БУМАГА КАБЕЛЬНАЯ
ELECTRICAL PAPER

Изобретение относится к области производства электроизоляционных бумажных материалов, получаемых из сульфатной небеленой целлюлозы и предназначенных для изоляции силовых электрических кабелей на напряжение до 35 кВ включительно, для изоляции телефонных кабелей и обмоточных проводов, для изготовления различных электроизоляционных изделий.
Применение бумажной изоляции обусловлено тем, что данная изоляция химически стабильна, стойка к воздействию электрических полей, может длительно работать при повышенных температурах (70-85)°С, более экономична по сравнению с другими типами изоляционных материалов (пластмассы, резина), применяемых в кабелях для передачи электроэнергии. Электроизоляционная бумага состоит из волокон сульфатной целлюлозы, расположенных таким образом, чтобы образовалось механически прочное полотно.
Известна двухслойная и четырехслойная электроизоляционная кабельная бумага (Милов Б.Г. и др. Электроизоляционная бумага. М., 1974, с.113-123), каждый слой которой выполнен из сульфатной небеленой целлюлозы. Данная бумага имеет пониженную плотность и недостаточно высокие механические и диэлектрические характеристики, что ограничивает ее применение для изоляции силовых кабелей и не обеспечивает высокую надежность их при эксплуатации.
Известна также бумага кабельная марки К, КМ и КМП (прототип) по ГОСТ 23436-83, год ввода 1985, Россия, характеристики которой приведены в таблице. Бумага кабельная по прототипу изготавливается цвета натурального волокна из сульфатной небеленой целлюлозы хвойных пород древесины или хвойной целлюлозы с добавлением целлюлозы лиственных пород по нормативно-технической документации. Добавление целлюлозы лиственных пород древесины снижает стоимость кабельной бумаги, но при этом снижаются прочностные характеристики бумаги и ее термостойкость. Бумага выпускается машинной гладкости (с использованием машинного каландра). Бумага кабельная марки К - двухслойная, а КМ и КМП - многослойная.
Недостатки бумаги кабельной по прототипу:
- пониженное относительное удлинение в машинном направлении;
- пониженная динамическая прочность в машинном направлении;
- повышенная жесткость и ломкость;
- повышенные обрывность и производственные потери при намотке изоляции кабеля;
- пониженная скорость изолировки кабеля;
- пониженное сопротивление к растрескиванию и надрывам после испытания кабеля на стойкость к многократному изгибу;
- пониженная термостойкость.
Все эти недостатки бумаги кабельной по прототипу существенно снижают технологичность изготовления кабеля, качество бумажной изоляции и эксплуатационные характеристики кабеля.
Технической задачей изобретения является разработка бумаги кабельной, не уступающей прототипу по диэлектрическим характеристикам, но более прочной, эластичной, термостойкой, технологичной, имеющей высокое сопротивление к растрескиванию в составе кабеля и обеспечивающей получение высококачественных и высоконадежных силовых кабелей с пропитанной бумажной изоляцией.
Технический результат достигается тем, что бумага кабельная имеет деформированную структуру поверхности в виде малозаметных микроскладок, полученную в результате операции микрокрепирования, относительное удлинение в машинном направлении (5-15)% и удельную электрическую проводимость водной вытяжки при гидромодуле 1:50 в пределах (35-110) мкСм/см.
Общим признаком прототипа и предлагаемого технического решения является изготовление одно- или многослойной бумаги кабельной из сульфатной небеленой целлюлозы. В то же время предложенная бумага отличается от известной деформированной структурой поверхности в виде малозаметных микроскладок, получаемой в результате операции микрокрепирования, удлинением в машинном направлении (5-15)% и удельной электрической проводимостью водной вытяжки при гидромодуле 1:50 в пределах (35-110) мкСм/см.
Преимущества новой бумаги:
- высокое относительное удлинение в машинном направлении;
- высокая динамическая прочность в машинном направлении;
- высокая эластичность;
- высокое сопротивление к растрескиванию и надрывам бумажных лент после многократного изгиба в составе кабеля;
- высокие технологичность и производительность при наложении бумажных лент на кабель;
- высокие диэлектрические характеристики;
- высокая термостойкость.
Ограничения на выбор бумаги для изготовления изоляции силовых кабелей накладывают условия изготовления и эксплуатации кабелей:
- механическая нагрузка на бумагу при резке ее на ленты шириной (14-30) мм со скоростью до 500 м/мин;
- механическая нагрузка на бумажные ленты при их наложении на кабель;
- термомеханическая и химическая нагрузка на бумажные ленты в составе кабеля при его сушке и пропитке масляно-канифольным компаундом при температуре до 145°С;
- термомеханическая нагрузка на бумажные ленты в составе кабеля при нанесении на них алюминиевой или свинцовой оболочки;
- сложно-деформированное состояние бумажных лент в составе кабеля при его многократном изгибе в процессе изготовления, испытания, хранения, прокладки и эксплуатации;
- длительная (25-30 лет) термохимическая нагрузка на пропитанные масляно-канифольным компаундом бумажные ленты в составе кабеля при температуре до 80°С;
- термомеханическая нагрузка на бумажные ленты в составе кабеля в процессе его хранения при температуре ±50°С в барабанах;
а также требуемые характеристики изоляционной кабельной бумаги: толщина, плотность, максимальное разрушающее усилие и относительное удлинение в обоих направлениях, максимальная термостойкость и долговечность.
3
Из всех существующих кабельных бумаг по прототипу толщиной до 140 мкм максимальную прочность имеет трехслойная кабельная бумага марки КМП-140 (таблица) номинальной толщиной 140 мкм и плотностью 0,78 г/см. Тем не менее после механических испытаний кабеля на навивание по ГОСТ 18410-98 бумага КМП-140 может иметь поперечные надрывы в поясной изоляции до 6 мм и в фазной изоляции более 6 мм до двух надорванных лент. Бумага кабельная марки К не выдерживает испытание в составе кабеля на навивание по количеству и длине поперечных надрывов. Складки, карманы, надрывы и разрывы бумажных лент нарушают целостность пропитанной бумажной изоляции, в результате чего в местах дефектов увеличивается напряженность электрического поля и снижается электрическая прочность изоляции кабеля. Это обстоятельство может привести к преждевременному выходу из строя (пробою) кабеля.
3
С целью исключения поперечных и продольных надрывов, складок, карманов и трещин бумажных лент после испытаний кабеля на навивание авторами изобретения разработана бумага кабельная микрокрепированная толщиной (90-150) мкм и плотностью (0,65-0,80) г/см, изготавливаемая из 100%-ной хвойной сульфатной небеленой целлюлозы. Бумага кабельная микрокрепированная отличается от обычной крепированной очень мелким крепом, почти незаметным для невооруженного глаза, поэтому толщина ее практически равна толщине некрепированной бумаги-основы. Эту бумагу в отличие от крепированной невозможно растянуть вручную. Преимущества в свойствах, которыми обладает микрокрепированная бумага, объясняются приданием волокнам повышенных упругопластических свойств и высокой гибкости за счет их предварительной деформации в процессе микрокрепирования без разрушения структуры бумаги, как при макрокрепировании.
Одним из основных отличительных свойств бумаги кабельной микрокрепированной является ее повышенное относительное удлинение (5-15)% в машинном направлении, которое в 2,5-5 раз выше, чем у кабельной бумаги по прототипу. Бумага кабельная микрокрепированная в сравнении с бумагой кабельной по прототипу имеет более низкую прочность на разрыв в машинном направлении (в 1,2-1,5 раза ниже). Однако благодаря высокому относительному удлинению на практике она оказывается лучшей, чем более прочная на разрыв, но менее растяжимая кабельная бумага по прототипу. Это обусловлено высокой динамической прочностью (энергией разрыва по ТУ 5433-004-50289046-2005, год ввода 2005, Россия), определяемой расчетным путем по формуле:
2
Э=К×Р×L, Дж/м, где
К=0,41 - коэффициент для машинного направления;
К=0,48 - коэффициент для поперечного направления;
Р - разрушающее усилие, Н;
L - относительное удлинение, %.
Энергия разрыва бумаги кабельной микрокрепированной в машинном направлении в два-три раза выше, чем у кабельной бумаги по прототипу одной толщины, поэтому бумага кабельная микрокрепированная способна выдерживать гораздо большие динамические и изгибающие нагрузки в составе кабеля. Растяжимость и динамическая прочность в машинном направлении являются одними из наиболее важных эксплуатационных свойств электроизоляционного материала. Использование бумаги кабельной микрокрепированной в качестве фазной и поясной изоляции кабеля обеспечивает ровную и очень плотную намотку бумаги без образования складок и воздушных полостей в изоляции. Это способствует повышению электрической прочности и надежности бумажной изоляции. Одновременно исключаются надрывы и обрывность бумажных лент в процессе изолирования. Изолирование кабеля может проводиться на повышенных скоростях, при этом могут быть использованы бумажные ленты большей ширины по сравнению с кабельной бумагой по прототипу. Бумага кабельная микрокрепированная имеет высокую стойкость к механическим повреждениям (надрывам, порезам, проколам, сдирам), является влагостойкой и термостойкой, имеет небольшую стоимость, поэтому в наибольшей степени удовлетворяет перечисленным выше требованиям к материалу для изоляции кабелей. После испытания кабеля на навивание установлено, что бумага кабельная микрокрепированная не имеет механических повреждений (разрывов, трещин, надрывов, складок), остается гибкой и эластичной после пропитки диэлектрическим составом во всех слоях фазной и поясной изоляции. Микрокрепированная высокопористая поверхность бумаги способствует удержанию вязкого диэлектрического состава МП-2 от перетекания вдоль кабеля на наклонных участках кабельных магистралей.
Для увеличения эластичности и прочности бумага кабельная микрокрепированная может изготавливаться из сульфатной сосновой небеленой целлюлозы. Для повышения диэлектрических характеристик бумага кабельная микрокрепированная может изготавливаться из сульфатной хвойной небеленой электроизоляционной целлюлозы марки ЭКБ. Для повышения механической и электрической прочности бумага кабельная микрокрепированная может изготавливаться из смеси сульфатной небеленой целлюлозы с бактериальной целлюлозой. Для снижения стоимости бумага кабельная микрокрепированная может изготавливаться из смеси сульфатной небеленой хвойной целлюлозы с сульфатной небеленой лиственной целлюлозой. Для придания водоотталкивающих свойств, закрепления микрокрепа и увеличения механической прочности бумага кабельная микрокрепированная может изготавливаться с проклейкой канифольным клеем, или окисленным крахмалом, или их смесью.
Бумага кабельная микрокрепированная изготавливается по следующей технологии. Древесину, предпочтительно хвойную, освобождают от коры, промывают водой и измельчают в щепу. Щепа по конвейеру поступает в варочный цех. В варочном цехе щепа варится в водном растворе гидроксида и сульфида натрия с водородным показателем рН 13-14, при температуре (155-175)°С и давлении до 1,2 МПа. Время варки - (1-3) часа. После варки щепы получают сульфатную целлюлозу с выходом (45-55)% со степенью провара (делигнификации) 30-46 единиц Каппа, определяемой по ГОСТ 10070-74, год ввода 1975, Россия. Целлюлозу промывают деминерализованной водой и очищают от посторонних включений. Промытую и очищенную целлюлозу перекачивают в бассейны для изготовления бумажной массы. Из бассейнов целлюлоза подается на дисковые мельницы, на которых проходит двух- или трехступенчатый размол до степени помола в условных градусах Шоппер-Риглера 25-45° ШР, определяемой на приборе Шоппер-Риглера по стандарту ISO 5267-1. На первой ступени размол проводится при повышенной концентрации целлюлозы в водной суспензии (15-45)%. При этом существенно увеличиваются механическая прочность и растяжимость бумаги. После размола целлюлоза подается в мешальный бассейн, где разбавляется водой и смешивается при необходимости с канифольным клеем, или окисленным крахмалом или, их смесью. Из мешального бассейна бумажная масса подается в машинный бассейн, в который подается также при необходимости сульфат алюминия. Хорошо перемешанная, очищенная и разбавленная водой бумажная масса подается из напорного ящика на одну или несколько сеток бумагоделательной машины (БДМ). На сетке БДМ формуется бумажное полотно определенной толщины и удаляется избыток воды. Окончательное формование одно- или многослойного бумажного полотна и удаление избытка влаги происходит в прессовой части машины. Окончательная сушка бумаги производится контактным способом на бумагосушильных цилиндрах. Может также производиться дополнительная сушка бумаги конвективным способом в сушильной камере путем обдува горячим воздухом. Конвективная сушка обеспечивает свободную усадку бумаги и увеличение ее прочности. Для обеспечения высокого удлинения бумаги в машинном направлении деформируют структуру поверхности полотна в виде малозаметных микроскладок поперек полотна, получаемых в результате операции микрокрепирования. Микрокрепирование бумаги производится на установке «Клупак», расположенной в конце сушильной части БДМ, при относительной влажности полотна (60-85)%. На установке «Клупак» относительно влажное полотно проходит между сушильным цилиндром и бесконечным резиновым полотном. За счет упругих свойств резины бумажное полотно вначале вытягивается, а затем получает усадку, вследствие чего на его поверхности образуется микрокреп. Для увеличения плотности бумаги и равномерности толщины по длине полотна бумага кабельная микрокрепированная может быть уплотнена на машинном каландре или суперкаландре. Благодаря высокой степени провара (делигнификации) и промывки целлюлозы деминерализованной водой микрокрепированная кабельная бумага имеет повышенные диэлектрические характеристики, определяемые удельной электрической проводимостью водной вытяжки по ГОСТ 8552-88, год ввода 1989, Россия, при гидромодуле 1:50. Чем выше степень провара (делигнификации) целлюлозы, тем ниже удельная электрическая проводимость водной вытяжки и выше диэлектрические характеристики бумаги. Единица измерения удельной электрической проводимости водной вытяжки бумаги - микросименс на сантиметр (мкСм/см). Гидромодуль 1:50 соответствует соотношению одной весовой части абсолютно сухого вещества (бумаги) к пятидесяти весовым частям воды.
Сущность предлагаемого изобретения иллюстрируется следующими примерами. В таблице приведены варианты образцов бумаги кабельной по прототипу и бумаги кабельной микрокрепированной, а также их основные характеристики. Разрушающее усилие, относительное удлинение и энергия разрыва всех образцов бумаги приведены в машинном направлении. Образцы бумаги кабельной микрокрепированной изготавливались из 100%-ной сульфатной сосновой небеленой целлюлозы без проклейки канифольным клеем и окисленным крахмалом с разной степенью провара (делигнификации) целлюлозы и разным относительным удлинением в машинном направлении. Технологичность всех вариантов бумаги кабельной по прототипу и бумаги кабельной микрокрепированной проверялась при изготовлении силовых электрических кабелей с пропитанной бумажной изоляцией. Как видно из таблицы, бумага кабельная микрокрепированная по основным характеристикам не уступает бумаге кабельной по прототипу и превосходит ее по механическим характеристикам в машинном направлении (относительному удлинению и энергии разрыва), по сопротивлению раздиранию в поперечном направлении, по диэлектрическим характеристикам (бумагу К-120) и технологичности. При этом оптимальное относительное удлинение в машинном направлении бумаги кабельной микрокрепированной, идущей на изготовление кабельной изоляции, должно быть в пределах (5-15)%. При относительном удлинении менее 5% бумага кабельная микрокрепированная (вариант 1) не выдерживает технологические нагрузки при изготовлении и испытании кабеля. Данная бумага рвется при повышенных динамических нагрузках и изгибах кабеля. Относительное удлинение 15% является технологическим пределом для бумаги кабельной микрокрепированной. Удлинение более 15% имеет обычная крепированная бумага, которая не пригодна для изоляции кабелей. Наибольшую энергию разрыва в машинном направлении и наибольшую технологичность имеет бумага кабельная микрокрепированная (вариант 3) с относительным удлинением в машинном направлении 10%. Оптимальная удельная электропроводность (Э) водной вытяжки микрокрепированной кабельной бумаги при гидромодуле 1:50 должна быть в пределах (35-110) мкСм/см. При Э менее 35 мкСм/см существенно возрастают трудоемкость изготовления и стоимость бумаги. При Э более 110 мкСм/см существенно снижаются диэлектрические характеристики бумаги, что приводит к электрическому пробою бумажной пропитанной изоляции и выходу из строя кабеля. Наиболее оптимальной с точки зрения диэлектрических характеристик и стоимости является бумага кабельная микрокрепированная (вариант 3) с удельной электрической проводимостью водной вытяжки при гидромодуле 1:50 равной 48 мкСм/см.
Бумага кабельная микрокрепированная прошла всесторонние испытания на кабельных заводах России и стран СНГ с положительными результатами. Налажен выпуск нового изоляционного материала.
Таблица
Наименование характеристики
Варианты бумаги кабельной по прототипу
Варианты бумаги кабельной микрокрепированной
К-120
КM-140
КМП-140
1
2
3
4
Состав по волокну:
- целлюлоза сульфатная небеленая, %,
100
100
100
100
100
100
100
по ГОСТ 7500-85
Смесевая
Смесевая
Смесевая
Хвойная
Хвойная
Хвойная
Хвойная
Степень провара
-
-
-
30
32
38
46
Конструкция бумаги
Двухслойная машинной гладкости
Трехслойная машинной гладкости
Трехслойная машинной гладкости
Однослойная микрокрепированная
Однослойная микрокрепированная
Однослойная микрокрепированная
Однослойная микрокрепированная
Номинальная толщина, мкм, по ГОСТ 12769-85
120
140
140
140
140
140
140
Номинальная масса 1 м<sup>2</sup>, г, по ГОСТ 27015-86
94
109
109
109
108
105
100
Продолжение таблицы
Наименование характеристики
Варианты бумаги кабельной по прототипу
Варианты бумаги кабельной микрокрепированной
К-120
КM-140
КМП-140
1
2
3
4
Номинальная плотность, г/см<sup>3</sup>, по ГОСТ 27015-86
0,78
0,78
0,78
0,78
0,77
0,75
0,72
Разрушающее усилие, Н, по ИСО 1924-3
128
157
167
140
130
120
70
Относительное удлинение, %, по ИСО 1924-3
2,0
2,2
2,2
4,0
5,0
10,0
15,0
Энергия разрыва, Дж/м<sup>2</sup>, по ИСО 1924-3
105
142
151
230
266
492
430
Сопротивление раздиранию в поперечном на правлении, Н, по ГОСТ 13525.3-97
1,5
1,9
2,1
3,0
3,3
3,8
3,5
Продолжение таблицы
Наименование характеристики
Варианты бумаги кабельной по прототипу
Варианты бумаги кабельной микрокрепированной
К-120
КM-140
КМП-140
1
2
3
4
Удельная электрическая проводимость водной вытяжки, при гидромодуле 1:50, мкСм/см, по ГОСТ 8552-88
60
35
40
115
110
48
35
Массовая доля золы, %, по ГОСТ 7629-93
1,0
0,6
0,8
1,0
0,9
0,6
0,8
Технологичность
Низкая
Низкая
Низкая
Низкая
Средняя
Высокая
Средняя