李 影, 張宗軍, 劉召見, 王洪祥, 常 軍, 馬 龍, 胡細(xì)平
(特變電工山東魯能泰山電纜有限公司,山東 新泰271200)
阻燃性能是高壓電纜的一種特殊性能,尤其在電纜進(jìn)行隧道敷設(shè)時(shí),高壓電纜的阻燃性能尤為重要。由于阻燃聚乙烯護(hù)套高壓電纜的基料聚乙烯樹脂具有易燃性,導(dǎo)致高壓電纜的阻燃性能只能通過聚乙烯護(hù)套中添加各種不同的阻燃材料來實(shí)現(xiàn)。高壓電纜的結(jié)構(gòu)比較單一,大多由交聯(lián)線芯、阻水緩沖層、金屬護(hù)套、瀝青防腐層、外護(hù)套層、半導(dǎo)電層組成。因此,為確保阻燃聚乙烯護(hù)套高壓電纜的阻燃性能合格,主要從護(hù)套材料的阻燃體系、瀝青涂覆量、電纜規(guī)格、半導(dǎo)電層阻燃性能等幾個(gè)方面進(jìn)行考慮。
目前,阻燃聚乙烯護(hù)套材料的阻燃體系主要有兩種,一種為有鹵體系(銻-鹵體系),另一種為無鹵體系(磷化物和氮化物)[1]。瀝青涂覆量主要根據(jù)瀝青層厚度來衡量。半導(dǎo)電層主要有非阻燃半導(dǎo)電層和阻燃半導(dǎo)電層兩種。
鑒于高壓電纜阻燃性能與護(hù)套可燃物的體積有關(guān),通過高壓電纜護(hù)套可燃物體積計(jì)算,得出護(hù)套可燃物體積等級劃分,如表1所示。
表1 110 kV電纜護(hù)套可燃物體積等級劃分
根據(jù)護(hù)套可燃物體積等級劃分,試驗(yàn)選取常用110 kV 1×400 mm2和110 kV 1×1 600 mm2電纜樣品為例,通過不同外護(hù)套的阻燃體系、瀝青涂覆量、電纜規(guī)格、非阻燃和阻燃半導(dǎo)電層的高壓電纜進(jìn)行成束燃燒試驗(yàn),探討高壓電纜阻燃性能影響因素。
110 kV 1×400 mm2和110 kV 1×1 600 mm2交聯(lián)電纜,結(jié)構(gòu)如圖1所示。1×400 mm2規(guī)格鋁護(hù)套外徑為82.0 mm,外護(hù)套厚度為4.0 mm,半導(dǎo)電層厚度為0.5 mm,成品外徑為91.5 mm;1×1 600 mm2規(guī)格鋁護(hù)套外徑為109.0 mm,外護(hù)套厚度為5.0 mm,半導(dǎo)電層厚度為0.5 mm,成品外徑120.5 mm。
圖1 電纜樣品截面圖
截取110 kV 1×400 mm2不同外護(hù)套、瀝青層厚度、半導(dǎo)電層樣品12根,110 kV 1×1 600 mm2不同外護(hù)套樣品2根,每根長度3.5 m,每兩根樣品為一組試驗(yàn)。具體樣品見表2。
表2 樣品明細(xì)表
按照GB/T 18380.33—2008試驗(yàn)方法[2],完成上述4組對比試驗(yàn),并分析相應(yīng)試驗(yàn)的成束燃燒試驗(yàn)結(jié)果。
通過對外護(hù)套阻燃體系、瀝青涂覆量、非阻燃與阻燃半導(dǎo)電層、電纜規(guī)格4組對比試驗(yàn),得出以下結(jié)論。
本試驗(yàn)樣品規(guī)格110 kV 1×400 mm2,瀝青層厚度為1.35 mm,半導(dǎo)電層采用非阻燃半導(dǎo)電護(hù)套材料,相同護(hù)套厚度的外護(hù)套阻燃體系樣品1采用有鹵阻燃體系(銻-鹵),見圖2;樣品2采用無鹵阻燃體系(磷化物和氮化物),見圖3。
圖2 樣品1-有鹵阻燃體系(銻-鹵)
圖3 樣品2-無鹵阻燃體系(磷化物和氮化物)
結(jié)果表明:有鹵阻燃聚乙烯護(hù)套材料,由于使用的是銻-鹵體系,鹵化銻能長時(shí)間停留在燃燒區(qū)內(nèi)稀釋護(hù)套燃燒過程中產(chǎn)生的可燃性氣體,隔絕空氣,起到阻燃的作用;它還能捕獲燃燒性的游離的自由基,起到抑制火焰的作用,同時(shí)抑制了箱內(nèi)熱量產(chǎn)生和箱體溫度迅速升高,確保了高壓電纜的成束燃燒試驗(yàn)合格。對于磷化物和氮化物的無鹵阻燃體系阻燃聚乙烯護(hù)套材料,阻燃劑是依靠高溫燃燒時(shí)表面形成膨脹性焦炭層,它具有隔熱阻氧保護(hù)層的作用,含氮化合物起著發(fā)泡劑和焦炭增強(qiáng)劑的作用。但是在護(hù)套材料燃燒過程中,產(chǎn)生大量的熱量,箱體和煙道溫度逐步升高(供火時(shí)間為15 min,箱體內(nèi)溫度達(dá)到123℃),護(hù)套還未來得及形成膨脹性焦炭層,瀝青已經(jīng)受熱開始變軟,達(dá)到軟化點(diǎn)時(shí)溫度為110℃,瀝青軟化加劇,黏稠度下降,導(dǎo)致外護(hù)套與金屬護(hù)套的粘附力下降,使外護(hù)套整體下滑,甚至脫落,脫落的護(hù)套會(huì)繼續(xù)燃燒,箱體內(nèi)溫度繼續(xù)升高,導(dǎo)致高壓電纜的成束燃燒試驗(yàn)不合格。由此可見,在瀝青層厚度為1.35 mm時(shí),有鹵阻燃體系聚乙烯護(hù)套高壓電纜阻燃性能優(yōu)于無鹵阻燃體系聚乙烯護(hù)套高壓電纜。
本試驗(yàn)樣品規(guī)格110 kV 1×400 mm2,樣品3、樣品4的瀝青層厚度分別為1.35,0.55 mm,半導(dǎo)電層采用非阻燃半導(dǎo)電護(hù)套材料,外護(hù)套阻燃體系均采用無鹵阻燃體系(磷化物和氮化物)。樣品3、樣品4的碳化高度分別為3.5,1.8 m。
由圖4可知:在箱體內(nèi)溫度相同的情況下,瀝青層的厚度越厚,吸熱越多,傳遞給外護(hù)套的熱量也就越多,對護(hù)套起到了助燃效果,碳化高度增加,成束燃燒試驗(yàn)不合格。反之,瀝青涂覆的越薄,吸收熱量越少,傳遞給外護(hù)套的熱量就越少,瀝青軟化后對護(hù)套與鋁護(hù)套的粘附力影響小,可以避免出現(xiàn)護(hù)套脫落現(xiàn)象,碳化高度降低。
圖4 箱體內(nèi)的樣品
本試驗(yàn)樣品規(guī)格110 kV 1×400 mm2,瀝青層厚度1.35 mm,外護(hù)套阻燃體系采用有鹵阻燃體系(銻-鹵),樣品5半導(dǎo)電層采用非阻燃半導(dǎo)電護(hù)套材料,樣品6半導(dǎo)電層采用阻燃半導(dǎo)電護(hù)套材料(氧指數(shù)≥26),按試驗(yàn)方法對樣品5、樣品6進(jìn)行測定,結(jié)果見表3。
表3 半導(dǎo)電層結(jié)構(gòu)對高壓電纜阻燃性能的影響(單位:m)
由表3結(jié)果可知:相同的電纜規(guī)格,使用阻燃半導(dǎo)電層高壓電纜成束燃燒試驗(yàn)的碳化高度低于使用非阻燃半導(dǎo)電層高壓電纜。由此可見,阻燃半導(dǎo)電層護(hù)套材料可降低高壓電纜成束燃燒的碳化高度。
本試驗(yàn)樣品7和樣品8外護(hù)套阻燃體系采用有鹵阻燃體系(銻-鹵),瀝青層的厚度為1.35 mm,半導(dǎo)電層采用非阻燃半導(dǎo)電護(hù)套材料,樣品7、樣品8的試驗(yàn)結(jié)果見表4。
表4 電纜規(guī)格對電纜阻燃性能影響 (單位:m)
110 kV 1×400 mm2的護(hù)套可燃物體積為1.0 L/m;110 kV 1×1 600 mm2的護(hù)套可燃物體積為2.0 L/m。護(hù)套可燃物體積大,釋放的熱量多,燃燒時(shí)箱體內(nèi)溫度升高較快,不利于成束燃燒試驗(yàn)進(jìn)行。由此可見,相同的生產(chǎn)工藝條件下,相對于1×400 mm2規(guī)格來說,1×1 600 mm2規(guī)格的成束燃燒試驗(yàn)不易通過,碳化高度有所增加。
本工作通過對不同的外護(hù)套阻燃體系、瀝青涂覆量、電纜規(guī)格、非阻燃和阻燃半導(dǎo)電層高壓電纜進(jìn)行了阻燃性能測試,得出以下結(jié)論:
(1)對于高壓電纜,目前市場上的外護(hù)套有鹵 體系(銻-鹵)成束燃燒試驗(yàn)比無鹵體系(磷化物和氮化物)效果要好。但是阻燃聚乙烯材料,滿足無鹵化、抑煙、氣體無毒化和適應(yīng)環(huán)保要求,是目前國際上阻燃高分子材料的發(fā)展趨勢,這就需要材料廠家和電纜廠共同努力,做進(jìn)一步的材料研究,在滿足環(huán)保要求的同時(shí),確保高壓電纜阻燃試驗(yàn)合格。
(2)高壓電纜的瀝青涂覆量對電纜的阻燃性能有一定的影響。在確保防腐性能合格的情況下,瀝青層的厚度建議控制在0.55 mm以下,避免瀝青層太厚影響高壓電纜的阻燃性能。
(3)高壓電纜阻燃半導(dǎo)電層可降低成束燃燒的碳化高度,提升阻燃聚乙烯護(hù)套高壓電纜的阻燃性能。
(4)對于110 kV 1×400 mm2和1×1 600 mm2的高壓電纜,1×1 600 mm2規(guī)格電纜的護(hù)套可燃物體積大,燃燒過程中,產(chǎn)生的熱量大,要比1×400 mm2規(guī)格阻燃性能差。
(5)其他電壓等級的高壓電纜阻燃性能研究需要后期繼續(xù)驗(yàn)證。