燃燒性能Ａ級礦物絕緣耐火電纜設計

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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》標準進行測試的總熱值（ＰＣＳ）≤２．０ＭＪ／ｋｇ方可判定為Ａ級［１－２］。ＧＢ５１３４８—２０１９《民用建筑電氣設計標準》的實施，對電纜燃燒性能等級有了更加明確和嚴格的要求。ＧＢ５００１６—２０１４（２０１８版）《建筑設計防火規范》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］。隨著相關標準、規范和政策的實施，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，對建筑防火設計要求越來越高，國家出臺了相應的規范與規定，如２０１８年公安部試行《建筑高度大于２５０米民用建筑防火設計加強性技術要求（試行）》中第二十五條“消防供配電線路應符合下列規定，消防電梯和輔助疏散電梯的供電電線電纜應采用燃燒性能為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

該燃燒性能Ａ級礦物絕緣耐火電纜產品在燃燒性能滿足ＧＢ３１２４７—２０１４標準中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，耐火性能測試標準最嚴格且最接近火災時電纜實際工況的是ＢＳ６３８７和ＢＳ８４９１標準，因此該電纜的耐火性能應滿足ＢＳ８４９１：２００８標準要求的通過線路完整性試驗，即電纜在９５０℃火焰下，可以持續為消防設備供電時間不低于１８０ｍｉｎ。

２電纜燃燒和耐火性能設計

目前，市場上量產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電纜的結構簡單，除絕緣氧化鎂粉末外都是金屬材料，故總熱值≤２．０ＭＪ／ｋｇ，但由于結構和工藝限制，電纜的硬度大、難彎曲，行業內統稱其為剛性防火電纜。ＭＩ電纜多芯最大僅能生產２５ｍｍ２規格，超過２５ｍｍ２規格只能做成單芯。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計時摒棄傳統ＭＩ電纜形式。在綜合考慮燃燒性能和耐火性能兩個指標后，將設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，以確保電纜符合燃燒等級Ａ級的要求，再對耐火結構進行設計。

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、云母帶以及交聯聚乙烯（ＸＬＰＥ）等，表１示出了按標準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示出了按標準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保護層結構設計和材料選擇

電纜成纜時需要設計保護層，以防止鎧裝時絕緣受損，影響電纜電氣性能。保護層結構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示出了按標準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鎧裝層結構設計

電纜耐火性能需要滿足ＢＳ６３８７或ＢＳ８４９１標準，兩個標準均有沖擊和噴淋試驗，因此成纜后的纜芯外需要設計鎧裝層才能保證耐火性能滿足標準要求。常用的鎧裝結構有鋼帶（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）繞包不是密封結構，擠鋁管和氬弧焊銅管為密封結構。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電纜整體結構設計

綜上，設計的燃燒性能Ａ級礦物絕緣耐火電纜結構如圖１所示，導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量監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，測試結果如表４所示，可見電纜燃燒性能滿足標準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，可以持續為消防設備供電時間不低于１８０ｍｉｎ。

４總結

燃燒性能Ａ級礦物絕緣耐火電纜需要選擇合適的材料，合理設計結構，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：中國標準出版社，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］住房和城鄉建設部．建筑設計防火規范：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