一种铜金属外壳装置预制分支防火电缆的设计与检测

摘要：按照国标《建筑设计防火规范》（GB 50016—2014）及防火电缆相关检验规范，设计一种铜金属外壳装置的预制分支防火电缆，重点阐述了产品工艺结构及主要检测项目的验证。通过多次结构优化和检验验证，在环保及防火性能上达到国标要求，有效解决了施工现场因主干电缆与支线电缆接头处理不到位导致防火性能丧失等问题。

关键词：柔性防火電缆;金属外壳;预制分支防火电缆

0    引言

近年来，由于国家对环保及消防安全方面的重视，电线电缆行业研发和设计向环保及安全使用性能等领域发展。柔性矿物绝缘电缆（简称“防火电缆”）NG/A-（BTLY）、BBTRZ等在火灾中能保持供电并承受消防水喷淋及重物跌落冲击，因而在设计上环保要求较高、安全系数等级要求较严的建筑领域广泛使用。在人员密集及消防安全等级较高的场所，由于敷设现场的复杂性，所使用的防火电缆因其结构的特殊性主干电缆与支线电缆接头处理可能不到位，一旦防火电缆的结构受到破坏，必然造成安全隐患，而且会使电缆失去防火、环保等性能。因此，结合实际安装需求，设计和开发一种新型预制分支防火型环保电缆很有必要，其既要像普通分支电缆一样安装方便、快捷、无故障风险、运行可靠，又要做到分支头达到消防验收的标准。本公司设计、开发了一种铜金属外壳固定装置的预制分支防火电缆，并通过线路完整性检测，已率先应用于市场。发生火灾时，线路可持续通电延缓3 h，给人员逃生提供了很大帮助，减少了火灾发生时的人员伤亡。

1    防火电缆产品结构

常用的矿物复合绝缘铝护套柔性防火电缆产品结构如图1所示，包括退火软铜导体、耐高温950 ℃及以上合成云母带、陶瓷化防火硅橡胶绝缘层、阻燃填充绳、阻燃绕包带、挤包或轧纹铝护套、PE隔离层骨架、氢氧化镁防火层、无卤低烟聚烯烃外护套。

2    预制分支防火电缆分支包原方案设计结构

把矿物复合绝缘铝护套柔性防火电缆主干线和分支线剥离、合成与修复，使预制分支防火电缆分支包性能符合防火特性的设计要求。

2.1    原方案设计

（1）导体;（2）C形夹;（3）耐火层云母绕包带;（4）交联聚乙烯绝缘;（5）无卤低烟聚烯烃注塑护套。

2.2    结构材料设计及性能说明

（1）导体：由退火类柔软性电解纯铜组成。

（2）C形夹：用于导体分支连接体固定主体电缆导体和分支电缆导体。

（3）耐火层云母绕包带：采用绕包云母带作为耐火绝缘层，云母带具有优良的电气、耐高温、耐燃烧性能，良好的柔软性及拉伸强度，适用于高速绕包工艺。明火燃烧时基本不存在有害烟雾的挥发，并能保证线路的完整性。

（4）交联聚乙烯绝缘：长期允许工作温度可达90 ℃，同时击穿场强高，介质损耗低。交联聚乙烯不含卤素，具有环保性能，燃烧时发烟量低且不含有毒气体。

（5）无卤低烟聚烯烃注塑护套：材料燃烧时阻燃性能稳定，完全不含卤素成分，释放的烟雾和有毒气体极少，不影响人员视线，适用于空间较小的隧道和地铁敷设场所。

3    原方案试验检测验证

防火电缆设计完成后所进行的必要验证项目有工频交流耐压试验、绝缘电阻测试、线路完整性耐火试验，以验证电缆是否符合设计要求。

3.1    工频交流耐压试验

试验原理：通过高压试验后用有无被击穿来判断产品质量的好坏，是有效检验电缆质量缺陷的手段之一。

试验结论：按照《电线电缆电性能试验方法 第8部分：交流电压试验》（GB/T 3048.8—2007）要求：交流耐压试验要求进行检测，电缆浸水时间不小于1 h;施加3.5 kV工频电压5 min不击穿。交流耐压试验通过，如表1所示。

3.2    绝缘电阻测试

试验原理：在电线电缆中，绝缘电阻是影响其质量的关键因素和主要指标，绝缘电阻可以反映出电线电缆在电和热击穿过程中的能力，通过测量绝缘电阻，可以分析评价电线电缆的质量优劣。

试验结论：按照《电线电缆电性能试验方法 第5部分：绝缘电阻试验》（GB/T 3048.5—2007）要求：绝缘电阻试验浸水不小于1 h，测试电压500～1 000 V时≥200 MΩ·km。实测220 MΩ·km，试验通过，如表1所示。

3.3    线路完整性耐火试验

试验原理：电缆外径大于20 mm，按照《用于烟和热控制系统及其他特定的仍在继续的火灾安全系统部件的大直径电力电缆着火完整性的评定方法》（BS 8491：2008）要求，来检验电缆设计是否符合防火性能的要求;电缆外径小于等于20 mm，按照《电缆在火焰条件下保持线路完整性的耐火试验方法》（BS 6387：2013）来验证电缆是否达到防火性能的要求。线路完整性试验时，试样施加电压为该电缆额定电压0.6/

1 kV，受火温度为830～870 ℃，受火时间120 min;受火10 min开始冲击，每隔10 min冲击一次;试验结束前5 min开始喷水，每隔60 s喷水一次，每次喷水持续5 s;线路保持完整，熔断器不断，指示灯不灭。

试验结论：按照BS 8491：2008要求，受火及机械振动120 min（试验115 min时喷水）后，指示灯熄灭，线路完整性耐火试验不通过，具体检测数据汇总如表1所示。

4    方案优化

基于原方案检验数据梳理分析，浸水后的绝缘虽然达到设计要求，但设计裕度偏低，有产品设计优化的必要性。线路完整性试验未通过，电缆设计防火性能达不到使用要求，主要是由于设计上没有充分应用具有防火性的绝缘材料和护套材料，原方案中所使用绝缘层为云母加交联聚乙烯材料，在绝缘性能上符合电力电缆正常线路运行的要求，但火灾发生时，不具备必要的防火性能，特别是交联聚乙烯材料在线路完整性测试初始阶段前10 min已完全被高温融化，线路相与相之间失去绝缘性，导致检测验证失败。无卤低烟聚烯烃注塑护套在火灾高温环境下虽然达到环保性能，但该材料并不阻热，火灾中的热量仍能通过护套层传到内部绝缘层，没有起到防火保护的作用。

4.1    改进后方案设计

根据检验数据分析改进结构，优化后产品结构如图2所示，具体包括：（1）导体;（2）C形夹;（3）防火层云母绕包带;（4）陶瓷化防火硅橡胶绝缘带;（5）耐高温热固性弹性体防火硅凝胶;（6）铜金属固定装置分支盒。

4.2    结构材料设计及性能说明

（1）导体、C形夹、云母绕包耐火层维持原方案不变。

（2）陶瓷化防火硅橡胶绝缘带：为有机硅和无机的二氧化硅，另加入陶瓷化粉和耐火材料组成;其性能克服了耐火云母发脆、撞击易脱落等缺点，具有防火、耐火、阻燃、低烟、无毒、高绝缘等性能，为防火电缆应用的一种性能优良的新材料，被烧后形成坚硬的壳体，但仍具有良好的绝缘电阻，可以使线路在火焰中持续通电3 h以上，从而为火灾时人员的疏散和抢救争取了宝贵的时间。常温下和普通的橡胶带类似，较为柔软，方便缠绕操作，耐火温度为2 800 ℃以上。

（3）耐高温热固性弹性体硅凝胶：为防火、耐火、阻燃绝缘材料，能将缆芯隔离起来。分为A、B两袋，在使用时将A、B两袋混合均匀，从铜金属外壳固定装置预留口处倒入，倒满为止，硅凝胶在20 min内变为固体，具有橡胶的柔弹性、避震抗冲击、防火等性能，绝缘性能和机械性能优越。

（4）铜金属固定装置分支盒：置于电缆最外层，厚度1.2 mm，耐火温度为1 082 ℃，高于火焰温度600～1 000 ℃;其具有防機械损伤、耐磨、抗压、防爆等性能，安装简易，由上、下相同形式的铜制金属盒组成，两端可根据电缆外径的尺寸选择大小，安装时上、下合起，边隙用橡胶条密封，螺丝加固，灌胶口在分支盒最上端，灌胶后由螺丝密封。

5    优化后试验检测验证

产品优化后，工频交流耐压试验、绝缘电阻测试、线路完整性耐火试验均符合相关标准要求。具体线路完整性检测如图3所示，优化后检测数据汇总表如表2所示。

6    结语

本文针对防火电缆预制分支包进行了设计和检测验证，并据此反复优化结构，再检测验证，从而达到防火性能技术要求，既满足了普通分支电缆的特点及安装要求，又有效解决了现场敷设安装电缆时主干线路与分支线路加接头处理不理想破坏防火性能的问题。本次基于检验数据分析优化设计的防火电缆预制分支包不仅性能检测验证达到防火性能技术要求，实现了防火电缆主干线路与分支线路连接时不破坏本身的防火性能，而且由于使用了铜外壳分支包模型，从外观上得到了客户的认可，客户认为铜外壳分支包是最好的防火护层。该产品在消防领域安全防火等级较高的电缆安装场所有较好的发展前景，目前该产品市场反响良好，促使公司防火电缆业务快速增长。本公司会在后续的市场验证过程中，积极针对客户安装使用时提出的意见和建议，持续优化改进，努力提高产品安装敷设的使用性能，密切关注客户的实际使用效果，把预制分支防火电缆推向更大的市场。

[参考文献]

[1] 用于烟和热控制系统及其他特定的仍在继续的火灾安全系统部件的大直径电力电缆着火完整性的评定方法：BS 8491：2008[S].

[2] 电缆在火焰条件下保持线路完整性的耐火试验方法：BS 6387：2013[S].

收稿日期：2020-08-04

作者简介：龙景阳（1979—），男，河南人，电线电缆制造技师，研究方向：电线电缆产品研发及生产制造。