毕业设计耐火电缆设计.doc
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1、绪 论在当今的工业化社会里,能源和信息是社会的两大支柱,而无论是电能还是信息的传输;都离不开电线电缆。随着社会的发展,科技的进步,众多的电厂、冶金公司、石化公司向大型集团化方向发展,高层建筑、公共娱乐场合、地铁及地下街道等不断涌现,其用电量与日俱增,电线电缆的品种及用量也相应增长。电线电缆既可输配电能、传递信息,又是易引起火灾的“导火线”,存在着利与弊问题,为此对电线电缆阻燃耐火性能提出了更高的规定。 为提高电气线路的安全水平,电缆的阻燃问题越来越引起人们的关注。电缆的阻燃化已成为线缆行业的一个综合性发展方向。在70年代初一些工业发达的国家已开发了阻燃聚氯乙烯电缆,在阻止火灾蔓延方面取得了重大
2、进展。然而,阻燃系列的电缆仅使燃烧局限于一定范围内,在实际发生火灾时电缆燃烧时不能通电。但许多重要场合万一发生火灾时,人员疏散。通道的照明,防火报警装置,自动消防设施以及其它应急设备,都规定在火灾发生时电缆能保持在规定期间内的正常通电。因此,人们研制出耐火电缆。 火灾给人类社会带来的惨重损失是严重的。这就规定耐火电缆在火焰燃烧情况下,仍能保持一定期间内维持运营,以使线路畅通,及时报警,信号灯显示导引、疏散群众,并使消防电梯、水泵及排烟装置在事故状态下能连续运营。因此,要研制适应不同耐火等级的耐火电线电缆以满足市场需要。然而随着着耐火电缆的出现,却出现了“耐火电缆到底要不要阻燃的问题?” 提出这
3、个问题,也许有人觉得荒唐。其实不然。见到有些厂的产品样本中,把耐火电缆分为不阻燃的和阻燃的两种型号,使人不得其解。于是乎提出,耐火电缆到底要不要阻燃的问题。主张耐火电缆不需要阻燃的意见是:耐火电缆的耐火性重要是依靠导体外面绕包的云母带,即使绝缘和护套不久烧光了,电缆仍然能保持通电。所以耐火电缆的绝缘和护套主线不需要具有阻燃性。尚有的认为,只有在敷设了阻燃电缆的线路中才使用阻燃耐火电缆,而在普通非阻燃电缆线路中,没有必要使用阻燃耐火电缆。 这种观点是否对的,至今也没有人出来澄清过。 众所周知,耐火电缆燃烧实验合格的重要条件之一是供火时间。假如电缆的绝缘和护套不久就被烧光了,就全靠云母带来承担绝缘
4、作用。万一云母带的质量有点问题或者电缆制造工艺不够完善,那么这个云母绝缘层的绝缘效果,也不也许一直保持到规定的时间。 在2023年全国电缆行业大会上。日本unicar公司在介绍环保型电缆材料时指出:耐火电缆应尽量延长燃烧时间,火焰蔓延速度要慢,并且体积电阻要小。这种说法是符合电缆工程实践的。延长电缆的燃烧时间、减缓电缆燃烧时火焰的蔓延速度,尽量延长耐火电缆的工作时间,这正是消防救援的需要。因此,无论从哪一方面来看,耐火电缆都应当采用阻燃绝缘和护套。否则,所谓的耐火电缆只能是一个幌子而已。故而,所谓的耐火电缆就是不仅要达成线芯耐火规定,更应当保证绝缘和护套的阻燃性能,不然所谓的耐火不仅不耐火还不
5、会阻燃了,在此我们就讨论一下真正可以称得上的耐火电缆也既是阻燃耐火电缆。阻燃耐火电缆在耐火方面: 应当保证不易着火致完全烧毁在火灾中及火灾后尚能继续工作,保证救火过程中的用电需要;在阻燃方面: 即在燃烧状态下可以减少火焰的蔓延速度,用成束电缆燃烧实验来考核。应当保证单根电缆垂直燃烧时可阻止火焰蔓延,火焰移去后会自动熄灭。第1章 设计原理及总体思绪1.1 序言本次所设计电缆为阻燃耐火控制电缆,以450/750V电压等级的ZNKVV为例。即在满足一般的使用特性条件下还应达成特定的技术指标。对于产品一般的使用特性容易达成,而对于特别规定的耐火阻燃特性则需要通过一定的结构和工艺来实现。1.2 产品使用
6、特性 1.2.1 工作温度电缆导体的长期允许工作温度为70。1.2.2 敷设温度电缆的敷设温度应不低于0。1.2.3 弯曲半径推荐的允许弯曲半径: 本电缆,应不小于电缆外径的6倍 。 1.2.3 耐压实验交流耐压实验 实验电压为3000V,施压时间为5min. 1.3 电缆应达成的技术指标1.3.1 耐火指标 耐火指标按GB/T19216.21-2023 在火焰条件下电缆和光缆的完整性实验第21部分:实验环节和规定-额定电压0.6/1kV及以下电缆。该实验应使用在GB/T19216.11中具体说明的实验装置完毕实验环节。熔断器应符合GB13539.5规定的DII型,允许使用品有等效特性的熔断器
7、代替。注意调节喷灯到对的的位置,在靠近变压器的试样一端,把中性导体和所有保护导体接地。点燃喷灯,把丙烷和空气流量调节到验证环节(见GB/T19216.11)中得到的数值。实验应按给定的供火时间连续进行(供火时间应在相关的电缆标准中规定。假如没有,推荐供火时间为90min。),之后应熄灭火焰,但应对电缆试样继续供电15min。即总的实验时间应为供火时间加上15min的冷却时间。参照实验环节,具有保持线路完整性的电缆,只要在实验过程中:保持电压,即没有一个熔断器或断路器断开;导体不断,即灯泡一个也不熄灭。即为合格。假如实验失败,根据有关标准的规定应另取两根试样进行实验。假如两个都符合实验规定,则应
8、认为实验合格。 1.3.2 阻燃指标阻燃指标应符合GB/T18380.3-2023 电缆在火焰条件下的燃烧实验 第3部分:成束电线或电缆的燃烧实验方法之A类阻燃规定;一般来讲,通常有很多根电线电缆成束敷设,那么相对于多根电线电缆明线垂直敷设情况来说由于所谓的“烟囱通道通风效应”,变得更加容易延燃。因此我们对该电线电缆阻燃性的评估采用的是通过成束垂直燃烧实验,成束电线或电缆燃烧实验方法:电缆在实际使用场合经常是集束敷设的,因此评价成束敷设的电缆的阻燃性能更具有具体的意义,成束电线或电缆燃烧实验是一种模拟实际使用状况的大型的实验方法,专门用来评价成束敷设的电缆的阻燃性能,该实验方法的国家标准为GB
9、/T18380.3-2023,等同于IEC60332.3-1992(IEC最新版2023年版)。 其他指标按GB9330标准规定。1.4 设计原理及总体思绪 为了达成指标,在尽量节约创效益的基础上,对电缆结构进行设计,对所用材料进行合适的选择,对工艺严格规定。1.4.1 设计原理 根据国标采用42.5铜导体结构,重迭外绕三层合成云母带,并在其外围绕包一层聚脂薄膜,以牢固云母带。四芯导体绞合后以阻燃PP带填充,高阻燃涂胶玻璃布带作包带。绝缘以及护套均采用高阻燃PVC材料。在此重要为了达成阻燃耐火规定,更为达成A类阻燃实验,则选择合成云母而不选金云母或白云母,选择高阻燃涂胶玻璃布带而放弃阻燃玻璃布
10、带,绝缘和护套上也应相应选择高阻燃原料取代普通级阻燃料。1.4.2 总体思绪本文一方面对原材料性能叙述,根据技术指标,结合结构设计,进行最后选择。进而通过计算对设定的结构尺寸进行验证,来证实所设计结构在电性能、物理机械性能方面是符合相关规定的。1.5 本章小结本章简朴介绍了设计原理和总体思绪,在实际生产中应注意阻燃和和耐火实验的操作,注意使用的设备。根据截面的不同选择而选择不同的根数进行实验,并注意同B类、C类实验不同之处。第2章 原材料的选择及结构设计2.1 引言 材料选择什么,结构如何设计对电缆至关重要,材料选择不妥,结构设计不合适不仅会影响产品的性能,即使产品达成指标,也有也许会导致材料
11、的浪费。材料选择对的,结构设计合理,则会达成预期目的,也会给厂家带来效益。2.2 导体导体为什么选用铜?铜有哪些特点?导体结构如何选择? 2.2.1 铜导体特点铜是电线电缆工业的重要材料,重要用作电线电缆的导体,其重要特点如下:2.2.1.1 导电性好,仅次于银而处在第二位。2.2.1.2 导热性好,仅次于银、金而处在第三位,导热率为7 8。2.2.1.3 塑性好,在加工时,初次加压力加工量可达3 0-40。2.2.1.4 耐腐蚀性较好,与盐酸或稀硫酸作用甚微。铜在干燥中具有较好的耐腐蚀性,但在潮湿的空气中易生成有毒的铜绿2.2.1.5 易于焊接。2.2.1.6 力学性能较好,有足够的抗拉强度
12、和拉伸率。2.2.2 导体规定导体表面要光洁、无油污、无损伤、绝缘的毛刺、锐边以及凸起或断裂单线。2.3.3 导体结构及尺寸参照GBT3956根据设计电缆指标规定导体采用第一种实心导体即单根不镀锡铜导体。并拟定设计电缆导体结构及尺寸大小,参见:表(1)、(2)、(3)、(4)。表(1)单芯或多芯电缆用第一种实心导体标称截面220时导体最大电阻圆铜导体不镀金属镀金属0.50.7511.52.54636.024.518.112.17.414.613.0836.724.818.212.27.564.703.11表(2)导体结构标称截面导体结构20时导体电阻不大于种类根数单线标成直径不镀锡镀锡0.50
13、.750.750.751.01.01.01.51.51.52.52.52.5446610312312312312312122160.2010.9770.37240.2011.1370.43320.2011.3870.52300.2511.7870.68500.2512.2570.8512.7671.0471.3539.024.524.526.018.1 18.1 19.5 12.1 12.1 13.3 7.41 7.41 7.98 4.61 4.61 3.08 3.08 1.8340.124.824.826.718.218.220.012.212.213.77.567.568.214.704.
14、703.113.111.84表(3)电缆规格型号额定电压V导体标称截面0.50.751.01.52.54610芯 数KVV450750261214210表(4)KVV型450/750V铜芯聚氯乙烯绝缘聚氯乙烯护套控制电缆结构及外形尺寸芯数标称截面2导体种类绝缘标称厚度护套标称厚度平均外径70最小绝缘电阻M下限上限20.7531.040.7541.542.542.51212120.60.60.60.70.80.81.21.21.21.21.21.26.47.27.29.010.010.08.09.29.011.512.013.00.0120.0130.0120.0100.0100.009为达成规
15、定技术指标,参照GBT3956及GB9330而拟定电缆导体材料、导体结构和相关技术规定。在进行耐火云母层绕包前,使用导体清刷装置,清除导体表面的铜屑,消除了铜屑对耐火云母层的刺破损失作用,减少耐火云母带电压击穿的也许性,提高高温燃烧时的绝缘电阻。2.3 耐火层(云母带)大多数电缆在燃烧过程中和燃烧结束后,其灰烬仍有一定的绝缘性能,但碰到震动时,绝缘灰烬便脱落。基于上述因素,越来越多的电缆采用高云母含量、高质量的云母带。实验证明,只有选用高质量云母带并采用适当的电缆结构和生产工艺才干保证电缆通过阻燃耐火实验。2.3.1 三种云母云母是一种天然矿物质,由于其杰出的介电性能、热稳定性、辐射稳定性和化
16、学稳定性,云母一直被列为电气领域最佳的绝缘材料之一。天然云母分白云母、金云母两种。白云母的化学成份为铝一钾硅酸盐,金云母为铝一钾一镁硅酸盐。其本质为具有片状结构矿物质。通过特殊的热解决、化学解决和机械加工可将云母矿石浆化,并制成云母纸。合成云母是指以氟离子替代羟基人工合成而制得的云母。氟金云母与天然云母相比,其高温下电气绝缘性能较好,但硬度较高,氟金云母的莫氏(mohs)硬度为34,而天然云母为25。三种云母材料的物理电气特性如表(5)所示表(5)三种云母特性特性白云母金云母氟金云母密度(3 )2.72.92.72.852.782.85硬度(莫氏)2.82.53.4熔点120013001200
17、13001370t(23)10-4 10-310-4介电常数58575.66.3体积电阻率()2310161017101410156010810910101011击穿电压(KV)159317125281185238分子结构KAL2(ALSi3O10)(OH)2KMg3(ALSi3O10)(OH)2KMg3(ALSi3O10)F22.3.2 云母带构成耐火云母带的材料是云母纸、粘合剂和补强材料(玻璃面布)。2.3.2.1 云母纸 云母纸自身不含任何粘结剂,而是靠云母片自身互相连结,保持其结构完整性。尽管云母纸的电气绝缘性能十分杰出,但其强度很低,这就规定采用补强材料与云母纸复合制成云母带。部分云
18、母带存在硬度大,厚度太厚,粘合剂含量过高以及云母片易于脱落等缺陷,无法满足市场需求。生产厂家已开发出超薄云母带可用于小截面耐火电缆的制造,其结构为白云母或金云母辅以单面补强,其补强材料为玻璃布或高分子薄膜,粘合剂为有机硅弹性体。此类云母带可承受热冲击和电气负荷过载等苛刻的运营环境。常温下白云母的电气绝缘性能最佳。但在耐热方面最差。白云母在常温下的电性能好于金云母,但在耐火热性方面,金云母好于白云母:(白云母在600以上会释出其结晶水,而金云母要到800以上才会产生结晶水。)目前,我国已研制成功人工合成的氟金云母带,氟金云母中含956重量比例的氟,其不含结晶水,熔点达l375。在600时,氟离子
19、开始释出,到1100时,氟离子基本完全释出。但以上三种云母的层状物理结构皆可保持到其相应熔点,不发生变化。由此,生产A类电缆用云母带,采用合成云母;生产B类电缆用云母带,其云母采用金云母就能满足规定。2.3.2.2 粘合剂 粘合剂的选用必须以粘合力强、柔软和燃烧不炭化为原则,三者缺一不可。对于云母带的选择要通过调研,并进行工艺、产品实验,在相同工艺条件下作比较,进行耐火电缆的试制,最终选定通过耐火特性实验产品。2.3.2.3 云母带的补强材料(1) 国内 云母带的补强材料重要有玻璃布和高聚物薄膜两种,其中玻璃布补强云母带又分单面和双面。国产用于阻燃耐火电缆的云母带重要以双面玻璃布补强为主。双面
20、补强的云母带,其成本较高。国产云母带之所以采用双面有其客观因素,即我国云母带生产厂的制造设备粘合工艺较落后,云母片在绕包过程中易脱落,只有采用双面玻璃布补强才可减少云母片的脱落。但这样也带来以下不利因素: a带材成本增大。玻璃布、粘合剂等用量加倍导致原材料成本上升;粘合工艺复杂导致加工成本上升。 b云母烧结层结构松散,抗机械冲击性差。这是由于双面补强,云母纸和导电线芯之间和云母带互相之间分别有一层和二层玻璃布,这样云母烧结层自身、烧结层和线芯表面都存有空隙。 c烧结层结构松散还导致导体表面电晕放电严重。d电缆外径增大,综合成本上升。 云母带补强用玻璃布,通常采用E玻璃抽丝织布制成,又称为无碱玻
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