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关于铝合金导体耐火电缆的商榷

点击数:12892015-07-13 09:48:12 来源: 桂潮电缆| 广西电线| 广西电缆| 广西线缆| 广西电力电缆| 南宁电线电缆

目前我国电线电缆行业正在掀起一场"铝合金电缆"的热潮,铝合金耐火电缆也在"铝合金电缆热"的基础上应运而生;铝合金耐火电缆的创新存在较大的风险,也给线路的安全运行带来了隐患;铝的熔融温度为660℃(铝合金的熔点比纯铝要低些),耐火电缆试验温度为750℃~1000℃之间,而实际火灾时,火灾现场最高温度均在1000℃左右,因此,铝合金材料不适宜用作耐火电缆的导体;铝合金耐火电缆的发展和推广要理性,铝合金耐火电缆的经济性、必要性和可行性有待进一步商榷;铝合金耐火电缆的创新价值有待进一步评估,铝合金耐火电缆是否可行,需要经过科学的论证和试验,并要有相应的法律法规支持才能应用,反对盲目推广。
关键词:铝合金;导体;耐火电缆
1 引言
目前我国电线电缆行业正在掀起一场"铝合金电缆"的热潮。据不完全统计,目前至少有100多家电缆企业正在或已经生产、制造、研制铝合金电缆。面对"铝合金电缆热",我国低压电力电缆技术转型升级和产品更新换代正在极大地影响着电缆企业的技术创新以及用户和设计单位选用电缆的走向。
关于铝合金电缆的新技术、新产品、新专利、新信息的文献报道很多,铝合金耐火电缆也在"铝合金电缆热"的基础上应运而生。
以下是A、B两家电缆企业关于铝合金耐火电缆的宣传资料(仅供参考)。
●厂家A:
产品简介:低烟无卤阻燃耐火电缆是在完成铝合金带联锁铠装工序后,熟练掌握低烟无卤绝缘料及护套料的性能及生产工艺的基础上完成的。产品送往美国UL实验室、武汉国网高压研究院、国家电线电缆质量监督检验中心(上海电缆研究所)、国家防火建筑材料质量监督检验中心、广州电气安全检验所等权威机构检测,各项性能均符合标准要求。
主要特征:自主研发的低烟无卤有机阻燃剂,加入到硅烷交联聚乙烯绝缘料中,大大优于传统的无机阻燃剂,具有优异的电气性能及抗老化性能,使用寿命长,阻燃性能优异,能达到低烟无卤级别,更加安全环保。①稀土高铁铝合金导体材料、②耐火云母带、③低烟无卤阻燃硅烷交联聚乙烯绝缘、④阻燃玻璃纤维绕包带、⑤铝合金带联锁铠装、⑥聚烯烃护套。 
阻燃耐火特点:纯铝芯电缆的阻燃耐火级别很低,不适用于涉及消防安全级别较高的场所,而我们设计的稀土高铁铝合金导体、耐火云母带、阻燃硅烷交联聚乙烯绝缘、阻燃玻璃纤维绕包带、低烟无卤阻燃聚烯烃内护套、铝合金带联锁铠装、低烟无卤阻燃聚烯烃外护套这种结构的铝合金电缆,能在750℃~800℃下经受40min的阻燃耐火试验,达到阻燃IA级、耐火I级,可适用于消防安全级别较高的场所。
●厂家B:
稀土高铁铝合金导体、耐火云母带、阻燃硅烷交联聚乙烯绝缘;阻燃玻璃纤维绕包带、铝合金带联锁铠装、聚烯烃护套;改善了传统铝芯电缆的缺陷,并具有优于铜缆的一些特性;易弯曲,弯曲半径仅为7倍外径;超常规的紧压技术,紧压系数达到0.93;金属联锁铠装结构,降低了火灾的危险系数;能经受750℃~800℃、40min的火焰燃烧,不出现沿燃和滴落现象,且能继续供电,达到阻燃IA级、耐火I级标准。使用寿命更长,符合国家节能环保要求。
铝合金耐火电缆:
易弯曲,弯曲半径仅为7倍外径;
超常规的紧压技术,紧压系数达到0.93;
金属联锁铠装结构,降低了火灾的危险系数;
经受750~800℃、40min的火焰燃烧,达到耐火I级;
耐火性能符合GA306.2-2007标准。
铝合金无卤低烟耐火电缆:
稀土高铁铝合金导体、耐火云母带、阻燃硅烷交联聚乙烯绝缘;
阻燃玻璃纤维绕包带、铝合金带联锁铠装、聚烯烃护套;
改善了传统铝芯电缆的缺陷,并具有优于铜缆的一些特性;
阻燃IA级、耐火I级,低烟无卤,符合环保要求;
阻燃耐火性能符合GA306.1-2007、GA306.2-2007标准。
传统的耐火电缆其导体为铜,这是电缆行业、电缆用户、电气设计人员所公认的常识。耐火电缆需具有在经受750℃~1000℃作用下维持通电的功能,铝的熔融温度为660℃(铝合金的熔点比纯铝要低些),而铜的熔融温度可达1080℃。目前,国内市场还没有出现铝导体结构的耐火电缆。
铝合金电缆,这个在美国早已成熟的产品,在我国却是刚刚起步的新产品,必然有相当光明的市场前景。但铝合金耐火电缆这一产品在美国和北美市场似乎没有见到过。铝合金耐火电缆是否可行,需要经过科学的论证和试验,并要有相应的法律法规支持才能应用,反对盲目推广。
在火灾的情势下,电缆既可以是一个危险因子,也可以是生命的救星。因此,用于消防线路和重要场所的耐火电缆其导体的"颠覆性"创新应该慎之又慎。 
本文就相关耐火电缆产品标准、电气设计规范作一概述,对"铝合金耐火电缆"产品及其安全性、可靠性、合法性进行一些探讨,以期推动耐火电缆技术的健康发展。
2 目前国内典型的铝合金耐火电缆产品案例
2.1方案一
在铝合金导体外设计耐火层,耐火层采用云母带,耐火层厚度为0.4mm,绕包方式为重迭绕包,搭盖率为45%~50%。电缆具有联锁铠装层。
2.2方案二
在方案一的基础上,在电缆的缆芯外设计了一层耐火隔热层。耐火隔热层采用在火焰的作用下,能够起到隔热、降温,受热分解后起到结壳效果的材料挤出加工而成。电缆具有联锁铠装层。
2.3方案三
在导体外表面不设计单独的耐火层,而在电缆的缆芯外设计隔热耐火层,隔热耐火层在高温时会形成一层不溶不燃的硬壳,能够阻止火焰、氧气向电缆内部蔓延,同时,隔热耐火层遇火后会释放出大量水分,水分蒸发吸收大量热量对电缆燃烧起到一定的降温作用。电缆具有联锁铠装层。
3 和耐火电缆相关的现行产品标准的一些规定
3.1 GB/T19666-2005阻燃和耐火电线电缆通则
本标准规定了阻燃和耐火电缆包括有卤、无卤、低烟等特性的型号,技术要求、试验方法和验收规则。
本标准适用于包括有卤、无卤、低烟的阻燃和耐火电缆。 
本标准第5.2条规定的电缆耐火特性要求见下表1。
表1 耐火性能要求

代号

适用

范围

供火时间+

冷却时间/

 min

试验电压/

  V

合格指标

试验方法

N

0.6/1.0kV及以下电缆

90+15

额定值

12A熔断器不断;

2)指示灯不熄

GB/T19216.21

数据电缆

90+15

相对地:110±10

1)  2A熔断器不断;

2)  指示灯不熄

GB/T19216.23

:供火温度为750+050

本标准第6.4条对耐火电线电缆系列产品要求如下:
本产品的电线电缆必须采用铜导体,额定电压在0.6/1kV及以下(更高电压等级在考虑中),其绝缘应具耐火特性,否则在导体和/或电缆缆芯上应设置耐火层。常用耐火层用耐火云母带绕包而成,其厚度、层数及绕包迭盖率由制造厂设计确定。如该耐火层在导体和绝缘层之间,则允许绝缘层厚度可以减薄,但减薄后的厚度不应小于原标准厚度的80%。允许在耐火层上设置增强层。制成品的耐火性能即线路的完整性应符合GB/19666标准5.2条的规定。
3.2 GB/T13033.1-2002额定电压750V及以下矿物绝缘电缆及终端 第1部分:电缆 
矿物绝缘电缆因有较好的耐火性能,故人们又将其称之为"防火电缆。"
GB/T13033.1标准适用于额定电压500V和750V铜芯铜或铜护套矿物绝缘一般布线电缆。
本标准规定了制造要求和特性以使矿物绝缘电缆在正确使用时是安全可靠的,并规定了检测符合这些要求的试验方法。
本标准第5条规定,导体应是符合GB/T3956的第1种普通退火铜材料且具有近似圆形截面。
本标准第13.8条规定,成品电缆应按照GB/T19216.21进行耐火试验,燃烧时间为180min。
3.3 JG/T313-2011额定电压750V及以下金属护套无机矿物绝缘电缆及终端
本标准规定了额定电压750V及以下金属护套无机矿物绝缘电缆及终端术语和定义、分类、代号、规格和标记、技术要求、试验方法、检验规则、标志和标签、包装、运输和贮存。
本标准适用于电力布线用金属护套无机矿物绝缘电缆、终端及护套。
本标准第5.1条规定,导体应是单根或多根绞合的软铜线芯。园铜线应符合GB/T3953的规定,绞合软铜线芯应符合GB/T3956的规定。
本标准第5.5.5条规定,电缆应符合GB/T19216.21-2003规定的耐火试验要求,试验时选用火焰温度为950℃~1000℃,燃烧时间为90min。
3.4 GA306-2007阻燃及耐火电缆分级要求 塑料绝缘阻燃及耐火电缆分级和要求

第2部分:耐火电缆 
本标准第5.9条规定,电缆的耐火性能应符合下表2规定的相应级别及技术要求。

表 2 耐火性能级别及技术要求

耐火级别

 

技术要求

耐火特性

烟气毒性

烟密度(最

小透光率)

/%

耐腐蚀性

试验条件

线路完整性

pH

电导率/

(μS/mm

Ⅰ级

供火温度:

750800

满足

GB/T 19216.21

的规定要求

符合

GB/T 20285

 ZA2

80

4.3

10

A

供火温度:

9501000

Ⅱ级

供火温度:

750800

60

A

供火温度:

9501000

Ⅲ级

供火温度:

750800

符合GB/T 20285

 ZA3

20

A

供火温度:

9501000

Ⅳ级

供火温度:

750800

A

供火温度:

9501000

综上所述,GB/T19666、GB/T13033、JG/T313标准明文规定适用于本标准产品的电缆其导体均为铜导体。GA306标准的起草也是建立在"耐火电缆用导体均为铜导体"的基础上起草而成的。对于GA306标准规定的耐火电缆相关技术要求也是建立在对大量铜芯耐火电缆进行试验、验证的基础上确定的。
上述4 个标准对耐火电缆的试验温度规定在750℃~1000℃之间,供火试验时间在90min~180min之间。
关于铝导体用作耐火电缆的导体,目前国内还没有标准和产品可寻,市场也不认可铝导体耐火电缆这一产品。
4 耐火电缆在相关电气规范中的采用
4.1 GB50217-2007电力工程电缆设计规范 
该规范第3章第3.1条规定:
3.1 电缆导体材质
3.1.1 控制电缆应选用铜导体。
3.1.2 用于下列情况的电力电缆,应选用铜导体:
1 电机励磁、重要电源、移动式电气设备等需保持连接具有高可靠性的回路。
2 振动剧烈、有爆炸危险或对铝有腐蚀等严酷的工作环境。
3耐火电缆。
4紧靠高温设备布置。
5 安全性要求高的公共设施。
6工作电流较大,需增多电缆根数时。
3.1.3 除限于产品仅有铜导体和第3.1.1、3.1.2条确定应选用铜导体的情况外,电缆导体材质可选用铜或铝导体。
4.2 GB50045-95(2005年版)高层民用建设设计防火规范
该规范第9章第9.1.4条规定,消防用电设备的配电线路应满足火灾时连续供电的需要,其敷设应符合下列要求:
当采用阻燃或耐火电缆时,敷设在电缆井、电缆沟内可不采用防火保护措施;
当采用矿物绝缘类不燃性电缆时,可直接敷设。
4.3 DG/TJ08-2048-2008《民用建筑电气防火设计规程》上海市工程建设规范
该规范对民用建筑用阻燃、耐火电缆、矿物绝缘电缆的选择和敷设作了详细的规定,从该标准的下列条文号中可以看出:
10.1一般规定
10.1.1直埋敷设和穿管暗敷设的电缆可采用普通电缆。
10.1.2用于普通设备线路的电线在穿管暗敷时可采用普通电线。 
10.1.3当电线电缆成束敷设时,应采用阻燃电线电缆。
10.1.4在外部火势作用一定时间内需保持线路完整性、维持通电的场所,其线路应采用耐火电线电缆或矿物绝缘电缆。
10.1.5电线电缆选用时应按使用场所和辐射条件选择阻燃级别,但同一建筑屋内选用的阻燃和阻燃耐火电线电缆,其阻燃级别宜相同。
10.1.6除直埋敷设的电缆和穿管暗敷的电线电缆外,用于特级、一级场所以及公共娱乐场所的电线电缆应采用无卤低烟型,用于其他二级场所的电线电缆宜采用无卤低烟型。
10.1.7阻燃或耐火电线电缆应有生产许可证、产品质量认证书和根据产品质量法的规定由国家认可检测部门出示的实验报告。 
10.3消防设备线路的选用
10.3.1用于消防设备的控制线路,火灾自动报警系统的信号传输线路、消防广播线路和消防电话线路等可采取下列方式之一:
1 电线穿金属管或阻燃型硬质塑料管暗敷时,可采用阻燃电线;
2 电线穿金属管明敷时,应采用耐火电线;
3电线穿金属线槽内敷设时,应采用阻燃耐火电线;
4 电线在耐火金属线槽内敷时,可采用阻燃电线。
10.3.2由变配电所(或总配电室)引至消防设备的电源主干线应采用阻燃耐火电缆或矿物绝缘电缆,但在特级、一级场所宜采用矿物绝缘电缆。
10.3.3双电源自切箱引至消防设备控制箱及由消防设备控制箱引至消防设备等分支线路可采取下列方式之一:
1电线管敷设时,应采用耐火电线,但明敷设时应采用金属管;
2 电线在金属线槽内敷设时,应采用阻燃耐火电线;
3电缆在电缆桥架内或支架敷设时,应采用阻燃耐火电缆或矿物绝缘电缆。
4.4 GB50016-2006建设设计防火规范
本规范第11章电气部分规定:
11.1.4消防用电设备应采用专用的供电回路,当生产、生活用电被切断时,应仍能保证消防用电。
11.1.6消防用电设备的配电线路应满足火灾时连续供电的需要,其敷设应符合下列规定:
当采用阻燃电缆或耐火电缆时,敷设在电缆井、电缆沟内可不采取防火保护措施;
当采用矿物绝缘电缆类不燃性电缆时,可直接明敷。
该标准条文说明对11.1.4条作如下补充说明:
采用符合现行国家标准的耐火电缆能提高消防配电线路的耐火能力,但在模拟实体火灾中,普通电缆、阻燃电缆、阻燃隔氧层电缆及耐火电缆,在明敷及穿钢管并实施防火涂料保护时,其持续供电时间均未达到30min。这对于消防控制室、消防水泵、消防电梯、防排烟设施等供电时间较长的消防设备供电是不利的。此外,明敷时不能承受火灾中重物坠落和喷淋水冲击的影响。因此,设计时对一些重要建筑或场所内的供电线路或某些重要供电线路宜采用矿物绝缘铜护套电缆。 
4.5 JGJ16-2008民用建设电气设计规范
本规范第7章低压配电中第7.4.1条低压配电导体选择应符合下列规定:
电缆、电线可选用铜芯或铝芯,民用建筑宜采用铜芯电缆或电线;特别重要场所应选用铜芯电缆或电线。
本规范第8章配电线路布线系统第8.9条对矿物绝缘电缆的使用、敷设及附件作了详细的规定和说明。并认为:矿物绝缘电缆布线宜采用于民用建筑中高温或有耐火要求的场所。
本规范第13章火灾自动报警系统第13.10导体选择及敷设规定:
13.10.1消防线路的导体选择及其敷设,应满足火灾时连续供电或传输信号的需要。所有消防线路,应为铜芯导线或电缆。 
13.10.4消防设备供电及控制线路选择,应符合下列规定:
1)火灾自动报警系统保护对象分级为特级的建筑物,其消防设备供电干线及分支干线,应采用矿物绝缘电缆;
2)火灾自动报警保护对象分级为一级的建筑物,其消防设备供电干线及分支干线,宜采用矿物绝缘电缆;当线路的敷设保护措施符合防火要求时,可采用有机绝缘耐火类电缆;
3)火灾自动报警保护对象分级为二级的建筑物,其消防设备干线及分支干线,应采用有机绝缘耐火类电缆;
4)消防设备的分支干线和控制线路,宜选用与消防供电干线或分支干线耐火等级降一类的电线电缆。
该规范条文说明对使用矿物绝缘电缆和有机类耐火电缆作了说明和解释。
因民用建筑的火灾现场最高温度均在1000℃左右,选用矿物绝缘是相对安全的,因为该电缆的护套为铜。
有机类耐火电缆,其耐火温度为750℃,试验用耐火时间为90min,故使用场合相对矿物绝缘电缆要小些。
综上所述,相关电气设计规范对铝芯电缆的使用和耐火电缆的导体选用给出了详细的规定,铝芯导体的电缆在很多安全要求等级较高的场所不能使用。此外,在模拟实体火灾试验中普通耐火电缆的可靠性不及矿物绝缘电缆,再加之实际火灾现场最高温度可达1000℃左右,所以对于重要的电气线路应选用安全等级较高的矿物绝缘电缆。矿物绝缘电缆由铜芯铜护套和无机绝缘氧化镁加工而成。
5 关于铝合金耐火电缆的相关问题讨论
5.1电缆产品进入市场要遵循一定的标准或规范要求。目前,相关标准或规范规定的耐火电缆导体均为铜导体,铜的熔融温度可达1080℃,而铝的熔融温度为660℃(铝合金的熔点比纯铝要低些)。而GB/T12666标准规定的耐火电缆试验温度为7500+50℃,GA306.2标准规定的耐火电缆试验温度为750℃~1000℃之间。而实际火灾时,火灾现场最高温度均在1000℃左右。因此,铝合金材料不适宜用作耐火电缆的导体。
5.2从相关试验报告来看,通过相关耐火试验的铝合金耐火电缆其导体截面在16mm2~400mm2之间,而且电缆结构中都设计有联锁铠装层。无铠装、小截面的铝合金耐火电力电缆通过试验的报道并不多。K系列控制电缆、B系列电线用铝合金作导体制成的耐火型电线电缆产品也未见报道。而铜导体耐火电缆能够提供多品种、多规格、全系列的耐火电缆产品。对于要求更加安全、可靠的电气线路,即使采用传统的耐火电缆也不能满足防火等级的要求,故采用防火性能更为可靠的矿物绝缘电缆。
5.3铝合金耐火电缆中间或终端接头存在问题,是铝合金和铜附件连接还是铝合金和铝合金附件连接,这里存在一个可靠性问题。铜比铝合金的蠕变性能和耐疲劳性能要好,连接牢固、持久。在相同条件下铜与铜导体比铝与铜导体连接的接触电阻要小约10倍到30倍。另据美国消费者品安全委员会(CPCS)统计的火灾事故率,铜导体电线电缆只占铝的1/55,可确认铜导体电缆比铝导体、铝合金导体电缆的连接可靠性和安全性高,我国的工程实践也在一定程度上反映,铝比铜导体的事故率较高。
5.4电气线路遇火后存在一个电压降的问题,如何确保电气线路在火灾中不能失效,确保线路正常供电是一个至关重要的问题。对于电缆的防火性能来说,电缆结构的破坏和绝缘、护套材料的损失并不重要,主要的判断准则是该电缆在整个火灾期间维持电路的完整性如何。这种完整性应是在全部的燃烧条件下而不是仅处于燃烧时所达到的温度下得以保持的。铝合金耐火电缆通过耐火试验是一个简单的技术问题,铝导体电缆也能通过耐火试验。但任何结构的耐火电缆都应考虑电缆在火灾时将会遇到的很多不利因素和自身致命的缺陷。
6结束语
6.1相关耐火电缆产品标准和电气设计规范对耐火电缆的导体所用材料均规定为铜导体。因此,铝合金耐火电缆在很多领域的使用存在法律、法规上的障碍。
6.2小规格、轻结构的铝合金耐火电缆通过耐火试验的可能性较小,因此,无法给客户提供这方面的产品需求。 
6.3铝合金耐火电缆在火灾发生时的可靠性尚需进一步研究,因为铝合金材料的熔融温度低于660℃,而电缆的耐火试验温度最低为750℃;此外,火灾时电缆线路的直流电阻变大、电压降下降,对于铝合金耐火电缆其导体截面的正确、合理的选用研究不多。
6.4铝合金耐火电缆和相关附件连接后的可靠性尚需进一步的研究。
6.5铝合金耐火电缆的发展和推广要理性,铝合金耐火电缆的经济性、必要性和可行性有待进一步商榷。铝合金耐火电缆的创新存在较大的风险,也给线路的安全运行带来了隐患。而铝合金耐火电缆的创新价值有待进一步评估。

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