ПОЖАРОБЕЗОПАСНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КАБЕЛЬ

Полезная модель относится к области электротехники, а именно, к конструкциям пожаробезопасных кабелей, предназначенных для эксплуатации в силовых цепях, цепях управления и контроля при стационарной прокладке, обеспечивающих бесперебойную передачу электрической энергии при рабочем напряжении до 10 кВ и температуре пламени 750°С в течение времени не менее 90 минут (стандарт МЭК-60331-21).
Существует несколько подходов при изготовлении изоляции пожаробезопасного кабеля.
Известен кабель (Привезенцев В.А., Гроднев И.И., Холодный С.Д. Основы кабельной техники. Учеб. пособие для вузов. - М.: Энергия, 1975. - 471 с.), изоляция которого изготавливается из минеральных компонентов, например, порошка стекла и слюды или керамики с добавлением пластифицированной кремнийорганической смолы.
Недостатками указанного аналога являются невысокая (не более 1 кВ) электрическая прочность кабеля и механическая неустойчивость - хрупкость изоляции. Кроме того, недостатком является значительная сложность и низкая производительность технологического процесса изготовления изоляции кабеля.
В электрическом кабеле по патенту США №4600806 (Beretta; Germano. Electric cable with covering preventing fire spreading. Патент США №4600806, H01B 7/02, H01B 7/295, опубликован 15.07.1986) устойчивость изоляции кабеля к горению и распространению огня обеспечивается слоем гидратированного сульфата алюминия или смеси гидратированного сульфата алюминия в количестве 30-80% и полимера, налагаемой поверх слоя полимерной изоляции и используемой в качестве заполнения между изолированными токопроводящими жилами (ТПЖ).
2
4
2
Недостатком данного аналога является то, что электрическая прочность кабеля в нормальном режиме работы обеспечивается изоляцией, сгорающей при пожаре, что приводит к механической неустойчивости конструкции кабеля. Кроме того, при температуре около 750°С гидратированный сульфат алюминия (AlSO×3HO) начинает разрушаться с выделением коррозионно-активных и опасных для человека газов, содержащих серу.
2
3
2
В электрическом кабеле по патенту США №4547626 (Pedersen; Jack, Thomassen; Hans R., Henriksen; Svein. Fire and oil resistant cable. Патент США №4547626, G0B 6/4, H01B 7/17, опубликован 15.10.1985) пожаробезопасность кабеля обеспечивается тем, что изоляция токопроводящей жилы включает, по крайней мере, по одному слою слюды и стеклоленты, склеенных компаундом. Сверху она покрыта слоем самогасящегося материала (тригидрат алюминия АlО×НО), имеющего кислородный индекс равный 40-50.
Недостатком данного аналога является то, что стеклослюдяная изоляция, работающая при пожаре и в нормальном режиме длительной эксплуатации, при достаточной механической устойчивости не обеспечивает электрическую прочность свыше 1 кВ из-за возможности поверхностных пробоев вдоль слоев стеклослюдяной ленты при больших напряжениях. Кроме того, изоляция сложна в изготовлении.
V
11
В огнестойком кабеле по патенту на полезную модель Российской Федерации №58777 (Чадов О.А. Огнестойкий кабель. Патент на полезную модель Российской Федерации №58777, H01B 7/02, опубликован 27.11.2006) использована двухслойная комбинированная изоляция. Токопроводящие жилы 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. В огнестойком кабеле по патенту на полезную модель Российской Федерации №58777 может быть 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 применены и одна-две стеклослюдяные ленты, промазанные силиконовой смазкой.
Недостатком данного аналога является избыточность второго изоляционного слоя с точки зрения обеспечения электрической прочности кабеля при пожаре, удорожание конструкции и сложность технологического процесса ее изготовления. Огнестойкий 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.
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, Н01В 7/02, опубликован 2005.02.08). Изоляция кабеля-прототипа двухслойная. Слой по ТПЖ - огнестойкий; выполнен методом обмотки стеклослюдяными лентами, наложенными в одну сторону. Каждый слой покрыт методом промазки кремнийорганическим материалом на основе полиметилсилоксановых жидкостей или олигомерных компаундов в виде невысыхающей пасты, что повышает стойкость стеклослюдяной ленты 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 (без пожара).
Недостатками прототипа являются низкая (не более 1 кВ) электрическая прочность изоляции кабеля при пожаре и то, что после сгорания полиэтиленового слоя конструкция кабеля становится механически неустойчивой. Кроме того, технологический процесс изготовления изоляции кабеля сложен и включает не совмещаемые операции: лентообмотку, промазку и экструдирование, а промазка пастой не может обеспечить однородного покрытия стеклослюдяной ленты и не может исключить ее выдавливания при обмотке.
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 (при пожаре) режимах работы до рабочего напряжения 10 кВ, повышена механическая устойчивость конструкции кабеля в аварийном режиме работы, и обеспечена возможность совмещения технологических процессов наложения изоляции с целью повышения производительности и удешевления кабеля.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в повышении электрической прочности кабеля как в нормальном, так и аварийном режимах работы, и обеспечении механической устойчивости конструкции кабеля в аварийном режиме.
Технический результат достигается тем, что в пожаробезопасном электрическом кабеле, который включает одну или несколько токопроводящих жил, пожаростойкую изоляцию, экран из медных проволок, заполнение, защитный покров, согласно изобретению выполнены полупроводящие экраны по токопроводящей жиле и пожаростойкой изоляции, а изоляция каждой токопроводящей жилы выполнена из последовательно наложенных слоев стеклослюдяной ленты и ленты из полупроводящей кремнийорганической резины,
которая работает и как конденсаторная обкладка, находящаяся под плавающим потенциалом, и как электрод для выравнивания потенциала вдоль поверхности стеклослюдяной ленты.
Количество последовательно накладываемых стеклослюдяных лент определяется необходимой электрической прочностью кабеля как поперек, так и вдоль слоев. Количество последовательно накладываемых лент из полупроводящей кремнийорганической резины определяется необходимой степенью увеличения электрической прочности и обеспечения механической прочности основной - пожаростойкой стеклослюдяной изоляции кабеля.
Преимуществами предлагаемого варианта пожаробезопасного кабеля, в котором использован емкостной способ регулирования электрического поля, являются:
1. Электрическая прочность изоляции кабеля за счет лент из полупроводящей кремнийорганической резины возрастает в  раз,
где:
n - число лент из полупроводящей кремнийорганической резины;
п
k=1,3÷1,5 - коэффициент перегрузки, равный отношению напряжения на наиболее нагруженном слое изоляции к среднему напряжению на слое изоляции (Дмитриевский B.C. Расчет и конструирование электрической изоляции. - М.: Энергоиздат, 1981. - 392 с.).
При этом, по сравнению с прототипом, появляется возможность уменьшить толщину пожаростойкой изоляции и исключить второй слой полимерной изоляции, обеспечивая работоспособность кабеля до напряжений 10 кВ.
2. Полупроводящие ленты (слои) из кремнийорганической резины исключают возможность развития поверхностных разрядов по изоляции и шунтируют частичные разряды в воздушных включениях.
3. Полупроводящие кремнийорганические резиновые ленты механически усиливают нижележащие стеклослюдяные ленты, предотвращая их разрушение при деформации кабеля.
Полезная модель поясняется чертежами. На фиг.1 изображен заявляемый кабель в поперечном сечении, а на фиг.2 приведен продольный разрез кабеля.
Пожаробезопасный электрический кабель содержит токопроводящую жилу 1, полупроводящий экран по токопроводящей жиле 2, пожаростойкую изоляцию из стеклослюдяных лент 3, ленты (слои) из полу проводящей кремнийорганической резины 4, полу проводящий экран по пожаростойкой изоляции 5, экран из медных проволок 6, защитный покров 7. При этом полу проводящий экран 2 наложен непосредственно на внешнюю поверхность ТПЖ, по полупроводящему экрану 2 выполнена пожаростойкая изоляция 3, внутри которой размещены ленты из полу проводя щей кремнийорганической резины 4. Полупроводящий экран 5 наложен на внешнюю поверхность пожаростойкой изоляции 3; затем поверх полупроводящего экрана 5 выполнен экран из медных проволок 6, окруженный защитным покровом 7.
Устройство работает следующим образом.
В нормальном режиме при передаче электрической энергии по ТПЖ 1 полупроводящие слои 2 и 5 выравнивают и уменьшают напряженность электрического поля в областях неоднородностей ТПЖ 1 и экрана из медных проволок 6. Электрическая прочность кабеля обеспечивается пожаростойкой изоляцией 3 и лентами полупроводящей кремнийорганической резины 4. Экран из медных проволок 6 защищает кабель от влияния внешних магнитных полей и экранирует собственное магнитное поля кабеля. Защитный покров 7 предохраняет кабель от проникновения влаги и обеспечивает его механическую защиту.
При пожаре в процессе передачи электрической энергии по токопроводящей жиле 1 полупроводящие слои 2 и 5 выравнивают и уменьшают напряженность
электрического поля в областях неоднородностей ТПЖ 1 и экрана из медных проволок 6. Удельное объемное электрическое сопротивление полупроводящих слоев 2 и 5 уменьшается, улучшая степень выравнивания электрического поля на ТПЖ 1 и экране из медных проволок 6. Удельное объемное электрическое сопротивление лент полупроводящей кремнийорганической резины 4 практически не изменяется; кремнийорганическая составляющая кремнийорганических лент превращается в окись кремния. Электрическая прочность кабеля обеспечивается пожаростойкой изоляцией 3 и полупроводящей окисью кремния, которая образуется в результате сгорания лент кремнийорганической полупроводящей резины 4. Экран из медных проволок 6 защищает кабель от влияния внешних магнитных полей и экранирует собственное магнитное поля кабеля. Подложка защитного покрова 7 и его внутренняя оболочка, выполненные из полимера (отдельно на фиг.1 и 2 не показаны), сгорают. Броня защитного покрова 7 (отдельно на рис.1, 2 не показана) предохраняет кабель от механических повреждений.
Пример
V
Токопроводящая жила 1 кабеля круглая или секторная выполняется 1 или 2 класса гибкости из меди или алюминия. Полупроводящие экраны по ТПЖ 2 и пожаростойкой изоляции 5 толщиной 0,2-0,8 мм выполняются из полупроводящей резиновой ленты с удельным объемным электрическим сопротивлением ρ≤100 Ом·см (при 20°С). Полупроводящие экраны 2 и 5 шунтируют воздушные включения на ТПЖ 1 и медном экране 6 и обеспечивают радиальное однородное электрическое поле, благоприятное для работы пожаростойкой изоляции 3 кабеля.
Материалом пожаростойкой изоляции являются огнестойкие стеклослюдяные ленты 3 Элмикатекс 54509 ТУ 3492-023-50157149-00, которые представляют собой слоистую композицию, состоящую из слюдяной бумаги, склеенной кремнийорганическим связующим с тканью из стеклянного волокна.
пр
Диэлектрическая проницаемость (при содержании связующего вещества в количестве 15% по весу) ε≈5,2; электрическая прочность Е=12 МВ/м. Механические свойства стеклослюдяных лент позволяют использовать высокоскоростные изолировочные машины. Силиконовая смола обеспечивает дополнительную электрическую прочность, а при высоких температурах в условиях пожара образует неорганический полимер, удерживающий слюдяной барьер после разрушения стеклоткани.
Пожаростойкая изоляция и полупроводящие ленты из кремнийорганической резины наложены за один проход на одной изолировочной машине. Слои полупроводящей кремнийорганической ленты выполнены, например, удвоенной толщины (из двух лент).
Для исключения взаимного влияния токопроводящих жил друг на друга и защиты кабеля от внешних электромагнитных полей каждая изолированная ТПЖ экранирована медным проволочным экраном 6. Для согласования по проводимости полупроводящего 5 и медного 6 экранов между ними уложена электропроводящая полимерная лента (отдельно на фиг.1 и 2 не показана).
Защитный покров 7 кабеля состоит из подложки (внутренней оболочки), брони и внешней оболочки (отдельно на фиг.1 и 2 не показаны). Внутренняя и внешняя оболочки защитного покрова 7 выполнены из полиэтиленового пластиката методом экструзии. Броня выполнена из двух стальных лент толщиной 0,3 мм.
раб
1
2
3
4
пр
Полная толщина слоев пожаростойкой стеклослюдяной изоляции 3 рассчитана на полное максимальное из возможных рабочее напряжение 10 кВ. Рабочая напряженность электрического поля Е≈2,48 МВ/м определена 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) при Е=12 МВ/м. Толщина пожаростойкой
2
cp1
изоляции определена для кабеля с токопроводящей жилой сечением, например, 240 мм (радиус ТПЖ r≈8,7 мм; с учетом толщины полупроводящего экрана по жиле внутренний радиус изоляции равен 9 мм). Внешний радиус , а толщина всех слоев пожаростойкой изоляции при этом равна δ≈5 мм. Количество слоев стеклослюдяной ленты при ее толщине 0,10 мм принято равным 50. Оптимальная толщина слоя пожаростойкой стеклослюдяной изоляции между полупроводящими кремнийорганическими слоями-обкладками выбрана, в соответствии с эффектом упрочнения многослойной изоляции, равной 1 мм. Средняя напряженность электрического поля на первом (самом нагруженном) слое изоляции E≈2,1 МВ/м, что много меньше электрической прочности стеклослюдяной изоляции. Падение напряжения на слоях примерно равны, соответственно, 2,46; 2,2; 1,95; 1,78 и 1, 62 кВ. В связи с тем, что максимальная напряженность электрического поля много меньше электрической прочности изоляции, можно не стремиться к обеспечению электрической равнопрочности слоев изоляции. Как вариант, обеспечивая электрическую ранопрочность, толщины слоев пожаростойкой стеклослюдяной изоляции, начиная от слоя, наложенного непосредственно на ТПЖ, уменьшены обратно пропорционально радиусу.
p
Количество слоев лент из полупроводящей кремнийорганической резины (в соответствии с разбиением на слои пожаростойкой изоляции) принято равным 4. Ленты из полупроводящей кремнийорганической резины имеют потенциалы, соответственно, 7,54; 5,34; 3,39 и 1,61 кВ. При коэффициенте перегрузки для первого слоя k=1,4 выигрыш в напряженности электрического поля (в допустимом рабочем напряжении) составил примерно 1,7 раза.
Полная толщина изоляции (стеклослюдяные ленты плюс ленты из полупроводящей кремнийорганической резины при толщине последних равной 0,2 мм) примерно равна 6 мм.
Концевая разделка пожаробезопасного электрического кабеля (фиг.2) выполнена, исходя из условия отсутствия перекрытия между обкладками при принятом расчетном напряжении. Длина l по изолятору между обкладками равна l=2b+Δ, где:
b - длина концевой разделки пожаростойкой стеклослюдяной изоляции;
Δ - толщина слоя пожаростойкой стеклослюдяной изоляции между лентами из полупроводящей кремнийорганической резины.
пер
пер
пер
cp1
пер
Длина l по изолятору между обкладками больше длины перекрытия l, которая определяется напряжением перекрытия U. Для твердой изоляции толщиной 1 мм, имеющей контакт с воздухом, при напряжении промышленной частоты U≈650 В (Ушаков В.Я. Изоляция установок высокого напряжения. - М.: Энергоатомиздат, 1994. - 496 с.), поэтому выполняется условие l>U/U≈3,3 мм. В нашем случае при Δ=1 мм принято с запасом b=3 мм.