CN117954158A - 一种具有多层耐火结构的复合型电力电缆及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有多层耐火结构的复合型电力电缆及制备方法，电力电缆从外到内依次包括保护层、耐火复合层、耐火阻燃层以及多个电芯，电芯包括导体以及由内到外依次包覆在导体上的绝缘层和屏蔽层；电芯与耐火阻燃层之间设有耐火组件，耐火组件包括隔热棉层、多个隔热棉板以及多个水管；制备方法包括S1、制备电芯；S2、制备耐火组件；S3、制备电力电缆；本发明电缆通过设置耐火组件，隔热棉层一方面将电芯与外界的热度隔开，一方面水管受热熔化而流出水渗入隔热棉层，隔热棉层吸水后散发湿气降低环境温度的同时，电芯和耐火阻燃层与隔热棉层的接触面的温度能进一步降低。
Description
技术领域
本发明涉及电缆制备技术领域，具体是涉及一种具有多层耐火结构的复合型电力电缆及制备方法。
背景技术
电力电缆是用于传输和分配电能的电缆，电力电缆常用于城市地下电网、发电站引出线路、工矿企业内部供电及过江海水下输电线。电力电缆的基本结构由线芯(导体)、绝缘层、屏蔽层和保护层四部分组成。
发电厂、变电站及工矿企业都大量使用电力电缆，一旦电缆起火爆炸，将会引起严重火灾和停电事故，此外，电缆燃烧时产生大量浓烟和毒气，不仅污染环境，而且危及人的生命安全。为此，应注意电力电缆的防火。
电力电缆的绝缘层是由纸、油、麻、橡胶、塑料、沥青等各种可燃物质组成，因此，电缆具有起火爆炸的可能性，需要对电力电缆的耐火性能进行加强。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种具有多层耐火结构的复合型电力电缆及制备方法。
本发明的技术方案是：一种具有多层耐火结构的复合型电力电缆，从外到内依次包括保护层、耐火复合层、耐火阻燃层以及多个电芯，所述电芯包括导体以及由内到外依次包覆在导体上的绝缘层、屏蔽层和内保护层；
所述电芯与耐火阻燃层之间设有耐火组件，所述耐火组件包括套设在耐火阻燃层内壁上的隔热棉层、多个用于将多个电芯隔离开的隔热棉板以及多个设置在隔热棉层和隔热棉板内的水管，各个隔热棉板的内端一一固定连接，各个隔热棉板的外端分别与对应位置的隔热棉层固定连接，所述水管管壁材料的熔点低于耐火组件材料的熔点。
进一步地，所述导体由铜丝绞合而成，所述绝缘层采用交联聚乙烯制成，所述屏蔽层由镀锡铜丝编织而成，所述外保护层和内保护层均采用硅酮橡胶制成。
说明：铜丝的导电性能和抗腐蚀性能好，交联聚乙烯具有良好的导电性能和耐高温、耐腐蚀、耐老化等优点，镀锡铜是为了提高强度，避免铜氧化及腐蚀，硅酮橡胶具有良好的耐酸、碱性能，可以承受潮湿和高温环境，同时，电缆具有防水和耐压的优点。
进一步地，所述隔热棉层和隔热棉板采用聚氨酯海绵制成，所述水管采用聚苯乙烯制成。
说明：聚氨酯海绵的密度和孔隙结构使其具有出色的隔热性能，可以有效地阻止热量的传导和散失；且由于其柔软的结构和良好的弹性，聚氨酯海绵可以提供良好的缓冲效果；聚苯乙烯导热系数低且抗水，并且熔点低于聚氨酯海绵，可以先一步在高温时熔化引出水与隔热棉结合作用。
进一步地，所述耐火复合层所用的材料的制备方法为：
1)制备改性菠萝纤维：将菠萝渣于汽爆压力2.5～3.0MPa的条件下进行蒸汽爆破，保压时间120～140s，得到菠萝纤维，再对菠萝纤维进行伽马射线高能辐射，所述伽马射线的辐照源为钴60，吸收剂量为20～450kGy，剂量率为5～15kGy·h-1；
将高能辐射后的菠萝纤维浸入磷酸浓度为45～55％的聚磷酸溶液中，温度为50～55℃下酸化65～75min，得到改性菠萝纤维；
2)制备基体混合物：先将25～30份阻燃剂投入高低速混料机中，在80～85℃、1600～1800r/min下预混3～5min，然后投入50～60份聚乙烯、5～8份有机蒙脱土、20～25份氰尿酸三聚氰胺以及3～5份抗氧剂，再混合3～5min，使各组分混合均匀，得到基体混合物；
3)密炼造粒：将步骤1)得到的20～40份改性菠萝纤维均加入到密炼机中，在140～180℃下混合3～5min，再加入步骤2)得到的基体混合物、2～5份交联剂和1～3份助剂熔融共混6～7min，得到耐火复合层所用的材料。
说明：菠萝纤维在高温下不易燃烧，具有较好的耐火性能，且菠萝纤维中的空腔结构可以有效地阻隔热量的传递，降低热导率，具有一定的隔热性能；聚乙烯性能稳定，熔点很高，耐磨损，耐热，将改性菠萝纤维和聚乙烯交联复合，交联剂与聚乙烯分子链上的活性基团反应，形成化学键合，从而提高菠萝纤维与聚乙烯之间的粘附力，加强两者的耐火性能，并通过对菠萝纤维进行蒸汽爆破和高能辐射等改性，提高菠萝纤维的活性和与聚乙烯的结合力，从而增强耐火复合层整体的耐火性能。
进一步地，所述阻燃剂采用微胶囊化红磷，所述抗氧剂采用抗氧剂1010，所述交联剂采用硅烷交联剂，所述助剂采用硅酮母粒。
说明：红磷的阻燃效率较高，可以有效地阻止燃烧，且不含卤素，在阻燃过程中也不会产生腐蚀性气体；抗氧剂1010与大多数聚合物具有很好的相容性，挥发性很低；硅烷交联剂可以增强复合材料的稳定性并具有较好的耐热性，可以有效地提高菠萝纤维与聚乙烯复合材料的耐热性；硅酮母粒可以提高两种菠萝纤维和聚乙烯的互渗性。
进一步地，所述耐火阻燃层由多个热膨胀球和设置在相邻热膨胀球之间的降温球组成，所述降温球由装有水的内层和装有硝酸铵盐的外层组成。
说明：通过热膨胀球吸热膨胀，一方面将电芯与外界的保护层距离拉开，使隔热棉更贴近电芯，一方面挤压降温球，使水和硝酸铵盐接触反应，从而触发降温球进行降温，进一步起到耐火阻燃效果。
进一步地，所述热膨胀球的型号为051DU40、180DU25以及186DU20中的其中一种或多种。
说明：不同型号的热膨胀球适用于不同的温度环境。
根据所述的一种具有多层耐火结构的复合型电力电缆的制备方法，包括以下步骤：
S1、制备电芯：
采用铜丝作为导体，将交联聚乙烯挤出后包覆在导体上得到绝缘层，在所述绝缘层表面编织镀锡铜丝形成屏蔽层，再将硅酮橡胶挤出后包覆在屏蔽层上，形成内保护层，得到电芯；所述挤出参数为：在185～195℃下密炼挤出，挤出机转速为55～65r/min；
S2、制备耐火组件：
先获取实心的隔热棉材料，根据电芯的直径确定隔热棉层的内直径，再根据电芯的数量将隔热棉材料进行切割而形成放置电芯的空腔和隔热棉板，再将水管插入隔热棉层和隔热棉板中并填充水，得到耐火组件；
S3、制备电力电缆：
将热膨胀球和降温球粘连在隔热棉层外表面，粘连完成形成耐火阻燃层后，按先后顺序将耐火复合层所用的材料、外保护层所用的硅酮橡胶依次挤出并包覆在耐火阻燃层上，得到电力电缆。
进一步地，所述隔热棉层的厚度为隔热棉板厚度的1.5～2倍。
说明：隔热棉板两面均接触电芯，而隔热棉层一面接触电芯一面接触耐火阻燃层，需要对外界环境温度进行更大强度的阻燃配合，因此隔热棉层的厚度需要更厚。
本发明的有益效果是：
(1)本发明复合型电力电缆通过将改性菠萝纤维和聚乙烯复合制备，利用菠萝纤维的耐火性能和聚乙烯的阻燃耐火性能进行结合，加强两者的耐火性能，并通过对菠萝纤维进行蒸汽爆破和高能辐射等改性，提高菠萝纤维的活性和与聚乙烯的结合力，从而增强耐火复合层整体的耐火性能。
(2)本发明复合型电力电缆通过在电芯和耐火阻燃层之间设置耐火组件，使得在外界热度攀升时，隔热棉层一方面将电芯与外界的热度隔开，一方面水管受热熔化而流出水渗入隔热棉层，隔热棉层吸水后散发湿气降低环境温度的同时，电芯和耐火阻燃层与隔热棉层的接触面的温度能进一步降低。
(3)本发明复合型电力电缆通过对电芯包覆耐火阻燃层，隔离电芯和外界环境，并通过热膨胀球吸热膨胀，一方面将电芯与外界的保护层距离拉开，使隔热棉更贴近电芯，一方面挤压降温球，触发降温球进行降温，进一步起到耐火阻燃效果。
附图说明
图1是本发明复合型电力电缆的整体结构图；
图2是本发明复合型电力电缆的降温球结构图；
其中，1-导体，11-绝缘层，12-屏蔽层，13-内保护层，2-耐火组件，21-隔热棉层，22-隔热棉板，23-水管，3-耐火阻燃层，31-降温球，32-热膨胀球，33-内层，34-外层，4-耐火复合层，5-外保护层。
具体实施方式
下面结合具体实施方式来对本发明进行更进一步详细的说明，以更好地体现本发明的优势。
实施例1：一种具有多层耐火结构的复合型电力电缆，从外到内依次包括外保护层5、耐火复合层4、耐火阻燃层3以及三个电芯，所述电芯包括导体1以及由内到外依次包覆在导体1上的绝缘层11、屏蔽层12和内保护层13；
所述电芯与耐火阻燃层3之间设有耐火组件2，所述耐火组件2包括套设在耐火阻燃层3内壁上的隔热棉层21、三个用于将三个电芯隔离开的隔热棉板22以及数个设置在隔热棉层21和隔热棉板22内的水管23，各个隔热棉板22的内端一一固定连接，各个隔热棉板22的外端分别与对应位置的隔热棉层21固定连接，所述水管23管壁材料的熔点低于耐火组件材料的熔点；
所述导体1由铜丝绞合而成，所述绝缘层11采用交联聚乙烯制成，所述屏蔽层12由镀锡铜丝编织而成，所述外保护层13和内保护层5均采用硅酮橡胶制成；
所述隔热棉层21和隔热棉板22采用聚氨酯海绵制成，所述水管23采用聚苯乙烯制成；
所述耐火复合层4所用的材料的制备方法为：
1)制备改性菠萝纤维：将菠萝渣于汽爆压力2.8MPa的条件下进行蒸汽爆破，保压时间130s，得到菠萝纤维，再对菠萝纤维进行伽马射线高能辐射，所述伽马射线的辐照源为钴60，吸收剂量为250kGy，剂量率为10kGy·h-1；
将高能辐射后的菠萝纤维浸入磷酸浓度为50％的聚磷酸溶液中，温度为52℃下酸化70min，得到改性菠萝纤维；
2)制备基体混合物：先将27.5份阻燃剂投入高低速混料机中，在83℃、1700r/min下预混4min，然后投入55份聚乙烯、6.5份有机蒙脱土、22.5份氰尿酸三聚氰胺以及4份抗氧剂，再混合4min，使各组分混合均匀，得到基体混合物；
3)密炼造粒：将步骤1)得到的30份改性菠萝纤维均加入到密炼机中，在160℃下混合4min，再加入步骤2)得到的基体混合物、3.5份交联剂和2份助剂熔融共混6.5min，得到耐火复合层4)所用的材料；
所述阻燃剂采用微胶囊化红磷，所述抗氧剂采用抗氧剂1010，所述交联剂采用硅烷交联剂，所述助剂采用硅酮母粒；
所述耐火阻燃层3由多个热膨胀球32和设置在相邻热膨胀球32之间的降温球31组成，所述降温球31由装有水的内层33和装有硝酸铵盐的外层34组成；所述热膨胀球的型号为051DU40。
实施例2：根据实施例1所述的一种具有多层耐火结构的复合型电力电缆的制备方法，包括以下步骤：
S1、制备电芯：
采用铜丝作为导体1，将交联聚乙烯挤出后包覆在导体1上得到绝缘层11，在所述绝缘层11表面编织镀锡铜丝形成屏蔽层12，再将硅酮橡胶挤出后包覆在屏蔽层12上，形成内保护层13，得到电芯；所述挤出参数为：在190℃下密炼挤出，挤出机转速为60r/min；
S2、制备耐火组件2：
先获取实心的聚氨酯海绵，根据电芯的直径确定隔热棉层21的内直径，再根据电芯的数量将聚氨酯海绵进行切割而形成放置电芯的空腔和隔热棉板22，所述隔热棉层21的厚度为3.6mm，为隔热棉板22厚度2mm的1.8倍，再将水管23插入隔热棉层21和隔热棉板22中并填充水，得到耐火组件2；
S3、制备电力电缆：
将热膨胀球32和降温球31粘连在隔热棉层21外表面，粘连完成形成耐火阻燃层3后，按先后顺序将耐火复合层4所用的材料、外保护层5所用的硅酮橡胶依次挤出并包覆在耐火阻燃层3上，得到电力电缆。
实施例3：本实施例与实施例1不同之处在于，步骤1)中，将菠萝渣于汽爆压力2.5MPa的条件下进行蒸汽爆破，保压时间120s，得到菠萝纤维。
实施例4：本实施例与实施例1不同之处在于，步骤1)中，将菠萝渣于汽爆压力3.0MPa的条件下进行蒸汽爆破，保压时间140s，得到菠萝纤维。
实施例5：本实施例与实施例1不同之处在于，步骤1)中，对菠萝纤维进行伽马射线高能辐射，所述伽马射线的吸收剂量为450kGy，剂量率为15kGy·h-1。
实施例6：本实施例与实施例1不同之处在于，步骤1)中，对菠萝纤维进行伽马射线高能辐射，所述伽马射线的吸收剂量为20kGy，剂量率为5kGy·h-1。
实施例7：本实施例与实施例1不同之处在于，步骤1)中，将高能辐射后的菠萝纤维浸入磷酸浓度为45％的聚磷酸溶液中，温度为50℃下酸化65min，得到改性菠萝纤维。
实施例8：本实施例与实施例1不同之处在于，步骤1)中，将高能辐射后的菠萝纤维浸入磷酸浓度为55％的聚磷酸溶液中，温度为55℃下酸化75min，得到改性菠萝纤维。
实施例9：本实施例与实施例1不同之处在于，步骤2)中，先在80℃，1600r/min下预混3min，然后再混合3min；步骤3)中，先在140℃下混合3min，再熔融共混6min。
实施例10：本实施例与实施例1不同之处在于，步骤2)中，先在85℃，1800r/min下预混5min，然后再混合5min；步骤3)中，先在180℃下混合5min，再熔融共混7min。
实施例11：本实施例与实施例1不同之处在于，步骤2)中，先将25份阻燃剂投入高低速混料机中，然后投入60份聚乙烯、5份有机蒙脱土、20份氰尿酸三聚氰胺以及3份抗氧剂；步骤3)中，将步骤1)得到的20份改性菠萝纤维均加入到密炼机中，再加入步骤2)得到的基体混合物、2份交联剂和1份助剂熔融共混。
实施例12：本实施例与实施例1不同之处在于，步骤2)中，先将30份阻燃剂投入高低速混料机中，然后投入50份聚乙烯、8份有机蒙脱土、25份氰尿酸三聚氰胺以及5份抗氧剂；步骤3)中，将步骤1)得到的40份改性菠萝纤维均加入到密炼机中，再加入步骤2)得到的基体混合物、5份交联剂和3份助剂熔融共混。
实施例13：本实施例与实施例2不同之处在于，所述挤出参数为：在185℃下密炼挤出，挤出机转速为55r/min。
实施例14：本实施例与实施例2不同之处在于，所述挤出参数为：在195℃下密炼挤出，挤出机转速为65r/min。
实施例15：本实施例与实施例2不同之处在于，所述隔热棉层21的厚度为3mm，为隔热棉板22厚度2mm的1.5倍。
实施例16：本实施例与实施例2不同之处在于，所述隔热棉层21的厚度为4mm，为隔热棉板22厚度2mm的2倍。
实验例：对本发明的电缆施加火焰温度不低于830℃的供火并施加冲击振动，所用电缆长度为1.2m，电压380v，点燃喷灯后启动冲击发生装置，5min后以及之后每隔5min，敲击试验梯架，每次敲击棒在敲击后20s内从试验梯架上提起，计时器启动后接通电源，供火和敲击时间为90min，根据终端指示灯的指示情况判断是否能够能够持续供电，30min内熄灭，则判断耐火等级为V3，30～60min内熄灭，则判断耐火等级为V2，60～90min内熄灭，则判断耐火等级为V1，90min内未熄灭，则判断耐火等级为V0，其中V0表示耐火性能最好，V1次之，V3最差。
1、本发明电力电缆材料组成和材料制备对耐火性能的影响。
表1实施例1、实施例3～12以及对照例1～4中的材料耐火等级和熄灭时间
对照例1与实施例1不同之处在于，耐火复合层4中不含菠萝纤维；
对照例2与实施例1不同之处在于，未对菠萝纤维进行高能辐射；
对照例3与实施例1不同之处在于，未设置耐火组件；
对照例4与实施例1不同之处在于，耐火阻燃层中未设置降温球；
由表1结果可知，对照例1缺少菠萝纤维，对照例2缺少对菠萝纤维高能辐射、对照例3缺少耐火组件以及对照例4缺少降温球，均显著缩短了熄灭时间，即大幅度降低了电缆的耐火性能，因此实施例1、3～12的材料组成及材料制备效果更优；
对比实施例1、3～12可知，蒸汽爆破的参数过小或过大、高能辐射的采纳数过小或过大、改性参数过小或过大、混合参数过小或过大以及菠萝纤维的占比过小或过大均会缩短熄灭时间而降低耐火性能，因此综合而言，实施例1的效果相对更优。
2、本发明电力电缆在实施例1的参数下的制备方法对耐火性能的影响。
表2实施例2、13～16中的材料耐火等级和熄灭时间
由表2结果可知，挤出参数过小或过大以及隔热棉层厚度过薄或过厚均会缩短熄灭时间而降低耐火性能，因此综合而言，实施例2的参数效果相对最优。
Claims (9)
1.一种具有多层耐火结构的复合型电力电缆，其特征在于，从外到内依次包括外保护层(5)、耐火复合层(4)、耐火阻燃层(3)以及多个电芯，所述电芯包括导体(1)以及由内到外依次包覆在导体(1)上的绝缘层(11)、屏蔽层(12)和内保护层(13)；
所述电芯与耐火阻燃层(3)之间设有耐火组件(2)，所述耐火组件(2)包括套设在耐火阻燃层(3)内壁上的隔热棉层(21)、多个用于将多个电芯隔离开的隔热棉板(22)以及多个设置在隔热棉层(21)和隔热棉板(22)内的水管(23)，各个隔热棉板(22)的内端一一固定连接，各个隔热棉板(22)的外端分别与对应位置的隔热棉层(21)固定连接，所述水管(23)管壁材料的熔点低于耐火组件材料的熔点。
2.根据权利要求1所述的一种具有多层耐火结构的复合型电力电缆，其特征在于，所述导体(1)由铜丝绞合而成，所述绝缘层(11)采用交联聚乙烯制成，所述屏蔽层(12)由镀锡铜丝编织而成，所述外保护层(13)和内保护层(5)均采用硅酮橡胶制成。
3.根据权利要求1所述的一种具有多层耐火结构的复合型电力电缆，其特征在于，所述隔热棉层(21)和隔热棉板(22)采用聚氨酯海绵制成，所述水管(23)采用聚苯乙烯制成。
4.根据权利要求1所述的一种具有多层耐火结构的复合型电力电缆，其特征在于，所述耐火复合层(4)所用的材料的制备方法为：
1)制备改性菠萝纤维：将菠萝渣于汽爆压力2.5～3.0MPa的条件下进行蒸汽爆破，保压时间120～140s，得到菠萝纤维，再对菠萝纤维进行伽马射线高能辐射，所述伽马射线的辐照源为钴60，吸收剂量为20～450kGy，剂量率为5～15kGy·h-1；
将高能辐射后的菠萝纤维浸入磷酸浓度为45～55％的聚磷酸溶液中，温度为50～55℃下酸化65～75min，得到改性菠萝纤维；
2)制备基体混合物：先将25～30份阻燃剂投入高低速混料机中，在80～85℃、1600～1800r/min下预混3～5min，然后投入50～60份聚乙烯、5～8份有机蒙脱土、20～25份氰尿酸三聚氰胺以及3～5份抗氧剂，再混合3～5min，使各组分混合均匀，得到基体混合物；
3)密炼造粒：将步骤1)得到的20～40份改性菠萝纤维均加入到密炼机中，在140～180℃下混合3～5min，再加入步骤2)得到的基体混合物、2～5份交联剂和1～3份助剂熔融共混6～7min，得到耐火复合层(4)所用的材料。
5.根据权利要求4所述的一种具有多层耐火结构的复合型电力电缆，其特征在于，所述阻燃剂采用微胶囊化红磷，所述抗氧剂采用抗氧剂1010，所述交联剂采用硅烷交联剂，所述助剂采用硅酮母粒。
6.根据权利要求1所述的一种具有多层耐火结构的复合型电力电缆，其特征在于，所述耐火阻燃层(3)由多个热膨胀球(32)和设置在相邻热膨胀球(32)之间的降温球(31)组成，所述降温球(31)由装有水的内层(33)和装有硝酸铵盐的外层(34)组成。
7.根据权利要求1所述的一种具有多层耐火结构的复合型电力电缆，其特征在于，所述热膨胀球的型号为051DU40、180DU25以及186DU20中的其中一种或多种。
8.根据权利要求1～7任意一项所述的一种具有多层耐火结构的复合型电力电缆的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、制备电芯：
采用铜丝作为导体(1)，将交联聚乙烯挤出后包覆在导体(1)上得到绝缘层(11)，在所述绝缘层(11)表面编织镀锡铜丝形成屏蔽层(12)，再将硅酮橡胶挤出后包覆在屏蔽层(12)上，形成内保护层(13)，得到电芯；所述挤出参数为：在185～195℃下密炼挤出，挤出机转速为55～65r/min；
S2、制备耐火组件(2)：
先获取实心的隔热棉材料，根据电芯的直径确定隔热棉层(21)的内直径，再根据电芯的数量将隔热棉材料进行切割而形成放置电芯的空腔和隔热棉板(22)，再将水管(23)插入隔热棉层(21)和隔热棉板(22)中并填充水，得到耐火组件(2)；
S3、制备电力电缆：
将热膨胀球(32)和降温球(31)粘连在隔热棉层(21)外表面，粘连完成形成耐火阻燃层(3)后，按先后顺序将耐火复合层(4)所用的材料、外保护层(5)所用的硅酮橡胶依次挤出并包覆在耐火阻燃层(3)上，得到电力电缆。
9.根据权利要求8所述的一种具有多层耐火结构的复合型电力电缆的制备方法，其特征在于，所述隔热棉层(21)的厚度为隔热棉板(22)厚度的1.5～2倍。
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