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论述复合材料电缆支架技术特性

时间:2012-10-11 13:20:34

论述复合材料电缆支架技术特性
为了克服金属电缆支架易腐蚀、耗能大等缺点,研制开发了热固性复合材料电缆支架。对复合材料进行合理设计和加工,可以制造不同结构、性能各异的电缆支架。目前已研制了组装接插式、滑动层叠式、整体式电缆支架,可分别用于不同的场合 。复合材料具有强度高、可设计性好、不蠕变、耐腐蚀和使用方便的优点。在防火性能方面,研制的复合材料电缆支架的氧指数大于等于70%,符合防火、低烟、无卤、无毒的安全要求。
关键词:复合材料 纤维增强 电缆支架
  长期以来,架设公用事业和工业电缆均采用金属制电缆支架。金属支架通常是把钢材或铝合金材轧制成所需型材后,经焊接或用紧固件拼装而成。传统金属支架生产过程能耗大、工序多、周期长。在许多恶劣环境条件下,例如地铁、隧道、化工企业、多雨潮湿或沿海盐雾等场合,使用金属支架极易锈蚀,设施的维护费用高,使用寿命也较短 。在防锈防腐方面,目前虽采用外涂油漆或热浸锌等技术处理,但仍不能从根本上解决锈蚀问题,影响电力、通信设施的安全和无故障使用期。此外,电缆架设使用金属支架时 ,电流流经电缆过程会产生磁场,导致两个支架角钢之间形成磁场闭合回路(环流),使电缆温度升高,电流损失加大,并进一步使环流温度升高。尤其当电缆通过大电流时,温度迅速升高,往往会形成强大的弧光而损毁金属支架。为了输电安全,目前主要采取加粗电缆等措施,使输电设备的制造成本增大。
  为了克服腐蚀问题,有人曾使用无机复合材料承载电缆,但仍不能解决电缆损耗大 、电缆绝缘层老化、电缆寿命短的难题。原因是电缆在输电时产生的磁场导致温度上升。当使用无机材料承载电缆时,由于无机材料与大地电位一样,即相当于把电缆直接置于地面上,产生的涡流电流消耗电能,发热严重,加速电缆老化。所以,原国家电力部曾于1994年在上海召开的电缆标准会议上指出,在发使用有机复合材料代替。而美国EBASCAL在设计规程中对无机材料的使用范围有更加严格的控制。因此,各发达国家一直努力通过各种途径研制质量密度低、比强度高、不锈蚀的新型防火高分子材料来替代传统材料。近些年,在英法海底隧道工程中,美国AICKINSRVT公司在这方面做出了成功的努力,其中最有代表性的是在英法海底隧道中使用了约3.6 kt热固性复合材料(FRP)作电缆、管道等的支撑材料,这些支撑材料具有耐腐蚀,符合防火、低烟、无毒的安全标准,容易安装,维护费用低,并有效延长电缆使用寿命等优异特性。
  以下是我们对纤维增强复合材料电缆支架研制开发的一些探讨。
1 纤维增强复合材料电缆支架的种类
1.1 热塑性复合材料电缆支架
  国外有些公司曾采用注射成型工艺生产热塑性复合材料电缆支架。该类支架生产效率高,但缺点是阻燃性差,不适宜在一些半封闭的危险场所使用,尤其不好的是使用一般的热塑性塑料基体,制品在长期载荷下会产生蠕变、下垂,不耐老化。因此这类支架只能使用在要求不高的场合。
1.2 热固性复合材料电缆支架
1.2.1 制造工艺
  热固性复合材料电缆支架可根据产品形状和批量大小,使用手糊、拉挤或模压工艺成型。
1.2.1.1 手糊成型工艺
  手糊成型工艺是把浸渍了树脂的玻璃纤维或布在所需形状的产品模具中层合固化而成。这种产品强度高(100~600 MPa),可以生产形状复杂制品。但生产效率低,产品质量重现性差,环境污染大。因此,只适合批量极小的制品使用。
1.2.1.2 拉挤成型工艺
  拉挤成型工艺是把浸渍了树脂的连续长纤维,在加热条件下,经过模具,拉挤出连续的可以是无限长(理论上)的制品,再根据需要切割成一定长度。该产品优点是强度高(抗拉强度可达800 MPa),但形状单一,只能制造等截面制品。
1.2.1.3 模压成型工艺
  这是一种综合性能较为理想的电缆支架成型工艺。它是把玻璃纤维、树脂以及各种添加剂的混合物放入模具中,加热加压即成型所需形状支架制品。这种加工方法产品质量稳定,根据不同使用要求、把模具设计成不同形状,就可以得到质量重现性很好的异型支架制品。生产效率比较高,价格也比较低廉。
1.2.2 组装接插式电缆支架
  我们按照NEMAVEL-1996,GB1446?83和CECS31.91标准研制了电缆支架并获得发明专利授权。组装接插式电缆支架见图1。
组装接插式电缆支架支臂个数、支臂间距以及支臂强度可根据工程设计、工程改造需要随时方便调整。独特的连锁结构可把横臂“锁入”不同的高度位置。由于这类支架可根据安装要求设有3~13个安装位置,因此对于需要定期更换或增加、减少电缆的工程尤为适宜。这种电缆支架与玻璃钢槽盒配套使用效果较好。已成功使用在广州环城高速公路多年,效果良好。
  支架上设计有安装孔,可以用紧固件进行安装。该组件的允许负载是根据负载于横臂上位置的不同而改变。 1.2.3 滑动层叠式电缆支架
  滑动层叠式电缆支架由承载架和横臂构成见图2。承载架为长条形,沿纵向有2个安装孔,供安装支架用,横臂上面有1~2个用于放置电缆的上凹槽,横臂内端部呈与承载架两侧边的滑轨状结构相配合的滑槽形,横臂通过该滑槽套装并层叠于承载架上。横臂可沿承载架两侧边上下滑动。横臂下面设有与其上凹槽相对应的下凹槽,使横臂层叠时 ,上一横臂的下凹槽与下一横臂的上凹槽相对应,构成放置电缆的空间,并形成“自锁”结构,使放置的电缆不会滑出。
  由于横臂采用套入承载架的结构设计,只能上下直线滑动,故其能承受相当大的外力作用而不脱落,所敷设的电缆因此而不会掉落。又由于横臂是一个紧靠一个,所以电缆的敷设量大,占用空间少,而且电线被上下横臂扣紧不易脱落,特别适合用于电缆敷设量大,且安装空间十分有限的地下工程、隧道和高速公路等地方。目前该专利技术已用于广州市国际机场高速路建设。
  这种滑动层叠式电缆支架,使用时可视工程需要,可以单独使用安装1根电缆的单位横臂或安装2根电缆的双位横臂,也可以将单位横臂和双位横臂混用,故用这种电缆支架敷设的电线量大,且排列有序,美观大方。如有需要时,横臂还可制成不同颜色,从而把各类用途的电缆明显地分隔开来,形成有序的组合,方便检查与维护。 1.2.4 整体式电缆支架
  整体式电缆支架规格可根据使用要求设计制造。图3为三层整体式电缆支架,安装极为简便,用M12的紧固件进行固定即可。图4为在电缆沟施工时直接预埋在坑壁上的单臂式电缆支架。
2 纤维增强热固性复合材料电缆支架基本性能
2.1 强度高、可设计性好
  纤维增强热固性复合材料主要由起增强作用的玻璃纤维和起粘结作用、传递载荷作用的热固性树脂组成。玻璃纤维的拉伸强度很高(3 450 MPa),其含量、长度、铺设形式决定支架制品的强度。热固性的玻璃纤维增强复合材料强度可以在30~1 000 MPa范围 。因此,我们能够根据制品的受力情况、产量、生产工艺、价格承受能力来设计玻璃纤维的用量、长度和铺设形式。
2.2 不蠕变
  纤维增强热固性复合材料支架的刚性比美国某公司生产的玻璃纤维增强尼龙支架增加一倍。即使在长期负载下也不变形,也不会出现像国内某些城市地铁使用的金属制电缆支架那样往下倾斜。
2.3 防火
  氧指数是评价电缆防火产品重要的检测手段。氧指数是指在最大氧气条件下,防火产品耐烧的特性。在工程中使用应根据燃烧强度确定。例如,在30根电缆的条件下,如发生电缆引燃事故,在4 min以内即可形成500℃以上高温热聚集,从而导致电缆沿走向进行延燃。电缆密集处的电缆越多,可燃体质量越大。在30根电缆时,单位长度可燃体质量为20.5 kg/m,现在以300根电缆计算,单位长度可燃体质量为158 kg/m,按最大可能产生燃烧强度计算,氧指数要不小于65%。我们认为,产品防火标准中氧指数定在70%比较合适。
  根据使用要求我们研制的复合材料电缆支架的氧指数大于等于70%。符合防火、低烟 、无卤、无毒的安全要求。防火性能已高于台湾“地下铁路用玻璃纤维塑胶电缆槽板技术规范(氧指数为52%),也比美国某公司的增强热塑性支架高得多。本指标已不低于经英国BS认证的香港地铁启用新车辆使用的复合材料防火标准的指标。
2.4 耐腐蚀
  纤维增强热固性复合材料支架耐腐蚀,尤其适合在潮湿、盐雾、酸和弱碱环境使用 。
2.5 电绝缘性
绝缘性能可以根据使用要求调整。
a)电绝缘型,绝缘电阻大于1 000 GΩ;
   b)抗静电型,表面电阻小于10 GΩ。
2.6 使用方便
  可以钻孔,可以自攻螺丝。不会拉伤电缆,降低工人的劳动强度。
2.7 使用寿命
  通用型的使用寿命:室内20年以上,地下50年以上;耐老化型的使用寿命:室外20年。
3 结束语
  复合材料可设计性强,具有许多传统材料所不可比拟的特性,若使用合理,必将会在电力及许多领域中发挥越来越大的作用。

 


 
 
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