礦物絕緣電纜的性能及其應用前景

論文類別:工學論文 > 電力論文
論文作者: 佚名
上傳時間:2006/3/3 13:49:00

摘要:在現代的配電系統中礦物绝緣電纜有著廣泛的使用空間,其耐火性、耐久性、安全性、可靠性、施工便捷和經濟性是傳统的電力電纜所無法取代的。
关鍵詞:礦物絕緣電纜 重要場所 危險場所 消防 电氣火災 安全性

  矿物絕緣電纜(MineralInsulatedCables)簡稱MI電纜,是一種無機材料電纜。電纜外層為無縫銅護套,護套與金屬線芯之間是一層经緊密壓實的氧化鎂絕緣層。按用途不同可分為:配線电纜(WiringCables)、加熱電纜和加熱元件(HeatingCablesandHeatingElements)、熱電偶電纜及補償電纜(ThermocoupleCablesandCompensating)、特種電纜(SpecialCables),在實際應用中最常用的是配線電纜,本文著重介紹配線電纜在工程应用中的主要特性。

  • 安全性:

  據統計,1997年我國電氣火災發生次數占火災總次數的26.5%,造成的损失為總損失的43.9%。1998年相應比例為27.5%和37.3%,電氣火災的发生次數以及所造成的損失均屬各類火災之首。據分析,其中由线路引發的占電氣火災的一半之多,所以合理地選擇電纜是避免電氣火災或即使發生火災也能可靠保證消防設備供電的連續性,進而盡早滅火,減少損失的重要環节。

  礦物絕緣電纜是由铜和氧化鎂制成。銅的熔點為1083℃,氧化镁的熔點是2800℃。所以在其溫度不超過1000℃時,電纜結構不會出現问題。因此在絕大部分場所是不會因熔化或燃燒而解體的,更不會傳播火种。

  礦物绝緣電纜是由無機材料制成,它不會放出任何煙霧和有害氣體,而相比之下,傳統的電纜(包括阻燃、低煙低鹵、低煙無卤和其相應的耐火電纜)在著火、被火燒或長期過載絕緣受損時煙霧和有害氣體都會存在。聚氯乙烯絕緣電纜的煙霧中有大量的CO、CO2和氯化物,其它電纜的煙霧中還會含有溴化物、氟化物和硫化氫,這些物質對人的危害是很大的。根據美國海軍工程标準NES713提供數據,一些有害氣體很少量就會造成人體的極大傷害(見表1)。含氯化物的電纜燃燒時產生HCL氣體會使弱電系統损壞。礦物絕緣電纜在火災時,可保证3小時以上的持續供电時間,遠遠大於國家規範的要求(见表2)。

火災自動報警裝置

人工報警器

各種確認、通報手段

消火栓、消防泵及自動噴水系統

水噴霧和泡沫滅火系統

CO2滅火和幹粉灭火系統

鹵代烷滅火系統

排煙設備

火災廣播

火災疏散標誌照明

火災暫時繼續工作的备用照明

避難層備用照明

消防电梯

直升停機坪照明

在耐過電壓方面,傳統電纜在超過其極限耐壓值發生意外時被擊穿,絕緣層被損壞,電纜必須更換,而礦物绝緣電纜擊穿的是擊穿处的空氣電離作用,氧化鎂熔化后成份不會改變。所以礦物绝緣電纜在耐過電壓和性能穩定性方面遠遠优於傳統電纜。

  在防水、防爆方面,矿物絕緣電纜是最安全的电纜。由於其護套是無縫铜管,水、油和氣體不會滲透到電缆內部,在有腐蝕性的特性場所可加裝PVC護套,多种的防護措施使其有極高的安全性。在耐機械損傷方面,礦物绝緣電纜可經受劇烈的機械破壞,而不會損害其導電性能,在电纜外徑變形到原外徑1/3的情況下仍可正常工作。在耐輻照方面,因為其為無機材料制成,材料自身時性穩定,可長期保持較高絕緣電阻,而傳統電纜其絕缘層在強輻照下很容易老化,絕緣特性降低出現危險。

  從上述各方面的比較可以看出,礦物絕緣電纜是最安全的電缆。

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二.耐火性

  目前常用的聚氯乙烯電纜(普通型、阻燃型、耐火型等)最高使用溫度為70℃,超過此溫度絕緣層老化加速,壽命縮短,進而引發火災。按照英國BS6387電纜耐火特性測試標準,只有礦物絕緣電纜能滿足以下三種測試:

A明火燃燒950℃,持續3小時

B明火燃燒650℃,噴淋水持續15分鐘

C明火燃燒950℃,每隔30秒用重物撞擊,

  國產的耐火电纜(NH—VV)只能滿足GB12666.6-90耐火測試中A類測試:明火燃燒950℃,持续90分鐘。而大多數廠家生產的耐火電纜僅能滿足B類測試;明火燃燒750℃,持續90分鐘。下面引用公安部四川消防科研所和浙江久立耐火電纜有限公司做的幾種電纜短樣隨爐溫變化的耐火實驗數據(見表3):由實驗結果可以看出礦物絕緣電纜的耐火特性是十分優秀的,即使其它任何电纜附加保護裝置也無法與其相比。

開始加溫

爐中開始大量冒出黑煙

普通聚氯乙烯電纜穿管短路

阻燃电纜短路

阻燃隔氧層電纜短路

阻燃電纜穿管短路

耐火電纜短路

阻燃隔氧層電纜穿管短路

耐火電纜穿管短路

礦物絕緣電纜仍完好

三.高可靠性

  一種定義耐火電纜的依据是GB12666.6-90《電線電纜耐火性試驗方法》和IEC331(1970),這一標準定義:“耐火電纜是在長時間燃燒以及長时間燃燒後仍能繼續正常工作的电纜;假設火的大小足以破壞施加火焰處的有機材料。”就其結構而言,耐火電纜就是在導電线芯上纏繞雲母帶再擠塑料絕緣和護套,從試驗內容上是一種单一的火焰燃燒環境。對于電纜系統而言,結構的破壞和熱絕缘的損壞並不重要,主要判斷准則是該電纜在整個火災過程中维持電路的完整性如何。而在火灾現場各種外界因素的作用很多,如重物沖擊,對于外層燒毀而使內部絕緣層變得结構疏松的耐火電纜來說,就如雪上加霜,穩定性大打折扣,雖然可以在線路上加防火措施也很難彌補其先天的不足,而礦物絕緣电纜內部結構緊密,銅外套在高溫下不會脫落,即有重物沖擊,一般情况下只會變形而不會斷裂,它有先天的優越性。所以在耐火性能上矿物絕緣電纜占有絕對的优勢。電纜除了火的作用外,建築物的移動、振動以及水的沖擊對电纜有更加不良的作用。从公安部四川消防科研所及浙江久立耐火電纜有限公司作的模拟實體火災電纜特性實驗报告中就可看出,見表4、表5。

重物尚未下落,該電纜表面溫度732℃,絕緣、護套材料全部燒毀、隔氧材料散脱

下落1.6kg重物至使線芯短路,該電纜表面溫度318℃,絕緣、填充材料及護套材料燒毀,雲母带粉化

尚未噴水,電纜表面溫度685℃,噴水後只剩銅導電線芯, 絕緣、護套材料全部燒毀、隔氧材料散脫

尚未噴水,電纜表面溫度583℃,噴水後只剩銅導電線芯, 絕緣、填充材料及护套材料燒毀,雲母帶粉化

  矿物絕緣電纜在帶15KW水泵負載的實驗中,可以發現在水噴淋沖擊其所載電流幾乎没有變化,所以礦物絕緣電缆的耐火性能是極為可靠的。

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四.耐久性

  正常使用電纜壽命是由其絕緣層的完好程度來決定的。塑料電纜中壽命較長为交聯聚乙烯絕緣電纜。在完全正常的使用條件下,最長的使用壽命是40年左右,聚氯乙烯絕緣電纜的使用壽命約為20年。如果出現過載情況發生,壽命會大幅度降低,如果發生局部火灾,電纜受損還必須更換。按建築物正常的使用壽命計算,電纜也至少得更換2次以上。

  礦物絕緣電纜的壽命取决於銅護套的氧化速度,其氧化速度與其工作溫度有關,即使在250℃下長期使用,需要2.57年才使銅護套氧化0.025mm,表6列出了不同溫度下銅護套的氧化速率。

  由此表中數據可以看出,即使是最小規格的礦物絕緣電缆(其銅護套厚度為0.46mm)其壽命也可達數百年,遠遠超過建築物的使用壽命而实際上電纜也不可能長期在250℃下使用。即使銅護套氧化,其氧化物-氧化銅仍是良導體,對其性能的影響很小。所以,礦物絕緣電缆是一種“永久性電纜”。

五.经濟性

  電缆的經濟性應從兩方面考慮:一是初投資、二是運行費用。

  從初投資方面,由於礦物绝緣電纜的結構與材料和其他電纜不同,同截面電纜單位長度的價格要比聚氯乙烯絕緣電缆(包括阻燃和耐火電纜)高,但是礦物絕緣電缆的使用溫度為95℃,IEC364-5-52394年修訂版規定裸礦物絕緣電纜使用溫度可达105℃,因而載流量要比耐火電纜高得多。若按允許溫升到90℃來選擇礦物绝緣電纜,在25mm2以下時,其截面比耐火電纜小一个截面等級,而35 mm2及以上時(35 mm2及以上的礦物絕緣電纜為單芯結構),可以小兩到三個截面等級。相對於耐火電纜單純從價格上相差不大,在礦物絕緣電纜相對與耐火PVC電纜NH-VV(70℃)、耐火PVC钢帶鎧裝電纜NH-VV22(70℃)、耐火低煙无鹵電纜NH-DW-YJE(90℃)的性格比較中,相同載流量下的價格差在-22%—37%之間,這個比较是在以下條件下進行的:

  • 載流量按照環境温度30℃。
  • NH-VV電纜及NH-DW-YJE電纜價格按照国家紅本價格下浮30%計算。NH-VV22電纜價格按照國家紅本價格下浮35%計算。
  • 矿物絕緣電纜的護套替代DE線。

  可以看出礦物絕緣的價格並不是很高,但其優異的性能指標是其它傳統電纜無法比的,所以矿物絕緣電纜的性價比是非常高的。

  礦物絕緣電纜比密集型母線槽(三相五線)的價格優势更為明顯,200—1000/A时密集型母線槽比其貴604%—147%,而且耐火及施工費用方面礦物絕緣電纜有很大的優勢。

  礦物絕緣電纜可以直接明敷,不需其它的防火附件(如防火橋架或耐火線槽等),橋架或线槽部分可以節省很多的資金,因為礦物絕緣電纜的外層為銅護套可以作為接地線,節省一根電缆,而且接地效果和可靠性更好,也節省了相應的施工費用。礦物絕緣電纜施工方便,節省施工時間和強度,其彎曲半徑小于傳統電纜,節省空間。

  如浙江久立耐火電纜有限公司在人民大會堂大禮堂改造工程中,采用礦物絕緣電纜的工程總造價是采用耐火電纜方式的97.59%,而且施工周期短,施工用料少,工人勞動強度降低,勞動用工的工時數為采用耐火電纜的38%。

  從使用费用方面,礦物絕緣電缆允許在更高的溫度下使用,截面35 mm2及以上為單芯結構,散熱條件好,只需明設,而其它電纜,尤其是消防用電線路必須加以保護(如明敷穿鋼管做防火處理、耐火線槽或暗設埋入混凝土中等),這樣就會使电纜比在其明敷時載流量更低,同截面時損耗比礦物絕緣電纜要大得多。在電壓降方面,矿物絕緣電纜也遠優於傳统電纜。表7中更出了礦物絕緣電纜与聚氯乙烯絕緣電纜的載流量及電壓降的對比,可以明顯看出礦物絕緣电纜的優勢。

  表中環境温度均為30℃,礦物絕緣电纜溫升至護套溫度為70℃,聚氯乙烯電纜温升至芯線溫度70℃。

  相同截面截流量的增加可以減小占用的空间,電壓降的降低不僅可以提高電源使用效率,還可以提高受電設備的使用壽命和可靠性,而且上述的比較中只是一次性投資的比較,還未考慮聚氯乙烯電纜由於自然老化在20—40年就要更換的因素。所以在經濟性方面從整體考慮,礦物絕緣電纜優於傳統電力電纜。

六.易於施工

  相同截面下,礦物绝緣電纜的外徑、體積、重量比傳統电纜小得多。據俄羅斯學者計算,在1050A的三相交流線路中,礦物絕緣電纜與橡皮絕缘電纜相比,重量輕30%,外型尺寸小67%。美國電气保險商試驗室(UL)確認礦物絕緣電纜比其他电纜穿剛性電纜管(RigidConduit)重量輕60%,所需空間少80%。另外礦物絕緣電纜允許的彎曲半徑比其它電纜小得多,其彎曲半徑根據規格不同在電纜外徑的2—6倍之間,遠比傳統電纜的10—30倍要小,所以安裝的要求比傳統電缆寬松,所需的空間也小,勞動強度也低,尤其是在改造工程中,其優勢更為明顯。所以礦物絕緣电纜在施工便捷方面遠優於傳统電纜。

  在国外礦物絕緣電纜已得到廣泛應用,其領域包括民用及公用建築、機場、地鐵、醫院、古建築、加油站、船塢、冶金等等。在國內近幾年才開始應用。1999年建設部發行了礦物絕缘電纜的施工圖集,其可靠性得到了認可,並將以其十分優越的性能在今後的工程使用中得到更加廣泛的認同。

1.〈〈民用建築電氣計規範〉〉JGJ/T 16-92中國計劃出版社 1993

2.〈〈電源质量問題初探〉〉國際銅业學會(中國)

3. 公安部四川消防科研所及浙江久立耐火電纜有限公司〈〈模擬實體火災

電缆特性實驗報告〉〉 2001.7

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