１０．１．１０條的第１點和第３點進行了修訂，將原來的“礦物絕緣類不燃性”修改為“燃燒性能為Ａ級”，明敷電纜必須要滿足ＧＢ３１２４７—２０１４中燃燒性能等級Ａ級［３］。隨著相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和政策的實施，市場對燃燒性能Ａ級電纜的需求量會迅速增加。隨著對防火安全的日益重視，對建筑防火設(shè)計要求越來越高，國家出臺了相應(yīng)的規(guī)范與規(guī)定，如２０１８年公安部試行《建筑高度大于２５０米民用建筑防火設(shè)計加強性技術(shù)要求（試行）》中第二十五條“消防供配電線路應(yīng)符合下列規(guī)定，消防電梯和輔助疏散電梯的供電電線電纜應(yīng)采用燃燒性能為Ａ級、耐火時間不小于３．０ｈ的耐火電線電纜”。因此，設(shè)計了一種燃燒性能Ａ級礦物絕緣耐火電纜。

１電纜燃燒和耐火性能指標(biāo)

該燃燒性能Ａ級礦物絕緣耐火電纜產(chǎn)品在燃燒性能滿足ＧＢ３１２４７—２０１４標(biāo)準(zhǔn)中Ａ級要求（總熱值≤２．０ＭＪ／ｋｇ）的同時，因其主要用于消防線路，還需要滿足耐火性能的要求。目前，耐火性能測試標(biāo)準(zhǔn)最嚴(yán)格且最接近火災(zāi)時電纜實際工況的是ＢＳ６３８７和ＢＳ８４９１標(biāo)準(zhǔn)，因此該電纜的耐火性能應(yīng)滿足ＢＳ８４９１：２００８標(biāo)準(zhǔn)要求的通過線路完整性試驗，即電纜在９５０℃火焰下，可以持續(xù)為消防設(shè)備供電時間不低于１８０ｍｉｎ。

２電纜燃燒和耐火性能設(shè)計

目前，市場上量產(chǎn)的能夠滿足燃燒性能Ａ級的防火電纜主要是氧化鎂礦物絕緣電纜（ＭＩ電纜）。該ＭＩ電纜的結(jié)構(gòu)簡單，除絕緣氧化鎂粉末外都是金屬材料，故總熱值≤２．０ＭＪ／ｋｇ，但由于結(jié)構(gòu)和工藝限制，電纜的硬度大、難彎曲，行業(yè)內(nèi)統(tǒng)稱其為剛性防火電纜。ＭＩ電纜多芯最大僅能生產(chǎn)２５ｍｍ２規(guī)格，超過２５ｍｍ２規(guī)格只能做成單芯。此外，氧化鎂材料易吸潮，高溫下絕緣電阻明顯降低。由此，在該燃燒性能Ａ級礦物絕緣耐火電纜設(shè)計時摒棄傳統(tǒng)ＭＩ電纜形式。在綜合考慮燃燒性能和耐火性能兩個指標(biāo)后，將設(shè)計原則定為先將電纜所用材料（除金屬材料外）的燃燒熱值控制在２．０ＭＪ／ｋｇ以內(nèi)，以確保電纜符合燃燒等級Ａ級的要求，再對耐火結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。

２．１絕緣材料選擇

礦物絕緣耐火電纜常用的絕緣材料主要有氧化鎂、云母帶以及交聯(lián)聚乙烯（ＸＬＰＥ）等，表１示出了按標(biāo)準(zhǔn)ＧＢ／Ｔ１４４０２測得的各類絕緣材料燃燒熱值。可見，只有氧化鎂和煅燒云母帶的燃燒熱值能夠滿足燃燒性能Ａ級對材料的燃燒熱值要求。基于氧化鎂礦物絕緣電纜的諸多缺點，燃燒性能Ａ級礦物絕緣耐火電纜選擇了煅燒云母帶作為絕緣材料。煅燒云母帶是一種復(fù)合材料，主要由云母紙、補強材料和膠黏劑組成［４］，其中補強材料一般為玻璃纖維。云母紙和玻璃纖維主要成分是無機物，燃燒熱值極小，故可以忽略不計，但膠黏劑為有機物，燃燒時會釋放較多熱量，因此需要控制煅燒云母帶中膠黏劑的含量以及云母帶生產(chǎn)工藝，確保煅燒云母帶燃燒熱值≤２．０ＭＪ／ｋｇ。

２．２填充材料選擇

多芯電纜需要成纜，成纜時為保證電纜圓整需要填充，填充材料也會影響成品的性能。多芯電纜常用的填充材料主要有無鹵阻燃填充繩、玻纖繩、陶瓷化硅膠填充條等，表２示出了按標(biāo)準(zhǔn)ＧＢ／Ｔ１４４０２測得的各類填充材料燃燒熱值。可見：無鹵阻燃填充繩與陶瓷化硅膠填充條的燃燒熱值均超過２．０ＭＪ／ｋｇ，這是因為無鹵阻燃填充繩主要基材是聚烯烴，陶瓷化硅膠填充條主要基材是硅橡膠，兩者均為有機物，在氧彈環(huán)境中會充分燃燒釋放出大量熱量；玻纖繩主要成分為ＳｉＯ２，因此燃燒熱值很小，主要是附著在玻纖表面的有機物釋放的熱量。綜上，燃燒性能Ａ級礦物絕緣耐火電纜選擇了玻纖繩作為電纜的填充材料。

２．３保護層結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選擇

電纜成纜時需要設(shè)計保護層，以防止鎧裝時絕緣受損，影響電纜電氣性能。保護層結(jié)構(gòu)主要有繞包和擠包兩種形式。保護層采用擠包形式時，所用材料基本上都是能夠通過擠塑機擠出的有機物，燃燒熱值也均超過２．０ＭＪ／ｋｇ，因此燃燒性能Ａ級礦物絕緣耐火電纜保護層選擇了繞包形式。常用的繞包帶材主要有玻璃纖維帶、無紡布、低煙無鹵高阻燃帶等。表３示出了按標(biāo)準(zhǔn)ＧＢ／Ｔ１４４０２測得的各類繞包帶材燃燒熱值，可見只有玻璃纖維帶能夠滿足燃燒性能Ａ級對材料的燃燒熱值要求。為避免玻璃纖維帶上斷裂的纖維刺入纜芯絕緣層中，造成電纜絕緣電阻降低，在纜芯外先繞包多層煅燒云母帶，然后再繞包玻璃纖維帶。

２．４鎧裝層結(jié)構(gòu)設(shè)計

電纜耐火性能需要滿足ＢＳ６３８７或ＢＳ８４９１標(biāo)準(zhǔn)，兩個標(biāo)準(zhǔn)均有沖擊和噴淋試驗，因此成纜后的纜芯外需要設(shè)計鎧裝層才能保證耐火性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。常用的鎧裝結(jié)構(gòu)有鋼帶（或鋁合金帶）繞包、擠鋁管、氬弧焊銅管等。其中鋼帶（或鋁合金帶）繞包不是密封結(jié)構(gòu)，擠鋁管和氬弧焊銅管為密封結(jié)構(gòu)。金屬鋁的熔點僅為６６０℃左右，銅的熔點約為１０８３℃，而耐火性能試驗火焰溫度約為９５０℃，在此高溫下金屬鋁會熔化，無法阻止水分進入纜芯，因此燃燒性能Ａ級礦物絕緣耐火電纜鎧裝層選擇了氬弧焊波紋銅管形式。

２．５電纜整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

綜上，設(shè)計的燃燒性能Ａ級礦物絕緣耐火電纜結(jié)構(gòu)如圖１所示，導(dǎo)體外繞包煅燒云母帶作為絕緣，成纜時選擇玻璃纖維繩作為填充，氬弧焊波紋銅管作為金屬鎧裝層（金屬護套）。

３電纜燃燒和耐火性能驗證

委托國家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心對所研制的燃燒性能Ａ級礦物絕緣耐火電纜進行燃燒和耐火性能檢測，測試結(jié)果如表４所示，可見電纜燃燒性能滿足標(biāo)準(zhǔn)ＧＢ３１２４７—２０１４中Ａ級要求，同時耐火性能滿足ＢＳ８４９１：２００８要求，即電纜在９５０℃火焰下，可以持續(xù)為消防設(shè)備供電時間不低于１８０ｍｉｎ。

４總結(jié)

燃燒性能Ａ級礦物絕緣耐火電纜需要選擇合適的材料，合理設(shè)計結(jié)構(gòu)，才能同時滿足燃燒性能Ａ級和線路完整性的要求，保證線路在火焰下的正常供電，同時釋放的熱量不至于引燃電纜周圍可燃物，保證人員的生命和財產(chǎn)安全。

［參考文獻］

［１］公安部．電纜及光纜燃燒性能分級：ＧＢ３１２４７—２０１４［Ｓ］．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，２０１５．

［２］包光宏，程道彬．ＧＢ３１２４７—２０１４《電纜及光纜燃燒性能分級》解讀［Ｊ］．建筑電氣，２０１５，３４（７）：１８－２１．

［３］住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．建筑設(shè)計防火規(guī)范：ＧＢ５００１６—２０１４（２０１８版）［Ｓ］．北京：中國計劃出版社，２０１８．

［４］代娜．淺析電線電纜用耐火云母帶［Ｊ］．電線電纜，２０２０（３）：３２－３４．

作者:王朋 霍戰(zhàn)營 張右 周鋒 劉星 單位:遠東電纜有限公司新遠東電纜有限公司