燃烧性能Ａ级矿物绝缘耐火电缆设计

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０引言

ＧＢ３１２４７—２０１４《电缆及光缆燃烧性能分级》将电线电缆的燃烧性能等级分为Ａ、Ｂ１、Ｂ２和Ｂ３共４个等级，其中Ａ级（不燃电缆）要求电缆按ＧＢ／Ｔ１４４０２《建筑材料及制品的燃烧性能燃烧热值的测定》标准进行测试的总热值（ＰＣＳ）≤２．０ＭＪ／ｋｇ方可判定为Ａ级［１－２］。ＧＢ５１３４８—２０１９《民用建筑电气设计标准》的实施，对电缆燃烧性能等级有了更加明确和严格的要求。ＧＢ５００１６—２０１４（２０１８版）《建筑设计防火规范》最新修订版的征求意见稿中第１０．１．１０条的第１点和第３点进行了修订，将原来的“矿物绝缘类不燃性”修改为“燃烧性能为Ａ级”，明敷电缆必须要满足ＧＢ３１２４７—２０１４中燃烧性能等级Ａ级［３］。随着相关标准、规范和政策的实施，市场对燃烧性能Ａ级电缆的需求量会迅速增加。随着对防火安全的日益重视，对建筑防火设计要求越来越高，国家出台了相应的规范与规定，如２０１８年公安部试行《建筑高度大于２５０米民用建筑防火设计加强性技术要求（试行）》中第二十五条“消防供配电线路应符合下列规定，消防电梯和辅助疏散电梯的供电电线电缆应采用燃烧性能为Ａ级、耐火时间不小于３．０ｈ的耐火电线电缆”。因此，设计了一种燃烧性能Ａ级矿物绝缘耐火电缆。

１电缆燃烧和耐火性能指标

该燃烧性能Ａ级矿物绝缘耐火电缆产品在燃烧性能满足ＧＢ３１２４７—２０１４标准中Ａ级要求（总热值≤２．０ＭＪ／ｋｇ）的同时，因其主要用于消防线路，还需要满足耐火性能的要求。目前，耐火性能测试标准最严格且最接近火灾时电缆实际工况的是ＢＳ６３８７和ＢＳ８４９１标准，因此该电缆的耐火性能应满足ＢＳ８４９１：２００８标准要求的通过线路完整性试验，即电缆在９５０℃火焰下，可以持续为消防设备供电时间不低于１８０ｍｉｎ。

２电缆燃烧和耐火性能设计

目前，市场上量产的能够满足燃烧性能Ａ级的防火电缆主要是氧化镁矿物绝缘电缆（ＭＩ电缆）。该ＭＩ电缆的结构简单，除绝缘氧化镁粉末外都是金属材料，故总热值≤２．０ＭＪ／ｋｇ，但由于结构和工艺限制，电缆的硬度大、难弯曲，行业内统称其为刚性防火电缆。ＭＩ电缆多芯最大仅能生产２５ｍｍ２规格，超过２５ｍｍ２规格只能做成单芯。此外，氧化镁材料易吸潮，高温下绝缘电阻明显降低。由此，在该燃烧性能Ａ级矿物绝缘耐火电缆设计时摒弃传统ＭＩ电缆形式。在综合考虑燃烧性能和耐火性能两个指标后，将设计原则定为先将电缆所用材料（除金属材料外）的燃烧热值控制在２．０ＭＪ／ｋｇ以内，以确保电缆符合燃烧等级Ａ级的要求，再对耐火结构进行设计。

２．１绝缘材料选择

矿物绝缘耐火电缆常用的绝缘材料主要有氧化镁、云母带以及交联聚乙烯（ＸＬＰＥ）等，表１示出了按标准ＧＢ／Ｔ１４４０２测得的各类绝缘材料燃烧热值。可见，只有氧化镁和煅烧云母带的燃烧热值能够满足燃烧性能Ａ级对材料的燃烧热值要求。基于氧化镁矿物绝缘电缆的诸多缺点，燃烧性能Ａ级矿物绝缘耐火电缆选择了煅烧云母带作为绝缘材料。煅烧云母带是一种复合材料，主要由云母纸、补强材料和胶黏剂组成［４］，其中补强材料一般为玻璃纤维。云母纸和玻璃纤维主要成分是无机物，燃烧热值极小，故可以忽略不计，但胶黏剂为有机物，燃烧时会释放较多热量，因此需要控制煅烧云母带中胶黏剂的含量以及云母带生产工艺，确保煅烧云母带燃烧热值≤２．０ＭＪ／ｋｇ。

２．２填充材料选择

多芯电缆需要成缆，成缆时为保证电缆圆整需要填充，填充材料也会影响成品的性能。多芯电缆常用的填充材料主要有无卤阻燃填充绳、玻纤绳、陶瓷化硅胶填充条等，表２示出了按标准ＧＢ／Ｔ１４４０２测得的各类填充材料燃烧热值。可见：无卤阻燃填充绳与陶瓷化硅胶填充条的燃烧热值均超过２．０ＭＪ／ｋｇ，这是因为无卤阻燃填充绳主要基材是聚烯烃，陶瓷化硅胶填充条主要基材是硅橡胶，两者均为有机物，在氧弹环境中会充分燃烧释放出大量热量；玻纤绳主要成分为ＳｉＯ２，因此燃烧热值很小，主要是附着在玻纤表面的有机物释放的热量。综上，燃烧性能Ａ级矿物绝缘耐火电缆选择了玻纤绳作为电缆的填充材料。

２．３保护层结构设计和材料选择

电缆成缆时需要设计保护层，以防止铠装时绝缘受损，影响电缆电气性能。保护层结构主要有绕包和挤包两种形式。保护层采用挤包形式时，所用材料基本上都是能够通过挤塑机挤出的有机物，燃烧热值也均超过２．０ＭＪ／ｋｇ，因此燃烧性能Ａ级矿物绝缘耐火电缆保护层选择了绕包形式。常用的绕包带材主要有玻璃纤维带、无纺布、低烟无卤高阻燃带等。表３示出了按标准ＧＢ／Ｔ１４４０２测得的各类绕包带材燃烧热值，可见只有玻璃纤维带能够满足燃烧性能Ａ级对材料的燃烧热值要求。为避免玻璃纤维带上断裂的纤维刺入缆芯绝缘层中，造成电缆绝缘电阻降低，在缆芯外先绕包多层煅烧云母带，然后再绕包玻璃纤维带。

２．４铠装层结构设计

电缆耐火性能需要满足ＢＳ６３８７或ＢＳ８４９１标准，两个标准均有冲击和喷淋试验，因此成缆后的缆芯外需要设计铠装层才能保证耐火性能满足标准要求。常用的铠装结构有钢带（或铝合金带）绕包、挤铝管、氩弧焊铜管等。其中钢带（或铝合金带）绕包不是密封结构，挤铝管和氩弧焊铜管为密封结构。金属铝的熔点仅为６６０℃左右，铜的熔点约为１０８３℃，而耐火性能试验火焰温度约为９５０℃，在此高温下金属铝会熔化，无法阻止水分进入缆芯，因此燃烧性能Ａ级矿物绝缘耐火电缆铠装层选择了氩弧焊波纹铜管形式。

２．５电缆整体结构设计

综上，设计的燃烧性能Ａ级矿物绝缘耐火电缆结构如图１所示，导体外绕包煅烧云母带作为绝缘，成缆时选择玻璃纤维绳作为填充，氩弧焊波纹铜管作为金属铠装层（金属护套）。

３电缆燃烧和耐火性能验证

委托国家电线电缆质量监督检验中心对所研制的燃烧性能Ａ级矿物绝缘耐火电缆进行燃烧和耐火性能检测，测试结果如表４所示，可见电缆燃烧性能满足标准ＧＢ３１２４７—２０１４中Ａ级要求，同时耐火性能满足ＢＳ８４９１：２００８要求，即电缆在９５０℃火焰下，可以持续为消防设备供电时间不低于１８０ｍｉｎ。

４总结

燃烧性能Ａ级矿物绝缘耐火电缆需要选择合适的材料，合理设计结构，才能同时满足燃烧性能Ａ级和线路完整性的要求，保证线路在火焰下的正常供电，同时释放的热量不至于引燃电缆周围可燃物，保证人员的生命和财产安全。

［参考文献］

［１］公安部．电缆及光缆燃烧性能分级：ＧＢ３１２４７—２０１４［Ｓ］．北京：中国标准出版社，２０１５．

［２］包光宏，程道彬．ＧＢ３１２４７—２０１４《电缆及光缆燃烧性能分级》解读［Ｊ］．建筑电气，２０１５，３４（７）：１８－２１．

［３］住房和城乡建设部．建筑设计防火规范：ＧＢ５００１６—２０１４（２０１８版）［Ｓ］．北京：中国计划出版社，２０１８．

［４］代娜．浅析电线电缆用耐火云母带［Ｊ］．电线电缆，２０２０（３）：３２－３４．

作者:王朋 霍战营 张右 周锋 刘星 单位:远东电缆有限公司新远东电缆有限公司