Overwegingen en aanbevelingen voor de keuze van vlamvertragende stoffen voor hoogspanningskabels

1. Classificatienormen voor vlamvertragende kabels

Het systeem van vlamvertragende normen is verdeeld in twee hoofdcategorieën. De eerste categorie volgt de "Classificatie van brandgedrag voor elektrische en glasvezelkabels" GB 31247. Kabels die aan dit normensysteem voldoen, worden breed toegepast in dichtbevolkte gebieden zoals hogesnelheidslijnen en metro's. Deze norm stelt strenge eisen aan parameters zoals rookdichtheid, warmte-uitstoot en totale rookproductie, en kabels gebruiken meestal lage-rook, halogeenvrije materialen.

De tweede categorie is de "Algemene regels voor vlamvertragende of vuurbestendige elektriciteitsdraden, kabels of glasvezelkabels" GB/T 19666. Voordat GB 31247 werd ingevoerd, werd deze norm breed toegepast in alle soorten faciliteiten in China. Het GB/T 19666-systeem specificeert ook waarden voor parameters zoals rookdichtheid, en tijdens inschrijvingen worden er vaak extra voorvoegsels gespecificeerd, zoals WD (lage-rook, halogeenvrij). De overeenkomstige testnormen voor de vlamvertragende classificatie van kabels staan in de onderstaande tabel:

Classificatienorm voor item 1: De norm "Algemene regels voor vlamvertragende of vuurbestendige elektriciteitsdraden, kabels of glasvezelkabels" GB/T 19666 maakt gebruik van de bekende ZA, ZB, ZC-classificaties die bekend zijn bij energieontwerpinstituten. Echter, de daarin vermelde testmethode, "Test op verticale vlamverspreiding voor gebundelde draden of kabels onder brandomstandigheden – Deel 3: Testmethoden voor gebundelde draden of kabels" GB 18380.3-2001, is ingetrokken. Deze testnorm was gebaseerd op IEC 60332-3-25:2000, "Tests op elektrische en glasvezelkabels onder brandomstandigheden – Deel 3-25: Test voor verticale vlamverspreiding van verticaal gemonteerde gebundelde kabels – Categorie D."

Classificatienorm voor item 2: De norm "Vlamvertragende en vuurbestendige kabels – Deel 1: Vlamvertragende kabels" GA 306.1-2007, classificeert kabels volgens de bijgewerkte testmethoden GB 18380.31~36-2008, die GB 18380.3-2001 vervangen. Het belangrijkste onderscheid is de inclusie van extra criteria zoals rooktoxiciteit (GB 20285), lichtdoorlatendheid en corrosiebestendigheid, wat de A, B en C klassen verder opsplits in vijf verschillende gradaties.

Classificatienorm voor item 3: De "Classificatie van brandgedrag voor elektrische en glasvezelkabels" GB 31247 is de meest recente norm. De overeenkomstige testmethode is "Verspreiding van vlammen, warmte-uitstoot en rookproductie van kabels of glasvezelkabels onder brandomstandigheden" GB 31248, die verwijst naar EN 50399:2011, "Gemeenschappelijke testmethoden voor kabels onder brandomstandigheden – Meting van warmte-uitstoot en rookproductie voor de test van verticale vlamverspreiding van gebundelde draden en kabels – Apparatuur, procedure en algemene resultaten." Het belangrijkste verschil is dat het de verspreiding van vlammen, totale warmte-uitstoot, piek warmte-uitstootsnelheid en totale rookproductie evalueert. De criteria tussen deze twee classificatiesystemen verschillen aanzienlijk. Het GB 31247-systeem (klasse B1) benadrukt lage-halogeen en lage-rookkenmerken, wat betekent dat de classificaties niet direct equivalent zijn. Zelfs de "B"-klasse binnen het ZA/ZB/ZC-systeem voldoet niet aan de eisen van klasse B1.

2. Redenen waarom klasse B1 niet beschikbaar is voor hoogspanningskabels

2.1 Gebrek aan lage-rook, corrosiebestendige materialen

Het bereiken van lage-rookprestaties vereist meestal het gebruik van asfaltverf. Echter, asfaltverf voldoet niet aan de eisen voor corrosiebestendigheid, en het gebruik ervan wordt ook verboden door Europese normen. Daarom kan het lage-rookcriterium niet worden voldaan. Hoogspanningsenergiekabels gebruiken een metalen aluminiummantel met een asfalts anti-corrosiestructuur, die aanzienlijke rook produceert tijdens verbranding. Terwijl in het buitenland doorgaans asfaltverf of heet smeltbare lijm wordt gebruikt, is deze structuur noch door enige inlandse fabrikant geproduceerd, noch in enig ingenieursproject gebruikt. Daardoor beperkt het materiaalgebied voor de buitenmantel van hoogspanningsenergiekabels de mogelijkheid om de lage-rookprestaties te bereiken die vereist zijn voor klasse B1.

2.2 Vermindering van isolatieweerstand in lage-halogeen kabels

Een belangrijk verschil tussen hoogspannings- en middenspanningsenergiekabels ligt in de keuze van het materiaal voor de buitenmantel. Vanwege de hoge stroomcapaciteit, hoge overspanning en de eenkernconstructie van hoogspanningskabels, moet de buitenmantel uitstekende isolatie-eigenschappen hebben voor veilig bedrijf. Daarom is de buitenmantel van hoogspanningskabels gedefinieerd als "isolatieklasse", terwijl middenspanningskabels "mantelklasse" materiaal gebruiken.

Echter, lage-rook, halogeenvrije mantelmengsels bevatten grote hoeveelheden anorganische vlamvertragende stoffen, wat resulteert in relatief slechte isolatieweerstand voor de mantel. De huidige isolatieprestaties van mantelmateriaal volgen de volgorde: PE ≥ Vlamvertragende PE ≥ PVC ≥ Lage-rook, halogeenvrije serie. Daarom hebben huidige hoogspanningskabelnormen zoals GB/T 11017 en GB/T 18890 lage-rook, halogeenvrije mantelmengsels nog niet in hun normensystemen opgenomen. Intussen, voor middenspanningskabels, waar de eisen voor mantelisolatieprestaties minder streng zijn, zijn lage-rook, halogeenvrije mantelmengsels al in het normensysteem opgenomen.

Energiebedrijven hebben meerdere kabelindustrieconferenties georganiseerd, voornamelijk vanwege de slechte prestaties van twee belangrijke indicatoren: de wateropnamegraad van de buitenmantel onder verzadigde wateropnamecondities en de isolatieweerstand onder verzadigde wateropnamecondities.

De brandpreventiesituatie in hoogspanningsenergiekabeltunnels is ernstig. Momenteel worden hoogspanningskabels voornamelijk aangekocht in vlamvertragende modellen. Zoals de naam suggereert, zijn vlamvertragende materialen conventionele mantelmaterialen met toegevoegde formules zoals vlamvertragende stoffen, waardoor de materialen vlamvertragende eigenschappen krijgen. De vlamvertragende prestaties van conventionele mantels staan in Tabel 3.

Met een PE-mantel als voorbeeld, is vlamvertragende PE standaard PE-mantelmateriaal met toegevoegde vlamvertragende stoffen. Vlamvertragende stoffen worden verdeeld in anorganisch en organisch. Momenteel gebruiken de meeste producten op de markt voornamelijk anorganische vlamvertragende stoffen, waarvan de meest gangbare types magnesiumoxide en aluminiumoxide zijn. Deze materialen nemen gemakkelijk vocht op en ondergaan hydratiereacties onder normale omstandigheden. Daarom worden mantelmaterialen meestal onmiddellijk na aankoop in productie genomen; anders kan vocht opname gemakkelijk optreden, wat leidt tot defecten zoals holten tijdens extrusie. Alleen nadat de vlamvertragende deeltjes gemicroniseerd, oppervlakbewerkt en hun materiaalkompatibiliteit verbeterd zijn, kunnen vlamvertragende mantelmengsels goede verwerkbaarheid bereiken.

Waterdichte kabels verwijzen meestal naar kabels met een volledige, gesloten metalen mantel. Als een plastic mantel wordt gebruikt als de waterdichte laag, kan vocht door het plastic de kabel binnendringen. Vochtinbreng is een relatief langzaam proces. Tijdens het werkelijke kabelbedrijf kan de manteloppervlaktetemperatuur zo hoog als 60°C bereiken, wat de vochtinbreng versnelt. Daarom voldoet de isolatieweerstand van nieuwe kabelmantels meestal aan de eisen. Echter, na een periode van bedrijf, daalt de mantelisolatieweerstand van veel lijnen scherp, en dit probleem wordt meestal ontdekt binnen enkele maanden tot ongeveer een jaar. Zodra de mantelisolatieweerstand tot een bepaald niveau is gedaald, neigt de snelheid van daling te stabiliseren en af te remmen.

2.4 Slechte scheurresistentie van lage-halogeen kabels

In Tabel 5 verwijst ST2 naar PVC, ST7 naar PE en ST8 naar halogeenvrije, lage-rook materialen. Vanuit het perspectief van mantelmechanische eigenschappen, zijn de treksterkte en rek bij breuk van halogeenvrije, lage-rook materialen aanzienlijk inferieur. De installatie van halogeenvrije, lage-rook kabels heeft strenge eisen, vooral in openbare gebieden in noordelijke regio's, omdat deze mantels geneigd zijn te barsten bij lage temperaturen en kunnen zelfs scheuren ontwikkelen tijdens bedrijf. Veel soortgelijke kwaliteitsincidenten zijn al voorgekomen met middenspannings- en laagspanningskabels in China. Sommige bouwprojecten gebruiken halogeenvrije, lage-rook kabels tijdens de winter, deels omdat het werk wordt uitgevoerd in interne ruimtes waar de temperaturen hoger zijn.

Halogeenvrije, lage-rook kabels worden voornamelijk gebruikt in gebouwen en dichtbevolkte gebieden zoals stations, metro's en openbare gebouwen. Het energiekanaal van een nutsbuis behoort niet tot een dichtbevolkt gebied.

3 Conclusie

Op basis van de bovenstaande analyse, presteren halogeenvrije, lage-rook materialen slechter dan de huidige isolatieklasse vlamvertragende mantelmateriaal en zijn ze meer geneigd tot problemen. Daarom hebben huidige hoogspanningskabelnormen zoals GB/T 11017 en GB/T 18890 halogeenvrije, lage-rook mantelmateriaal nog niet in hun normensystemen opgenomen.

De "Classificatie van brandgedrag voor elektrische en glasvezelkabels" GB 31247 versterkt het brandgedragscontrole. Dit is toepasselijk voor dichtbevolkte gebieden zoals metro's en hogesnelheidsstations, waar veel brandbare materialen aanwezig zijn, vanwege veiligheidsconsideraties voor leven en eigendommen. De meeste kabels die in deze gebieden worden gebruikt, zijn middenspannings- of laagspannings, waarvoor de elektrische prestatie-eisen niet zo streng zijn als voor hoogspanningskabels.

Het is bijzonder belangrijk op te merken dat de klasse B-rang in "Algemene regels voor vlamvertragende of vuurbestendige elektriciteitsdraden, kabels of glasvezelkabels" GB/T 19666 niet equivalent is aan de B1-rang in "Classificatie van brandgedrag voor elektrische en glasvezelkabels" GB 31247. De twee normen hebben volledig verschillende brandprestatiecriteria en toepassingsgebieden. Ze mogen niet wisselbaar worden gebruikt. Het wordt aanbevolen om hoogspanningskabels te gebruiken die voldoen aan GB/T 19666 klasse B, en niet aanbevolen om hoogspanningskabels te gebruiken die voldoen aan GB 31247 B1 of B2-rangen. Hoewel beide "B" worden genoemd, behoren ze tot verschillende normensystemen, wat resulteert in volledig verschillende prestatieresultaten. Het gebruik van hoogspanningskabels die voldoen aan GB 31247 B1 of B2-rangen zou enorme druk leggen op de constructie- en exploitatie- en onderhoudafdelingen.

Gezien de strenge brandbeschermingseisen in energietunnels, na het upgraden van de vlamvertragende classificatie naar klasse B:

• Voor buizen of rechtstreekse begraving waar vlamvertragendheid niet nodig is, kunnen PE-buitenmantels (zonder vlamvertragende additieven, die stabiele isolatieweerstand bieden) worden geselecteerd.

• Voor hoogspanningskabels die in tunnels worden geïnstalleerd, worden PVC-buitenmantels aanbevolen (het nadeel is de uitzetting van giftige gassen tijdens verbranding; het voordeel is dat de formulering de waterbestendigheid kan versterken, en de isolatieweerstand is stabiel vergeleken met klasse B vlamvertragende PE-kabels).

Verder wordt aangeraden om spoedig gezamenlijk onderzoek naar mantelmateriaal en -structuren te initiëren om de conflict tussen isolatieweerstand en vlamvertragendheid fundamenteel op te lossen.