CN102760526B

CN102760526B - 额定电压6kV-35kV陶瓷化硅橡胶绝缘中压耐火电缆及加工工艺

Info

Publication number: CN102760526B
Application number: CN201210243302.2A
Authority: CN
Inventors: 张勇; 潘明星; 王昆
Original assignee: Jiangsu Hengtong Power Cable Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Hengtong Power Cable Co Ltd
Priority date: 2012-07-13
Filing date: 2012-07-13
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2032-07-13
Also published as: CN102760526A

Abstract

本发明公开了额定电压 6kV-35kV 陶瓷化硅橡胶绝缘中压耐火电缆及加工工艺，通过采用以硅橡胶为基料的半导电导体或绝缘屏蔽料，设计了以硅橡胶为基料的半导电导体屏蔽层 + 陶瓷化硅橡胶绝缘层 + 以硅橡胶为基料的半导电绝缘屏蔽层三层同时挤出的工艺，将陶瓷化硅橡胶作为绝缘层的同时也作为耐火层，简化了中压电缆的结构，使得电缆的外径更小、重量更轻、制造成本更低；而且电缆耐火时间更长、耐火温度更高、不延燃性（阻燃）更好，很好得解决了现有技术中中压电缆不能耐火或耐火性能不好的缺点。

Description

额定电压6kV-35kV陶瓷化硅橡胶绝缘中压耐火电缆及加工工艺

技术领域

本发明涉及陶瓷化硅橡胶绝缘中压耐火电缆，适用于有耐火要求的电力传输场合，如应用在特高层、高层大型建筑、电力传输、船舶工程、港口机械上，本发明还涉及该陶瓷化硅橡胶绝缘中压耐火电缆的加工工艺。

背景技术

目前，市面上耐火电缆主要有以下三类：1、云母带重叠绕包的低压耐火电缆；2、矿物质绝缘耐火电缆（简称MI电缆）；3、柔性中压耐火电缆，下面针对上述三种耐火电缆做一些技术上客观的评价：

1、云母带重叠绕包的低压耐火电缆

在导体上重叠绕包云母带，云母带在高温下仍能保持良好的绝缘性能，但是，由于云母层的特性限制，需采用多层大密度缠绕来弥补搭接缝处的搭接缺陷，维持工作时间不长，同时还存在小截面芯线（截面≤6mm²）生产加工比较困难，耐火性能一般，这使得该电缆重量、外径及制造成本居高不下。在火焰条件下，当伴有振动或水喷淋较长时间时，电缆内的云母层会逐步发脆脱落而造成耐火层失效，进而导致电缆因芯线短路或断路而不能确保正常工作。

为什么云母带绕包的耐火电缆不能使用在中压电缆上？

中压耐火电缆的结构是由其在高压下运行的电气参数所决定的，绝缘线芯必须由导电线芯、导体屏蔽、XLPE或EPR绝缘和绝缘屏蔽等组成。导体屏蔽的主要作用是缓和电缆内部电场应力集中，消除导体绞合的影响，改善电缆内部电场的径向分布以提高电缆的电气强度。由于各种原因，导体表面不可避免地存在着一些缺陷，例如毛刺、锐边等，这些缺陷会在电缆内部形成应力集中或局部放电点，在长期的运行过程中会导致电缆绝缘被击穿。而在导体表面绕包一层半导电橡布带+挤包半导电屏蔽层后，导体与半导电屏蔽层形成等电位，从而均化电场，消除缺陷。因此，制造中压耐火电缆，不能采取在导体上绕包耐火云母带的方式，这样会破坏绝缘线芯的整体结构，使导体屏蔽失去均化电场的作用，而耐火云母带的绝缘强度又较低，无法承受高场强的作用，电缆在耐电压试验或运行中会被击穿；而且云母带边缘的纤维还可能形成局部放电点，增大电缆的局部放电量。

2、MI电缆

二十世纪三十年代欧洲开发成功了矿物绝缘电缆（Mineral InsulatedCable），简称MI电缆。MI电缆的耐火性能非常优秀，问世后被广泛地应用在建筑物中，确确实实增加了防火安全性；但是由于其非常昂贵的设备投入，敷设效率不高、使用场合受限（如船舶工程等空间狭小的场合没有办法使用）、封头终端制作工艺复杂、不能弯曲、制造价格昂贵等缺点，限制了MI电缆的发展；同时MI电缆结构只能满足低压电缆的使用，无法用作中压电缆。

3、柔性中压耐火电缆

该类电缆是近两年刚推出的中压耐火电缆，主要是采用交联聚乙烯或乙丙橡胶作为线芯的绝缘材料，线芯的半导电导体或绝缘屏蔽材料采用了聚烯烃材料，聚烯烃材料的硫化方式为高温压力下硫化（硫化蒸汽压力10-14MPa），挤出需要加热，使用陶瓷化硅橡胶作为耐火垫层，在耐火垫层的外面设计隔氧层，在隔氧层的外面设置铠装层、外护套。当发生火灾或受到≥500℃温度烘烤后，由陶瓷化硅橡胶被高温催化成陶瓷状固体耐火层，即“类瓷质烧结层”（耐高温可达1500℃），以此来形成耐火功能。

现有中压耐火电缆的不足之处在于：当外界温度很高或遭遇火焰时，陶瓷化硅橡胶垫层形成“类瓷质烧结层”后不能产生很好的隔热功能，而电缆结构中线芯绝缘层使用的又是交联聚乙烯或乙丙橡胶，正常的工作温度也就为90℃，如遇高温，绝缘层会软化，在通电状态下很容易被击穿，因此，该种耐火电缆不能持续很长的耐火时间，即耐火性能不好。而且现有中压耐火电缆结构复杂，制造成本、外径、重量相对比较大。

发明内容

本发明的目的是提供额定电压6kV-35kV陶瓷化硅橡胶绝缘中压耐火电缆及加工工艺，通过采用以硅橡胶为基料的半导电导体和绝缘屏蔽料，半导电屏蔽料和陶瓷化硅橡胶的硫化体系一致，使得以硅橡胶为基料的半导电导体屏蔽料、陶瓷化硅橡胶绝缘料、以硅橡胶为基料的半导电绝缘屏蔽料能够在三层共挤设备中挤出，这样陶瓷化硅橡胶在作为绝缘层的同时兼作为耐火层，具备良好的耐火性能，同时简化电缆结构，减小电缆外径、重量，降低成本。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种额定电压6kV-35kV陶瓷化硅橡胶绝缘中压耐火电缆，包括绞合在一起形成缆芯的多个线芯、包覆在所述缆芯外面的垫层、包覆在所述垫层外面的外护套，在所述缆芯中，所述多个线芯之间的中心空隙中填充有无卤阻燃填充物，每个所述线芯均包括导体、包在所述导体周向外表面上的以硅橡胶为基料的半导电导体屏蔽层、包在所述以硅橡胶为基料的半导电导体屏蔽层外面的陶瓷化硅橡胶绝缘层、包在所述陶瓷化硅橡胶绝缘层外面的以硅橡胶为基料的半导电绝缘屏蔽层、包在所述以硅橡胶为基料的半导电绝缘屏蔽层外面的金属屏蔽层。

具体实施时，所述垫层为聚氯乙烯内衬层，所述外护套为聚氯乙烯护套，所述线芯的金属屏蔽层采用铜丝编织层或铜带绕包层。

具体实施时，所述线芯有三个，在所述缆芯中，三个所述线芯沿圆周方向紧靠排列。

加工上述额定电压6kV-35kV陶瓷化硅橡胶绝缘中压耐火电缆的工艺方法，包括：首先加工出所述线芯，然后将多个所述线芯绞合成缆，形成所述缆芯，其中在所述多个线芯之间的中心空隙中填充无卤阻燃填充物，接着在所述缆芯的外面挤包形成垫层，最后在所述垫层的外面挤包形成外护套，在加工所述线芯时，先加工出导体，然后在所述导体的外面三层共挤出以硅橡胶为基料的半导电导体屏蔽料、陶瓷化硅橡胶绝缘料、以硅橡胶为基料的半导电绝缘屏蔽料，控制硫化蒸汽压力0.3MPa-1.0MPa，形成所述以硅橡胶为基料的半导电导体屏蔽层、所述陶瓷化硅橡胶绝缘层、所述以硅橡胶为基料的半导电绝缘屏蔽层，最后在所述以硅橡胶为基料的半导电绝缘屏蔽层的外面设置金属屏蔽层；所述以硅橡胶为基料的半导电导体屏蔽料或所述以硅橡胶为基料的半导电绝缘屏蔽料的材料组分及按重量计的含量为：

以硅橡胶为基料的半导电导体或绝缘屏蔽料的制备方法包括以下步骤：

（1）将所述甲基乙烯基硅橡胶110-8和所述甲基乙烯基硅橡胶110-4S、所述白炭黑、所述乙炔炭黑、所述羟基硅油、所述含氢硅油在捏合机中混炼，温度不高于100℃；

（2）然后对所述捏合机进行抽真空，温度保持在不高于165℃；

（3）接着将所述偶联剂KH-560、所述双2，5硫化剂加入所述捏合机中，混炼形成团状混合物料；

（4）将该团状混合物料移出所述捏合机，并进行冷却；

（5）将冷却后的团状混合物料在开炼机上开炼，将混合物料由团状切成片状；

（6）将片状的混合物料在滤胶机上过滤纯化成条状，即制得所述以硅橡胶为基料的半导电导体或绝缘屏蔽料。

在步骤（2）中的抽真空，真空度达到-0.065Mpa，抽真空时间60分钟。

具体实施时，在所述以硅橡胶为基料的半导电绝缘屏蔽层的外面编织铜丝或绕包铜带，形成所述金属屏蔽层。

具体实施时，在所述缆芯的外面挤包一层氯化聚乙烯材料形成所述垫层，在所述垫层的外面挤包一层氯化聚乙烯材料形成所述外护套。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：通过采用以硅橡胶为基料的半导电导体或绝缘屏蔽料，设计了以硅橡胶为基料的半导电导体屏蔽层+陶瓷化硅橡胶绝缘层+以硅橡胶为基料的半导电绝缘屏蔽层三层同时挤出的工艺，将陶瓷化硅橡胶作为绝缘层的同时也作为耐火层，简化了中压电缆的结构，使得电缆的外径更小、重量更轻、制造成本更低；而且电缆耐火时间更长、耐火温度更高、不延燃性（阻燃）更好，很好得解决了现有技术中中压电缆不能耐火或耐火性能不好的缺点。陶瓷化硅橡胶绝缘耐火层在未遭到火焰烧蚀或低于280℃环境温度下，是很柔顺的热固性弹性体；在火焰烧蚀后或高于500℃温度烘烤后即由高温催化成类似电工陶瓷状固体绝缘耐火层，相当于石英瓦，很轻、很耐高温（耐温高达1500℃以上），具有一定的机械强度，遇到水淋和振动等恶劣状况时，高温催化成的坚硬保护层保证中压电缆具有良好的电气性能和可靠的耐火性能。

附图说明

附图1为本发明的电缆结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图来进一步阐述本发明的结构。

参见图1所示，一种额定电压6kV-35kV陶瓷化硅橡胶绝缘中压耐火电缆，包括绞合在一起形成缆芯10的三个线芯1、包覆在缆芯10外面的垫层3、包覆在垫层3外面的外护套4，垫层3为聚氯乙烯内衬层，外护套4为聚氯乙烯护套。在缆芯10中，三个线芯1沿圆周方向紧靠排列。多个线芯1之间的中心空隙中填充有无卤阻燃填充物2，每个线芯1均包括导体11、包在导体11周向外表面上的以硅橡胶为基料的半导电导体屏蔽层12、包在以硅橡胶为基料的半导电导体屏蔽层12外面的陶瓷化硅橡胶绝缘层13、包在陶瓷化硅橡胶绝缘层13外面的以硅橡胶为基料的半导电绝缘屏蔽层14、包在以硅橡胶为基料的半导电绝缘屏蔽层14外面的金属屏蔽层15，金属屏蔽层15采用铜丝编织层或铜带绕包层。

以硅橡胶为基料的半导电导体屏蔽层12、以硅橡胶为基料的半导电绝缘屏蔽层14采用的半导电屏蔽料的材料组分及按重量计的含量为：甲基乙烯基硅橡胶110-8 60-80份、甲基乙烯基硅橡胶110-4S 40-60份、白炭黑25-35份、乙炔炭黑45-60份、羟基硅油2-4份、含氢硅油0.4-0.8份、硅烷偶联剂KH-5600.1-10份、双2，5硫化剂0.6-1.0份。该半导电屏蔽料的制备方法包括以下步骤：（1）将甲基乙烯基硅橡胶110-8和甲基乙烯基硅橡胶110-4S、白炭黑、乙炔炭黑、羟基硅油、含氢硅油在捏合机中混炼，温度不高于100℃；（2）然后对捏合机进行抽真空，真空度达到-0.065Mpa，抽真空时间60分钟，温度保持在不高于165℃；

（3）接着将偶联剂KH-560、双2，5硫化剂加入捏合机中，混炼形成团状混合物料；（4）将该团状混合物料移出捏合机，并进行冷却；（5）将冷却后的团状混合物料在开炼机上开炼，将混合物料由团状切成片状；（6）将片状的混合物料在滤胶机上过滤纯化成条状，过滤去除混合物料中的杂质，即制得以硅橡胶为基料的半导电导体或绝缘屏蔽料。

制得的以硅橡胶为基料的半导电导体或绝缘屏蔽料，以甲基乙烯基硅橡胶110-8和甲基乙烯基硅橡胶110-4S为基料，与陶瓷化硅橡胶的硫化体系相同，使得中压电缆能够采用耐火的陶瓷化硅橡胶作为绝缘层，将陶瓷化硅橡胶与以硅橡胶为基料的半导电导体屏蔽料、以硅橡胶为基料的半导电绝缘屏蔽料一起挤出。在半导电屏蔽料中，通过导电的炭黑的添加，使得屏蔽料具备了一定的导电性能，符合了中压半导电屏蔽料的性能要求，且各项其它性能符合预期的设计，具体见表1。

表1以硅橡胶为基料的半导电导体或绝缘屏蔽料原材料的性能指标

在中压耐火电缆中，使用陶瓷化硅橡胶作为绝缘材料，并集耐火性能为一体。陶瓷化硅橡胶不但具备很好的机械物理性能，性能完全符合国际标准要求，同时还具备了优异的耐火性能。陶瓷化硅橡胶的配方和制备方法对于本领域的技术人员来说是现有技术，这里简单介绍一下：陶瓷化硅橡胶，以甲基乙烯基硅橡胶110-8、甲基乙烯基硅橡胶110-4S为基料，加入烧结粉末填充剂、补强剂、烧结高温粉末催化剂、硫化助剂，共同混炼为可供挤压成型的胶料，该胶料在挤包到导体上面之前需要通过添加双2,4硫化剂进行快速硫化，成为热固性弹性体。快速硫化的工艺：100kg胶料中添加0.8-1.2kg双2,4硫化剂在开练机上恒温20℃，2-5min，混炼均匀即可。陶瓷化硅橡胶绝缘耐火层在未遭到火焰烧蚀或低于280℃环境温度下，是很柔顺的热固性弹性体；在火焰烧蚀后或高于500℃温度烘烤后即由高温催化成类似电工陶瓷状固体绝缘耐火层，相当于石英瓦，很轻、很耐高温（耐温高达1500℃以上），具有一定的机械强度，遇到水淋和振动等恶劣状况时，高温催化成的坚硬保护层保证中压电缆具有良好的电气性能和可靠的耐火性能。

在加工制造额定电压6kV-35kV陶瓷化硅橡胶绝缘中压耐火电缆的工艺方法中，首先加工出线芯1，然后将三个线芯1绞合成缆，形成缆芯10，其中在多个线芯1之间的中心空隙中填充无卤阻燃填充物2，接着在缆芯10的外面挤包一层氯化聚乙烯材料形成垫层3，在垫层3的外面挤包一层氯化聚乙烯材料形成外护套4。在加工线芯1时，先加工出导体11，导体采用符合GB/T3956-2008标准要求的第2类或第5类裸铜或镀锡铜导体，然后在导体11的外面三层共挤出以硅橡胶为基料的半导电导体屏蔽料、陶瓷化硅橡胶绝缘料、以硅橡胶为基料的半导电绝缘屏蔽料，控制硫化蒸汽压力0.3MPa-1.0MPa，形成以硅橡胶为基料的半导电导体屏蔽层12、陶瓷化硅橡胶绝缘层13、以硅橡胶为基料的半导电绝缘屏蔽层14，最后在以硅橡胶为基料的半导电绝缘屏蔽层14的外面编织铜丝或绕包铜带，形成金属屏蔽层15。在电缆中，以硅橡胶为基料的半导电导体或绝缘屏蔽料的性能符合要求，具体见表2。

表2电缆中以硅橡胶为基料的半导电导体或绝缘屏蔽层的性能指标

序号	性能项目	单位	半导电硅橡胶屏蔽性能
				1	老化前机械性能
1.1	抗张强度最小	N/mm²	5.0
				1.2	断裂伸长率最小	%	125
2	热延伸试验
				2.1	试验条件温度	℃	200±3
	载荷时间	min	15
					机械应力	N/cm²	20
2.2	载荷下伸长率最大	%	175
				2.3	载荷下永久伸长率最大	%	15
3	硬度（ShoreA）最小		70
				4	酸气含量试验最大	%	5
5	体积电阻率最大	Ω.cm	500

本专利通过采用以硅橡胶为基料的半导电屏蔽料，设计了半导电导体屏蔽层+陶瓷化硅橡胶绝缘层+半导电绝缘屏蔽层三层同时挤出的工艺，采用陶瓷化硅橡胶作为绝缘层的同时也作为耐火层，简化了中压电缆的结构，使得电缆的外径更小、重量更轻、制造成本更低；而且电缆耐火时间更长、耐火温度更高、不延燃性（阻燃）更好，很好得解决了现有技术中中压电缆不能耐火或耐火性能不好的缺点。本专利电缆的耐火性能对照国标性能如表3；本专利的陶瓷化硅橡胶绝缘中压耐火电缆综合比较如表4。

表3国家标准对耐火电缆要求与本专利涉及的中压耐火电缆要求对比

表4 本专利的陶瓷化硅橡胶绝缘中压耐火电缆的综合比较

本专利打破了现有技术的中压耐火电缆只能靠垫层防护火焰的原理，采用了陶瓷化硅橡胶作为绝缘层和耐火层，简化了中压耐火电缆结构，提高了车间生产效益，在保证各项性能的同时，大大提高了电缆耐火性能。还采用以硅橡胶为基料的半导电导体和绝缘屏蔽料，使得半导电屏蔽料和陶瓷化硅橡胶的硫化体系一致，能够在三层共挤设备中挤出，保证了电气性能。本专利电缆具备优异的耐火性能和很好的综合性能，能够在广泛的领域使用，不受空间、场合等限制。

Claims

1.一种加工额定电压6kV-35kV陶瓷化硅橡胶绝缘中压耐火电缆的工艺方法，所述额定电压6kV-35kV陶瓷化硅橡胶绝缘中压耐火电缆包括绞合在一起形成缆芯的多个线芯、包覆在所述缆芯外面的垫层、包覆在所述垫层外面的外护套，在所述缆芯中，所述多个线芯之间的中心空隙中填充有无卤阻燃填充物，每个所述线芯均包括导体、包在所述导体周向外表面上的以硅橡胶为基料的半导电导体屏蔽层、包在所述以硅橡胶为基料的半导电导体屏蔽层外面的陶瓷化硅橡胶绝缘层、包在所述陶瓷化硅橡胶绝缘层外面的以硅橡胶为基料的半导电绝缘屏蔽层、包在所述以硅橡胶为基料的半导电绝缘屏蔽层外面的金属屏蔽层，

所述工艺方法包括：首先加工出所述线芯，然后将多个所述线芯绞合成缆，形成所述缆芯，其中在所述多个线芯之间的中心空隙中填充无卤阻燃填充物，接着在所述缆芯的外面挤包形成垫层，最后在所述垫层的外面挤包形成外护套，其特征在于：在加工所述线芯时，先加工出导体，然后在所述导体的外面三层共挤出以硅橡胶为基料的半导电导体屏蔽料、陶瓷化硅橡胶绝缘料、以硅橡胶为基料的半导电绝缘屏蔽料，控制硫化蒸汽压力0.3MPa-1.0MPa，形成所述以硅橡胶为基料的半导电导体屏蔽层、所述陶瓷化硅橡胶绝缘层、所述以硅橡胶为基料的半导电绝缘屏蔽层，最后在所述以硅橡胶为基料的半导电绝缘屏蔽层的外面设置金属屏蔽层；所述以硅橡胶为基料的半导电导体屏蔽料或所述以硅橡胶为基料的半导电绝缘屏蔽料的材料组分及按重量计的含量为：

甲基乙烯基硅橡胶 110-8 60-80份

甲基乙烯基硅橡胶 110-4S 40-60份

白炭黑 25-35份

乙炔炭黑 45-60份

羟基硅油 2-4份

含氢硅油 0.4-0.8份

硅烷偶联剂KH-560 0.1-10份

双2，5硫化剂 0.6-1.0份。

2.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：以硅橡胶为基料的半导电导体或绝缘屏蔽料的制备方法包括以下步骤：

（1）将所述甲基乙烯基硅橡胶 110-8和所述甲基乙烯基硅橡胶 110-4S、所述白炭黑、所述乙炔炭黑、所述羟基硅油、所述含氢硅油在捏合机中混炼，温度不高于100℃；

（4）将该团状混合物料移出所述捏合机，并进行冷却；

3.根据权利要求2所述的工艺方法，其特征在于：在步骤（2）中的抽真空，真空度达到-0.065Mpa，抽真空时间60分钟。

4.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：在所述以硅橡胶为基料的半导电绝缘屏蔽层的外面编织铜丝或绕包铜带，形成所述金属屏蔽层。

5.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：在所述缆芯的外面挤包一层氯化聚乙烯材料形成所述垫层，在所述垫层的外面挤包一层氯化聚乙烯材料形成所述外护套。

6.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：所述垫层为聚氯乙烯内衬层，所述外护套为聚氯乙烯护套，所述线芯的金属屏蔽层采用铜丝编织层或铜带绕包层。

7.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：所述线芯有三个，在所述缆芯中，三个所述线芯沿圆周方向紧靠排列。