阻燃B1级城市轨道交通电缆的设计与制造

引言

传统无卤低烟阻燃电缆及试验标准仅考虑电缆本体的不起燃性能、烟气腐蚀性和透光率，忽略了电缆燃烧时的热释放过程、烟气释放过程、燃烧增长速率、燃烧滴落物以及烟气毒性等特性。依据地铁本身独有的特点，一旦起火，容易造成火势蔓延扩大和有毒浓烟的产生，不仅威胁到乘客的生命安全，更给疏散和救援工作造成较大困难。近年来，公众对消防安全越来越重视，我国公安部引进借鉴欧盟CPR建筑指令并制定了《电缆及光缆燃烧性能分级》GB 31247-2014，其中，非矿物质绝缘电缆的最高等级为B1级。目前城市轨道用信号电缆没有统一的行标或国家标准，各个集成商之间的技术标准又不尽相同，主要以符合GB/T 19666-2019《阻燃和耐火电线电缆通则》的B类为主。随着《电缆及光缆燃烧性能分级》GB 31247-2014的推出，B1级阻燃城市轨道交通电缆的研发势在必行。

1 性能要求

根据GB 31247-2014《电缆及光缆燃烧性能分级》及城市轨道交通电缆标准要求，阻燃B1级城市轨道交通电缆燃烧性能、燃烧滴落物、烟气毒性、腐蚀性能及电气性能等指标要求见表1、表2。

表1  阻燃B1级城市轨道交通电缆电气性能指标

注：导体电阻不平衡，即工作线对两根导体的电阻之差与其电阻之和的比值。

表2  阻燃B1级城市轨道交通电缆阻燃性能

2 防火基本原理

燃烧是一个复杂的过程，但归纳一下必须符合三个要素，即可燃物、助燃物（空气）、温度（着火点），缺一不可。任何一个要素缺失，燃烧现象即可终止。若可以持续的现象发生，必须有产生火焰的自由基物反应。所以持续燃烧的要素为：可燃物+阻燃物+温度+自由基物反应（3+1模式）。

自由基的反应也是材料在燃烧过程中的气相反应，是聚合物受热分解并释放可燃性其他在环境氧气助燃下产生火焰并释放出热量。材料持续燃烧中，若能切断自由基的反应，则无热释放量反馈给基材，燃烧即会中断。反馈给可燃性基材热量大小将直接表现为燃烧过程的剧烈程度。阻燃的理念就是阻碍和减少可燃性基材在燃烧过程中热释放量最小化。

3 设计方案

根据使用场景的不同，城市轨道交通电缆分为综合护套和铝护套两种结构。其中，铝护套结构电缆因内护层存在无机物金属护层，研发难度较低，主要难度在综合护套结构电缆的研发。由于综合护套电缆的内护套采用纵包双面铝塑带，护层较薄，外护层燃烧过程中容易向内部缆芯传递热量提升温度，且铝塑带纵包合缝处属于开放窗口，一旦内护层在燃烧过程中结壳性不良，会导致向缆芯内部流入助燃物空气。因此，研发重点在于如何提高综合护套型城市轨道交通电缆的阻燃等级。

方案1 防火材料的选择

从燃烧的三要素来看，除了为满足信号电缆的传输性能而无法更改的绝缘材料外，其他材料可优先选用结壳性更好的、低热释放量值的无卤低烟阻燃材料，可有效降低热释放总量和发烟总量，防止燃烧物滴落，同时防止热量向内部传递。

方案2 电缆结构设计

铝护套电缆由于采用厚度为1.2mm的无机金属物铝板焊接形成的金属套作为屏蔽层，同时采用双钢带铠装，因此只要内垫层的结壳性良好，可阻止外部燃烧时产生的热量向内部传递。铝护套电缆需要考虑的是如何隔绝助燃物空气进入缆芯，并要求结壳性良好，防止绝缘层的聚乙烯材料产生滴落。

综合护套电缆采用厚度仅为0.2mm的双面铝塑带纵包，再挤塑一层塑料内垫层，很容易在燃烧过程中因温度过高，发生塑料内垫层和铝塑带融化滴落。因此需要考虑如何防止内垫层的燃烧物滴落，另外需考虑隔绝助燃物空气进入内垫层表面起到助燃作用。

4 创新方法的确定(1)内、外护套采用防滴落的高阻燃护套料；(2)缆芯外绕包聚酯带后再绕包结壳性较好的阻燃包带，防止火焰渗入缆芯内部，并防止缆芯在燃烧时滴落；(3)内垫层外绕包一层阻燃包带，防止内垫层燃烧过程中产生滴落，同时可以填充铠装钢带和内垫层间的间隙，减少助燃剂空气渗入；(4)铠装结束后再绕包一层阻燃包带，可以填充铠装钢带和内垫层间的间隙，减少助燃剂空气渗入；(5)必要时可适当增加绝缘外径，避免因缠绕阻燃包带引起的电容增大影响传输质量的负面影响。

5 实施方案
5.1 电缆结构

注：※为创新点

5.2 工艺路线

铝护套电缆工艺流程图——※创新点工序

综合护套电缆工艺流程图——※创新点工序

5.3 实现方法

阻燃B1级城市轨道交通电缆主要通过绕包结壳性较好的阻燃绕包带、以及挤塑结壳性较好的高阻燃护套料等方式实施。通过以上措施可有效避免助燃剂空气在燃烧过程中渗入电缆内部，同时由于护层结壳性较好避免在燃烧过程中产生滴落，另外以上材料均属于低热释放量材料，可降低热释放总量以及减少热量向缆芯内部的传递。

在选材过程中，结合电缆自身特点、制造成本、产品质量等方面进行了综合考量，最终阻燃绕包带选用玻璃纤维带，阻燃护套料选用高阻燃无卤低烟聚烯烃护套料。

具体的创新优化如下：

（1）成缆工序

成缆工序主要的作用是将线芯、对线组或四线组等绞合成缆芯，并通过非吸湿性绝缘带如聚酯带在缆芯外绕包固定。本工序的创新在于，在非吸湿性绝缘带外绕包玻璃纤维带，充分填充了金属屏蔽层与缆芯间的缝隙，可在燃烧过程中避免助燃剂空气渗入缆芯内部加速燃烧，同时通过玻璃纤维带结壳性较好的优势，避免在燃烧过程中产生滴落。

（2）铝护套电缆内垫层工序

内垫层作用是铝护套的塑料防护层，避免铝护套在铠装过程中受伤。本工序的创新在于采用结壳性较好的高阻燃无卤低烟护套料作为内垫层。公知的铝的熔点在660℃，而GB/T 31248-2014规定的火源功率为20.5kw，燃烧过程中温度远高于铝的熔点，因此铝护套外挤塑一层壳性较好的高阻燃无卤低烟护套，可有效减少热量向内部传递，并避免在燃烧过程中铝护套融化滴落。

（3）综合护套工序

综合护套是在缆芯外纵包双面铝塑薄膜并挤塑塑料防护层。本工序的创新在于采用结壳性较好的高阻燃无卤低烟护套料作为综合护套塑料护层。原理以及作用如上面第（2）条所述一致。

（4）在铠装工序前后增加绕包工序

城市轨道交通电缆采用双钢带间隙绕包铠装，因此铠装层间存在大量缝隙空间，可大量渗入助燃剂空气，有利于助燃。增加两道绕包工序的创新是采用结壳性较好的玻璃纤维带，可充分填充铠装间的缝隙，避免助燃剂空气渗入电缆内部。

（5）外护套工序

外护套的作用是铠装层外的塑料保护层，直接裸露在电缆外表面，若遇火则在燃烧过程中直接与火源接触。本工序创新是外护套采用挤塑结壳性较好的高阻燃无卤低烟护套料，该材料采用高填充率阻燃剂的优质阻燃塑料，机械物理性能良好，可有效起到延燃或不燃的效果，并避免在燃烧过程中产生滴落。

6 测试结果

本次试制的电缆为城际轨道交通电缆系列中制造难度最高、结构最复杂的WDZB1-PTYA23 6×1.0mm的综合护套电缆，该电缆由于缆芯直径小，且缆芯采用对绞结构，对绞结构的缆芯缝隙大，空气易进入缆芯缝隙内，所以要通过阻燃B1级燃烧性能要求极为困难。表3、表4是我公司生产的WDZB1-PTYA23 6×1.0mm实际测试结果。

表3   阻燃B1级城市轨道交通电缆电气性能测试结果

表4   阻燃B1级城市轨道交通电缆阻燃性能测试结果

7 结束语

随着各大、中型城市地铁、轻轨、有轨电车及磁悬浮等如火如荼的建设，阻燃B1级城市轨道交通电缆市场需求旺盛，但由于制造工艺的复杂，生产技术难度高，因此，生产企业要有效地控制产品质量，必须建立长效的、切实可行的质量控制与管理机制，确保产品质量，降低产品在使用过程中存在的安全隐患及风险，才能为企业的可持续发展奠定基础、为市场提供更优质的产品