ВЗРЫВОБЕЗОПАСНЫЙ ОГНЕСТОЙКИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КАБЕЛЬ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к кабельной технике, а именно: к конструкциям монтажных многожильных кабелей, предназначенных для фиксированного межприборного монтажа электрических устройств во взрывоопасных зонах.
Известно несколько полезных моделей, описывающих конструкции кабелей предназначенные для эксплуатации во взрывоопасных зонах:
- электрический монтажный кабель RU №51781 от 22.09.2005 г. МПК Н01В 7/04;
- электрический кабель RU №54458 от 21.02.2006 г., МПК Н01В 7/00;
- электрический кабель RU №59879 от 20.04.2006 г., МПК Н01В 7/04;
- взрывобезопасный кабель RU №67763 от 11.07.2007 г., МПК Н01В 7/04.
Наиболее близким аналогом является конструкция взрывобезопасного электрического кабеля по полезной модели №67763. Кабель состоит из сердечника, скрученного из изолированных многопроволочных токопроводящих медных или медных луженых жил, одиночных или предварительно скрученных в группы - пары, тройки или четверки, снабженных, соответственно, индивидуальными или групповыми экранами с наложенной поверх них поясной изоляцией, заполнителя, общего экрана и влагозащитной оболочки.
Он выполняет ряд прямых требований, предъявляемых к кабелям, прокладываемым во взрывоопасных зонах. Но в связи с введением Федерального Закона «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» (ФЗ №123) и ГОСТ Р 53315-2009 «Кабельные изделия. Требования пожарной безопасности. Методы испытаний» к взрывобезопасным кабелям стали предъявляться дополнительные требования. Как правило, кабельные линии на промышленных предприятиях проходят через взрывоопасные и невзрывоопасные зоны. Для невзрывоопасных зон требования к пожарной безопасности, как правило ниже, чем для взрывоопасных. Поэтому вероятность возникновения пожара в невзрывоопасных зонах выше. При возникновении очага пожара в месте прокладки кабеля происходит выгорание изоляции с последующим коротким замыканием между токопроводящими жилами. Во время короткого замыкания, при наличии в нагрузке во взрывоопасной зоне значительных реактивностей в жилах могут возникнуть значительные токи, способные вызвать расплавление изоляции с последующим электрическим пробоем и возникновением искры, которая вызывает взрыв газообразных или пылевидных компонентов в атмосфере взрывоопасной зоны. Для обеспечения работоспособности в таком случае кабель должен быть огнестойким, то есть, выдерживающим электрическое рабочее напряжение под прямым воздействием пламени. Конструкция кабеля по полезной модели №67763 требование огнестойкости не обеспечивает.
Известно несколько полезных моделей на различные типы кабелей, обладающих свойствами огнестойкости. Например:
- кабель управления RU №39968 от 20.05.2004 г., МПК Н01В 9/00;
- пожаростойкий гибкий кабель RU №49340 от 08.02.2005 г., МПК Н01В 7/02;
- кабель контрольный огнестойкий, не распространяющий горение RU №53492 от 25.11.2005 г., МПК Н01В 7/00;
- кабель монтажный RU №80270 от 14.08.2008 г., МПК Н01В 7/00.
Свойство огнестойкости достигается одним из двух способов: наложением непосредственно по жиле обмотки из слюдосодержащих (стеклослюдинитовых) лент или экструдированного слоя керамизирующихся кремнеорганической (силиконовой) резины или синтетических каучуков. При этом во всех известных полезных моделях не приводится свойство огнестойкости в сочетании со свойствами характерными для взрывобезопасных конструкций. Например, таких, как требование симметричной круглой формы кабеля в поперечном сечении или требование по выдерживанию испытательного электрического напряжения 500 В переменного тока частотой 50 Гц, приложенного между любыми двумя экранами в кабеле. (ГОСТ Р 51330.13-99).
В качестве прототипа выберем полезную модель №67763 МПК Н01В 7/04.
Сущность предлагаемой полезной модели выражается в создании кабеля огнестойкого электрического взрывобезопасного, выдерживающего электрическое рабочее напряжение под прямым воздействием пламени в течение не менее 30 минут.
Технический результат достигается тем, что предлагается кабель электрический взрывобезопасный, огнестойкий, содержащий сердечник, скрученный из изолированных многопроволочных токопроводящих медных или медных луженых жил, одиночных или предварительно скрученных в группы - пары или тройки, или четверки, заполнитель и влагозащитную оболочку. Отличие заключается в том, что изоляция токопроводящих жил выполнена огнестойкой комбинированной состоящей, не менее чем из двух слоев. Первый слой служит непосредственно для обеспечения требования по огнестойкости в условиях пожара, а второй - для достижения требуемых электрических параметров кабеля в обычных условиях.
Кроме того, поверх сердечника наложены обмоткой по спирали с перекрытием не менее одной слюдинитовой ленты, представляющей собой слоистую композицию, состоящую из слюдяной бумаги с содержанием диоксида кремния (36,8-45,1)% по массе и оксида алюминия (10,8-17,7)% по массе и электроизоляционной стеклоткани из кварцевого стекла, пропитанных и склеенных между собой кремнийорганическим связующим.
Так как существуют два основных способа обеспечения огнестойкости: обмотка огнестойкими лентами и наложением экструдированного слоя керамизирующегося полимера. Заявка представлена в виде вариантов.
В первом варианте первый огнестойкий слой изоляции выполняется обмоткой по спирали с перекрытием не менее чем одной слюдинитовой лентой, представляющей собой слоистую композицию, состоящую из слюдяной бумаги с содержанием диоксида кремния (36,8-45,1)% по массе и оксида алюминия (10,8-17,7)% по массе и электроизоляционной стеклоткани из кварцевого стекла, пропитанных и склеенных между собой кремнийорганическим связующим.
Указанное содержание диоксида кремния и оксида алюминия в слюде обеспечивает диапазон нагревостойкости (1120-1230)°С.
Во втором варианте первый огнестойкий слой изоляции выполняется наложением методом экструзии вокруг токопроводящей жилы сплошного слоя силиконовой резины, керамизирующейся под воздействием пламени в процессе пожара и, тем самым, препятствующей возникновению электрического пробоя изоляционного слоя в кабеле.
Второй слой изоляции выполняется в виде полимерного экструдированного слоя.
С целью достижения требуемых электрических параметров и выполнения требований к материалу изоляции п.7.3.102 ПУЭ второй слой изоляции выполняют из поливинилхлоридного пластиката, при необходимости обеспечения повышенных требований пожарной безопасности - нераспространения горения при прокладке в пучке и пониженного дымогазовыделения - из специального поливинилхлоридного пластиката с пониженным дымогазовыделением и кислородным индексом не менее 30.
С целью обеспечения требования по гибкости в сочетании с достижением требуемых электрических параметров второй слой изоляции выполняют из изоляционной резины. С целью снижения выделения при пожаре кислотообразующих газов в пересчете на НСl и повышении требований пожаробезопасности второй слой изоляции выполняют из безгалогенной полимерной композиции с кислородным индексом не менее 35.
С целью дополнительного усиления требования по огнестойкости второй слой изоляции выполняют из керамизирующейся силиконовой резины.
Для обеспечения передачи высокочастотных сигналов с целью снижения коэффициента затухания в кабелях второй слой изоляции изготовляют из сшитого полиэтилена, разрешенного к применению во взрывоопасных зонах техническим циркуляром Ассоциации «Росэлектромонтаж» №14/2006 от 16.10.2006 г. «о применении кабелей из сшитого полиэтилена в кабельных сооружениях, в том числе во взрывоопасных зонах».
С целью достижения гибкости при прокладке в шкафах с большим числом перегибов с малым радиусом жилу изготовляют многопроволочной, скрученной из нескольких проволок.
Для упрощения производства монтажа концов токопроводящих жил пайкой многопроволочные жилы изготавливают из медной луженой проволоки.
Для обеспечения требований к круглой форме кабеля в поперечном сечении полимерный заполнитель накладывают под влагозащитную оболочку.
В случае предъявления требования об ограничении массопереноса газа по сердечнику дополнительно все пустоты в сердечнике заполняют полимерным заполнителем.
Для упрощения технологии изготовления кабеля поверх групп, поверх сердечника и поверх общего экрана целесообразно дополнительно наложить поясную изоляцию обмоткой по спирали с перекрытием полимерной лентой.
С целью защиты от внешних электромагнитных влияний и обеспечения искробезопасности в кабеле прокладывают не менее одного электрического экрана.
Экран может быть выполнен индивидуальным, наложенным на изолированную токопроводящую жилу, групповым, наложенным на названную группу, или общим, наложенным на сердечник. Причем поверх каждого индивидуального или группового экранов наложена оболочка из полимера экструзионным способом или поясная изоляция в виде обмотки полимерной лентой.
Толщина оболочки или поясной изоляции выбрана такой, чтобы она выдерживала испытание напряжение не менее 500 В переменного тока частотой 50 Гц, приложенным между любыми индивидуальными или групповыми, или общим экранами.
В условиях прокладки на промышленных производствах целесообразно накладывать электрический экран из металлополимерной ленты с перекрытием обмоткой по спирали или продольно металлом внутрь с подпуском под него экранной проволоки мягкой медной или медной луженой.
С целью обеспечения требований к полимерным материалам п.7.3.102 ПУЭ оболочки, заполнитель и влагозащитную оболочку выполняют из поливинилхлоридного пластиката, а при повышенных требованиях к пожарной безопасности - из специального поливинилхлоридного пластиката с пониженным дымогазовыделением и кислородным индексом не менее 30.
С целью выполнения требования по снижению выделения при пожаре кислотообразующих газов в пересчете на HCl оболочки, заполнитель и влагозащитную оболочку выполняют из безгалогенной полимерной композиции с кислородным индексом не менее 35.
Для обеспечения выполнений требований к повышенной гибкости кабеля оболочки, заполнитель и влагозащитную оболочку выполняют из резины.
Для эксплуатации в условиях воздействия на кабель раздавливающих усилий с целью обеспечения радиальной прочности целесообразно изготавливать кабель бронированным круглыми стальными проволоками или лентами. В зависимости от диаметра проволоки могут накладываться в виде оплетки или в виде обмотки. Стальные ленты накладываются обмоткой по спирали, а стальные ленты с полимерным подслоем накладываются продольно с перекрытием, предварительно гофрированные.
Поверх брони накладывают влагозащитный шланг. Преимущественно, влагозащитный шланг накладывают из полимера, однородного с полимером влагозащитной оболочки.
В случае необходимости прокладки бронированного кабеля непосредственно в грунт, влагозащитный шланг изготовляют из светостабилизированной полиэтиленовой композиции.
В случае эксплуатации бронированных кабелей в коробах или канализации в условиях постоянного или длительного воздействия воды под броню целесообразно проложить водоблокирующую ленту.
Для использования кабелей в районах Крайнего Севера целесообразно изготовлять второй слой изоляции токопроводящих жил, оболочки, заполнитель, влагозащитную оболочку и влагозащитный шланг из холодостойких полимеров, обеспечивающих работоспособность кабеля в диапазоне рабочих температур от минус 60°С до плюс 50°С.
Для использования кабеля в условиях повышенной температуры окружающей среды целесообразно изготовлять второй слой изоляции токопроводящих жил, оболочки, заполнитель, влагозащитную оболочку и влагозащитный шланг из теплостойких полимеров, обеспечивающих работоспособность кабеля в диапазоне рабочих температур от минус 40°С до плюс 90-180°С.
Кроме того, если первый и второй слои изоляции изготавливают из силиконовой резины, целесообразно накладывать их одновременно за один проход.
Предлагаемая полезная модель поясняется конкретным примером выполнения, представленным чертежом поперечного сечения взрывобезопасного, огнестойкого электрического кабеля с тремя экранированными группами из пар жил с общим экраном.
Кабель состоит из шести многопроволочных токопроводящих жил 1 изолированных комбинированной двухслойной изоляцией. Первый слой 2 изоляции состоит из двух слюдинитовых лент наложенных обмоткой по спирали с перекрытием.
Каждая лента состоит из слюдяной бумаги с содержанием диоксида кремния (36,8-45,1)% по массе и оксида алюминия (10,8-17,7)% по массе, электроизоляционной ткани из кварцевого стекла, пропитанных и склеенных между собой кремнийорганическим связующим. Второй слой 3 выполнен экструдированным поливинилхлоридным пластикатом.
Жилы скручены между собой попарно в группы. На каждую группу наложен групповой электрический экран 4 из металлополимерной ленты с перекрытием металлом внутрь, под экраном проложена экранная проволока (на чертеже не показана) и оболочка 5 из поливинилхлоридного пластиката. Группы с экраном и оболочкой скручены между собой в сердечник.
Поверх сердечника наложена обмотка 6 из двух слюдинитовых лент с перекрытием. Каждая лента состоит из слюдяной бумаги с содержанием диоксида кремния (36,8-45,1)% по массе и оксида алюминия (10,8-17,7)% по массе, электроизоляционной ткани из кварцевого стекла, пропитанных и склеенных между собой кремнийорганическим связующим.
Поверх обмотки слюдинитовыми лентами наложен общий электрический экран 7 в виде обмотки по спирали с перекрытием из металлополимерной ленты металлом внутрь и пропущенной под экраном экранной проволокой (на чертеже не показана).
Поверх экрана наложен заполнитель 8, обеспечивающий круглую форму кабелю в поперечном сечении.
По заполнителю 8 наложена оболочка 9 из поливинилхлоридного пластиката.
Технология изготовления кабелей согласно заявляемой полезной модели включает следующие операции.
Медные проволоки для токопроводящих жил 1 и экранной проволоки изготавливаются из медной проволоки «катанки», как правило, диаметром 8 мм методом волочения. Для основных размеров взрывобезопасных огнестойких электрических кабелей применяются операции грубое, среднее и тонкое волочение.
Для обеспечений мягкости проволоку подвергают отжигу в специальных печах или на проход на операции волочения. Для получения луженых проволок отжиг не требуется. Лужение производится на лудильных установках горячим способом, в результате чего проволока становится мягкой.
Токопроводящие жилы 1 скручиваются из необходимого количества проволок на крутильных машинах сигарного, рамочного или фонарного типа.
Первый слой изоляции первого варианта 2 из слюдинитовых лент накладывается на обмоточных машинах.
Первый слой изоляции второго варианта 2 из силиконовой резины накладывается методом экструзии на агрегатах непрерывной вулканизации.
Второй слой изоляции 3 обоих вариантов в виде обычного и специального поливинилхлоридного пластикатов и безгалогенной полимерной композиции накладывается на экструзионных линиях, в виде резины - на агрегатах непрерывной вулканизации.
Скрутка изолированных жил в пару, тройку и четверку производится обычно на крутильных машинах рамочного типа.
Экран 4 на группу накладывается либо обмоткой на обмоточных машинах, либо продольно на операции наложения оболочки.
Оболочки 5, заполнитель 8, влагозащитная оболочка 9 и влагозащитный шланг из обычного и специального поливинилхлоридного пластикатов, и безгалогенной полимерной композиции накладывается на экструзионных линиях, в виде резины - на агрегатах непрерывной вулканизации.
Влагозащитный шланг из полиэтилена накладывается на экструзионной линии.
Группы скручиваются в сердечник, как правило, на машинах фонарного типа.
Обмотка сердечника слюдинитовыми лентами 6 с перекрытием производится на обмоточных машинах.
Наложение общего электрического экрана 7, как правило, производится на обмоточных машинах. Также на обмоточных машинах накладывается водоблокирующая лента.
Броня из круглых стальных проволок в виде оплетки накладывается на оплеточных машинах. Перед оплеткой возможна операция трощения (группировка нескольких одиночных проволок в пучок) на тростильных машинах.
Броня из круглых стальных проволок обмоткой по спирали наносится на проволочнобронировочных машинах.
Броня в виде стальных лент накладывается на ленточнобронировочных машинах.
Броня в виде стальной ленты с полимерным подслоем накладывается полимером кверху продольно на операции, совмещенной с наложением шланга.
При этом лента сначала проходит гофрирующее устройство, затем сворачивающее устройство и уже свернутой вокруг заготовки с водоблокирующей лентой поступает через дорн в головку экструдера, где наносится расплавленный полимер влагозащитного шланга.
Для подтверждения достижения результата были изготовлены две группы кабелей по три образца в каждой по первому и второму варианту.
Кабели первой группы имели следующую конструкцию: 6 токопроводящих жил, скрученных из семи проволок, изолированных двухслойной изоляцией, первый слой - в виде обмотки с перекрытием двумя слоями слюдинитовой ленты с перекрытием, второй слой - концентрический экструдированный из безгалогенной полимерной композиции, изолированные жилы попарно скручены между собой, на каждую пару наложен экран и оболочка из безгалогенной полимерной композиции, группы скручены в сердечник, на который наложены две слюдинитовые ленты с перекрытием, поверх них наложен заполнитель на основе безгалогенной полимерной композиции и оболочка из безгалогенной полимерной композиции.
Кабели второй группы имели следующую конструкцию: 6 токопроводящих жил, скрученных из семи проволок, изолированных двухслойной изоляцией, первый слой - в виде концентрического экструдированного слоя из керамизирующейся силиконовой резины, второй слой - концентрический экструдированный из безгалогенной полимерной композиции, изолированные жилы попарно скручены между собой, на каждую пару наложен экран и оболочка из безгалогенной полимерной композиции, группы скручены в сердечник, на который наложены две слюдинитовые ленты с перекрытием, поверх них наложен заполнитель на основе безгалогенной полимерной композиции и оболочка из безгалогенной полимерной композиции.
Образцы подвергались испытанию на огнестойкость по методике ГОСТ Р МЭК 60331-21-2003 при рабочем напряжении 300 В.
Все шесть образцов выдержали испытание в течение 180 минут, что является подтверждением достигнутого результата, обеспечения работы кабеля подключенного к рабочему напряжению под прямым воздействием пламени не менее чем в течение 30 мин.