CN104681135B - 轨道交通车辆用超耐油超耐低温光电综合电缆及制备方法 - Google Patents

轨道交通车辆用超耐油超耐低温光电综合电缆及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轨道交通车辆用超耐油超耐低温光电综合电缆，动力传输部分由导体包覆绝缘层组成，信号控制部分由陶瓷化硅橡胶耐火绝缘线芯组成，光通信传输部分由层绞全干式光传输单元、中心管全干式光单元、层绞填充式光单元或中心管填充式光单元中的一种或几种组成，动力传输部分、信号控制部分与光通信传输部分绞合构成缆芯，缆芯外包覆有屏蔽层，屏蔽层结构采用编织密度不小于80%的屏蔽单丝编织屏蔽，屏蔽单丝外径不小于0.11mm，屏蔽层结构内使用厚度不小于0.063mm厚度的金属复合带进行拖包，拖包时金属复合带的金属面与屏蔽层结构相接触，或使用单层搭盖率不小于20%的半导电带进行绕包，屏蔽层结构外套有护套层。

Description

轨道交通车辆用超耐油超耐低温光电综合电缆及制备方法
技术领域
本发明具体涉及一种新型的轨道交通车辆用超耐油、超耐低温、低烟无卤阻燃光电综合电缆及其关键工序制备方法，特别涉及一种为远距离运输高速铁路客车、动车组或重载货车提供大功率、大电流和信号控制的耐低温动力、控制、通信光电综合电缆。
背景技术
近年，我国城市轨道交通事业高速发展并取得瞩目成就。截至2012年12月31日，仅中国大陆地区就有17个城市70多条城市轨道交通线路投入运营，总运营里程达到2064km。随着城市化进程的不断加快以及解决城市交通问题的迫切需要，各地纷纷加大对城市轨道交通建设的投入，目前不仅省会一级的城市基本都在建设城市轨道交通，而且多个经济比较发达的地级城市也在建设或正在申报建设。根据国内各城市轨道交通建设规划编制和报批进展，预计2020年之前，我国每年新增城市轨道交通运营线路里程基本能超过300km，全国总里程规模将达到目前的2倍。因此目前急需提前做好轨道交通规划和科学研究工作。
我国地域广阔，高原、丘陵、平原以及盆地等地形复杂交错，因此目前国内许多正在进行轨道交通规划、设计的城市普遍遇到车辆运行范围小，无法连续跨区域行驶的问题。轨道交通车辆电缆的性能级别直接决定了拟建铁路交通工程的规模，以及线路、行车组织、系统运能等条件的确定。连续跨区域行驶的轨道交通车辆车体布线所用电缆需同时满足低烟、无卤、阻燃、耐矿物油、耐燃油、耐高温、耐低温、抗外部腐蚀及老化等相互矛盾的性能。因此，研发出一种新型的轨道交通车辆用超耐油、超耐低温、低烟无卤阻燃电缆，势在必行。
随着我国与国外轨道交通车辆制造巨头的深入合作，引入国外交通系统的各种产品制造标准，其中包括欧标、法标、日标、美国GE采购规范等不同体系的轨道交通车辆电缆标准。并且国家在十二五规划中大力发展铁路及其相关产业，在未来几年内给轨道交通车辆电缆带来了非常广阔的市场前景。
现有的使用量最大的轨道交通车辆电缆是满足欧洲标准EN 50264：2008《具有特殊防火性能的铁路机车车辆动力和控制电缆》、 EN 50306：2002《具有特殊防火性能的铁路机车车辆薄壁绝缘电缆》和美国GE采购规范中额定电压600V的DAP和额定电压2000V的DCP系列电缆。
其中欧标电缆突出特点为耐-40℃低温，耐IRM 902#矿物油100℃×72小时，耐IRM903#燃料油70℃×168小时。绝缘体积电阻率≥1014Ω·cm，可通过单根垂直燃烧和成束阻燃B类、C类试验，毒性指数<3。
美国GE采购规范中DAP和DCP系列电缆突出特点为耐-55℃低温，耐IRM 902#矿物油150℃×144小时，绝缘体积电阻率≥1015Ω·cm。
为了能满足我国远距离高速/重载运行列车连续跨区域行驶的发展需求。将欧标和美国GE采购规范中电缆各项性能结合到一起，研发出一种具有电缆耐-55℃低温后卷绕无开裂现象；耐IRM 902#矿物油150℃×144小时后绝缘、护套材料强度变化率不超过±30%，断裂伸长率变化率不超过±40%；耐IRM 903#燃料油70℃×168小时后绝缘、护套材料强度变化率不超过±30%，断裂伸长率变化率不超过±40%。；20℃绝缘体积电阻率≥1015Ω·cm；可通过单根垂直燃烧和成束阻燃B类、C类试验；毒性指数<3性能的具有超强环境适应性，耐循环应力的电缆是很有必要的。
根据相似相溶原理，相关轨道交通车辆电缆标准中要求的聚烯烃材料本身是不耐油的。目前仅可以通过辐照交联技术改变聚烯烃材料的分子结构，将原聚烯烃材料线性分子结构中较小的分子间作用力(范德华力)升级为网状分子结构中较大的分子内作用力(饱和分子键能)，进而锁紧浸入聚烯烃材料分子间的油料分子， 防止其进一步扩散溶胀破坏聚烯烃材料的分子结构导致材料强度、断裂伸长率等性能急剧下降的问题产生。但也正因为网状结构中存在较大的分子内作用力(饱和分子键能)因此材料在低温时脆化温度提高，更易开裂。因此电缆耐油性能的提高必定伴随着低温性能的下降。
现阶段常用的效果最好的阻燃体系为添加Mg(OH)2和AL(OH)3及其他矿质材料的金属氧化物阻燃体系。因此为了增强电缆的阻燃性能，必然增加金属氧化物的含量，金属离子的浓度增加，又自然的伴随着电缆绝缘电阻值的下降。
耐油和耐低温性能，阻燃和绝缘性能仅是列举的两个比较突出的此消彼长的性能。因此，也是新型的轨道交通车辆用超耐油、超耐低温、低烟无卤阻燃电缆研发成功的瓶颈。
目前轨道交通车辆电缆通过的防火性能测试如DIN 5510、EN 45545、BS 6853等均不包括耐火性能，即在火灾情况下，电缆在一段时间内仍然持续通电运行，保证电气安全的能力。随着硅橡胶材料的推广应用，一种新型的陶瓷化硅橡胶为轨道交通车辆耐火电缆的研发提供了更好的解决方案。如果采用这种具有防火、耐火、阻燃、低烟、无毒性能的陶瓷化防火、耐火硅橡胶挤出制造。这样缆芯在燃烧后的残留物为陶瓷状硬壳，硬壳在650℃~3000℃的火灾环境下不熔融、不低落，起到坚固的保护作用。可保证在火灾情况下信号控制回路的畅通，设备稳定运行，为人员疏散提供可靠的环境，争取宝贵的时间。
传统的铁路信息传输完全依赖电传输通道，随着铁路信号技术的发展，光纤传输的系统因其具有传输容量大，抗干扰能力强，信息传输稳定可靠，传输距离远等诸多优点，如果能在新型的轨道交通车辆用超耐油、超耐低温、低烟无卤阻燃电缆中加入光单元作为通信传输通道。便杜绝了轨道交通车辆中二次布线的现象，同时，电单元和光单元的绞合成缆与电缆和光缆分开敷设相比，光电综合缆外径实际尺寸仅为分开敷设尺寸的70%左右，增加了轨道交通车辆的有效使用空间，产生的经济效益是显而易见的，是巨大的。
发明内容
发明目的：为了解决现有轨道交通车辆电缆综合性能的不足，本发明提供了一种轨道交通车辆用超耐油耐超低温光电综合电缆及其关键工序制备方法。
技术方案：一种轨道交通车辆用超耐油超耐低温光电综合电缆，包括动力传输部分、信号控制部分和光通信传输部分、屏蔽层和护套层，所述动力传输部分由导体包覆绝缘层组成，所述信号控制部分由陶瓷化硅橡胶耐火绝缘线芯组成，所述光通信传输部分由层绞全干式光传输单元、中心管全干式光单元、层绞填充式光单元或中心管填充式光单元中的一种或几种组成，动力传输部分、信号控制部分与光通信传输部分绞合构成缆芯，缆芯外包覆有屏蔽层，所述屏蔽层结构采用编织密度不小于80%的屏蔽单丝编织屏蔽，屏蔽单丝外径不小于0.11mm，屏蔽层结构内使用厚度不小于0.063mm厚度的金属复合带进行拖包，拖包时金属复合带的金属面与屏蔽层结构相接触，或使用单层搭盖率不小于20%的半导电带进行绕包，屏蔽层结构外套有护套层。
作为优化：所述导体采用单丝直径0.18mm~0.5mm绞合成截面为0.5mm2~400mm2的镀锡或高强度铝镁合金绞线或铜包铝镁合金绞线或镀锡圆铜绞线,当采用高强度的合金绞线时，为得到等效的电阻水平，可将合金绞线的截面增大15%，由于采用的是多股（1+６）绞线的方式，电缆仍然具有良好的弯曲性能。电缆导体的柔软度极大幅度提高了电缆在长期弯曲、振动条件下的可靠性。
作为优化：所述具有防火、耐火、阻燃、低烟、无毒性能的陶瓷化防火、耐火硅橡胶挤出制造的信号控制线芯，可通过国际上防火耐火电线电缆最高级别的BS 6387的CWZ级水喷淋、震动、耐火试验；具有白色低烟、无磷氮、无重金属、无毒、无害、不熔融、不滴落的特点；烟气毒性安全等级达到高分子材料的最高安全级别ZA1级，不会对人体造成二次伤害；符合欧盟RoHS标准。
作为优化：所述绝缘层和护套层采用超耐油、超耐低温、阻燃交联绝缘材料、护套材料，通过混炼纳米添加剂，保证了电缆耐-55℃低温后卷绕无开裂现象；耐IRM 902#矿物油150℃×144小时后绝缘、护套材料强度变化率不超过±30%，断裂伸长率变化率不超过±40%；耐IRM 903#燃料油70℃×168小时后绝缘、护套材料强度变化率不超过±30%，断裂伸长率变化率不超过±40%；20℃绝缘体积电阻率≥1015Ω·cm；可通过单根垂直燃烧和成束阻燃B类、C类试验；毒性指数<3的综合性能，具有超强环境适应性，耐循环应力的性能，延长了电缆使用寿命。按照GB/T 11026.1-2003《电缆绝缘材料 耐热性》标准中老化程序和试验结果的判定，通过收集电缆在180℃、165℃、150℃和135℃的寿命终止点后采用阿伦尼乌兹曲线方程进行计算，推导出该绝缘材料在电缆长期运行使用温度90℃时的热寿命大于30年。
作为优化：所述光单元为G-层绞全干式光传输单元、GX-中心管全干式光单元、GT-层绞填充式光单元或GXT-中心管填充式光单元，这样既满足了实际使用中不同信息传输容量的需求，又满足了对不同程度的远距离传输要求。
作为优化：所述屏蔽层结构内需用厚度不小于0.063mm厚度的金属复合带进行拖包，拖包金属复合带的金属面与屏蔽层结构相接触，也可以使用单层搭盖率不小于20%的半导电带进行绕包，保证屏蔽层的连续性，提高屏蔽层的可靠性。
一种轨道交通车辆用耐油耐低温光电综合电缆的制备方法，包括导体，绝缘，成缆及绕包，屏蔽，护套共5个工序；
其中，绝缘和护套为关键工序，绝缘、护套材料在混炼过程中采用新型的纳米阻燃剂，通过绝缘、护套材料对纳米级别的粒子吸附，使绝缘、护套原胶在保持原有韧性及电性能的前提下，完美结合了无机助剂的刚性、尺寸稳定性、热稳定性，混合材料同时兼备了纳米材料加工速度快、功耗低、重量轻的优点；完美的解决了阻燃性能与绝缘性能之间的矛盾，同时加快至少1/2的生产效率，一举两得；纳米添加剂同样可以应用在其他性能的改进方面，使材料各性能间的影响程度降到最低；
现有辐照交联技术受设备能量、辐照剂量和进线速度三个因素的影响；经常存在整根电缆圆周上辐照后交联度不均匀的现象，35mm2及以上的大规格电缆尤为明显；因此该新产品采用硅烷交联工艺代替原有辐照交联工艺技术；由于硅烷交联原理为利用接枝剂的桥架作用构成网状分子结构，因此只要控制接枝剂重量配比的单一因素即可控制电缆绝缘护套的交联度，无过交联现象的发生，在控制材料耐油性能的同时，极大的接近了材料最低的耐温等级；通过控制接枝剂的重量，将寻找材料各性能动态平衡点的过程可视化。
有益效果：本发明利用纳米添加剂技术，通过绝缘、护套材料对纳米级别的粒子吸附，使绝缘、护套原胶在保持原有韧性及电性能的前提下，完美结合了无机助剂的刚性、尺寸稳定性、热稳定性，混合材料同时兼备了纳米材料加工速度快、功耗低、重量轻的优点。完美的解决了阻燃性能与绝缘性能之间的矛盾，同时加快至少1/2的生产效率，一举两得。纳米添加剂同样可以应用在其他性能的改进方面，使材料各性能间的影响程度降到最低。
采用新型具有防火、耐火、阻燃、低烟、无毒性能的陶瓷化防火、耐火硅橡胶挤出制造的信号控制绝缘线芯在燃烧后的残留物为陶瓷状硬壳，硬壳在火灾（650℃~3000℃）环境下不熔融、不低落，起到坚固的保护作用。可保证在火灾情况下信号控制回路的畅通，设备稳定运行，为人员疏散提供可靠的环境，争取宝贵的时间。
采用新型的纳米阻燃剂，同时提高阻燃、绝缘和耐油、耐低温等性能。减小电缆材料间各性能的相互影响作用，响应了国家科技发展政策。
结合我国地域广阔，温带、亚热带季风气候明显的特性，在列车长距离、大温差、高震动频率运行的过程中，通过采用这种新型低烟无卤阻燃交联聚烯烃材料来改善电缆耐磨性、耐化学药品性、耐应力开裂等一系列物理、化学性能，将为轨道交通车辆的运行提供安全保障。
该电缆可满足额定电压3.6/6kV及以下的使用范围。同时具有电单元和光单元。一方面集信号传输、电力输配电和光纤于一身，实现了一缆多能的飞跃式前进。避免了轨道交通车辆的二次布线，网络建设费用低，响应了国家轻量化高速列车的发展思路。
通过改善电缆导体结构，增加电缆柔软度，电缆最小弯曲半径可达4倍电缆外径，提高了施工的便捷性。
电缆耐-55℃低温后卷绕无开裂现象；耐IRM 902#矿物油150℃×144小时后绝缘、护套材料强度变化率不超过±30%，断裂伸长率变化率不超过±40%；耐IRM 903#燃料油70℃×168小时后绝缘、护套材料强度变化率不超过±30%，断裂伸长率变化率不超过±40%；抗3000N侧压特性等特殊性能保证了电缆在不同复杂的工作环境下长期稳定运行的安全性和可靠性。
电缆综合性能的大幅提升使轨道交通车辆连续行驶空间范围增大，避免了轨道交通车辆由于无法适应地形的更换而走弯路情况的发生，节能环保，满足国家远距离高速/重载运行列车连续跨区域运行的发展战略要求。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。其中:1、导体；2、绝缘层；3、光单元；4、金属带或半导电带；5、屏蔽层；6、外护层；7、陶瓷化硅橡胶耐火绝缘控制线芯。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例
如图1所示，一种轨道交通车辆用耐油耐低温光电综合电缆，包括动力输部分、信号控制部分、光传输通信部分、屏蔽层部分和护套层。动力输部分由导体1挤包绝缘2组成，为了提高导体抗氧化，耐腐蚀性能，采用镀锡工艺进行生产。信号控制部分由陶瓷化硅橡胶耐火绝缘线芯7组成，光传输通信部分由光单元3组成，导体1包覆绝缘层2后和陶瓷化硅橡胶耐火绝缘线芯与光单元3进行绞合构成缆芯。屏蔽层部分由屏蔽层结构5组成，在具有很强电磁场的干扰区段内，为防止线芯中的感应电流影响电能的传输，导致供电不稳或供电系统瘫痪，光电综合缆的屏蔽层结构5是必需的。屏蔽层结构5采用编织密度不小于80%的屏蔽单丝编织屏蔽，屏蔽单丝外径不小于0.11mm，屏蔽层结构5内使用厚度不小于0.063mm厚度的金属带4进行拖包，拖包的金属面与屏蔽层结构5相接触，屏蔽结构5内也可使用单层搭盖率不小于20%的半导电带4进行绕包，屏蔽层结构5外套有护套层（6）。
导体1采用单丝直径0.18mm~0.5mm绞合成截面为0.5mm2~400mm2的镀锡或高强度铝镁合金绞线或铜包铝镁合金绞线或镀锡圆铜绞线,当采用高强度的合金绞线时，为得到等效的电阻水平，可将合金绞线的截面增大15%，由于采用的是多股（1+６）绞线的方式，电缆仍然具有良好的弯曲性能。电缆导体的柔软度极大幅度提高了电缆在长期弯曲、振动条件下的可靠性。
所述绝缘层2和护套层6采用超耐油、超耐低温、阻燃交联绝缘材料、护套材料，通过混炼纳米添加剂，保证了电缆耐-55℃低温后卷绕无开裂现象；耐IRM 902#矿物油150℃×144小时后绝缘、护套材料强度变化率不超过±30%，断裂伸长率变化率不超过±40%；耐IRM 903#燃料油70℃×168小时后绝缘、护套材料强度变化率不超过±30%，断裂伸长率变化率不超过±40%；20℃绝缘体积电阻率≥1015Ω·cm；可通过单根垂直燃烧和成束阻燃B类、C类试验；毒性指数<3的综合性能，具有超强环境适应性，耐循环应力的性能，延长了电缆使用寿命。按照GB/T 11026.1-2003《电缆绝缘材料 耐热性》标准中老化程序和试验结果的判定，通过收集电缆在180℃、165℃、150℃和135℃的寿命终止点后采用阿伦尼乌兹曲线方程进行计算，推导出该绝缘材料在电缆长期运行使用温度90℃时的热寿命大于30年。
信号控制部分采用新型具有防火、耐火、阻燃、低烟、无毒性能的陶瓷化防火、耐火硅橡胶挤出制造的信号控制绝缘线芯组成，在燃烧后的残留物为陶瓷状硬壳，硬壳在火灾（650℃~3000℃）环境下不熔融、不低落，起到坚固的保护作用。可保证在火灾情况下信号控制回路的畅通，设备稳定运行，为人员疏散提供可靠的环境，争取宝贵的时间。
光单元通信部分3为G-层绞全干式光传输单元、GX-中心管全干式光单元、GT-层绞填充式光单元或GXT-中心管填充式光单元，这样既满足了实际使用中不同信息传输容量的需求，又满足了对不同程度的远距离传输要求。
所述屏蔽层结构5内需用厚度不小于0.063mm厚度的金属复合带4进行拖包，拖包金属复合带的金属面与屏蔽层结构5相接触，也可以使用单层搭盖率不小于20%的半导电带4进行绕包。
一种轨道交通车辆用耐油耐低温光电综合电缆的制备方法，包括导体，绝缘，成缆及绕包，屏蔽，护套共5个工序；
其中，绝缘和护套为关键工序，绝缘、护套材料在混炼过程中加入新型的纳米阻燃剂，通过绝缘、护套材料对纳米级别的粒子吸附，使绝缘、护套原胶在保持原有韧性及电性能的前提下，完美结合了无机助剂的刚性、尺寸稳定性、热稳定性，混合材料同时兼备了纳米材料加工速度快、功耗低、重量轻的优点；完美的解决了阻燃性能与绝缘性能之间的矛盾，同时加快至少1/2的生产效率，一举两得；纳米添加剂同样可以应用在其他性能的改进方面，使材料各性能间的影响程度降到最低；
现有辐照交联技术受设备能量、辐照剂量和进线速度三个因素的影响；经常存在整根电缆圆周上辐照后交联度不均匀的现象，35mm2及以上的大规格电缆尤为明显；因此该新产品采用硅烷交联工艺代替原有辐照交联工艺技术；由于硅烷交联原理为利用接枝剂的桥架作用构成网状分子结构，因此只要控制接枝剂含量的单一因素即可控制电缆绝缘护套的交联度，无过交联现象的发生，在控制材料耐油性能的同时，极大的接近了材料最低的耐温等级；通过控制接枝剂的含量，将寻找材料各性能动态平衡点的过程可视化。
结合我国地域广阔，温带、亚热带季风气候明显的特性，在列车长距离、大温差、高震动频率运行的过程中，通过采用这种新型低烟无卤阻燃交联聚烯烃材料来改善电缆耐磨性、耐化学药品性、耐应力开裂等一系列物理、化学性能，将为轨道交通车辆的运行提供安全保障。
对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种轨道交通车辆用耐油耐低温光电综合电缆，其特征在于：包括动力传输部分、信号控制部分、光通信传输部分、屏蔽层和护套层，所述动力传输部分由导体(1)包覆绝缘层(2)组成，所述信号控制部分由陶瓷化硅橡胶耐火绝缘线芯(7)组成，所述光通信传输部分由光单元(3)组成，导体(1)包覆绝缘层(2)后和陶瓷化硅橡胶耐火绝缘线芯(7)与光单元(3)进行绞合构成缆芯，所述屏蔽层结构(5)采用编织密度不小于80％的屏蔽单丝编织屏蔽，屏蔽单丝外径不小于0.11mm，屏蔽结构(5)内使用厚度不小于0.063mm厚度的金属复合带(4)进行拖包，拖包金属复合带的金属面与屏蔽结构(5)相接触，或使用单层搭盖率不小于20％的金属复合带(4)进行绕包，屏蔽结构(5)外包覆有护套层(6)；
所述导体(1)采用单丝直径0.18mm～0.5mm绞合成截面为0.5mm2～400mm2的铝镁合金绞线或铜包铝镁合金绞线或镀锡圆铜绞线；
所述陶瓷化硅橡胶耐火绝缘线芯(7)由具有防火、耐火、阻燃、低烟、无毒性能的陶瓷化防火、耐火硅橡胶挤出制成，缆芯在燃烧后的残留物为陶瓷状硬壳，硬壳在650℃～3000℃的火灾环境下不熔融、不滴落，起到坚固的保护作用，保证在火灾情况下信号控制回路的畅通，设备稳定运行；
所述绝缘层(2)和护套层(6)采用耐油、耐低温、阻燃交联绝缘材料、护套材料，通过混炼纳米添加剂，保证电缆耐-55℃低温后卷绕无开裂现象；耐IRM 902#矿物油150℃×144小时后绝缘、护套材料强度变化率不超过±30％，断裂伸长率变化率不超过±40％；耐IRM903#燃料油70℃×168小时后绝缘、护套材料强度变化率不超过±30％，断裂伸长率变化率不超过±40％；20℃绝缘体积电阻率≥1015Ω·cm；
所述光单元(3)为G-层绞全干式光传输单元、GX-中心管全干式光单元、GT-层绞填充式光单元或GXT-中心管填充式光单元；
所述轨道交通车辆用耐油耐低温光电综合电缆的制备方法，包括导体，绝缘，成缆及绕包，屏蔽，护套共5个工序；其中，绝缘和护套为关键工序，绝缘、护套材料在混炼过程中加入纳米阻燃剂，通过绝缘、护套材料对纳米级别的粒子吸附，使绝缘、护套原胶在保持原有韧性及电性能的前提下，结合了纳米阻燃剂的刚性、尺寸稳定性、热稳定性，混合材料同时兼备了纳米材料加工速度快、功耗低、重量轻的优点；采用硅烷交联工艺，利用接枝剂的桥架作用构成网状分子结构，只要控制接枝剂重量配比的单一因素即可控制电缆绝缘护套的交联度，无过交联现象的发生，在控制材料耐油性能的同时，极大地接近了材料最低的耐温等级；通过控制接枝剂的含量，使寻找材料各性能动态平衡点的过程可视化。
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