城市轨道交通车辆用薄壁绝缘电缆的应用

孙正华

(上海南洋电材有限公司,201615,上海∥高级工程师)

1 我国城市轨道交通薄壁电缆的兴起

高性能薄壁绝缘电缆引起了我国轨道交通车辆设计、制造部门的关注。本世纪初,当时上海、广州等地率先开始进行了城市轨道交通项目的技术引进、消化吸收、逐步国产化的一揽子计划活动。由于地铁车辆在空间、自重等方面有严格的限制,加之车辆电气控制线路较普通铁路车辆要多得多,尤其是门系统,为减轻成束电线的重量和敷设所占空间这一问题,国际上普遍采用高性能薄壁绝缘车辆电缆。

国外一般采用高性能聚稀烃类绝缘材料用于薄壁绝缘电缆的绝缘层,绝缘层厚度一般只有同电压等级标准壁厚绝缘电缆的一半左右。如通常情况下普通壁厚电缆绝缘厚度为0.6 mm,那么薄壁电缆的壁厚至多只有0.25 mm,超薄壁的壁厚最薄只有0.18 mm。薄壁电缆只适用于较低电压等级、较小尺寸规格的电缆,如电压级一般在AC 300 V以下,规格一般在2.5 mm2及以下。这类电缆往往成束敷设,在同一空间用量较大。从本世纪开始,薄壁绝缘车辆电缆就被广泛应用于城市轨道交通各类车辆的电控部位。

2 薄壁绝缘电缆采用的技术标准或规范

除上述薄壁绝缘电缆的结构特征外,薄壁绝缘电缆的性能也与同等电压级的标准壁厚电缆不尽相同。国际上现行的薄壁绝缘电缆的地区标准和国家标准大致有以下几种:

1)欧洲共同体标准,一般称为欧洲标准,有EN 50264—3(2008)系列标准(为较小尺寸的交联弹性绝缘电缆),以及EN 50306第一至第三部分(具有特殊防火性能的轨道车辆薄壁电缆)。

2)法国国家铁路车辆电线电缆标准,NFF 63—808(1992)《薄壁绝缘和护套无卤电线电缆》。

3)我国国家标准,GB/T 12528—2008《交流额定电压3 kV及以下轨道交通车辆用电缆》中的薄壁绝缘电缆部分。

我国铁道部标准中暂无薄壁电缆部分。

3 薄壁电缆的性能特征

轨道车辆用薄壁电缆主要是指以欧洲共同体相关电缆标准为依据而设计、制造的轨道车辆电缆。较著名的生产厂商有:耐克森(NEXANS);灏讯(HUBER+SUHNER);普睿司曼(PRYSMIAN)等。其依据的标准则是欧盟区域性标准,如EN50264及EN50306等,而法国标准一般较少采用。其性能特征主要可以概括为绝缘材料的机械强度和较小尺寸电缆的阻燃性。

首先需要关注的是薄壁电缆绝缘材料的机械强度。就普通壁厚电缆而言,其绝缘层抗张强度在7～9 MPa左右,断裂伸长率一般为125%;而薄壁绝缘电缆的抗张强度须达到30 MPa,断裂伸长率降低到100%。之所以有如此不同,主要是因为以聚合物为基料的绝缘材料的单位机械强度会随材料厚度的减小而不同程度地呈非线性降低。为保证只有较薄绝缘层的小尺寸电缆有足够的机械强度,而不得不大幅提高材料的单位机械强度。

此外,较小尺寸电缆的阻燃性也是对材料综合性能的挑战和考验。不同于绝缘的机械强度,普通壁厚电缆和薄壁绝缘电缆要求的阻燃性是一致的。通常来说,较小尺寸电缆通过燃烧试验的难度要大于较大规格电缆,尤其是当有成束电缆燃烧试验要求时,差异十分明显。

综上所述,车辆薄壁绝缘电缆的技术难点,主要集中在材料的特性上;其次是电缆加工的结构精度,比如电缆的圆整性和同心度等。由于电缆的绝缘层较薄,稍有偏差,就有可能造成绝缘厚度的不合格。

4 城市轨道交通车辆薄壁绝缘电缆的研发

薄壁绝缘电缆开发、应用的历史不长,近年来有较快发展是得益于新型绝缘材料的研发成功。欧洲主要轨道车辆电缆制造商在这方面投入了较大精力。有些制造商独立研制薄壁绝缘材料,兼顾了机械性、绝缘性和无卤阻燃性,故在这一领域保持着领先地位。与此同时,采用各种聚稀烃混合物作为薄壁绝缘材料也正在不断进行着有益尝试。由于薄壁绝缘电缆对机械强度和无卤阻燃性有着非常苛刻的要求,国产化的电缆甚至选用高端的工程塑料作为薄壁绝缘层。此类材料的长期耐热温度高,且机械强度和阻燃性都十分优秀,比较适合于薄壁绝缘;而问题在于加工工艺较难控制,材料价格昂贵,给推广应用带来困难。

5 合理选用薄壁绝缘电缆

对于城市轨道交通车辆的设计者来说,合理选用所需电缆是很重要的。根据上述的薄壁绝缘电缆最大的优越性,即同等截面电缆的体积小、质量轻,似乎很有大规模推广应用的必要。然而,由于薄壁绝缘电缆技术标准规定的某些性能指标要求偏高(如电缆绝缘层的抗张强度是普通电缆的3倍,且有无卤阻燃的要求),使得材料的选用范围大大缩小,从而导致成品电缆的价格极其昂贵。除非未来某种较廉价的材料在高机械强度、高阻燃性方面有所突破,那么有选择地采用这类电缆是符合设计经济性的。其实,为解决敷设空间的问题,还可以采取提高电缆长期使用温度的方法来实现。如选用高一挡耐温等级的电缆,就可以相应减小导体的截面积,达到减小电缆直径的目的。上述不同的选用方法需要设计人员根据具体敷设条件加以计算和分析对比,以制定出最经济的选用方案。

6 结语

轨道车辆薄壁绝缘电缆作为近年来轨道车辆电缆的一个新开发的电缆品种而受到车辆设计人员的关注。轨道车辆薄壁绝缘电缆的问世至少可以表明,薄壁绝缘技术已经被成功应用于城市轨道交通车辆电线的敷设、运行领域,为各种电气线路的敷设节省了空间,减轻了车辆的自重。然而,较昂贵的应用成本是制约薄壁绝缘电缆推广应用的重要因素。在这种情况下,广大的车辆电气设计者可以把它看作是一种可接受的选择,在必要的场合下可加以采用。这样既符合设计的先进性,又可以避免产品成本的不必要增加。

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