剛性與柔性礦物絕緣電纜應用性綜合對比研究

* 來源: * 作者: * 發表時間: 2020-11-23 18:32:31 * 瀏覽: 5

隨著國內經濟建設的迅猛發展,人們對消防安全的重視程度與日俱增,自2015 年設計規范 GB50016-2014《建筑設計防火規范》重新修訂實施后,明確要求礦物絕緣類不燃電纜強制應用于消防配電線路設施,至此礦物絕緣電纜在國內市場呈現出爆炸式增長。傳統礦物絕緣電纜也被稱為(剛性)礦物絕緣電纜,其防火性能出色、科技含量高,但制造過程復雜, 生產企業需要投入較高資金用于技術研發及裝備改良。雖然該產品在我國推廣應用已經超過20 年,但國內有能力研制的企業并不多,尤其是專業化礦物絕緣電纜生產企業更為稀缺。同時,受其結構特點的限制,礦物絕緣電纜的交貨長度隨導線截面增大而縮短,長距離敷設時中間接頭多、氧化鎂絕緣易吸潮、電纜剛度大敷設不便等特點,除少數具備先進施工水準的企業外,被大多數安裝公司抵觸使用。

因此,一些生產企業針對礦物絕緣電纜須滿足 BS6387C、W、Z 的防火檢驗標準,在傳統有機塑料電纜制造工藝的基礎上,進而推廣了一系列同樣滿足該檢驗標準的產品,目前該類產品尚無國家相關標準,業內也被稱為非標礦物絕緣電纜。由于構造類似于有機電纜,故而冠以(柔性)礦物絕緣電纜之名,借此替代傳統(剛性)礦物絕緣電纜。

通過近幾年的市場推廣,非標(柔性)礦物絕緣電纜在國內也取得了諸多業績,但非標(柔性)礦物電纜是否等同于傳統(剛性)礦物電纜?其耐火性能、安全可靠性與傳統(剛性)礦物電纜有何區別?筆者結合現行國家標準及規范,就兩者產品的結構原理、電氣性能、施工特點進行綜合比較。

1 礦物絕緣電纜綜述

1.1 傳統(剛性)礦物絕緣電纜誕生于19 世紀末,由瑞士工程師ArnoldFrancoisBorel 提出設想,并于1896年獲得專利權, 隨后于1934-1936 年投入到法、英生產便迅速發展。我國于上世紀60 年代研制,最初只涉及軍事領域,80 年代中期出現工業化生產,如今已被全面推廣到建筑領域。按照 GB50054—2011《低壓配電設計規范》、JGJ232—2011《礦物絕緣電纜敷設技術規程》對其定義為 :在同一金屬護套內,由一根或數根導體經緊壓成形的粉末礦物絕緣密實組成。GB/T13033-2007《額定電壓750V 及以下礦物絕緣電纜及終端》明確規定礦物絕緣電纜的型號包括750V 重型(BTTZ、BTTVZ、WD-BTTYZ)、500V 輕型(BTTQ、BTTYQ、WD-BTTYQ)共六種型號,根據表1 可知(柔性)礦物絕緣電纜的絕緣并非采用密實礦物粉末組成。因此從嚴格意義來講,它并非礦物絕緣類電纜。

表1 常見礦物絕緣電纜結構對比

1.2 非標(柔性)礦物絕緣電纜發明較晚,最初于上個世紀70 年代由瑞士 Studer 公司研制而成。我國自2001 年出現該產品后,其種類也在不斷變化,諸如 YTTW- 金屬護套柔性礦物絕緣電纜、NG-A(BTLY)- 隔離型柔性礦物絕緣電纜、BBTRZ- 柔性礦物絕緣電纜等,目前各個生產廠家自行對產品命名,原材料及制造標準也不盡相同。由于還未頒布相關的國家標準,現今只能參考一些企業標準或行業標準,其防火性能更是缺乏依據。

2 結構原理比較

2.1 絕緣材料

2.1.1 (剛性)礦物絕緣電纜的絕緣采用無機礦物材質 MgO(氧化鎂)粉末壓縮密實而成,通常填充密度為75%~80%,如表2 所示,其熔點遠遠超過銅護套熔點(1083℃),且電阻率受溫度變化影響小,在高溫下具有優良的電絕緣性和散熱性,作為無機礦物材料,其天然的不燃性以及無煙無鹵特性非常適合于重要場所消防配電線路,唯一的不足是MgO 易吸收空氣中的水分,電纜的臨時封端或電纜頭制作須在1h 內完成,否則絕緣阻值會迅速降至10MΩ 以下。但由于MgO H2O(熱水) Mg(OH)2 ↓屬可逆反應,在施工過程中利用火焰噴燈等方式對電纜端部區域反復加熱,可以消除這一缺點。

表2 絕緣材料性能對比

2.1.2 而(柔性)礦物絕緣電纜的絕緣材料就難以統一了, 最具代表性的就是采用耐火(NH)電纜常用的云母帶繞包。在此以 A 類耐火級的合成云母 KMg3(AlSi3O10)F3 為例 : 它是以 F- 代替(OH)-,在常壓下合成出的大晶體人工云母, 再用粘合劑將云母片粘貼于玻璃布上。參考表2 可知,其熔點不足氧化鎂粉的1/2,導熱率僅為氧化鎂粉的1/10,常溫下電阻率略高于氧化鎂粉,但伴隨溫度上升電阻率卻顯著下降, 該材料在有機耐火電纜(如 NH-YJV)中只能作耐火層,而不可作為絕緣層,因為其絕緣性能、散熱性能遠不及交聯聚乙烯。云母帶也同樣具有易受潮的缺陷,其受潮后絕緣迅速下降, 且不可恢復。而其他諸如 BBTRZ、NG-A(BTLY)竟然采用交聯聚乙烯作為絕緣層,其構造已完全脫離了無機礦物類絕緣的定義。

2.2 金屬外護套

2.2.1 (剛性)礦物絕緣電纜的采用無縫銅管作為外護套, 具體生產工藝流程如下 :

銅護套管采用拉拔工藝延伸,達到預定長度后又經過2 道熱處理工序,其拉拔過程中產生的應力已基本消除,軋制也確保了電纜整體截面尺寸做到最小,并且使護套與內部氧化鎂密實壓緊。按上述工藝成型的電纜無論是抗壓強度、還是機械性能,都超過普通耐火電纜。但美中不足的是,銅管在一次下料時原材料有限,拉拔的長度也有限制,以750VBTTZ-4?25mm2 電纜為例,其最大出貨長度僅為130m,若在超高層建筑中應用,需耗費大量的中間接頭作業進行連接,勢必增加工程量與施工難度。

2.2.2 (柔性)礦物絕緣電纜最典型的外護套采用銅軋紋焊接工藝,其生產工藝流程如下 :

為做到電纜出貨長度無限延長,(柔性)礦物絕緣電纜外護套采用銅帶繞包焊接,軋紋后即裝盤,由于未做熱處理,護套上因焊接產生的殘余應力沒有消除,在實際敷設過程中經常出現開裂。同時,銅帶軋紋也增大了電纜整體截面尺寸,如表3 所示,相近規格(柔性)電纜比(剛性)體積大10%~174%, 重量重3.9%~86.2%。

表3 4*25mm2(含防腐護套)電纜規格明

2.3 電氣性能比較

2.3.1 耐火性試驗

耐火性是驗證電纜在火災情況下持續供電的能力,筆者結合出廠驗收經歷,選取具有代表性的 BTTZ 型(剛性)與YTTW 型(柔性)規格都為4?25mm2 進行分析,檢測標準以英國 BS6387(C、W、Z 級)耐火試驗為準,各選一樣品依次進行3 項試驗。比對結果見表4。

表4 BS6387耐火試驗對比

從結果來看,兩者均能通過 BS6387 標準測試,但 YTTW(柔性)樣品的銅護套90?彎處已發生變形,當樣品重復上述試驗后,YTTW(柔性)銅護套發生開裂。同時,受軋紋結構的影響,云母帶絕緣被燒至黑粉狀并脫落于護套縫隙內,而BTTZ(剛性)樣品再次重復上述試驗后,護套僅留有少量撞擊痕跡。隨后在對兩者進行絕緣電阻測試時,YTTW(柔性) 絕緣阻值近乎為0Ω,BTTZ(剛性)阻值仍超過200MΩ。

2.3.2 耐壓試驗

根據 GB/T13033-2007 的電壓試驗要求 :2500V 用于750V 電纜導體間 / 每個導體與銅護套間,升壓速度應≥ 150V/s,每次應持續1min,實驗過程電纜應不擊穿。在此以同一廠家相同規格的 BTTZ(剛性)和 YTTW(柔性)樣品為試驗對象。

(1) 首先對 BTTZ 電纜升壓至2500V 并持續15min 后, 未擊穿。繼續升壓至3300V 附件發生擊穿,靜置3h 后,對該樣品重新打耐壓,升壓至2500V 未擊穿,說明氧化鎂絕緣是因局部熔化造成擊穿,但擊穿并未改變其化學性質,因此絕緣性能可自行恢復。

(2)在對 YTTW 電纜試驗時于2800V 附近擊穿,3h 后重新打耐壓,最高升壓至50V 時再次擊穿。表明 YTTW 電纜擊穿后絕緣性能無法恢復,只能重新更換。

2.3.3 載流溫度測試

于標準室溫 20 ℃環境下,選取同一廠家規格都為4?25mm2 的 BTTZ(剛性)和 YTTW(柔性)電纜樣品,分別通以額定電流140A,并于兩個樣品導線及銅護套相同位置設溫度傳感器,結果見圖1 :

圖1 額定載流量時電纜溫升曲線

從結果可以看出,在相同試驗條件下,持續通電4h, BTTZ(剛性)電纜的導線比 YTTW(柔性)低5.5℃,銅護套低6.7℃。從而驗證了上述關于絕緣材料性能分析的論點, 氧化鎂粉的散熱性明顯優于合成云母帶。而就電纜本身而言, 散熱性同樣對載流量會產生較大影響。

3 施工特點比較

3.1 彎曲能力

3.1.1 根據標準圖集09D101-6《礦物絕緣電纜敷設》的指導意見,(剛性)礦物絕緣電纜最小彎曲半徑 R ≥ 6D,由于電纜銅護套在生產時的退火工藝已消除了變形應力,其柔韌性并不亞于普通耐火電纜。

3.1.2 目前還沒有相關國家標準提及(柔性)礦物絕緣電纜的彎曲能力,根據一些(柔性)電纜的產品說明書可知, 其最小彎曲半徑 R 的范圍在15D~20D 之間,由于上述論點已證明同規格的(柔性)電纜無論在體積還是重量上均超過(剛性),未經熱處理的軋紋銅護套也使電纜自身變得堅硬,所以在實際敷設過程中并不及(剛性)柔軟。

3.2 終端 / 中間接頭密封性

3.2.1 在制作(剛性)礦物絕緣電纜終端時,為確保絕緣層不受潮氣影響,終端頭 / 中間接頭附件都會附帶絕緣封蓋, 并膠封于電纜切口處,從而使氧化鎂隔絕空氣水分的污染, 保證電氣絕緣性能。

3.2.2 由于(柔性)礦物絕緣電纜大多采用云母帶繞包作為絕緣,所以電纜切口處無法膠封,只能采用熱縮套對電纜連接處密封,該工藝是針對交聯聚乙烯等有機電纜的密封方法,其隔離潮氣的能力遠不及膠封徹底。

4 結語

通過上述研究,可以發現(剛性)與(柔性)礦物絕緣電纜實質上既是國家標準與非標產品的區別,作為一款成熟產品,傳統(剛性)礦物絕緣電纜的應用已超過120 年,依托其穩定可靠的性能,國內外已經逐漸呈現出替代耐火電纜的趨勢。而非標(柔性)礦物絕緣電纜目前還存在諸多缺陷, 雖然國內一些生產企業研制了多種(柔性)電纜,但其性能始終無法與傳統(剛性)相媲美,甚至柔韌度也不及(剛性) 出色,現今只有選用傳統(剛性)礦物絕緣電纜才能確保消防配電安全可靠。


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