一种兼具耐火防水的复合绝缘电力电缆及其制造方法与流程

本发明涉及电力电缆，具体涉及一种兼具耐火性能和防水性能的复合绝缘电力电缆及其制造方法。

背景技术：

1、电力电缆作为电能传输的重要载体，广泛应用于城乡电网改造、电力工程、输配变电系统等领域。随着社会经济的快速发展和城市化进程的不断深入，人们对电力电缆的安全性能要求日益提高。尤其是在人员密集的公共场所（如地铁、车站、医院、写字楼等）以及重要工业设施中，电缆不仅需要具备优异的电气绝缘性能，还要求同时具备良好的耐火性能和防水性能，以确保在火灾工况下仍能保持一定时间的供电能力，为人员疏散和消防救援争取宝贵时间。此外，电缆通道内普遍存在地下水渗漏、消防积水等水分来源，要求电缆具备可靠的径向防水和纵向阻水能力。

2、目前，兼具耐火和防水功能的电力电缆已成为行业研究和开发的重点方向。现有技术中已提出了多种技术方案，以下简述几种代表性专利技术。

3、中国实用新型专利cn203103000u公开了一种防水防白蚁耐火抗拉电力电缆。该方案为：包括有数组导体，每组导体外均依次包覆有复合绝缘层和云母带，并构成绝缘线芯；复合绝缘层由内向外依次为绕包半导电尼龙带、聚氯乙烯绝缘层和半导电屏蔽层；数根绝缘线芯与加强钢芯绞合后构成缆芯；缆芯外包覆有径向阻水缓冲层，径向阻水缓冲层外依次包覆有无纺布绕包带、尼龙防护层和护套层，缆芯与径向阻水缓冲层之间设有填充层。该方案通过云母带实现耐火功能，通过径向阻水缓冲层和膨胀型阻水填充料实现防水功能，但耐火层（云母带）与防水层（径向阻水缓冲层）为独立设置的不同结构层，层间界面问题突出，在电缆弯曲或热胀冷缩工况下容易产生分层剥离，导致耐火或防水性能局部失效。

4、中国实用新型专利cn201345246y公开了一种环保型纳米复合高聚物电力电缆。该方案为：多根绝缘线芯绞合形成缆芯，在缆芯间隙设置有填充层，绝缘线芯自内而外由导体、云母绕包耐火层及绝缘层构成，绝缘层采用聚乙烯蒙脱土纳米复合材料制成；在缆芯及填充层外依次包裹有阻水聚酯带、无卤玻纤带、云母带耐火层、隔氧防水层、不锈钢带铠装层及护套层。该方案虽然采用了纳米复合材料作为绝缘层，具有一定的环保性能，但耐火层（云母带）与防水层（隔氧防水层）仍然为独立设置，且采用了多层绕包和铠装结构，制造工艺复杂、电缆外径大、成本高。

5、中国发明专利cn105161213a公开了一种高性能防水防火复合电力电缆及其制作方法。该方案为：包括多股电缆内芯以及多股电缆内芯外依次包覆的第一纳米阻燃绝缘层、陶瓷纤维耐火带、第二纳米阻燃绝缘层和防水外护套；每股电缆内芯均包括导体芯组，以及导体芯组外依次包覆的第一有机硅复合材料阻燃层和第二有机硅复合材料阻燃层；该电缆的耐火试验不仅满足国标gb/t 19216.21的要求，还可满足英国bs6387标准中规定的c级、w级和z级的要求。然而，该方案采用了双层纳米阻燃绝缘层、陶瓷纤维耐火带和防水外护套的多层独立结构，各功能层之间仍存在界面结合力不足的问题；此外，其防水外护套在高温火焰下容易熔化分解，导致火灾中防水功能丧失。

6、中国发明专利cn103065718a公开了一种耐火电力电缆。该方案为：包括至少一绝缘线芯，绝缘线芯包括导体、包覆该导体的内屏蔽层、包覆该内屏蔽层的绝缘层、包覆该绝缘层的外屏蔽层、包覆该外屏蔽层的金属屏蔽层、包覆该金属屏蔽层的纤维层，绝缘线芯绞合形成缆芯，缆芯的空隙中填充有填充层，缆芯外依次包覆有内护套、陶瓷化硅橡胶耐火层、阻燃发泡陶瓷化硅橡胶层和阻燃隔氧外护套。陶瓷化硅橡胶耐火层在燃烧时能形成坚硬保护壳，防止火焰进一步向电缆内部延伸。但该方案主要侧重于耐火性能的提升，防水功能仅依赖外护套，缺乏专门的防水结构设计，防水可靠性不足。

7、综合上述现有技术，目前兼具耐火和防水功能的电力电缆主要存在以下技术缺陷：

8、第一，功能层分立、界面问题突出。现有方案中，耐火层与防水层多为独立设置的不同材料层和不同结构层，层间结合力差。在电缆敷设弯曲、运行热胀冷缩、长期服役老化等工况下，各功能层之间容易产生分层、剥离或界面开裂，导致耐火或防水性能局部失效，严重影响电缆的长期服役可靠性。

9、第二，耐火与防水性能难以兼优。现有方案往往侧重某一性能而牺牲另一性能。例如，增加耐火层厚度或增设多层耐火结构会降低电缆的柔韧性，并影响防水层的完整性和密封性；而强化防水密封又会制约耐火材料在高温下的膨胀和陶瓷化过程，两者存在此消彼长的矛盾关系。本领域技术人员虽有简化电缆结构的普遍需求，但现有技术中之所以始终采用耐火层与防水层分立的结构，其原因在于：耐火材料通常需要在高温下膨胀或陶瓷化以实现隔热，而防水材料通常需要在常温下致密密封以实现阻水，两者对材料性能的要求在本质上相互矛盾：赋予材料高温陶瓷化能力通常需要引入无机填料，这会降低材料的致密性和常温防水性；而强化常温防水密封通常需要高含量的有机基体，这又会抑制高温下的陶瓷化过程。

10、第三，高温工况下防水层失效。现有电缆的防水层（如阻水聚酯带、隔氧防水层、防水外护套等）在火焰高温下容易熔化、分解或失去阻水功能。火灾发生时，温度可达950至1000℃，常规有机防水材料在此温度下迅速分解，导致电缆在火灾中同时丧失耐火和防水能力，无法满足火灾中既要耐火焰灼烧又要阻隔消防用水的实际需求。

11、第四，制造工艺复杂、成本高。现有方案需要多次绕包云母带、阻水带、耐火带，多次挤塑绝缘层、护套层，以及铠装等多道工序。工艺路线长、工序多，生产效率和成品率受限于各工序的累积误差，同时材料用量大、电缆外径大、成本高。

12、第五，长期服役性能衰减。现有电缆在长期使用过程中，经历多次热循环和机械弯折后，各功能层之间的界面容易产生疲劳开裂，防水性能和耐火性能均出现显著衰减，难以保证设计寿命内的稳定性能。

技术实现思路

1、基于此，针对上述现有技术的缺陷，本发明提供一种兼具耐火防水的复合绝缘电力电缆及其制造方法，旨在解决现有技术中耐火功能层与防水功能层分立导致的界面可靠性差、高温工况下防水失效、制造工艺复杂等技术问题，实现耐火与防水功能的一体化集成和高温协同增强。

2、为了实现上述的目的，本发明提供一种兼具耐火防水的复合绝缘电力电缆，包括：

3、至少一根导体，所述导体为异形紧压导体，优选为扇形或瓦形结构，紧压系数≥0.90；

4、一体化复合绝缘耐火防水层，挤包于所述导体外部，所述一体化复合绝缘耐火防水层由陶瓷化阻水复合绝缘材料构成，该层同时承担电气绝缘、耐火和防水三重功能；

5、缆芯，由多根包覆有所述一体化复合绝缘耐火防水层的绝缘线芯绞合而成；

6、阻水缓冲层，包覆于所述缆芯外部；

7、铠装层，包覆于所述阻水缓冲层外部；

8、外护套，包覆于所述铠装层外部。

9、具体的，所述陶瓷化阻水复合绝缘材料，按重量份数计，包括以下组分：

10、基体树脂：100份（选自乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、聚乙烯、聚烯烃弹性体中的一种或多种）；

11、陶瓷化填料：30至80份（选自硅灰石、高岭土、云母粉、玻璃粉中的一种或多种）；

12、阻水组分：10至30份（选自改性蒙脱土、吸水膨胀橡胶、疏水改性二氧化硅中的一种或多种）；

13、成瓷助剂：5至20份（选自低熔点玻璃粉、硼酸锌中的一种或多种）；

14、交联剂：1至5份；

15、其他助剂：适量（抗氧剂、润滑剂、偶联剂等）。

16、各组分用量范围的确定依据：

17、基体树脂以100重量份为基准，所有其他组分均以基体树脂为100份进行配比。

18、陶瓷化填料的用量为30至80份：若低于30份，高温下无机填料含量不足，无法形成连续的陶瓷层骨架结构，陶瓷化后的陶瓷层不连续、存在大量孔隙，耐火隔热效果显著下降；若高于80份，复合材料中无机填料含量过高，熔融状态下熔体流动速率显著降低（低于0.5g/10min），加工流动性恶化，无法通过挤塑机正常挤出成型，同时，常温下材料脆性增大、断裂伸长率低于50%，无法满足电缆弯曲敷设的柔韧性要求。

19、阻水组分的用量为10至30份：若低于10份，改性蒙脱土的层状片层数量不足，无法在基体中形成有效的“迷宫效应”阻水路径，吸水膨胀橡胶和疏水改性二氧化硅的含量也不足以形成有效的立体阻水网络，常温渗水试验72h内即出现渗水；若高于30份，阻水组分中的无机成分（改性蒙脱土、疏水改性二氧化硅）和有机吸水成分（吸水膨胀橡胶）过量，一方面影响基体树脂的连续性和电气绝缘性能（体积电阻率下降至10¹³ω·cm以下），另一方面吸水膨胀橡胶的过度膨胀会破坏材料的结构完整性。

20、成瓷助剂的用量为5至20份：若低于5份，陶瓷化反应的液相生成量不足，无法有效润湿和粘结陶瓷化填料颗粒，陶瓷化起始温度过高（高于600℃），在火灾初期（300至500℃）无法及时形成陶瓷保护层；若高于20份，常温下成瓷助剂中的低熔点玻璃粉以玻璃态存在，使材料的玻璃化转变温度升高、常温韧性下降，同时过量的成瓷助剂在高温下产生的液相过多，会导致陶瓷层流淌、结构塌陷，反而降低陶瓷层的致密度和力学强度。

21、交联剂的用量为1至5份：若低于1份，交联反应不充分，交联度低于50%，材料的耐热性和高温尺寸稳定性不足；若高于5份，交联度过高（高于85%），材料变硬变脆，加工性能和柔韧性下降。

22、具体的，在常温常态下，基体树脂（如乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、聚乙烯等）提供优异的电气绝缘性能和良好的机械强度，体积电阻率。陶瓷化填料（硅灰石、高岭土、云母粉等）和成瓷助剂（低熔点玻璃粉、硼酸锌等）以填料形式均匀分散于基体树脂中，不影响常温下的电气绝缘性能和机械性能。

23、阻水组分在常温下发挥关键防水作用：改性蒙脱土作为层状硅酸盐材料，其片层结构在基体中形成曲折的“迷宫效应”，有效延长水分子的渗透路径，显著降低水分的扩散系数；吸水膨胀橡胶均匀分散于基体中，当水分渗入时，吸水膨胀橡胶吸收水分后体积膨胀2至5倍，填充材料内部的微观孔隙和裂纹，实现自修复式阻水；疏水改性二氧化硅赋予材料表面低表面能（接触角≥120°），阻止水分在材料表面的浸润和渗透。

24、三种阻水组分协同作用：改性蒙脱土提供物理屏障、吸水膨胀橡胶提供主动自修复、疏水改性二氧化硅提供表面防护，即形成了多层次、多机制的立体阻水网络，使材料在常温下具备优异的防水性能。

25、具体的，当温度达到300至500℃时，基体树脂开始热分解。在此过程中，成瓷助剂（低熔点玻璃粉，熔点约450至600℃；硼酸锌，分解温度约300至450℃）首先熔融或分解，产生的液相组分离子（如硼酸盐、硅酸盐离子）在陶瓷化填料颗粒表面形成润湿和扩散，触发烧结反应。陶瓷化填料（硅灰石、高岭土、云母等）在成瓷助剂的作用下，通过固相烧结反应形成连续、致密的陶瓷保护层。该陶瓷层的主要物相为硅灰石、莫来石和玻璃相，具有优异的隔热性能和电气绝缘性能（高温下体积电阻率仍可保持在以上），可有效隔绝火焰和热量，保护内部导体。

26、与此同时，阻水组分中的改性蒙脱土在高温下参与陶瓷化反应：蒙脱土在300至500℃脱去层间水后，其层状硅酸盐骨架与陶瓷化填料共同烧结，进一步增强了陶瓷层的致密性和结构完整性，使陶瓷层的抗压强度达到15至25mpa。

27、具体的，本发明最核心的创新在于实现了耐火与防水的正向协同，即在常温下阻水组分发挥防水功能；在火灾高温下，阻水组分不但不失效，反而参与陶瓷化反应，增强了陶瓷保护层的致密性。

28、具体而言：

29、第一，改性蒙脱土在300至500℃脱去层间结晶水（约占总质量的5至15%），该脱水和吸热过程可吸收大量热量（脱水焓约400至600j/g），起到一定的吸热降温作用，延缓电缆内部温升。

30、第二，蒙脱土脱去层间水后形成的层状硅酸盐骨架，与陶瓷化填料（硅灰石、高岭土等）在成瓷助剂作用下共同烧结，形成更加致密、均匀的复合陶瓷结构。该复合陶瓷结构中，蒙脱土衍生的层状硅酸盐相与硅灰石衍生的链状硅酸盐相交错分布，形成类似“砖-泥”结构的复合增强体，使陶瓷层的致密度（相对密度≥90%）和力学强度均优于不含阻水组分的常规陶瓷化材料。

31、第三，高温下形成的致密陶瓷层本身是一种优异的隔水屏障：陶瓷层的孔隙率≤5%，水蒸气渗透率≤0.1，其隔水能力远超常规有机防水材料在高温分解后的残余物。因此，本发明的电缆在火灾中不但不会丧失防水功能，反而形成更加强大的无机陶瓷防水屏障，实现了“以火制水”的逆向防护效果。

32、具体的，本发明优选采用异形紧压导体（如，扇形或瓦形结构），紧压系数≥0.90。异形导体的优势在于：一方面，异形导体之间通过机械互锁效应紧密配合，缩小了导体间的间隙，使一体化复合绝缘耐火防水层的挤包更加均匀密实，避免了圆形导体方案中因间隙不均匀导致的绝缘层厚度波动问题；另一方面，异形导体的机械互锁效应增强了电缆整体的结构稳定性和抗弯曲性能，在电缆反复弯折时，异形导体之间的相对位移受到限制，减少了对一体化层的机械应力，从而提高了电缆的长期服役可靠性。

33、具体的，与传统方案中耐火层与防水层为独立设置的不同材料层不同，本发明将耐火功能和防水功能集成于同一材料体系和同一结构层中。该一体化层在常温下为均匀的有机-无机复合体系，不存在传统多层结构中的层间界面；在高温下转变为均匀的陶瓷体，同样不存在界面问题。这一设计从根本上消除了传统方案中因层间结合力不足导致的分层、剥离和界面开裂等失效模式。

34、进一步地，本发明还提供一种兼具耐火防水的复合绝缘电力电缆的制造方法，包括以下步骤：

35、步骤一：导体制备

36、将多根铜单丝或铝单丝进行绞合，并通过紧压模具制成异形紧压导体，所述异形紧压导体为扇形或瓦形结构，紧压系数≥0.90。

37、步骤二：复合材料制备

38、按配比称取基体树脂100份、陶瓷化填料30至80份、阻水组分10至30份、成瓷助剂5至20份、交联剂1至5份和其他助剂，投入密炼机中于120至160℃混炼均匀，然后经双螺杆挤出机造粒，制得陶瓷化阻水复合绝缘材料颗粒。

39、步骤三：一体化绝缘耐火防水层挤包

40、采用挤塑机将步骤二制得的复合材料颗粒熔融挤出，直接挤包于步骤一制得的异形紧压导体外部，形成一体化复合绝缘耐火防水层，挤包温度控制在150至220℃，挤包厚度为0.8至3.0mm。

41、步骤四：交联处理

42、对包覆有一体化复合绝缘耐火防水层的绝缘线芯进行交联处理，交联方式为辐照交联或硅烷交联，交联度≥60%。

43、步骤五：成缆

44、将多根经步骤四处理后的绝缘线芯进行绞合，形成缆芯，绞合节径比为10至20。

45、步骤六：阻水缓冲层绕包

46、在缆芯外部绕包阻水缓冲层，所述阻水缓冲层为阻水膨胀带或半导电阻水带，绕包搭盖率≥25%。

47、步骤七：铠装

48、在阻水缓冲层外部设置铠装层，所述铠装层为钢带铠装或钢丝铠装。

49、步骤八：外护套挤包

50、在铠装层外部挤包外护套，所述外护套为低烟无卤阻燃聚烯烃材料。

51、进一步地，与现有技术相比，本发明具有以下显著有益效果：

52、1.功能一体化，从根本上消除界面失效问题：

53、本发明将耐火功能和防水功能集成于同一材料体系和同一结构层中，在常温下为一均匀的有机-无机复合体系，在高温下转变为均匀的陶瓷体，均不存在传统多层结构中的层间界面。这一设计从根本上避免了现有技术中因层间结合力不足导致的分层、剥离和界面开裂等失效模式。经测试，本发明的一体化层在经历500次热循环（-40℃至+150℃）后，仍无分层、开裂现象，而传统多层结构在200次热循环后即出现明显的层间分离。

54、2.耐火与防水正向协同，高温下防水反而增强：

55、与现有技术中防水层在高温下熔化分解导致防水功能丧失不同，本发明的阻水组分在高温下不仅不失效，反而参与陶瓷化反应，增强了陶瓷保护层的致密性；同时蒙脱土层间水的脱除具有吸热降温作用；最终形成的致密陶瓷层本身具备优异的隔水能力。实现了以火制水的逆向防护，即在火灾中反而形成更强大的防水屏障。950℃火焰燃烧180min后，陶瓷层的致密度≥90%，水蒸气渗透率≤0.1，防水性能较常温状态不降反升。

56、3.耐火性能优异：

57、本发明的电缆经耐火试验（参照gb/t 19216），在950℃火焰中燃烧180min，施加1000v电压，电缆既不短路也不开路，线路完整性保持良好。试验后陶瓷化层的抗压强度达到15至25mpa，可有效抵御消防水喷淋和机械冲击。

58、4.防水性能可靠：

59、本发明的电缆经渗水试验（参照gb/t 12706.2），在1m水头压力下保持72h不渗水，径向防水和纵向阻水性能均达到优异水平。阻水组分中的吸水膨胀橡胶赋予电缆长期的自修复防水能力：在电缆服役过程中如因机械损伤产生微裂纹，吸水膨胀橡胶遇水后可自动膨胀填充裂纹，阻止水分进一步渗透。

60、5.结构简化、成本降低

61、本发明省去了传统方案中独立的云母带耐火绕包层、阻水聚酯带、隔氧防水层等多道结构和工序。与现有技术相比，电缆结构层数减少3至5层，电缆外径减小15至25%，单位长度材料用量减少20至30%，制造工序减少4至6道，材料成本和制造成本均显著降低。

62、6.长期服役可靠性高：

63、由于不存在层间界面问题，本发明的一体化层在长期服役过程中不会出现分层、剥离等界面失效。经加速老化试验（135℃×168h）和热循环试验（-40℃至+150℃×500次）后，本发明的电缆耐火性能和防水性能的保持率均≥90%，而传统多层结构电缆的性能保持率≤60%。

64、7.异形导体增强结构稳定性：

65、异形紧压导体（紧压系数≥0.90）通过机械互锁效应增强了电缆整体的结构稳定性和抗弯曲性能。在反复弯曲试验（弯曲半径10d，弯曲次数10000次）后，本发明的电缆电气性能保持率≥95%，而采用圆形导体的对比电缆电气性能保持率≤80%。