无机绝缘防火电缆的技术发展

2016 年 07 月 21 日

 

本文论述了无机绝缘防火电缆与有机绝缘耐火电缆的本质区别,分析了无机绝缘防火电缆耐火特性大大优于有机绝缘耐火电缆。通过剖析探索YTTW系列防火电缆的结构、特点、电气特性、耐火特性、环保特性,充分说明无机防火电缆的优点。

随着国民经济的快速、稳步增长,城市建设的飞速发展,各种功能的建筑物被大批建造,由此发生火灾的几率相应增多。

根据消防系统的统计,发生的火灾中,大部份是由电气设备故障引起,其中有机绝缘电缆故障过热连锁引发火灾占了相当比例。即使对有机绝缘电缆的绝缘材料进行改造,使其有阻燃与耐火功能,但从理论与实践方面映证,阻燃型与耐火型有机绝缘电缆,并没从根本上提高它们的防火特性。究其根本原因,是由于有机绝缘电缆的材质,燃烧温度较低(约400℃),易燃烧,同时在燃烧时会产生大量热,有助燃作用,并且燃烧过程中某些型号的电缆会释放烟雾和有毒气体,不利于人员逃生,对电气设备和其他设备易造成二次污染。有机绝缘电缆制造技术成熟,原材料丰富,价格便宜,但改造后的有机绝缘电缆并没有提高燃点温度和降低其助燃能量,这就是无法改变易故障过热,连锁引发火灾的根本原因。(市场上品种比较多,常用的有VV型阻燃,VV型阻燃耐火,YJV型阻燃,YJV型阻燃耐火,DWYJY或WDYJE型阻燃耐火等)

为了比较好的解决电缆的防火问题,我国一些著名的电缆制造专家经过多年努力及反复试验,采用无机材质(不燃物)作了电缆的绝缘材料,制成的电缆防火特性得到了重大突破,从本质上改变了电缆的耐火特性。这些无机绝缘防火电缆,结构上除了采用无机材质作绝缘外,还有一个特别的地方,就是外护套是非磁性金属护套。目前国内市场上主要有两种防火电缆,一种是采用氧化镁粉作为绝缘的传统矿物绝缘电缆,型号为BTTZ,另一种采用玻璃纤维及云母复合材料作为绝缘的无机矿物绝缘电缆,型号为YTTW。

一、 YTTW电缆的结构与制造工艺

YTTW电缆的结构很简单,导体是铜质,绝缘材料是耐高温无机绝缘带,护套是非磁性金属铜护套。整体结构只有二种均是耐高温的无机材质构成。它的制造工艺比较先进,导体是采用多股铜线绞合而成,比采用单根铜杆,具有较好的柔软性。绝缘是用耐高温无机材质带绕包而成,具有弯曲特性。铜护套是在进口的连续焊接设备上自动完成,为了使其有柔性,对铜护套进行轧纹成波纹状。整个制造工艺均是在先进的机械化连续性中完成,不带有人为因素。

二、 YTTW电缆的特点

由于该电缆生产工艺先进,而且具有独创性,比国内外现有的矿物绝缘电缆具有明显的特点:

1、导体截面较大(包括多芯)的电缆连续长度长。

这是采用先进制造工艺的结果,生产的电缆能满足配电系统所需长度的要求,中间没有接头。对于特别长的配电系统(如1500米以上)中间也可以连接,接头可以在现场制作,非常方便。

2、中间接头及终端接头具有耐火特性。防火电缆的接头耐不耐高温,涉及到全系统是不是具有耐火特性。防火电缆有某些段(接头)不防火,这种防火电缆是有缺陷的,对防火的可靠性带来隐患。YTTW电缆接头采用与电缆本体相同的绝缘材料,其防火等级与本体等同。

3、有大截面的多芯(三、四芯)防火电缆。

铜护套多芯防火电缆比单芯防火电缆在电气特性上有较大优点(后面叙述)。YTTW电缆已有3*240+1*120或4*240(mm2)防火电缆,载流量可到500A,这也是防火电缆的一次量的重大突破。

4、具有柔性和弯曲性。

导体是由多股铜线绞合组成,铜护套又进行轧纹加工,电缆的柔软性好,小截面防火电缆,能很方便弯曲,但大截面或多芯防火电缆能弯曲也是YTTW电缆的重大突破,该电缆可以和普通电缆一样绕在电缆盘上,运往工地,弯曲半径20D。好的柔性和弯曲性也更方便了安装。

5、耐潮性特佳。

有些防火电缆,出厂前终端等环节必须严格密封,中间连接时不能有很小的气孔,否则绝缘受潮损坏,连接终端时还必须边烘烤边安装。YTTW电缆无需严格密封,施工时能在现场分割,制作电缆接头等。这样给安装带来极大的方便。

6、安装方便简单。

YTTW电缆在现场,可以按需要长度分割,无中间连接,终端不需要过路换接箱柜,也不需要配上外径很大的终端接头,能直接接到用电设备端子上。

三、 YTTW电缆的电气特性。

现在工程中应用最多的电缆是有机绝缘电缆,生产厂家比较多,电缆的电气特性差别极大,有些厂商在利益的驱动下,偷工减料,结果电气特性下滑酿成许多恶果。因此,对于任何一种电缆来说,其电气特性的好坏是电缆质量的一个重要标志。YTTW电缆的电气特性有下述内容:

1、额定绝缘电压  ≥0.6/1KV;

2、额定工作电压 750V>380V;

3、工频耐压   2500V,历时15min,不击穿;

4、高温状态耐压 750V,温度 950℃,持续时间9min,不击穿;

5、电缆载流量: 在同等导体截面条件,载流量大于任何有机绝缘电缆的载流量。这是很自然的,因为其绝缘材质耐高温。有些文章介绍,无机绝缘防火电缆可以在 105℃-250℃正常供电,确实可以,但是必须考虑电缆安装周围的安全。 如果不能满足,一般采用环境温度40℃,导体温度90℃,电缆外表温度≤70℃ 比 较安全。

6、耐老化性,大大优于有机绝缘电缆。

7、电缆的热稳定性。

(1)有机绝缘电缆的热稳定是一个很重要的指标,因为有机绝缘电缆的绝缘材质燃点温度低,短路时易引发火灾。一般它们的热稳定较小,如:

PVC电缆热稳定校验  Ik1=115

XLPE电缆热稳定校验  IK2=143

无机绝缘电缆的热稳定很大,如:

YTTW电缆热稳定校验  Ik3=253

式中IK1至IK3─热稳定电流有效值(A);

s─电缆导体截面积(mm2);

t─短路持续时间(s)。

显然IK3>IK2>IK1,YTTW电缆的热稳定最好。

2)关于IK3中的系数253的来源介绍如下:

IK3 中系数253的来源,是按照IEC标准中有关公式计算而得。具体来说,YTTW电缆导体与铜护套的耐温是1083℃,无机绝缘材料的耐高温≥1200℃。 燃烧试验温度950℃,就是说该电缆温度被燃烧到950℃时导体、护套、绝缘材料都不会损坏。因此取电缆最高短路温度不要超过1083℃,电缆在短路时能保持完好。为了留有余地,现取短路时最高温度900℃作终时温度,导体最高运行温度90℃作起始温度,通过公式计算得253。

(3)由于YTTW电缆的热稳定性非常好,几乎是YJV电缆的二倍,所以在设计该电缆时,不需要验算它的热稳定。也就是说一旦当系统短路时保护失灵,系统内其它电气装置件都损坏,YTTW电缆仍能保持完好。

8、非磁性金属护套电缆的电阻与感生电压。

(1) 交流电阻 Rj=Rθ(1+YS+YP)(1+λ1)

式中:Rθ─通以额定电流时导体的直流电阻值;

YS─集肤效应引起导体电阻增加因素;

YP─邻近效应引起导体电阻增加因素;

λ1─非磁性金属护套中的损耗。

集肤效应YS,单芯与多芯均相同,只与电缆结构与频率有关,与电缆布置无关。也就是说在50HZ时,它随导体截面增大而变大。当导体截面为500mm2,电阻增大约3.5%。中等截面240mm2时电阻增加在1%以下,可以忽略不计。

邻近效应YP,单芯电缆并列布置时随电缆间距增加而变小,实际工程计算时可以忽略不计。多芯电缆及捆扎在一起布置的单芯电缆,YP在较大导体截面时较大,在240mm2导体时,电阻增加也在1%以下。也可以忽略不计。

铜护套(非磁性金属)中的损耗λ1,单芯与多芯区别很大,对于铜护套多芯电缆,铜损λ1很小,可以忽略不计。

铜护套单芯电缆分二种布置说明,第一种布置,把三相单芯铜护套电缆捆扎成品字形,它的铜损λ1引起导体电阻增加值(导体截面25-500mm2)约在1-10%范围内。第二种布置,三相平列布 置,当电缆轴距70mm,则λ1引起导体电阻增加值(导体截面25-500mm2)约在3-50%范围内。如果电缆轴距增加,铜损λ1会更大。可见,铜护套单芯电缆产生的铜损比较大的,在日常通电运行时,会消耗很多电能,这与当前提倡节能是相悖的。

铜护套单芯电缆耗能的原因是,铜护套与导体相当于拉长的变压器,二次绕组是铜护套,一次绕组是导体,导体通过交流通电时,会对铜护套产生感生电压。若铜护套两端接地,铜护套与地构成一个通电回路,造成铜护套内产生铜损。

如果采用铜护套单端接地使其不成回路,减少铜损,当然可以,但会产生隐患。在未接地端铜护套对地有感生电压,其大小不确定,在下面会较详细叙述。多芯铜护套电缆不存在这些问题。

(2) 铜护套单端接地时护套与地之间的感生电压(单芯电缆)。

铜护套电缆,导体与护套之间的互感计算比较复杂,只能采用平均值的计算方式。

铜护套内对地感生电压  E=IωM

式中:I-交流电(A)

ω-角频率(ω=2πf)

M-单位长互感量(mH/km)。

每根电缆M的平均值 M= ln

式中:dMm=dM-δM─ 金属护套平均直径;

dM ─ 金属护套的外径(查样本)(mm);

─ 金属护套的厚度(查样本)(mm);

─ 电缆轴距(mm);

μo ─ 电感常数(μo=4π10-7H/m)。

每根电缆的互感抗   XM = ωM

下面举一个实际计算例子:

某工程中采用YTTW-3*(1+240)+1*120铜护套柔性防火电缆,电缆长300米。

安装采用平列布置,铜护套一端接地,求另一端(自由端)对地的感生电压。

解:查样本240(mm)2电缆外径为24.85(mm),铜护套厚度为0.9(mm),将已知数据代入公式

M= ln

式中=100(mm),dMM=dM-δM=24.85-0.9=23.95(mm)

代入后 M=

=2 10-7 2.122=0.424410-6H/m

电缆的互感抗 XM=ωM=2πf×0.4244×10-6

=133.26×10-6Ω/m

已知电缆长度300m,总感抗为:

X300=133.26×10-6×300

=0.04Ω

a、电缆在额定电流725A(查样本)时,自由端对地感生电压  E1=725×0.04=29V

b、单相交流系统,铜护套之间感生电压

E2=2E1=29×2=58Ω(大于安全电压)

C、三相交流系统,铜护套之间感生电压

E3= E1=1.73×29=50V

d、电缆短路状态,设短路电流30KA,自由端对地感生电压

Ek1=30×103×0.04=1200V

单相系统  EK2=2×30×103×0.04=2400V

三相系统  EK3= ×30×103×0.04=2076V

可见单芯铜护套单端接地时,感生电压是很危险的。

(3) 非磁性金属护套单芯电缆的布置

非磁性金属护套单芯电缆若布置不当时,与塑料护套单芯电缆同样存在,三相阻抗不均性。

a、采用品字形(对称三角形)绑扎布置,不但铜损λ1减小,而且三相阻抗相等。另外单芯电缆在安装时,应严格防止涡流产生,因为涡流会产生热量,虽然对无机绝缘电缆产生热老化影响不太大,但会大量消耗能量,这是不允许的。

为了防止涡流,首先了解产生涡流的条件:a.导电体有交变电流;b.导电体周围有高导磁媒 体如钢、铁等;c.高导磁媒体应是闭合的。满足这三个条件,才会产生涡流,我们只要破坏其中任意一条条件就不会产生涡流。多芯电缆任何布置均不会产生涡流或者只产生极小的杂散电流涡流。

b、采用平列布置,铜损λ1大大增大,三相阻抗不相等,而且随着系统频率的增加或谐波成分的增加,阻抗不相等会越来越严重。因此在变频系统或谐波成分较大的系统不能采用这种布置方式。

由此可见,非磁性金属护套电缆与塑料护套电缆有相同之处也有不相同之处,须引起注意。同时也注意到非磁性金属护套电缆,单芯与多芯也存在很大差异。例如:

a、单芯电缆载流量比多芯电缆大,单芯电缆用在直流或低频系统有明显的优点;

b、单芯电缆比多芯电缆容易分支,但安装麻烦。

c、单芯电缆三角形绑扎布置时铜损λ1较小,平列布置时铜损λ1较大,不管何种布置多芯电缆的铜损都比单芯电缆小得多;

d、单芯电缆布置不当会产生相阻抗不相等,不能给变频系统或谐波成份较大系统作输电回路,多芯电缆则可以;

e、单芯非磁性金属护套电缆的末端压降。

电气线路的末端电压降,是电气设计时必须注意的一个重要指标,在供电规范中有明确的规定,线路末端电压降不能大于5%的百分数,尤其对消防设备的供电更为重要,其一消防设备采用强迫起动,起动电流很大,其二消防设备是在火灾发生后起动,有的防火电缆可能已被火焰燃烧,温度升高,电阻变大。在电气设计时都必须考虑。非磁性金属护套电缆的压降计算比较难以精确的计算,而对工程应用,下述的计算能满足精度要求。

三相系统电压降:△U= I'l(RjCosΦ+XjSinΦ)

单相系统电压降:△U=2I'l(RjCosΦ+XjSinΦ)

式中:  Rj=Rθ(1+Ys+Yp)(1+λ1)-交流电阻(Ω);

Xj=ωL-感抗(Ω);

Rθ-导体在θ℃时的直流电阻(Ω);

Ys-集肤效应;

Yp-邻近效应;

ω-角频率(ω=2πf);

L-电感(H/m)

为了计算方便,并不太影响计算精度作以下处理:

a、 对于Ys、Yp在50Hz及导体截面300mm2下可以忽略不计;

b、 对于铜损λ1多芯电缆可以不计,对于单芯电缆分两种情况:三角形捆扎布置,150mm2以下可忽略不计,150-400mm2电阻增加值可取 4-8%,400-500mm2取8-9%。平列布置,电缆轴距70mm时25-150mm2取13-36%,400-500mm2取41-49%。

交流电阻 Rj=Rθ(1+λ1)

感抗Xj的计算,主要电感L的计算比较复杂。尤其是非磁性金属护套电缆,计算其电感值时,假设只是单端接地,可以采用无金属护套或无金属屏蔽电缆的计算公式:

(1) 单相系统的电感

L= ln

(2) 不对称三角形布置时的平均电感

Lm= ln

(3) 对称三角形布置时的电感

L= ln

(4) 平列布置时平均电感

Lm= ln

=1.26

式中:μ0-电感常数(μ0=4π10-7H/m);

ρ-导线等效半径(ρ=0.799YL);

YL-导线半径(mm);

-导线轴距(mm);

-导线平均几何间距(mm)。

举例1、某消防电机采用4芯电缆YTTW-3*120+1*70,长200米。求工作电流时电缆末端压降。

解:查样本知,额定电流314A,导线90℃温度时直流电阻Rθ=0.2Ω/km。导体直径D=12.4(mm),绝缘厚度1(mm)。

交流电阻Rj=Rθ(1+YS+YP)(1+λ1),对于120mm2多芯电缆,YS,YP,λ1可忽略不计,所以

Rj=Rθ=0.2 10-3Ω/m

感抗  Xj=ωL, L= ln

电缆构造  (不对称三角形) ,ρ=0.779 6.2=4.83

代入 L= H/m

感抗 Xj=2πf L=100π 2.47 10-7=775.58 10-7H/m

设Cosρ=0.9,Sinφ=0.435,工作电流Ij=250A,

末端压降△U= Ijl(RjCosφ+XjSinφ)

=1.73 250 200(0.2 0.9+0.0776 0.435)0*10-3

=68500 (0.18+0.0338) 10-3=18.5V<19V满足压降要求。

举例2、例1中采用单芯电缆YTTW-3(1 120)+1 70长200m。求工作电流对电缆末端压降。

解:查样本知,Rθ=0.2Ω/km,额定电流435A,导线直径D=12.4(mm)

工作电流300A,平列布置

交流电阻Rj=Rθ(1+λ1)=0.2(1+8%)=0.216Ω/m

(由于铜损而电阻增加值取8%)

感抗 Xj=ωL,L= ln ,

代入 L= ln =4.11510-7H/m

Xj=2πf L=100π 4.115 10-7=0.129 10-3Ω/m

△ U= Ijl(0.2160.9+0.129 0.435) 10-3

=1.73 300 200 0.2505 10-3=26V

电压降百分数△u= =6.8%>5%不满足压降要求,必须放大截面或减小工作电流。

通过二个例子,比较清晰地可见,采用单芯电缆时,阻抗增大,压降变大。另外在选择电缆截面时,工作电流取额定电流的60-70%较妥。

四、 YTTW电缆的耐火特性。

电缆的耐火特性,是防火电缆的最重要指标之一,根据实际情况发现,有机绝缘耐火电缆样品,也能通过A类耐火试验,但用产品取样送检,结果是大多数通不过耐火试验。有位电缆专家在耐火电缆的论文中叙述到,某工程需要耐火电缆(有机绝缘),七家厂家去竞销,结果六家厂家产品取样检查不合格。假如即使抽检合格,那么这些合格产品能经受住火灾现场的考验吗,这是个问题,也就是有机绝缘耐火电缆当护套,绝缘全烧光,一、二层耐火云母带能经得起火灾时机械磕磕碰碰,及电缆本身的蠕动吗,笔者认为这种耐火电缆的可靠性到底有多大,是值得怀疑的。

耐火电缆耐不耐火,应指整体而言,不能说结构中有耐火层就能成为耐火电缆。耐火电缆必须是全部组成的材质燃点(或熔点)高和无燃烧能量,才称其为耐火电缆。前面已说过YTTW防火电缆完全附合耐火电缆的这一要求。

(1) YTTW电缆物质基础,该电缆有三部份组成导体、护套、有金属铜(熔点 1083℃)构成,绝缘用无机绝缘带(耐高温1200℃)绕包而成。

(2) 耐火特性试验抽样或者出厂产品抽样都能通过A类:火焰温度950-1000℃,持续时间90min的耐火特性试验。

(3) 关于耐火持续时间90min,按国际标准中,标准时间─温度曲线,从环境温度升到950℃,需要时间约90min。防火电缆试验,耐火持续时间90min不是从环境温度起算时间,而是在温度达到950℃时开始计时,持续90min,这是很严格的要求。

(4) YTTW电缆机械强度。

防火电缆的机械强度也是耐火特性的一个重要指标,有机绝缘耐火电缆,就是缺少这个指标,不能起到真正的耐火作用。YTTW电缆外护套为铜质,紧紧包着无机绝缘材质,有着非常好的机械强度可以承受很大的机械冲击力而不损坏。即使受到很大的机械力,将电缆压成椭圆形,也无关紧要,电缆能正常供电。依据是按国标严格做压扁试验,压扁系数达0.8,压扁后必须浸入水中1小时,在护套与导体之间施压1250V,15min,不应发生击穿。

(5) YTTW电缆全系统具有耐火特性。

有些防火电缆,本体有很好的耐火特性,但中间电缆接头及终接头不耐高温,这是一大隐患。YTTW电缆长度无需中间接头,对于超长距离电缆,必须要中间连接时,YTTW电缆可以中间连接,接头与本体具有同样的耐火特性,终端连接头就是电缆本体。所以电缆在任何段内遇到火焰,不必担心其耐火性能。它具有全系统耐火特性。

五、 YTTW电缆的环保特性。

21世纪,全世界对环境有一个共同要求,即环保。有机绝缘耐火电缆是很难做到的,即使是低烟、无卤、阻燃、耐火电缆,有些国家称之为"清洁电缆",而不称其为"环保电缆"或"绿色电缆",道理很简单,有绝缘的低烟、无卤、阻燃、耐火电缆在燃烧中,并不是真正无烟无毒,仅是数量上较少而言。故而只能?quot;清洁电缆"。 "绿色"电缆,至今尚没界定,但我们可以用相对的方法对YTTW电缆进行环保特性探索。

1、YTTW电缆在正常供电状态。

有许多电气装置的材质,在通电或不通电情况下,只要我们靠近,总能呼吸到一些难以接受的气味,严重的可以使人头痛恶心。YTTW电缆没有任何气味,铜本身尚有一种消毒作用。

关于低频电磁辐射对人体伤害,科学家意见尚不统一。YTTW电缆无电磁污染,因为铜护套是非高导磁媒体,能阻止电磁波辐射,因此其周围无电磁污染。

2、YTTW电缆在火灾中。

许多电气设备材质在未燃烧时,对周围环境的污染是不大的,但是在燃烧后会严重污染环境,主要产生浓烟、毒雾等有害气体。YTTW电缆大火燃烧中,是无烟无毒气体产生。前面已讲过,构成该电缆的物质都是不能燃烧的无机物,燃烧中无烟,没有毒气,也不含有重金属镉、铅、汞等,且不助燃,即燃烧能量为零,可燃时间为"0"秒。燃烧中也无任何刺激性气味产生,因此它在燃烧中,可以说其毒性指数为"0",环境污染指数为"0"。

3、YTTW电缆节能情况

YTTW电缆不能直接节能,但它能间接节能,其一,根据它具有耐高温稳定性,因此它有较大的载流量能力,也就是在导体截面相等的条件下,其载流量至少可以放大一个档次。其二,采用铜护套作为PE线(规范允许),四芯电缆可以代替五芯电缆。电缆体积也缩小了。其三,由于电缆本质好,使用中不会故障,不会连锁引发火灾,这种间接节能效益是无法估量的。其四,使用寿命长,至少是普通电缆的2-3倍,这种方式的节能也是无法估量的。同时节能本身也是一种环保。

4、YTTW电缆报废后

物质废弃后,能否大量回收以及不污染环境也是环保的一个重要标志。YTTW电缆,基本上是满足这个要求的,报废后,铜可以全部回收,无机绝缘材料不含有污染环境物质存在,将来也有可能将它重复使用。

以上分析,YTTW电缆,相对别的电缆来说。具有1、电气特性优越;2、耐火性能特好;3、有较好的间接节能;4、具有很好的环保性能,因此可以称其为"绿色"产品。

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