МНОГОСЛОЙНАЯ ПОЛИМЕРНАЯ ТРУБА ДЛЯ ПРОКЛАДКИ КАБЕЛЯ

Полезная модель относится к трубам из полимерных композиций, позволяющих увеличить скорость теплоотвода от кабельных линий напряжением (0,4-500) кВ, проложенных в трубах/трубных блоках (в т.ч. проложенных методом ГНБ), кабельной канализации и т.д.
В настоящее время в области энергетики получили широкое распространение полимерные кабельные трубы, предназначенные для прокладки силовых кабельных линий напряжением (0,4-500) кВ, взамен устаревших стальных, чугунных, асбестоцементных, бетонных, керамических и тому подобных труб.
Однако при всех преимуществах полимерных кабельных труб (таких как: большой срок службы, долговечность, гибкость, достаточная жесткость, хорошая механическая защита, наличие слоя, обладающего стойкостью к открытому пламени - соответствие категории ПВ-0 и т.д.), при прокладке силовых кабельных линий напряжением (0,4-500) кВ, эксплуатирующие сетевые организации вынуждены снижать пропускную способность кабеля не менее чем на 10% при его прокладке в трубах протяженностью более 10 м. В современных условиях при проектировании трассы кабельных линий, особенно в условиях плотной жилой застройки городов, до 80% трассы кабельных линий проходит в трубах, в том числе в трубных переходах, выполненных методом горизонтально-направленного бурения. Данный факт безусловно приводит к применению кабеля с сечением токопроводящей жилы больше, чем требуется для энергоснабжения потребителя, если бы прокладка осуществлялась без труб.
Одним из обязательных условий развития крупных мегаполисов является наличие надежной системы электроснабжения. Эффективность работы данной системы напрямую связана с оптимальными условиями эксплуатации кабельных линий и, в том числе, со снижением тепловой нагрузки на изоляцию кабельных линий и ее разрушения от тепловых воздействий.
Снижение пропускной способности кабеля проложенного в трубах обусловлено условием охлаждения кабеля, так как при номинальном режиме работы кабеля температура токопроводящей жилы может достигать 90°С и еще больше в аварийном режиме и в режиме короткого замыкания, такой нагрев токопроводящей жилы при недостаточном отводе тепла от кабеля может приводить к разрушающим воздействиям на изоляцию кабеля.
Настоящая полезная модель позволяет увеличить скорость отвода тепла от поверхности кабеля, выделяемого при протекании токов в кабеле, за счет особой комбинации полимерных композиций в структуре многослойной трубы, обладающих теплофизическими свойствами, в зависимости от структурного места расположения в трубе.
Прототипом к данной полезной модели являются трехслойные полимерные полиэтиленовые кабельные трубы, в настоящее время получившие широкое распространение при прокладке кабельных линий напряжением (1-500) кВ благодаря своим физико-механическим свойствам и долговечности (https://szos.ru/production/truby-dlya-zachity-kabelya/).
2
Например, прототипом послужили трехслойные термостойкие трубы ТЗК ЭНЕРГОПЛАСТ ТС3, изготовленные по ТУ 22.21.21-002-16073610-2019, предназначенные для механической защиты кабельных линий классов номинального напряжения до 500 кВ от воздействия агрессивной окружающей среды при максимальных динамических нагрузках. При всех преимуществах данного прототипа (таких как механическая прочность, долговечность, наличие внутреннего слоя не поддерживающего горения и т.д.) показатели температуропроводности данной трубы составляют 1,91 м/с (замер по данному прототипу представлен в Таблице 2 как образец под шифром А149).
Технической проблемой, для решения которой направлена разработка полезной модели, является создание полимерной трубы для прокладки кабеля, обеспечивающей надежную работу кабельных линий в том числе, со снижением тепловой нагрузки на изоляцию кабеля и ее разрушения от тепловых воздействий.
Технический результат заключается в улучшении температуропроводности и, как следствие, увеличение скорости отвода тепла от кабеля.
2
2
Разработанная многослойная труба обеспечивает увеличение скорости отвода тепла по сравнению с прототипом, за счет улучшения температуропроводности на не менее 40% (с 1,91 м/с до 2,68 м/с), что, в свою очередь, позволяет увеличить скорость отвода тепла от кабеля в среднем на 20%.
Температуропроводность (коэффициент температуропроводности) - физическая сила характеризующая скорость сравнения (выравнивания) температуры вещества в неравновесных тепловых процессах. (Численно равна отношению теплопроводности к удельной теплоемкости при постоянном давлении.)
Техническая проблема решается и технический результат достигается за счет создания многослойной трубы для прокладки кабеля, включающей, по крайней мере, основной и внутренний полимерные слои, отличающаяся тем, что основной полимерный слой выполнен на основе термопластичного полимера в количестве от 40 вес.%  до 90 вес.%, маточной смеси в количестве от 10 вес.% до 45 вес.% и термостабилизирующей добавки в количестве от 1 вес.% до 12 вес.%, толщина внутреннего слоя составляет не более 12 % от толщины стенки трубы и характеризуется степенью поглощения не менее 0,85 и шероховатостью не менее 0,01 мм.
Маточная смесь представляет собой неорганический дисперсный наполнитель, выбранный из группы, включающей алюминиевый порошок, технический углерод, графит, волокна графита, кальцит и их смеси.
Количество слоев должно быть не менее двух, выполненных методом соэкструзии, где в полимерную композицию каждого слоя вносятся добавки, предающие определенные теплофизические свойства.
Таким образом, разработанная многослойная труба представляет собой многослойную полимерную монолитную структуру, с наличием слоев не менее двух, где внутренний слой обладает свойствами поглощения лучистого тепла, а прочие слои повышенными свойствами теплопроводности и теплоемкости.
Работоспособность данной полезной модели достигается за счет улучшений предания полимерным композициям разных слоев трубы определенных свойств, повышающих следующих теплофизические процессы, происходящие в системе, труба - кабель (см. рисунок 1):
На рисунке 1 представлено схематическое изображение многослойной трубы для прокладки кабеля, где 1 - основной слой, 2 - внутренний слой.
Передача тепла от кабеля во внутренний слой трубы происходит через теплообмен конвекцией и излучением. При этом теплообмен конвекцией осуществляется, как за счет прилегания кабеля к стенке трубы, так и за счет передачи тепла через воздушное пространство вокруг кабеля.
Так же на оба этих теплофизических процесса влияет диаметр трубы, при увеличении диаметра, увеличиваются как площадь поглощения лучистого тепла, так и конвективный обмен тепла.
В состав основного слоя, выполненного на основе полиолефинового полимера в качестве теплопроводящих добавок, может быть выбрана маточная смесь. В полимерном носителе - маточная смесь вводится перед экструзией и/или формованием в полиолефиновый полимер в количестве от 10 вес.% до 45 вес.% путем механического смешивания в миксере, или путем предварительной грануляции в двухшнековом экструдере, или прямой подачи в экструдер полиолефинового полимера и маточной смеси с помощью вакуумных или гравиметрических загрузчиков, либо иным технически реализуемым способом. В полимерной трубе по настоящей полезной модели в качестве маточной смеси, может быть выбран неорганический дисперсный наполнитель, причем дисперсный наполнитель выбран из группы, включающей алюминиевый порошок, технический углерод, графит, волокна графита, кальцит или их смеси.
Шероховатость внутреннего слоя достигается добавлением суперконцентратов пигментов разного цвета и придания матовости внутренней поверхности. Измеряют в соответствии с ГОСТ 2789-73.
Величина, которая характеризует степень поглощения (или выделения) тепла веществом в физике называется удельной теплоемкостью. Чтобы выяснить, что она означает, надо взять единицу массы вещества (1 кг) нагреть его на 1°С. То количество джоулей тепла, которое поглотится телом при этом и является удельной теплоемкостью данного вещества.
Степень поглощения (черноты) объекта определялась следующим образом:
Определяют действительную температуру объекта с помощью контактного датчика - термопары, термометра сопротивления и т.д. Затем измеряют температуру с помощью пирометра и подбирают такую степень черноты, чтобы показания пирометра совпали с показаниями контактного датчика.
Степень поглощения для данной полезной модели должна быть не менее 0,85.
В таблице 1 указан диапазон состава слоев разработанных многослойных труб, повышающих скорость теплоотвода от кабеля.
Толщина трубы составляет от 3 мм до 60 мм, диаметры - от 50 мм до 630 мм.
Таблица 1
Состав слоев многослойных труб
Наименование материала
Концентрация, %
Наружный слой (маркерный) - 12% от общей толщины стенки
Термопластичный полимер
от 70 до 90
Термостабилизирующая добавка (антиоксидант)
от 1 до 12
Суперконцентрат пигментов
от 0,4 до 10
Маркировочные полосы на наружном слое
Термопластичный полимер
от 90 до 99,7
Суперконцентрат пигментов
от 0,4 до 10
ОСНОВНОЙ (Средний слой) - 76% от общей толщины стенки
Термопластичный полимер
от 40 до 90
Маточная смесь
от 10 до 45
Термостабилизирующие добавки (антиоксидант)
от 1 до 12
Внутренний слой - 12% от общей толщины стенки
Термопластичный полимер
от 60 до 90
Негорючий компаунд
от 10 до 35
Термостабилизирующие добавки (антиоксидант)
от 1 до 12
Суперконцентрат пигментов
от 0,4 до 10
2
Температуропроводность - до 2,68 м/с.
Для испытаний были изготовлены образцы полимерных труб с разными концентрациями добавок в основной и внутренний слои, в результате которых наиболее отвечающий требованиям по данной полезной модели оказался образец №С089 (см. таблицу 2).
Таблица 2
Результаты замеров основных параметров, характеризующих температуропроводность многослойных полимерных труб, с различными теплопроводящими добавками и с различным процентным содержанием маточной смеси, полученные в рамках проведения эксперимента
Образец №С089
Образец №С384
Образец №А149
Температуропроводность,m<sup>2</sup>/s (м<sup>2</sup>/с)
Температуропроводность,m<sup>2</sup>/s (м<sup>2</sup>/с)
Температуропроводность,m<sup>2</sup>/s (м<sup>2</sup>/с)
2,6892
2,035
1,9131
Образец №А151
Образец №С237
Образец №А339
Температуропроводность,m<sup>2</sup>/s (м<sup>2</sup>/с)
Температуропроводность,m<sup>2</sup>/s (м<sup>2</sup>/с)
Температуропроводность,m<sup>2</sup>/s (м<sup>2</sup>/с)
1,8097
2,5005
1,4905
Замеры температуропроводности были выполнены прибором ИИС НК ТФСМ, данный способ описан в патенте РФ №2301996.
Состав образца №С089 приведен в таблице 3.
Общая толщина трехслойной трубы составляет 9,5 мм, наружный и внутренний слои - 12 вес.% от общей толщины стенки, диаметр образца - 160 мм.
Таблица 3
Состав образца №С089
Наименование материала
Концентрация, %
НАРУЖНЫЙ слой (маркерный) - 12% от общей толщины стенки
Термопластичный полимер (ПЭ 100)
97,5
Термостабилизирующая добавка (антиоксидант)
2
Суперконцентрат пигментов (красный)
0,5
Маркировочные полосы на наружном слое
Суперконцентрат пигментов (синий)
0,5
Термопластичный полимер (ПЭ 100)
99,5
ОСНОВНОЙ слой (средний) - 76% от общей толщины стенки
Термопластичный полимер (ПЭ 100)
81
Маточная смесь (с содержанием технического графита 67% и кальцита 15%, волокна графита - 2%)
17
Термостабилизирующая добавка (антиоксидант) AkkatPE/F 102110 (Устраняет термическую деструкцию)
2
ВНУТРЕННИЙ слой - 12% от общей толщины стенки
Термопластичный полимер (ПЭ 100)
62,6
Негорючий компаунд (концентрат антипиренов)
35
Термостабилизирующая добавка (антиоксидант)
2
Суперконцентрат пигментов (синий)
0,4
В образце №С384 маточная смесь состоит из следующих компонентов в процентном соотношении:
- 67% технический углерод;
- 25% кальцит;
- 6% волокна графита;
- 2% алюминиевый порошок.
Коэффициент поглощения внутреннего слоя 0,85 и шероховатость 0,01 мм.
Технический результат заключается в увеличении скорости теплоотвода от кабельной линии, проложенной в трубе, что приводит к снижению тепловой нагрузки на изоляцию кабеля и повышает надежности работы линии по сравнению с приведенным прототипом не менее чем на 20%.