ПОЖАРОБЕЗОПАСНЫЙ КАБЕЛЬ

Полезная модель относится к области электротехники, а именно, к конструкциям пожаробезопасных (огнестойких, пожаростойких) кабелей, предназначенных для эксплуатации в силовых цепях, цепях управления и контроля при стационарной прокладке. Определим пожаробезопасный кабель (FRHF-кабель - flame resistant, halogen free) - как изделие, удовлетворяющее стандарту МЭК-60331-21, определяющему минимальное время бесперебойной передачи электрической энергии при температуре пламени 750°С в течение 90 минут.
Известны несколько подходов при проектировании и изготовлении изоляции пожаробезопасного кабеля. В первом из них (Привезенцев В.А., Гроднев И.И., Холодный С.Д. Основы кабельной техники. Учеб. пособие для вузов. - М.: Энергия, 1975. - 471 с.) изоляция изготавливается из минеральных компонентов, например, порошка стекла и слюды или керамики с добавлением пластифицированной кремнийорганической смолы. Недостатком указанных аналогов являются значительная сложность и низкая производительность технологического процесса изготовления кабеля, токсичность применяемых компонентов изоляции.
v
11
В аналоге по патенту на полезную модель Российской Федерации №58777 (Чадов О.А. Огнестойкий кабель. Патент на полезную модель Российской Федерации №58777 от 2006.06.21) использована двухслойная (градированная) комбинированная изоляция. Токопроводящие жилы (ТПЖ) в данной конструкции изолированы методом экструзии композиционного материала, который в нормальном рабочем состоянии (в отсутствие пламени) обеспечивает электрическую прочность изоляции и ее гибкость. При пожаре этот материал превращается в керамику с объемным сопротивлением ρ≥10 Ом·см, не допуская короткого замыкания между ТПЖ. Поверх слоя композиционного материала наложен слой изоляции из полимерного безгалогенного пластиката, который сгорает при пожаре. Он же является контейнером для композиционного материала в процессе всего времени работы кабеля в нормальном режиме. Вклад второго слоя изоляции в обеспечение электрической прочности не нужен. Недостатком данного аналога является использование в качестве конструкционного материала дорогостоящей сшиваемой термохимическим или радиационным методом полиэтиленовой композиции, избыточность второго изоляционного слоя с точки зрения обеспечения электрической прочности кабеля.
В аналоге по патенту на полезную модель Российской Федерации №58777 (Коровин Н.Г., Коровин М.Г., Савушкин И.В. Пожаростойкий электрический кабель. Патент на
полезную модель Российской Федерации №47131 от 2005.02.08) дополнительно применен огнестойкий барьер из композиционного материала по поясной изоляции, выполненный в виде экструдированного сплошного концентрического слоя, который при высокой температуре (пожаре) превращается в керамику. В качестве огнестойкого барьера могут быть дополнительно применены и одна- две стеклослюдяные ленты, промазанные силиконовой смазкой. Недостатком аналога в данном варианте является усложнение, удорожание конструкции и сложность технологического процесса ее изготовления. Барьер не предохраняет слой из сшитого полиэтилена от сгорания, после которого между двумя слоями композиционного материала образуется полость, заполненная или проводящим материалом и газом, или порошком окиси кремния. Конструкция кабеля становится механически неустойчивой. Аналогично последней модели, но без силиконовой смазки, в Российской Федерации выпускаются силовые кабели марок, например, ППГнг-FRHF, ПвПГнг-FRHF (Приложение к журналу «Кабели и провода». - 2007. - №2. - С.10).
Прототипом данной полезной модели является пожаростойкий электрический кабель по патенту на полезную модель №47131 (Коровин Н.Г., Коровин М.Г., Савушкин И.В. Пожаростойкий электрический кабель. Патент на полезную модель Российской Федерации №47131 от 2005.02.08). Изоляция кабеля-прототипа двухслойная. Слой по ТПЖ -огнестойкий; выполнен методом обмотки стеклослюдолентами, наложенными в одну сторону с перекрытием не менее 48%. Каждый слой покрыт методом промазки кремнийорганическим материалом на основе полиметилсилоксановых жидкостей или олигомерных компаундов в виде невысыхающей пасты, что повышает стойкость слюдоленты к механическим воздействиям и повышает электрическую прочность изоляции в исходном состоянии. Второй слой изоляции выполнен из полимерной сшивающейся композиции, выполняющей роль основной изоляции при длительной эксплуатации кабеля в отсутствие пожара. Недостатком прототипа является сложность технологического процесса изготовления изоляции кабеля, включающего не совмещаемые операции: лентообмотку, промазку и экструдирование. Промазка пастой не может обеспечить однородного покрытия стекло-слюденитовой ленты и не может исключить ее выдавливания при обмотке. Кроме того, после сгорания полиэтиленового слоя конструкция кабеля становится механически неустойчивой.
При создании полезной модели по данной заявке ставилась задача создать такую конструкцию пожаробезопасного кабеля, в которой за счет нового взаимного расположения элементов изоляции, введения новых ее элементов и применения новых материалов была бы обеспечена электрическая прочность в нормальном и аварийном (в процессе
пожара) режимах работы вплоть до рабочего напряжения 10 кВ, повышена механическая устойчивость конструкции кабеля в нормальном и аварийном режимах работы, и обеспечена возможность совмещения технологических процессов наложения изоляции с целью повышения производительности и удешевления кабеля.
Поставленная задача достигается тем, что в пожаробезопасном электрическом кабеле, который включает одну или несколько токопроводящих жил, пожаростойкую комбинированную изоляцию, экран из медных проволок, наложенный на электропроводящую полимерную ленту, заполнение (в случае нескольких ТПЖ), защитный покров, состоящий из внутренней оболочки, брони и внешней оболочки, выполняются полупроводящие экраны по токопроводящей жиле и пожаростойкой комбинированной изоляции, изоляция каждой токопроводящей жилы выполнена двумя лентами методом совмещенной лентообмотки. Первая из этих лент - стеклослюдяная укладывается на полупроводящий экран по ТПЖ вниз слоем слюды, вторая, выполненная из резины, которая выполнена для улучшения адгезии на основе борсилоксанового каучука (или каучука с добавками органических соединений с полярными группами - полиэфирных смол), - поверх стеклослюдяной ленты. Количество последовательно накладываемых лент определяется необходимой электрической прочностью кабеля.
Преимуществом предлагаемого варианта пожаробезопасного кабеля является то, что электрическая прочность кабеля обеспечивается обеими компонентами комбинированной изоляции: в нормальном режиме - стеклослюдяная лента, уложенная слюдяным слоем на полупроводящий слой по ТПЖ, плюс не вулканизированный борсилоксановый каучук; в аварийном режиме - стеклослюдяная лента плюс окись кремния (непроводящая кремнийорганическая зола), как результат сгорания борсилоксанового каучука при повышении температуры до 750°С. При температуре ниже температуры горения каучука изоляция осуществляется стеклослюдяными лентами и вулканизированным борсилоксановым каучуком. Длительная электрическая прочность данного кабеля в нормальном режиме возрастает, так как по сравнению с прототипом исключается воздушная прослойка между стеклюслюдяными лентами, наименее прочная относительно электрических скользящих разрядов по границе раздела диэлектрик-воздух. Граница раздела диэлектрик-воздух заменяется в данной конструкции на границу раздела диэлектрик-диэлектрик, так как борсилоксановые резины обладают повышенной аутоадгезией к стеклоткани стеклослюдяной ленты. Кроме того, при намотке резиновые ленты вытягиваются на 20-50%, обеспечивая уже при комнатной температуре под воздействием давления от натяжения механическое усиление стеклослюдяной ленты. При повышении температуры качество склеивания
возрастает. В результате образуется практически монолитная двухслойная изоляция. Выигрыш в электрической прочности определяется отношением диэлектрических проницаемостей (ε) каучука и воздуха, равной примерно 3.
Предлагаемая полезная модель в случае одножильного кабеля схематически показана на фиг.
На фиг.изображены: 1 - токопроводящая жила; 2 - полупроводящий экран по токопроводящей жиле; 3 - пожаростойкая комбинированная изоляция; 4 - полупроводящий экран по пожаростойкой изоляции; 5 - экран из медных проволок (с электропроводящей полимерной лентой); 6 - защитный покров (внутренняя оболочка, броня и внешняя оболочка).
Пример
v
Токопроводящая жила кабеля круглая или секторная (поз.1 на фиг.) выполняется 1 или 2 класса гибкости из меди или алюминия. Полупроводящие экраны по ТПЖ (поз.2 на фиг.) и изоляции (поз.4 на фиг.) толщиной 0,2-0,8 мм выполняются из полупроводящей резиновой ленты или полупроводящей крепированной бумаги с удельным объемным электрическим сопротивлением ρ≤100 Ом·см (20°С). Полупроводящие экраны шунтируют воздушные включения на ТПЖ и медном экране и обеспечивают радиальное однородное электрическое поле, благоприятное для работы изоляции кабеля.
пр
Основным огнестойким материалом комбинированной изоляции являются стекло-слюдяные ленты Элмикатекс 54509 ТУ 3492-023-50157149-00 (поз.3 на фиг.), которые представляют собой слоистую композицию, состоящую из слюдяной бумаги и ткани из стеклянного волокна, пропитанных и склеенных между собой кремнийорганическим связующим. Толщина ленты составляет 0,12±0,015 мм. Диэлектрическая проницаемость (при содержании связующего вещества в количестве 15% по весу) ε≈5,2; электрическая прочность Е=12 МВ/м. Механические свойства позволяют использовать высокоскоростные (до 3000 об/мин) изолировочные машины. Силиконовая смола склеивает слюду со стеклотканью, обеспечивая дополнительную электрическую прочность, а при высоких температурах в условиях пожара образует неорганический полимер, удерживающий слюдяной барьер после разрушения стеклоткани.
Борсилоксановый каучук (самослипающаяся изоляционная лента из борсилоксановой резины), из которого выполняются ленты второго компонента комбинированной пожаробезопасной изоляции (поз 3 на фиг.), получают введением в кремнийорганическую композицию борсилоксанового полимера в количестве B:Si=(1:100)÷(1:200). При этом
пр
v
12
-3
каучук обладает следующими электротехническими характеристиками: электрическая прочность Е=20-25 МВ/м (что больше, чем для стеклослюдяной ленты); ε=2,7-4,5; ρ≥2·10 Oм·м; tgδ(50 Гц)=(3-20)·10.
Оба компонента изоляции накладываются за один проход на одной изолировочной машине. Последний слой кремнийорганической ленты выполняется удвоенной толщины (из двух лент).
Для исключения взаимного влияния токопроводящих жил друг на друга и для защиты от внешних электромагнитных полей каждая изолированная ТПЖ экранируется медным проволочным экраном (оплеткой; поз.5 на фиг.). Для согласования по проводимости полупроводящего и медного экранов между ними уложена электропроводящая полимерная лента (поз.5 на фиг.).
Защитный покров кабеля состоит из подложки (внутренней оболочки), брони и внешней оболочки (поз.6 на фиг.). Внутренняя и внешняя оболочки (поз.6 на фиг.) выполнены из полиэтиленового пластиката методом экструзии. Броня (поз.6 на фиг.) - из двух стальных лент толщиной 0,3 мм.
раб
1
2
3
4
пр
раб
2
При расчете толщины комбинированной изоляции учитываем, что стеклослюдяная изоляция в самом неблагоприятном случае (в случае пожара) должна выдерживать полное рабочее напряжение - дополнительный эффект от вклада в сопротивление изоляции окиси кремния учитывать не будем. Стеклослюдяную изоляцию рассчитываем на полное, максимальное из возможных рабочее напряжение 10 кВ. Максимальную рабочую напряженность электрического поля Е определим с учетом возможного повышения напряжения в кабельной сети (k=1,15), перенапряжений (k=2,5), разброса электрической прочности изоляции (k=1,4) и возможного снижения электрической прочности изоляции при длительном приложении напряжения (k=1,2). Тогда при Е=12 МВ/м для стеклослюдяной ленты Е≈2,48 МВ/м. Толщину стеклослюдяной изоляции определим для кабеля с токопроводящей жилой сечением 240 мм (радиус ТПЖ r=8,74 мм; с учетом толщины полупроводящего экрана по жиле внутренний радиус изоляции равен 9 мм). Внешний радиус  а толщина стеклослюдяной изоляции при этом будет равна δ≈5,1 мм. Количество слоев стеклослюдяной и резиновой лент при их толщине 0,12 мм примем равным 43. Последний слой кремнийорганической ленты выполняется удвоенной толщины (из двух лент). Полная толщина изоляции (стеклослюдяные и резиновые ленты) Δ≈10,4 мм.