КАБЕЛЬ СИЛОВОЙ ШАХТНЫЙ

Полезная модель относится к кабельной технике, а именно к конструкциям силовых шахтных кабелей, предназначенных для передачи и распределения электрической энергии в установках на номинальное напряжение 1,14 и 6 кВ переменного тока частотой 50 Гц и напряжение до 220 В на вспомогательных жилах контроля и освещения. Данные кабели предназначены для стационарной и периодической прокладки по горизонтальным и наклонным выработкам шахт, а также как элемент электрической сети, соединяющей источник электроэнергии и объект промышленного или гражданского строительства.
Известна конструкция силового шахтного кабеля по патенту №56061 на полезную модель, Россия, содержащего три токопроводящие жилы равного сечения с изоляцией из ПВХ-пластиката и экранами по изоляции из медной ленты, вспомогательную жилу с изоляцией из ПВХ-пластиката и неизолированную жилу заземления. Все жилы кабеля скручены между собой. По скрученным жилам наложена внутренняя оболочка из ПВХ-пластиката. Поверх внутренней оболочки наложены последовательно стальная оцинкованная броня и наружная оболочка из ПВХ-пластиката. Недостатками данной конструкции силового шахтного кабеля являются:
- низкая рабочая температура жил (не более 70°C);
- пониженное электрическое сопротивление изоляции;
- повышенные токи утечки;
- повышенная масса;
- низкий срок службы.
Все эти недостатки аналога обусловлены использованием в качестве изоляции жил полярного полимера - ПВХ-пластиката.
В настоящее время все более широкое применение находят силовые кабели с изоляцией токопроводящих жил, выполненной из неполярных полимеров - термопластичных и сшитых полиолефинов. При использовании данных материалов существенно повышаются диэлектрические характеристики изоляции жил.
Ближайшим по своим параметрам к полезной модели является кабель силовой шахтный по патенту №63977 (прототип) на полезную модель, Россия, содержащий три основные токопроводящие жилы равного сечения, каждая из которых покрыта изоляцией из сшитого полиэтилена и экраном по изоляции из полупроводящего сшитого полиэтилена, вспомогательную жилу с изоляцией из сшитого полиэтилена, неизолированную жилу заземления, скрученные между собой, внутреннюю оболочку из ПВХ-пластиката поверх скрученных жил, броню из стальных оцинкованных лент или стальных оцинкованных проволок и наружную полимерную оболочку из поливинилхлоридного пластиката. Недостатки прототипа:
- пониженная рабочая температура жил (не более 90°C);
- повышенный уровень частичных разрядов в связи с ростом водных триингов в изоляции из сшитого полиэтилена;
- повышенный уровень накопленного статического электричества в изоляции из сшитого полиэтилена;
- повышенная трудоемкость изготовления изоляции из сшитого полиэтилена.
Недостатки прототипа снижают эксплуатационные характеристики и безопасность силовых шахтных кабелей.
Технической задачей полезной модели является разработка более безопасного, более качественного и более надежного силового шахтного кабеля, предназначенного для стационарной и периодической прокладки в любых условиях. Технический результат достигается тем, что изоляция основных и вспомогательных жил выполнена из динамически вулканизованных олефиновых термоэластопластов, а экраны по изоляции основных токопроводящих жил выполнены из экструзионных, или ленточных, в том числе водоблокирующих и металлических, электропроводящих материалов, или различных комбинаций из этих материалов.
Общим признаком прототипа и предлагаемого технического решения является наличие трех основных изолированных токопроводящих жил, экранов по изоляции основных жил из электропроводящих материалов, одной или нескольких изолированных вспомогательных жил, неизолированной жилы заземления, внутренней оболочки из ПВХ-пластиката поверх скрученных жил, брони из стальных оцинкованных лент или стальных оцинкованных проволок поверх внутренней оболочки и наружной оболочки из ПВХ-пластиката. В то же время предложенный кабель отличается от известного тем, что изоляция основных и вспомогательных жил выполнена из динамически вулканизованных олефиновых термоэластопластов, а экраны по изоляции основных токопроводящих жил выполнены из экструзионных, или ленточных, в том числе водоблокирующих и металлических, электропроводящих материалов, или различных комбинаций из этих материалов.
15
Для изоляции токопроводящих жил шахтного кабеля могут быть использованы смесевые и динамически вулканизованные олефиновые термоэластопласты (ТЭП). Смесевые олефиновы ТЭП - материалы, получаемые смешением олефинового каучука с олефиновым термопластом. Смесевые олефиновые ТЭП при повышенных температурах (более 90°C) обладают неудовлетворительными физико-механическими свойствами и имеют невысокую стойкость к агрессивным средам. В связи с этим область применения смесевых ТЭП ограничена. Наиболее перспективными являются динамически вулканизованные олефиновые ТЭП, благодаря широкому температурному интервалу работоспособности, высоким физико-механическим характеристикам и повышенной стойкости к агрессивным средам. Динамически вулканизованные олефиновые ТЭП получают путем интенсивного механического смешения олефинового каучука с олефиновым термопластом при одновременной вулканизации каучука в процессе смешения. При этом за счет частичной или полной вулканизации каучуковой фазы с помощью различных вулканизующих систем (серной, смоляной, пероксидной, силановой) появляется возможность осуществлять модифицирование физико-механических и эксплуатационных характеристик материалов. Это достигается благодаря образованию характерной гетерофазной структуры, представляющей собой мелкодисперсную (субмикронную) вулканизованную фазу каучука в непрерывной среде термопласта. При вулканизации каучука происходит увеличение вязкости расплава смеси до максимальных значений. За счет больших сдвиговых деформаций мелкодисперсные частички резины размером 1-2 мкм равномерно распределяются в объеме термопласта. При этом существенно изменяются свойства материала. Прежде всего, пропорционально степени сшивки возрастают прочность и относительное удлинение при разрыве. Одновременно снижается до нуля предел текучести при растяжении полимера. По физико-механическим характеристикам динамически вулканизованные ТЭП близки к резинам, но, в отличие от них, новые материалы способны перерабатываться на оборудовании для термопластов по безотходной технологии. В качестве олефинового каучука используют этиленпропилендиеновый каучук. В качестве олефинового термопласта чаще всего используют полипропилен. Могут быть использованы также полиэтилен, блоксополимер этилена с пропиленом, сополимеры этилена с α-олефинами С5-С9. В качестве вулканизующей добавки используют серу, фенольные смолы, органические пероксиды, полигидросилоксаны. Для изоляции токопроводящих жил силового шахтного кабеля авторами полезной модели разработан динамически вулканизованный алкендиеновый ТЭП изоляционный марки АТЭПи ТУ 2243-047-50289046-2013, год ввода 2013, Россия, на основе этиленпропилен-диенового каучука и полипропилена с удельным электрическим сопротивлением 5-10 Ом-см и длительно-допустимой температурой нагрева 130°C. Полипропилен не накапливает статическое электричество.
Экраны по изоляции основных токопроводящих жил шахтного кабеля могут быть выполнены из экструзионных, или ленточных, в том числе водоблокирующих и металлических, электропроводящих материалов, или различных комбинаций из этих материалов. В качестве экструдируемых электропроводящих материалов могут быть использованы электропроводящие саженаполненные композиции на основе резины, полиэтилена, полипропилена, сополимеров и блоксополимеров этилена и пропилена, этиленпропиленового каучука, поливинилхлоридной смолы, смесевых и динамически вулканизованных ТЭП. Авторами полезной модели разработан электропроводящий динамически вулканизованный алкендиеновый ТЭП марки АТЭПэп по ТУ 2294-044-50289046-2012, год ввода 2012, Россия, содержащий техуглерод. Преимуществом электропроводящего материала АТЭПэп является повышенная электропроводность и повышенная рабочая температура эксплуатации. Из ленточных электропроводящих материалов для экранирования изоляции токопроводящих жил могут быть использованы электропроводящие водоблокирующие ленты, электропроводящие тканевые ленты, электропроводящие ленты из нетканого полотна, медные ленты. Для экранирования силовых кабелей авторами полезной модели разработаны следующие электропроводящие материалы: полотно нетканое водоблокирующее электропроводящее марки ПНВ2-ЭП по ТУ 8390-033-50289046-2009, год ввода 2009, Россия, для продольной герметизации кабеля от влаги, экранирования и защиты от механических повреждений изоляции жил; полотно нетканое электропроводящее кабельное марки ПНЭК по ТУ 8390-011 50289046-2004, год ввода 2004, Россия, для экранирования и защиты от механических повреждений изоляции жил; ткань электропроводящая кабельная марки ТЭК по ТУ 8318-032-50289046-2009, год ввода 2009, Россия, для экранирования и защиты от механических повреждений изоляции жил. Все перечисленные материалы выпускаются серийно. Наиболее эффективными являются экраны по изоляции основных токопроводящих жил из различных комбинаций электропроводящих материалов:
- обмотка одной ленты полотна нетканого водоблокирующего электропроводящего марки ПНВ2-ЭП с перекрытием и медной ленты с зазором;
- обмотка одной ленты полотна нетканого электропроводящего кабельного марки ПНЭК с перекрытием и медной ленты с зазором;
- обмотка одной или нескольких лент ткани электропроводящей кабельной марки ТЭК с перекрытием и медной ленты с зазором;
- экструдированный слой из электропроводящего алкендиенового термоэластопласта марки АТЭПэп, поверх которого накладывается обмотка одной ленты полотна нетканого водоблокирующего электропроводящего марки ПНВ2-ЭП с перекрытием и медной ленты с зазором.
При этом обеспечивается надежное экранирование и защита от механических повреждений изоляции токопроводящих жил, продольная герметизация от влаги при использовании полотна марки ПНВ2-ЭП и экономия медной ленты.
Дополнительно силовой шахтный кабель может содержать экраны по основным токопроводящим жилам из электропроводящих материалов. Дополнительно кабель может содержать скрепляющую обмотку поверх скрученных жил в виде ленты из ткани, или нетканого полотна или пленки, наложенной с зазором. Для обеспечения надежного заземления экранов по изоляции основных токопроводящих жил основные и вспомогательные жилы кабеля могут быть скручены вокруг жилы заземления с обеспечением контакта между жилой заземления и экранами всех основных жил.
Для внутренней и наружной оболочек шахтного кабеля используются термопластичные композиции на основе поливинилхлоридной смолы - ПВХ-пластикаты. Основные достоинства ПВХ-пластикатов:
- способность затухать при вынесении из пламени;
- высокая стойкость против действия большинства кислот, щелочей и органических растворителй;
- высокая технологичность при экструзии;
- низкая стоимость.
В связи с этим использование ПВХ-пластикатов для изготовления оболочек шахтных кабелей наиболее оправдано. Для изготовления оболочек силового шахтного кабеля пониженной пожароопасности может быть использован ПВХ-пластикат типа НГП пониженной горючести. Для изготовления внутренней экструдируемой оболочки шахтного кабеля могут быть использованы ПВХ-пластикат пониженной плотности или ПВХ-пластикат пониженной горючести и пониженной плотности. За счет использования ПВХ-пластикатов пониженной плотности существенно снижается масса кабеля. За счет добавления в ПВХ-пластикат специальных красителей наружная оболочка кабеля может иметь различную расцветку.
Стальная оцинкованная броня предназначена для защиты силового шахтного кабеля от механических повреждений. Для прокладки по горизонтальным выработкам шахт используется ленточная броня. Для прокладки по наклонным и вертикальным выработкам шахт используется проволочная броня.
Кабель силовой шахтный по полезной модели (фиг.) содержит три основные токопроводящие жилы (ТПЖ) 1, изоляцию 2 основных жил из динамически вулканизованных олефиновых термоэластопластов, экраны по изоляции основных ТПЖ из одной ленты полотна нетканого водоблокирующего электропроводящего 3 марки ПНВ2-ЭП с перекрытием и медной ленты 4 с зазором, одну неизолированную жилу заземления 5, расположенную в центре кабеля, две изолированные вспомогательные токопроводящие жилы 6, расположенные в промежутках между основными жилами, скрепляющую ленту 7 из пленочного или волокнистого материала, наложенную с зазором поверх скрученных жил, внутреннюю оболочку 8 из ПВХ-пластиката, броню 9 из двух стальных оцинкованных лент и наружную оболочку 10 из ПВХ-пластиката.
Предложенный авторами полезной модели силовой шахтный кабель на напряжение 6кВ изготавливается по следующей технологии. Основные токопроводящие жилы 1, жила заземления 5 и вспомогательные жилы 6 скручивают на крутильной машине из одного или нескольких концентрических повивов круглых медных, или алюминиевых, или алюмомедных проволок, или проволок алюминиевого сплава по спирали в чередующихся направлениях с определенным шагом скрутки. При этом одну проволоку размещают в центре жилы. Последний повив проволок должен иметь правое направление кручения. Жила заземления сечением до 10 мм может изготавливаться из одной проволоки. Во время скрутки ТПЖ могут уплотняться обжимными роликами. При уплотнении жил снижается диаметр кабеля и повышаются его эксплуатационные характеристики. На основные жилы 1 наносится экструзией изоляция 2 из электроизоляционного термоэластопласта марки АТЭПи толщиной 3,4 мм. Поверх изоляции основных жил накладываются на обмоточной машине экраны из одной ленты полотна нетканого водоблокирующего электропроводящего 3 марки ПНВ2-ЭП с перекрытием 3-5 мм и одной медной ленты 4 с зазором, равным ширине ленты. Дополнительно может быть наложен экран по основным жилам из электропроводящих материалов. На вспомогательные жилы 6 наносится экструзией изоляция из электроизоляционного термоэластопласта марки АТЭПи толщиной 1 мм. На жилу заземления 5 изоляция не наносится. Изолированные токопроводящие жилы скручиваются вместе на крутильной машине вокруг жилы заземления с обеспечением контакта между жилой заземления и медными экранами основных токопроводящих жил. Направление скрутки жил - правое. Поверх скрученных жил накладывается на обмоточной машине скрепляющая лента 7 из полимерной пленки или нетканого полотна шириной 10 мм с зазором 15-20 мм. Поверх скрепляющей ленты наносится экструзией внутренняя оболочка 8 из ПВХ-пластиката пониженной горючести и пониженной плотности. Поверх внутренней оболочки кабеля накладывается броня 9 из двух стальных оцинкованных лент толщиной 0,3 мм с зазором и перекрытием зазора наружным слоем. Поверх брони наносится экструзией наружная оболочка 10 толщиной 2,4 мм из ПВХ-пластиката пониженной горючести оранжевого цвета. Применяемые для изготовления предлагаемого кабеля материалы выпускаются серийно.
Преимущества нового кабеля:
- высокая технологичность при изготовлении;
- высокие эксплуатационные характеристики;
- повышенная рабочая температура токопроводящих жил (до 110°C);
- отсутствие статического электричества в изоляции ТПЖ;
- отсутствие частичных разрядов в изоляции ТПЖ;
- повышенная герметичность в продольном направлении;
- пониженная масса кабеля;
- повышенная безопасность при эксплуатации кабеля;
- повышенная надежность и долговечность;
- более широкая область применения;
- меньшая стоимость.
Кабели силовые шахтные по полезной модели с изоляцией жил, выполненной из динамически вулканизованных олефиновых термоэластопластов, и комбинированными экранами по изоляции жил из электропроводящих материалов прошли всесторонние испытания на кабельных заводах РФ с положительными результатами. Налажено производство данных кабелей.