矿物绝缘电缆刚性与柔性对比参数

刚性与柔性矿物绝缘电缆应用性综合对比研究
随着国内经济建设的迅猛发展，人们对消防安全的重视程度与日俱增，自2015 年设计规范 GB50016-2014《建筑设计防火规范》重新修订实施后，明确要求矿物绝缘类不燃电缆强制应用于消防配电线路设施，至此矿物绝缘电缆在国内市场呈现出爆炸式增长。传统矿物绝缘电缆也被称为（刚性）矿物绝缘电缆，其防火性能出色、科技含量高，但制造过程复杂， 生产企业需要投入较高资金用于技术研发及装备改良。虽然该产品在我国推广应用已经超过20 年，但国内有能力研制的企业并不多，尤其是专业化矿物绝缘电缆生产企业更为稀缺。同时，受其结构特点的限制，矿物绝缘电缆的交货长度随导线截面增大而缩短，长距离敷设时中间接头多、氧化镁绝缘易吸潮、电缆刚度大敷设不便等特点，除少数具备先进施工水准的企业外，被大多数安装公司抵触使用。
因此，一些生产企业针对矿物绝缘电缆须满足 BS6387C、W、Z 的防火检验标准，在传统有机塑料电缆制造工艺的基础上，进而推广了一系列同样满足该检验标准的产品，目前该类产品尚无相关标准，业内也被称为非标矿物绝缘电缆。由于构造类似于有机电缆，故而冠以（柔性）矿物绝缘电缆之名，借此替代传统（刚性）矿物绝缘电缆。
通过近几年的市场推广，非标（柔性）矿物绝缘电缆在国内也取得了诸多业绩，但非标（柔性）矿物电缆是否等同于传统（刚性）矿物电缆？其耐火性能、安全可靠性与传统（刚性）矿物电缆有何区别？笔者结合现行标准及规范，就两者产品的结构原理、电气性能、施工特点进行综合比较。
1 矿物绝缘电缆综述
1.1 传统（刚性）矿物绝缘电缆诞生于19 世纪末，由瑞士工程师ArnoldFrancoisBorel 提出设想，并于1896年获得权， 随后于1934-1936 年投入到法、英生产便迅速发展。我国于上世纪60 年代研制，zui初只涉及军事领域，80 年代中期出现工业化生产，如今已被全面推广到建筑领域。按照 GB50054—2011《低压配电设计规范》、JGJ232—2011《矿物绝缘电缆敷设技术规程》对其定义为 ：在同一金属护套内，由一根或数根导体经紧压成形的粉末矿物绝缘密实组成。GB/T13033-2007《额定电压750V 及以下矿物绝缘电缆及终端》明确规定矿物绝缘电缆的型号包括750V 重型（BTTZ、BTTVZ、WD-BTTYZ）、500V 轻型（BTTQ、BTTYQ、WD-BTTYQ）共六种型号，根据表1 可知（柔性）矿物绝缘电缆的绝缘并非采用密实矿物粉末组成。因此从严格意义来讲，它并非矿物绝缘类电缆。
表1 常见矿物绝缘电缆结构对比
1.2 非标（柔性）矿物绝缘电缆发明较晚，zui初于上个世纪70 年代由瑞士 Studer 公司研制而成。我国自2001 年出现该产品后，其种类也在不断变化，诸如 YTTW- 金属护套柔性矿物绝缘电缆、NG-A（BTLY）- 隔离型柔性矿物绝缘电缆、BBTRZ- 柔性矿物绝缘电缆等，目前各个生产厂家自行对产品命名，原材料及制造标准也不尽相同。由于还未颁布相关的标准，现今只能参考一些企业标准或行业标准，其防火性能更是缺乏依据。
2 结构原理比较
2.1 绝缘材料
2.1.1 （刚性）矿物绝缘电缆的绝缘采用无机矿物材质 MgO（氧化镁）粉末压缩密实而成，通常填充密度为75%~80%，如表2 所示，其熔点远远超过铜护套熔点（1083℃），且电阻率受温度变化影响小，在高温下具有优良的电绝缘性和散热性，作为无机矿物材料，其天然的不燃性以及无烟无卤特性非常适合于重要场所消防配电线路，的不足是MgO 易吸收空气中的水分，电缆的临时封端或电缆头制作须在1h 内完成，否则绝缘阻值会迅速降至10MΩ 以下。但由于MgO+H2O（热水） Mg（OH）2 ↓属可逆反应，在施工过程中利用火焰喷灯等方式对电缆端部区域反复加热，可以消除这一缺点。

表2 绝缘材料性能对比
2.1.2 而（柔性）矿物绝缘电缆的绝缘材料就难以统一了， zui具代表性的就是采用耐火（NH）电缆常用的云母带绕包。在此以 A 类耐火级的合成云母 KMg3（AlSi3O10）F3 为例 ： 它是以 F- 代替（OH）-，在常压下合成出的大晶体人工云母， 再用粘合剂将云母片粘贴于玻璃布上。参考表2 可知，其熔点不足氧化镁粉的1/2，导热率仅为氧化镁粉的1/10，常温下电阻率略高于氧化镁粉，但伴随温度上升电阻率却显著下降， 该材料在有机耐火电缆（如 NH-YJV）中只能作耐火层，而不可作为绝缘层，因为其绝缘性能、散热性能远不及交联聚乙烯。云母带也同样具有易受潮的缺陷，其受潮后绝缘迅速下降， 且不可恢复。而其他诸如 BBTRZ、NG-A（BTLY）竟然采用交联聚乙烯作为绝缘层，其构造已完全脱离了无机矿物
2.2 金属外护套
2.2.1 （刚性）矿物绝缘电缆的采用无缝铜管作为外护套， 具体生产工艺流程如下 ：
铜护套管采用拉拔工艺延伸，达到预定长度后又经过2 道热处理工序，其拉拔过程中产生的应力已基本消除，轧制也确保了电缆整体截面尺寸做到zui小，并且使护套与内部氧化镁密实压紧。按上述工艺成型的电缆无论是抗压强度、还是机械性能，都超过普通耐火电缆。但美中不足的是，铜管在一次下料时原材料有限，拉拔的长度也有限制，以750VBTTZ-4×25mm2 电缆为例，其zui大出货长度仅为130m，若在超高层建筑中应用，需耗费大量的中间接头作业进行连接，势必增加工程量与施工难度。
2.2.2 （柔性）矿物绝缘电缆zui典型的外护套采用铜轧纹焊接工艺，其生产工艺流程如下 ：
为做到电缆出货长度无限延长，（柔性）矿物绝缘电缆外护套采用铜带绕包焊接，轧纹后即装盘，由于未做热处理，护套上因焊接产生的残余应力没有消除，在实际敷设过程中经常出现开裂。同时，铜带轧纹也增大了电缆整体截面尺寸，如表3 所示，相近规格（柔性）电缆比（刚性）体积大10%~174%， 重量重3.9%~86.2%。
表3 4*25mm2（含防腐护套）电缆规格明细
2.3 电气性能比较
2.3.1 耐火性试验
耐火性是验证电缆在火灾情况下持续供电的能力，笔者结合出厂验收经历，选取具有代表性的 BTTZ 型（刚性）与YTTW 型（柔性）规格都为4×25mm2 进行分析，检测标准以英国 BS6387（C、W、Z 级）耐火试验为准，各选一样品依次进行3 项试验。比对结果见表4。

表4 BS6387耐火试验对比
从结果来看，两者均能通过 BS6387 标准测试，但 YTTW（柔性）样品的铜护套90°弯处已发生变形，当样品重复上述试验后，YTTW（柔性）铜护套发生开裂。同时，受轧纹结构的影响，云母带绝缘被烧至黑粉状并脱落于护套缝隙内，而BTTZ（刚性）样品再次重复上述试验后，护套仅留有少量撞击痕迹。随后在对两者进行绝缘电阻测试时，YTTW（柔性） 绝缘阻值近乎为0Ω，BTTZ（刚性）阻值仍超过200MΩ。
2.3.2 耐压试验
根据 GB/T13033-2007 的电压试验要求 ：2500V 用于750V 电缆导体间 / 每个导体与铜护套间，升压速度应≥ 150V/s，每次应持续1min，实验过程电缆应不击穿。在此以同一厂家相同规格的 BTTZ（刚性）和 YTTW（柔性）样品为试验对象。
（1） 首先对 BTTZ 电缆升压至2500V 并持续15min 后， 未击穿。继续升压至3300V 附件发生击穿，静置3h 后，对该样品重新打耐压，升压至2500V 未击穿，说明氧化镁绝缘是因局部熔化造成击穿，但击穿并未改变其化学性质，因此绝缘性能可自行恢复。
（2）在对 YTTW 电缆试验时于2800V 附近击穿，3h 后重新打耐压，zui高升压至50V 时再次击穿。表明 YTTW 电缆击穿后绝缘性能无法恢复，只能重新更换。

2.3.3 载流温度测试
于标准室温 20 ℃环境下，选取同一厂家规格都为4×25mm2 的 BTTZ（刚性）和 YTTW（柔性）电缆样品，分别通以额定电流140A，并于两个样品导线及铜护套相同位置设温度传感器，结果见图1 ：
图1 额定载流量时电缆温升曲线
从结果可以看出，在相同试验条件下，持续通电4h， BTTZ（刚性）电缆的导线比 YTTW（柔性）低5.5℃，铜护套低6.7℃。从而验证了上述关于绝缘材料性能分析的论点， 氧化镁粉的散热性明显优于合成云母带。而就电缆本身而言， 散热性同样对载流量会产生较大影响。
3 施工特点比较
3.1 弯曲能力
3.1.1 根据标准图集09D101-6《矿物绝缘电缆敷设》的指导意见，（刚性）矿物绝缘电缆zui小弯曲半径 R ≥ 6D，由于电缆铜护套在生产时的退火工艺已消除了变形应力，其柔韧性并不亚于普通耐火电
3.1.2 目前还没有相关标准提及（柔性）矿物绝缘电缆的弯曲能力，根据一些（柔性）电缆的产品说明书可知， 其zui小弯曲半径 R 的范围在15D~20D 之间，由于上述论点已证明同规格的（柔性）电缆无论在体积还是重量上均超过（刚性），未经热处理的轧纹铜护套也使电缆自身变得坚硬，所以在实际敷设过程中并不及（刚性）柔软。
3.2 终端 / 中间接头密封性
3.2.1 在制作（刚性）矿物绝缘电缆终端时，为确保绝缘层不受潮气影响，终端头 / 中间接头附件都会附带绝缘封盖， 并胶封于电缆切口处，从而使氧化镁隔绝空气水分的污染， 保证电气绝缘性能。
3.2.2 由于（柔性）矿物绝缘电缆大多采用云母带绕包作为绝缘，所以电缆切口处无法胶封，只能采用热缩套对电缆连接处密封，该工艺是针对交联聚乙烯等有机电缆的密封方法，其隔离潮气的能力远不及胶封彻底。
4 结语
通过上述研究，可以发现（刚性）与（柔性）矿物绝缘电缆实质上既是标准与非标产品的区别，作为一款成熟产品，传统（刚性）矿物绝缘电缆的应用已超过120 年，依托其稳定可靠的性能，国内外已经逐渐呈现出替代耐火电缆的趋势。而非标（柔性）矿物绝缘电缆目前还存在诸多缺陷， 虽然国内一些生产企业研制了多种（柔性）电缆，但其性能始终无法与传统（刚性）相媲美，甚至柔韧度也不及（刚性） 出色，现今只有选用传统（刚性）矿物绝缘电缆才能确保消防配电安全可靠。