轨道交通用无卤低烟阻燃直流软电缆试制总结

【摘 要】介绍轨道交通用无卤低烟阻燃直流软电缆的产品设计和技术要求，尤其对制造过程中的关键技术和可能产生的问题进行了分析，并提出解决的方法。

【关键词】轨道交通；无卤低烟阻燃；直流；关键技术

一、前言

该项目研究的无卤低烟阻燃直流软电缆（包括正极电缆和负极电缆）主要作为轨道交通牵引供电系统直流1500V馈电及回路用途电缆。采用弹性体材料作为电缆的绝缘护套材料，使电缆柔软，便于安装和维修。采用现代电缆材料技术，使电缆结构简单，集无卤低烟阻燃、耐晒、耐油、防水、防鼠等功能于一身是该电缆设计的特点。

众说周知，经济飞速发展的今天，国际化大都市都拥有了地铁和轻轨设施，轨道交通在城市经济生活中起着重要的作用，发达国家的轨道交通的发展建设已有上百年的历史，各方面都积累了许多经验，并不断完善和规范化，更注重使用中的方便和安全性，特别是防火方面非常重要。

中国是发展中国家，轨道交通建设起步较晚，但发展迅猛。北京、上海、广州等地在成功运行的基础上，仍在扩建地铁。南京、重庆、深圳、长春、沈阳、大连等地，也相继投建，可以预见城市轨道交通设施建设在我国会有大发展，并且，发展势头强劲。

根据地铁和轻轨工程建设的需要，电缆是不可缺少的配套产品，主要品种是低卤低烟和无卤低烟的交联聚乙烯绝缘阻燃及耐火电缆。为了适应轨道交通工程造价不断降低和安全性不断提高的需要，人们研究了结构更简单、更柔软的电缆。如意大利pirelli公司为香港地铁成功提供了乙丙橡皮绝缘的直流牵引电缆，深受用户的欢迎。我厂于2001年5月提出了轻轨交通用无卤低烟直流软电缆的研制任务，随即进行了配方研究、结构设计、标准制定、样品试制和检验等一系列工作。经过几个月的努力，试制任务顺利完成，试制的样品为ZRA-GJXEG-C DC1800V 1×500mm2正极电缆和ZRA-GJXG-C DC300V 1×70mm2负极电缆各500米。经我厂质检中心和国家电线电缆质检中心的检测，性能达到标准要求。

该电缆的试制成功，填补了国内空白，也为我厂轨道交通电缆系列化增加了品种。我们将为国内外用户提供更安全、更方便的产品，满足城市建设需要。

二、产品设计和技术要求

电缆的设计主要以IEC标准为基本依据，如电气性能、机械性能、阻燃性能和基本结构等，同时参照了pirrelli公司提出的技术规范。部分参照了BS标准。在此基础上，制定了我厂的企业标准Q/SL.J02.302-2001。

1、电缆结构

正极电缆为单芯，绝缘层和护套层，额定电压为直流1800V。导体采用多股镀锡铜绞线，符合GB/T3956表3要求，绝缘材料为乙丙橡皮，基本性能满足IEC60502的规定，绝缘为红色，护套材料为交联型EVA，基本性能满足IEC92-359中的SHF2的要求，护套为黑色。

负极电缆为单芯，单层护套（兼绝缘功能），工作电压为300V，导体结构同正极电缆，护套为交联型EVA，基本性能满足IEC92-359中的SHF2的要求，同时其电阻常数达到10MΩ.km。

2、电缆的性能

电缆导体的最高额定温度90℃，最小弯曲半径可达到6D，除满足电缆一般功能外，还具有以下特性：

1）无卤低烟阻燃，满足IEC60754-2，IEC61034，IEC60332-3A的要求。

2）耐油性，其护套耐油满足IEC等标准规定的耐矿物油的试验，试验条件100℃×24h。

3）耐晒性，通过GB14049规定的试验，时间为504h。

4）具有一定的防潮性和防鼠。

5）柔软性，弯曲半径小，便于安装和维修。

6）与交联聚乙烯绝缘电缆比较结构简单，综合性能要求高，见下表

以1×150mm2电缆为例，列表说明XLPE绝缘与EPR绝缘直流牵引电缆的区别。

3、材料的设计

1）绝缘材料

采用三元乙丙橡胶作为绝缘配方的基料以保证电气性能、耐热性、耐臭氧性等。乙丙胶的抗吸水性能很好。为了使成品电缆达到高阻燃性，我们添加无机金属氢氧化铝AL（OH）3作为无卤阻燃剂。阻燃剂的加入会使电气性能和机械性能下降，因此必须合理选择并进行必要的表面处理，解决好绝缘电阻和阻燃性能的矛盾，使其在保证Ki>3670MΩ.km的同时，具有尽可能好的阻燃性。另外，电缆生产过程中绝缘混合胶料与护套同时挤出，其流动性应与护套匹配，合适的门尼粘度能更有效地避免工艺上出现的偏芯。

2）护套材料

护套配方的主要成分是EVA基料和无机阻燃剂Mg（OH）2。EVA具有较好填充性、耐油性、耐热、耐光、柔软等性能。为了达到良好的阻燃性和耐油性，并具有一定的弹性，选择较高EVA含量为宜。护套也进行硫化，EVA交联后，机械强度、热性能、耐候性、耐油性显著提高，这里硫化系统选择DCP和TAC并用。

阻燃剂Mg（OH）2在配方中起着高阻燃、消烟作用，但又使得护套的机械强度和工艺性能达到技术要求非常困难。因此，对Mg（OH）2的粒度及其分布、含量成分、表面改性，协调阻燃处理等，提出了较高的要求。选择的Mg（OH）2的粒度在1250目以上细度，含量大于94%，表面用硅烷和硬脂酸活化处理。同时并用高效协同阻燃剂以达到燃烧时吸热，隔氧，成壳等阻燃效果。

耐晒性主要是防止紫外线照射对聚合物产生的光老化。关于配方的防水防潮处理，由于配方中使用大量的Mg（OH）2为易吸水材料，因此必须选择必要疏水添加剂，如高熔点蜡，铅的化合物，硅的化合物等。

防鼠处理也是通过配方解决的，一般认为防鼠方法包括物理法和化学法。物理法是靠材料的硬度和几何尺寸，使老鼠不容易咬坏电缆，化学法是靠加入某些化学品达到毒死（也叫击毙）或驱逐效果。这里我们选择的驱避剂是一项新成果，即所用的驱避剂对老鼠的舌头有强烈的刺激作用，舔后就不会再吃，并且，该驱避剂对人体无害。试验表明，效果较好。

着色剂的选择，我们采用了耐热、耐晒的有机化合物。

三、关键技术及难点

1、该项目研究的电缆结构比较简单。前面谈到，与XLPE绝缘电缆比较，XLPE电缆是采用绕包金属带护层来防鼠，采用挤包内护套和绕包阻水带来防水防潮，绕包多层无卤阻燃带来阻燃，电缆结构较复杂，而后者在要求柔软的前提下，采用了简单的结构，防水、防鼠、防晒、无卤低烟阻燃、耐油、耐热等多功能都要由护套承担。所以护套配方设计是最关键技术和难点。

2.样品试制过程中，混炼、连硫工艺易出现滚压粘辊、挤出喂料不稳，红护套长时间受热褪色，模口压力不均易造成偏芯等难点问题，所以必须严格控制混炼时间，喂料胶条的几何尺寸、连硫工艺的温度和速度等。

3.防鼠剂试验。由于没有防鼠试验标准，所以防鼠效果测试无法进行。以前该驱鼠剂在PP、PE、PVC等塑料中做过动物试验，效果较明显，但在硫化型无卤阻燃EVA护套中是否有效果，我们认为是有效的。因为驱鼠剂是熔点70-80℃，沸点>300℃的晶状物，化学稳定性较好，在工艺中几乎不发生任何化学反应。我们进行的相关试验，主要是考核驱鼠剂的加入是否对其它性能产生影响，结果是几乎没有影响。

四、试验结果及分析

1.工艺过程

镀锡导体绞合绕包隔离带多层绝缘和护套连硫一次挤出硫化成品检验包装入库。

工艺过程易出现的问题：

1）护套胶混炼，由于EVA原料为颗粒状，Mg（OH）2为粉状物且添加量较大，所以吃料较慢，混炼胶滚压时间长，易粘辊，所以必须控制好混炼的温度和时间。

2）连硫挤出工艺是在多层连硫机组进行的，成品表面光滑圆整。工艺中应严格控制温度、线速、螺杆转数、喂料等环节，否则会出现褪色、外径不均或偏芯等。

2.成品电缆样品测试结果及分析

这里例举主要性能结果，并进行比较，以1×150mm2正极电缆为例（见表）

测试结果分析

1）电缆结构尺寸及外观符合设计要求，但由于样品长度有限，有个别处有偏芯和厚度较大。另外，绞合导体的外径与Pirrelli公司产品比较偏大，其原因是束线和复绞线的绞合方向以及节距比控制等方面存在差距，对于多股绞合软线来说，国外大多采用束线和复绞同向的方法，使外径尺寸减少。

2）成品电气性能满足设计要求。正极电缆绝缘材料的击穿强度为28MV/mm，所以能保证顺利通过7.5kV×5min交流耐压试验。绝缘电阻换算的Ki值为5830 MΩ.km，基本达到Pirrelli公司指标水平。护套的外观颜色较好。负极电缆耐压1.5kV/5min通过。Ri值为19MΩ.km，远远大于Pirrelli公司的0.75MΩ.km，但耐晒色牢度应进一步试验。

3）机械性能。乙丙绝缘的机械性能优异，与标准和Pirrelli比较，有较大的余度。机械性能作为无卤阻燃性护套材料，应该说是很好的。但与Pirrelli的指标比较，断裂伸长率和抗撕裂强度有一定差距，我们认为，断裂伸长率达到250%，断裂强度达到5.0N/mm，对于无卤阻燃护套材料来说有一定难度。

4）燃烧特性。成品电缆分别按IEC60332-3A类，IEC60754-2和IEC61034进行成束燃烧、无卤性和烟浓度试验。护套进行了氧指数的测试，结果表明符合标准。

5）关于防鼠剂，它对其它性能影响不大，没有因为加入防鼠剂而影响了总体设计要求，说明应用是可行的。

6）关于防水试验，我们专门制定的标准，室温浸水72h，试验通过。另外，在护套配方试验中，我们曾进行比较，用吸水量考核配方疏水的效果。性能优良。

7）人工气候老化试验说明，耐紫外光照射性能达到设计要求。

8）关于电缆的弯曲性能，我们用6倍的电缆直径作为弯曲半径，进行了弯曲试验（正反方向重复缠绕三次后耐压试验），说明弯曲性能能够保证。

五、结论与展望

1、试制的500米正极电缆和500米负极电缆样品，经测试性能满足标准要求。电缆结构、配方和工艺先进合理，能够批量生产。

2、电缆结构简单，功能较多。

3、样品的试制成功，填补了国内空白，为我国轨道交通用电缆，增加了更新更好的电缆品种，使我厂该类电缆系列化更高更强，更具竞争力。相信会产生良好的社会经济效益。