CN108369841B - 耐火电缆 - Google Patents

Abstract

耐火中压及高压电缆(100)，包括导体(110)，相对于导体(110)布置在径向外部位置的第一半导电层(120)，相对于第一半导电层(120)布置在径向外部位置并且直接接触第一半导电层(120)的绝缘层(130)，相对于绝缘层(130)布置在径向外部位置并且直接接触绝缘层(130)的第二半导电层(140)，相对于第二半导电层(140)布置在径向外部位置的导电屏蔽(150)，相对于导电屏蔽(150)布置在径向外部位置的热阻挡层(165)，热阻挡层(165)包括由耐火或者阻燃剂层无卤材料制成的层，相对于热阻挡层(165)布置在径向外部位置并且具有朝向外的橡胶化表面的橡胶化玻璃纤维带(190)，相对于橡胶化玻璃纤维带(190)布置在径向外部位置并且直接接触橡胶化玻璃纤维带(190)的橡胶化表面的外护套(200)。

Description

耐火电缆

技术领域

本发明涉及耐火中压及高压电缆。

背景技术

像例如陆上工厂和海上工厂这样的工业设施或者像例如地下线路这样的公共基础设施中使用的电缆要求高耐火性质来维持设施或者基础设施的操作长达某个时间段，从而允许人群在火灾爆发之前撤离。

由于在上述工业设施或者公共基础设施中越来越多数量的设备运行在中压及高压上，存在对具有耐火中压及高压电缆的需求。

典型地，中压(MV)和高压(HV)电缆包括芯体以及相对于芯体布置在径向外部位置的外护套。芯体包括导体、相对于导体布置在径向外部位置的绝缘系统以及相对于绝缘系统布置在径向外部位置的导电屏蔽。绝缘系统典型地包括与导体接触地布置的第一半导电层、相对于第一半导电层布置在径向外部位置的绝缘层、相对于绝缘层布置在径向外部位置的第二半导电层。

在特定的情况下，诸如，例如，在海上工厂中，电缆也可以包括径向地介于导电屏蔽与外护套之间的金属护甲(armor)。

为了提供具有耐火性质的中压及高压电缆，典型地在缆线中提供耐火层以造成对于缆线内火灾传播的障碍。

EP 2413331涉及一种中压耐火电缆，包括由挤压弹性体陶瓷硅胶材料制成的第一层，以及由类似材料制成的可选外层，由此为缆线的最内层提供热保护障碍，缆线的最内层包括铜导体、半导体材料和绝缘材料护套。特别地，绝缘材料护套由挤压硅胶和陶瓷化弹性体层覆盖。与陶瓷化弹性体层合作，第二半导体材料层进一步被共挤压。缆线还提供有由铜条构成的屏蔽或者遮蔽以及热隔离层，热隔离层包括又覆盖铜遮蔽的多个玻璃纤维条。由挤压陶瓷化硅胶弹性体材料制成的层提供电气绝缘和热隔离。另一玻璃纱条操作为进一步增加缆线火灾热阻挡。

JP 05-182532涉及一种适用于6600V类别的高压使用的耐火缆线。缆线芯体包括内半导电层、绝缘层、外半导电层、金属遮蔽层和外部护套。缆线芯体由粘附到由例如玻璃纤维制成的加固层的一层云母和纤维素纸浆围绕。该层又由发泡而通过热量来碳化的发泡防火层围绕。

WO 2014/081096涉及一种用于中压或者高压的耐火缆线，包括导体、在导体外部形成的第一半导电层、在第一半导电层外部形成的第一绝缘层、在第一绝缘层外部形成的第二半导电层、在第二半导电层外部形成的遮蔽层以及提供在第一绝缘层与第二半导电层之间的耐火层。耐火层通过缠绕云母带两次或者更多次而形成。

本申请人观察到将耐火层提供到MV或者HV缆线的绝缘系统中并不明智，因为对该系统的任何修改，像插入耐火层，可以更改缆线所寻求的电气性质。另外，耐火层到绝缘系统中的插入可能要求缆线制造工艺的显著改变。

本申请人也观察到云母带的使用可能是不利的。

云母带是例如使用基于硅胶的胶水将云母薄片粘合到基板上以便能够容易处理而制造的带，基板典型地由纸、聚合物或者玻璃纤维制成。本申请人观察到，由于它的薄片结构，云母带可能在缆线内造成空隙，可能生成不希望的局部放电。另外，薄片结构可以引起云母容易从支撑带分离。而且，缠绕云母带需要特殊的编带机，并且在缠绕期间，云母带可能损坏，这里再次造成空隙和/或局部放电。而且，本申请人观察到云母可能在大约90℃在相对短的操作时间(例如，很少小时数)中剥落，因此云母带仅可以在被配置为操作至有限时间的MV和HV缆线，例如紧急缆线中使用。因此，在MV和HV缆线的操作条件下，不能够依靠云母带进行连续的使用。

发明内容

因此，本申请人相信，对于MV和HV缆线，制造其中所有层与相邻层直接接触的共挤压绝缘系统是优选的。

本申请人认识到，对于朝向缆线最内层的火灾传播的有效且可靠的障碍可以通过相对于外护套在径向内部位置布置橡胶化玻璃纤维带并且让橡胶化的一侧直接接触外护套而获得。均由聚合材料制成的玻璃纤维带的橡胶化一侧以及外护套彼此结合，形成整体组装件，如果火灾发生，其允许烧焦的外护套的灰烬保持在原地并且充当缆线内部火灾传播的障碍。如果火灾发生，由于橡胶化带中玻璃纤维的存在，外护套就地停留，碳化成基本上均匀的物质，并且造成防止缆线内部的温度快速地且高度地升高以及防止绝缘系统的熔化材料移动的热障碍，从而避免导体与导电屏蔽之间任何短路的风险。

本申请人认识到，进一步的耐火障碍可以通过相对于缆线芯体在径向外部位置以及相对于橡胶化玻璃纤维带在径向内部位置布置由无卤阻燃剂或者耐火聚合材料制成的热阻挡层而高效并且可靠地提供。该层允许延迟缆线芯体内的火灾传播以及绝缘系统中的热堆积两者，从而维持绝缘性质并且确保缆线的操作长达期望的时间。

因此，本发明涉及一种耐火中压及高压电缆，包括：

-导体；

-第一半导电层，相对于导体布置在径向外部位置；

-绝缘层，相对于第一半导电层布置在径向外部位置并且直接接触第一半导电层；

-第二半导电层，相对于绝缘层布置在径向外部位置并且直接接触绝缘层；

-导电屏蔽，相对于第二半导电层布置在径向外部位置；

-热阻挡层，相对于导电屏蔽布置在径向外部位置，热阻挡层包括由耐火或者阻燃剂无卤材料制成的层；

-橡胶化玻璃纤维带，相对于热阻挡层布置在径向外部位置并且具有朝向外的橡胶化表面；

-外护套，相对于橡胶化玻璃纤维带布置在径向外部位置并且直接接触橡胶化玻璃纤维带的橡胶化表面。

有利地，在本发明的缆线中，如果火灾发生，橡胶化玻璃纤维带的橡胶化表面与外护套之间的接触形成对抗缆线内部火灾传播的有效障碍。这种障碍防止一个或多个耐火层插入到绝缘系统中。

优选地，橡胶化玻璃纤维带接合到外护套，以便充当单个连续层。橡胶化玻璃纤维带的橡胶化表面与外护套之间的接合可以在制造缆线时通过围绕已经缠绕的橡胶化玻璃纤维带挤压，并且可选地固化外护套而获得。

有利地，本发明的缆线还包括径向地介于导电屏蔽与橡胶化玻璃纤维带之间的玻璃纤维带。

优选地，第一玻璃纤维带可以相对于热阻挡层布置在径向外部位置，并且更优选地，直接接触热阻挡层。该玻璃纤维带有助于避免熔化的绝缘物的外流，从而维持缆线的绝缘性质。

第二玻璃纤维带优选地径向地介于导电屏蔽与热阻挡层之间，更优选地与后者直接接触。

优选地，第一玻璃纤维带和第二玻璃纤维带由自支撑的或者由聚合物层(例如橡胶化层)支撑的梭织(woven)玻璃纤维制成。

当第一玻璃纤维带和第二玻璃纤维带都提供时，热阻挡层夹在两个玻璃纤维带之间，如果火灾发生，它们帮助热阻挡层材料保持在原位并且用作热隔离体。

金属护甲可以径向地介于热阻挡层与橡胶化玻璃纤维带之间。

优选地，金属护甲径向地介于第一玻璃纤维带与橡胶化玻璃纤维带之间。

在本发明的优选实施例中，外护套由阻燃剂无卤材料制成。这允许外护套不会快速地燃烧。

外护套的材料优选地也是抗泥和/或抗油材料。特别地，本发明的缆线的外护套优选地根据IEC 60092-360(2014)分类成SHF 2。

优选地，外护套由阻燃剂无卤并且抗泥或者抗泥/油的材料制成。

在本说明书和权利要求书中，第一半导电层、绝缘层和第二半导电也可以集体地称作“绝缘系统”。

在本说明书和权利要求书中，导体、第一半导电层、绝缘层、第二半导电和导电屏蔽也可以集体地称作“缆线芯体”或者“缆线导电芯体”。

在本说明书和权利要求书中，作为“半导电层”，意思是由具有半导电性质的材料制成的层，诸如添加有例如炭黑的聚合基质(polymetric matrix)以便获得室温下小于500Ω·m，优选地小于20Ω·m的体积电阻率值。炭黑的量相对于聚合物的重量，可以在按照重量计算1与50％之间，优选地按照重量计算3与30％之间的范围。

在本说明书和权利要求书中，作为“耐火”，意思是根据IEC 60331-21(1999)能够抵挡火灾的材料。

在本说明书和权利要求书中，作为“阻燃剂”，意思是根据IEC 60332 3-22(2009-02)能够延迟火焰传播的材料。

为了本说明书和附加权利要求书的目的，除了另外指明的情况之外，表示量、数量、百分比等的所有数字应当理解为在所有实例中由术语“大约”修饰。而且，所有范围包括所公开的最大点和最小点并且包括其间的任何中间范围的任何组合，其可能在本文中具体列举或者没有具体列举。

而且，采用“一”或者“一个”的使用来描述本发明的元素和组成部分。这仅为了方便而进行并且给出本发明的一般意义。该描述应当阅读为包括一个或者至少一个，并且单数也包括复数，除非显然意味着另外的情况。

附图说明

本发明的更多特征和优点将从下面本发明优选实施例的详细描述中更加清晰地显现，仅经由非限制性示例提供并且参考附图1进行这种描述，图1示出根据本发明示例性实施例的耐火中压及高压电缆的示意横截面视图。这种缆线使用标号100指示。

具体实施方式

缆线100被设计为例如在海上安装中使用。

缆线100在其径向最内部分包括芯体105，并且在其径向外部部分包括外护套200。

芯体105包括至少一个导体110，相对于导体110布置在径向外部位置的绝缘系统115，以及相对于绝缘系统115布置在径向外部位置的导电屏蔽150。

绝缘系统115包括相对于导体110布置在径向外部位置并且与导体110直接接触的第一半导电层120，相对于第一半导电层120布置在径向外部位置并且与第一半导电层120直接接触的绝缘层130，以及相对于绝缘层130布置在径向外部位置并且与绝缘层130直接接触的第二半导电层140。

虽然图1中示出并且在下面描述单个芯体105，但是下面的描述同样适用于多芯缆线。

第一半导电层120通过在导体110的表面上均匀地分布电荷来缓和缆线100内电场的集中。而且，第一半导电层120通过填充导体110与绝缘层130之间形成的间隙而最小化由离子化引起的绝缘层130的退化。

绝缘层130通过覆盖和保护导体110而将导体110与外部绝缘，使得电流不会流到缆线100外部。

第二半导电层140在绝缘系统115内部均匀地分布电气应力。

导体100可以由诸如铜或者铝这样的导电金属制成的棒或者绞线制成。例如，导体100包括镀锡绞合的且压缩的铜线。

缆线绝缘系统115的层120、130和140可以由挤压聚合材料制成。适当的聚合材料的示例是聚乙烯均聚物或者共聚物，诸如交联聚乙烯(XLPE)，或者同样交联的弹性体乙烯/丙烯(EPR)或者乙烯/丙烯/二烯烃(EPDM)共聚物，或者热塑材料，例如基于丙烯的材料，如在WO 02/03398、WO 04/066317、WO 04/066318、WO 07/048422、WO 11/092533和WO 08/058572中公开的。半导电层材料还包括适当量的导电填料，例如炭黑。

形成绝缘系统115的层120、130和140优选地被共挤压。

导电屏蔽150可以由铜、铝、铜合金、铝合金或者其组合的金属带或者金属编织物(braid)制成。

例如，导电屏蔽150由镀锡退火的铜线编织物制成。导电屏蔽150可以将缆线100与地连接。

例如由第二半导电层140相同材料制成的半导电带(没有例示)可以介于导电屏蔽150与第二半导电层140之间。

第二玻璃纤维带160相对于导电屏蔽150布置在径向外部位置。

例如由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)制成的聚合带(没有例示)可以介于第二玻璃纤维带160与导电屏蔽150之间。保护带允许一个或多个径向外层在安装期间容易剥离。

第二玻璃纤维带160包括玻璃纤维。玻璃纤维带可以包括由聚合材料，例如乙烯丙烯二烯烃单体(EPDM)、乙烯醋酸乙烯酯(EVA)、线性低密度聚乙烯(LLDPE)及其混合物制成的层，从而避免破坏带的边缘。自支撑(不由另外的层支撑)的梭织玻璃纤维带也是合适的。

热阻挡层165相对于第二玻璃纤维带160布置在径向外部位置。

热阻挡层165由无卤阻燃剂(LS0H)或者可以耐火的挤压聚合材料制成。耐火材料的示例是包含陶瓷化充填物(charge)的陶瓷化硅胶或者聚合物材料。无卤阻燃剂材料的示例是使用阻燃剂填料，诸如氢氧化铝或者氢氧化镁充填的、可选地交联的乙烯均聚物或者共聚物或者其混合物。优选地，用于本发明的热阻挡层的无卤阻燃剂材料是包含乙烯醋酸乙烯酯(EVA)和线性低密度聚乙烯(LLDPE)的混合物，相对于混合物的总重量包含30wt％至70wt％的氢氧化铝或者氢氧化镁。

第一玻璃纤维带170相对于热阻挡层165布置在径向外部位置。第一玻璃纤维带170基本上如上面与第二玻璃纤维带160相关连地所述的那样制成。

当第一玻璃纤维带170和/或第二玻璃纤维带160包括由聚合材料制成的层时，所述层的定位(是否与热阻挡障碍165接触)不重要。

在优选实施例中，第一玻璃纤维带170和第二玻璃纤维带160相对于热阻挡层165提供在径向内部和外部位置，以便它们的支撑带与热阻挡层165直接接触。

如果火灾发生，第二玻璃纤维带160和第一玻璃纤维带170稳固地保持热阻挡层165于原位，使得玻璃纤维带160、热阻挡层165和玻璃纤维带170限定组装件175，组装件175允许芯体110内的火灾传播以及绝缘系统115中的热堆积两者的延迟。

金属护甲180相对于第一玻璃纤维带170布置在径向外部位置。

金属护甲180可以由镀锌钢、铜、铝、铜合金、铝合金或者其组合的金属带或者金属编织物制成。金属护甲也可以用作电屏蔽。

例如，金属护甲180由镀锡退火的铜线编织物制成。

在某些缆线应用中，金属护甲180可以缺失。

橡胶化玻璃纤维带190相对于金属护甲180布置在径向外部位置。

橡胶化玻璃纤维带190包括优选地以梭织形式布置在由弹性体材料制成的支撑带上的玻璃纤维，弹性体材料从包括乙烯丙烯二烯烃单体(EPDM)、乙烯醋酸乙烯酯(EVA)、线性低密度聚乙烯(LLDPE)及其混合物的组中选择。

橡胶化玻璃纤维带的弹性体材料具有在挤压期间将带接合到外护套，并且可选地，后者固化，从而在燃烧时将护套保持在原位，以及在生产期间支撑玻璃纤维以避免缠绕时损坏的功能。

外护套200相对于橡胶化玻璃纤维带190布置在径向外部位置，与其弹性体支撑物直接接触。

外护套200优选地由与用于热阻挡层的无卤阻燃剂材料相类似的无卤阻燃剂材料制成。更优选地，外护套200由无卤阻燃剂并且抗泥和/或抗油的聚合材料制成。无卤阻燃剂并且抗泥和/或抗油的聚合(优选地热固)材料的示例是烯烃基/烷基丙烯酸共聚物或者烯烃基/烷基丙烯酸共聚物的混合物，优选地相对于该一个或多个共聚物的重量具有按照重量计算至少40wt％的烷基丙烯酸共聚单体的平均含量，所述材料使用阻燃剂填料，诸如氢氧化铝或者氢氧化镁来充填。例如，共聚物的烯烃基共聚单体是乙烯共聚单体。例如，烷基丙烯酸共聚单体选自丙烯酸甲酯和丙烯酸丁酯。

橡胶化玻璃纤维带190和外护套200的组合提供对于朝向缆线100的最内层的火灾传播的障碍。

在多芯缆线的情况下，两个或更多个芯体绞合，填充材料提供到芯体与热阻挡层之间的间隙中，或者如果存在的话，提供第二玻璃纤维带来封闭芯体和填充材料。相对于热阻挡层在径向外部部分的多芯缆线的结构，或者如果存在的话，第二玻璃纤维带的结构与上面参考图1的缆线100讨论的结构相同。

具有缆线100的构造以及具有如表格1的构造的缆线的样本已经在750℃下经历根据IEC 60331-21的火灾测试。

表格1

缆线在检测到导体与导电屏蔽之间的短路之前重复地抵抗大约2小时。

Claims (8)

1.一种耐火中压及高压电缆(100)，包括：

-导体(110)；

-第一半导电层(120)，相对于所述导体(110)布置在径向外部位置；

-绝缘层(130)，相对于所述第一半导电层(120)布置在径向外部位置并且直接接触所述第一半导电层(120)；

-第二半导电层(140)，相对于所述绝缘层(130)布置在径向外部位置并且直接接触所述绝缘层(130)；

-导电屏蔽(150)，相对于所述第二半导电层(140)布置在径向外部位置；

-热阻挡层(165)，相对于所述导电屏蔽(150)布置在径向外部位置，所述热阻挡层(165)包括由耐火材料或者阻燃剂无卤材料制成的层；

-橡胶化玻璃纤维带(190)，相对于所述热阻挡层(165)布置在径向外部位置并且具有朝向外的橡胶化表面；

-外护套(200)，相对于所述橡胶化玻璃纤维带(190)布置在径向外部位置并且直接接触所述橡胶化玻璃纤维带(190)的所述橡胶化表面，

其特征在于所述耐火中压及高压电缆(100)包括径向地介于所述导电屏蔽(150)与所述橡胶化玻璃纤维带(190)之间的第一玻璃纤维带(170)，所述第一玻璃纤维带(170)相对于所述热阻挡层(165)布置在径向外部位置。

2.根据权利要求1所述的耐火中压及高压电缆(100)，其中所述橡胶化玻璃纤维带(190)接合到所述外护套(200)。

3.根据权利要求1所述的耐火中压及高压电缆(100)，包括径向地介于所述导电屏蔽(150)与所述热阻挡层(165)之间的第二玻璃纤维带(160)。

4.根据权利要求3所述的耐火中压及高压电缆(100)，其中所述第一和第二玻璃纤维带(160，170)相对于所述热阻挡层(165)设置在径向内部和外部位置，并且与所述热阻挡层(165)直接接触。

5.根据权利要求1所述的耐火中压及高压电缆(100)，包括径向地介于所述热阻挡层(165)与所述橡胶化玻璃纤维带(190)之间的金属护甲(180)。

6.根据权利要求5所述的耐火中压及高压电缆(100)，其中所述金属护甲(180)径向地介于所述第一玻璃纤维带(170)与所述橡胶化玻璃纤维带(190)之间。

7.根据权利要求1所述的耐火中压及高压电缆(100)，其中所述外护套(200)由阻燃剂无卤材料制成。

8.根据权利要求1所述的耐火中压及高压电缆(100)，其中所述外护套(200)由抗泥和/或抗油的材料制成。

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