Токопроводящая жила с негорючим покрытием
CURRENT-CONDUCTING CORE WITH INCOMBUSTIBLE COATING

Техническое решение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве токопроводящей жилы в проводах и кабелях, удовлетворяющих требованиям пожарной безопасности.
Проблема пожарной безопасности электропроводок и кабельных линий является самой острой среди всех видов электроустановок. Наибольшее количество пожаров происходит из-за аварийных режимов в кабельных изделиях, а разветвленные кабельные коммуникации выступают не только носителями пожарной нагрузки, но и направляющими системами, по которым огонь может распространиться в зданиях и сооружениях.
При проектировании кабельных линий всегда должны рассматриваться два направления обеспечения пожарной безопасности:
- обеспечение работы электрического кабеля в условиях внешних тепловых воздействий и открытого огня;
- предотвращение возникновения пожара со стороны токопроводящей жилы при ее перегреве и коротком замыкании.
Обязательными элементами в конструкции проводов и кабелей являются изолированная токопроводящая жила (одно- или многопроволочная) и защитная полимерная оболочка.
Пожарная опасность перегрузок вызвана повышением температуры токопроводящих жил и нагревом изоляции с последующим ее воспламенением.
При значительном увеличении силы тока, которое происходит при коротком замыкании, выделяется большое количество теплоты в проводниках (жилах), что вызывает разрушение изоляции с последующим ее воспламенением, возгоранием поддерживающих конструктивных элементов и распространением огня по кабельной линии.
Горение электрических кабелей (проводов) сопровождается выделением значительного количества тепла - температура в зоне горения может достигать 1000-1200°С.
В настоящее время одним из средств пассивной противопожарной защиты используют токопроводящие жилы со специальными покрытиями.
Известна токопроводящая жила с покрытием из керамообразующей силиконовой резины (Басов И.М. «Пожарная безопасность электрических кабелей», журнал "Системы безопасности", 2010, №6, стр. 102-104; патент РФ №2545327 «Керамообразующая огнестойкая силиконовая резина» с приоритетом от 09.10.2013).
Покрытие из керамообразующей силиконовой резины используется как электроизоляционный и термический барьер. При воздействии на керамообразующую силиконовую резину внешних высоких температур, на поверхности токопроводящей жилы образуется минеральный керамоподобный слой, который и обеспечивает работоспособность кабеля.
Однако, данное покрытие не удовлетворяет требованиям пожарной безопасности при воздействии высоких температур со стороны токопроводящей жилы: при перегреве токопроводящей жилы (перегрузка, короткое замыкание) покрытие из керамообразующей силиконовой резины нагревается без доступа кислорода, что приводит к разложению резины с выделением газообразных продуктов, отвод которых происходит за счет разрыва оболочки кабеля, что обеспечивает приток кислорода к перегретой резине и к ее воспламенению. При этом защитный керамоподобный слой на поверхности жилы не образуется и препятствий для распространения огня не существует.
Перспективным направлением для создания защитных покрытий металлических изделий, в том числе и токопроводящих жил, является использование материалов из базальта, температура плавления которого 1200-1400°С, при этом он не горит, обладает хорошими диэлектрическими и теплоизоляционными свойствами, химически пассивен, является экологически чистым сырьем.
Известна токопроводящая жила с покрытием, выполненным из слюдосодержащей ленты с минеральной тканью из базальтового волокна, используемой в качестве подложки (патент РФ №143196 «Кабель электрический огнестойкий» с приоритетом от 28.01.2014).
Покрытие токопроводящей жилы выполнено в виде обмотки из двух лент с перекрытием не менее 40%, поверх которой наложен слой изоляции. Лента представляет собой слоистую композицию, состоящую из слюдяной бумаги, расположенной между тканевыми подложками, пропитанных и склеенных между собой с помощью связующего, которое заполняет все пустоты внутри композиции и сквозные зазоры между волокнами тканевых подложек.
Однако столь сложная, громоздкая и дорогая конструкция токопроводящей жилы с покрытием не обеспечивает защиту от возникновения пожара при воздействии высоких температур со стороны токопроводящей жилы.
Это связано с тем, что так как поверхность токопроводящей жилы находится в непосредственном контакте и с тканевой подложкой и со связующим, заполняющим сквозные зазоры между волокнами подложки, то при нагреве токопроводящей жилы (перегрузка, короткое замыкание) связующее нагревается и проводит тепло к слюдосодержащему слою, а нагрев связующего в замкнутом пространстве без доступа кислорода приводит к его термической деструкции с выделением газообразных продуктов. Одновременно, так как в состав слюды входят гидросиликаты с водой в связанном состоянии, при повышенных температурах происходит кальцинация - процесс, в ходе которого связанная структура воды разрывается, что ведет к ее вытеснению и образованию газообразных продуктов. Таким образом, в замкнутом пространстве между токопроводящей жилой и изоляцией скопившиеся горячие газообразные продукты находятся под давлением, которое действует на изоляционный слой и приводит к его разрушению, а затем и к разрыву внешней кабельной оболочки, выбросу газообразных продуктов наружу с одновременным притоком кислорода к изоляции и связующему, к их воспламенению и распространению огня по коммуникациям. Базальтовая ткань в этой ситуации является преградой для распространения огня от токопроводящей жилы, но не может предотвратить возгорание образовавшихся газообразных продуктов и выход пламени наружу.
Известно металлическое изделие (токопроводящая жила) с защитным покрытием, описанным в статье Ревенко В. «Защитные покрытия барьерного типа на основе базальта», журнал «Промышленная окраска», 2013, №2, стр. 14-15 и выбранное в качестве прототипа.
Покрытие токопроводящей жилы выполнено на основе базальтового материала, в качестве которого использована базальтовая микро-чешуя с эпоксидным связующим.
Данное малокомпонентное покрытие имеет высокую стоимость, так как получение тонких пластин микро-чешуи из расплавленного базальта, достаточно трудоемкое и энергозатратное производство.
Кроме того, так как плоскости соприкосновения базальтовых чешуек не идеально ровные, то для получения надежного покрытия увеличивается расход дорогостоящего связующего, которое заполняет все зазоры между пластинками микро-чешуи и с помощью которого покрытие соединено с поверхностью токопроводящей жилы, при этом вес жилы с покрытием, а, значит, и кабеля в целом, увеличивается.
При этом, при воздействии высоких температур и открытого огня с внешней стороны кабеля, газообразные продукты сгорания эпоксидного связующего, максимальная рабочая температура стандартных эпоксидных смол не превышает 130°С, а предельная (пиковая) кратковременная температура не превышает 150°С, свободно выходят наружу. Базальтовая микро-чешуя, которая после выгорания связующего ничем не связана с поверхностью жилы, а действующей температуры недостаточно для ее сплавления, микро-чешуя выносится наружу газообразными продуктами сгорания. В результате, токопроводящая жила, лишенная термической защиты, теряет работоспособность.
При повышенных температурах со стороны токопроводящей жилы (перегрузка, короткое замыкание) в рассматриваемом покрытии, которое конструктивно находится в замкнутом пространстве, ограниченном поверхностью жилы и изоляционным слоем, наложенным на покрытие, происходит температурная деструкция связующего без доступа кислорода с выделением газообразных продуктов, выброс которых наружу происходит через разрыв изоляции и оболочки, обеспечивая доступ кислорода к изоляции и связующему, к их воспламенению и распространению огня по коммуникациям. Базальтовая микро-чешуя в этой ситуации не сплавляется между собой, а выносится наружу газообразными продуктами сгорания и преграды для распространения огня со стороны токопроводящей жилы не существует.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое решение, является создание недорогой токопроводящей жилы с негорючим покрытием, удовлетворяющей требованиям пожарной безопасности в условиях воздействия высоких температур и открытого огня как с внешней стороны, так и со стороны самой токопроводящей жилы.
Решением данной задачи является токопроводящая жила с покрытием из базальтового материала, новым в которой является то, что покрытие выполнено в виде слоя компактированного базальтового порошка, соединенного с поверхностью токопроводящей жилы.
Несмотря на значительные достижения предшествующих многочисленных разработок, относящихся к обеспечению пожарной безопасности кабельных токопроводящих жил, тем не менее не удалось достичь двухсторонней пожарной безопасности, так как создание защитных покрытий основано на традиционных подходах, предусматривающих использование полимерных связующих в составе защитного покрытия.
Новое защитное негорючее покрытие из базальтового порошка не содержит полимерного связующего и клея и позволяет обеспечить двухстороннюю пожарную безопасность токопроводящей жилы и кабеля в целом.
Использование для покрытия базальтового порошка связано с его экологичностью, доступностью, низкой стоимостью и известными свойствами базальта - температура плавления 1200-1400°С, негорючесть, хорошие диэлектрические и теплоизоляционные свойства, химическая пассивность.
Компактированный порошковый слой получен известным методом сухого уплотнения (компактирования) частиц базальтового порошка без полимерного связующего за счет связывания частиц с помощью механического давления, оказываемого на уплотняемый порошок. При этом частицы порошка расположены вплотную друг к другу без образования сквозных пор и зазоров.
Одновременно частицы порошка механически связаны с поверхностью токопроводящей жилы - частицы порошка расположены в порах и неровностях поверхности. Поверх базальтового покрытия наложен изоляционный слой, как обязательный элемент конструкции кабельной токопроводящей жилы и одновременно защищающий базальтовое покрытие от повреждений при осуществлении всех последующих технологически необходимых операций для получения конечного продукта - кабеля (провода).
При воздействии высоких температур и открытого огня с внешней стороны кабеля даже при разрушении оболочки кабеля и изоляционного слоя компактированное базальтовое покрытие, обладающее высокими теплоизоляционными свойствами, защищает токопроводящую жилу от перегрева, сохраняя тем самым работоспособность жилы без ухудшения ее электропроводящих свойств. При повышении в зоне горения температуры до 1000-1200°С покрытие не разрушается, так как температура плавления базальта находится в диапазоне 1200-1400°С, и сохраняет теплоизоляционные свойства, продолжая обеспечивать работоспособность токопроводящей жилы.
При повышении температуры со стороны токопроводящей жилы (перегрузка, короткое замыкание) базальтовое покрытие защищает от перегрева и разрушения изоляционный слой, сохраняя целостность конструкции, что исключает доступ кислорода и возникновение возгорания со стороны токопроводящей жилы становится невозможным.
Кроме того, наложение базальтового покрытия непосредственно на поверхность токопроводящей жилы, обеспечивает ее коррозионную стойкость.
Покрытие сформировано из базальтового порошка фракцией 10-60 мкм, что позволяет создать плотное покрытие толщиной от 10 до 560 мкм, достаточной для обеспечения пожарной безопасности и сохранения работоспособности проводов и кабелей. Толщина покрытия выбирается исходя из величины рабочего электрического напряжения, условий эксплуатации и требований, предъявляемых к характеристикам проводов и кабелей.
При проведении поиска по источникам патентной и научно-технической литературы не обнаружено решений, содержащих совокупность предлагаемых признаков для решения поставленной задачи, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критериям патентоспособности «новизна» и «изобретательский уровень».
Заявляемое техническое решение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 представлена заявляемая однопроволочная изолированная жила с покрытием, на фиг. 2 - многопроволочная изолированная жила с покрытием, на фиг. 3 - конструкция кабеля с заявляемой многопроволочной изолированной жилой.
Токопроводящая жила 1 из меди, алюминия или сплавов, выполнена с покрытием 2 в виде слоя компактированного базальтового порошка, соединенного с поверхностью токопроводящей жилы 1. Поверх покрытия 2 наложен изоляционный слой 3, который выполнен из полимерного материала. Поверхность кабеля, изготовленного с использованием жилы 1 с покрытием 2 и изоляционным слоем 3 наложена наружная оболочка 4 из термопластичного материала на основе полимерной композиции.
Весь процесс производства токопроводящей жилы 1 с покрытием 2 выполняется в одной непрерывной технологической цепочке с использованием известных методов и устройств:
- поверхность токопроводящей жилы 1 очищают от оксидной пленки, смазки и других загрязнений любым известным способом (химическим, механическим и др.);
- в вакуумной камере (для исключения образования оксидов на поверхности токопроводящей жилы 1), используя электростатический метод, на поверхность токопроводящей жилы 1, которая заземлена, распылением наносят базальтовый порошок. Подаваемое напряжение и/или время нахождения жилы 1 в вакуумной камере определяют в дальнейшем толщину покрытия 2;
- на поверхности жилы 1 с помощью вращающихся валков формируют к плотный компактированный слой покрытия 2 путем заполнения пор и неровностей на поверхности жилы 1 и одновременно уплотняя частицы базальта между собой;
- на экструзионной линии на компактированный слой покрытия 2 наносят изоляционный слой 3;
- готовую жилу 1 с покрытием 2 и изоляционным слоем 3 наматывают на приемный барабан.
На поверхность кабеля, изготовленного с использованием одной или нескольких жил 1 с покрытием 2 и изоляционным слоем 3 на экструзионной линии накладывают наружную оболочку 4 из термопластичного материала.
Токопроводящая жила с компактированным негорючим покрытием из базальтового порошка, обеспечивающим ее двухстороннюю пожарную безопасность, коррозионную защиту, с сохранением гибкости жилы, может быть использована в конструкциях проводов и кабелей, обеспечивая их работоспособность в условиях воздействия экстремальных температур и открытого огня, в том числе в термостойких и огнестойких проводах и кабелях с высокими рабочими характеристиками на стратегически важных объектах (атомные электростанции, метро и пр.), в нефтедобывающей промышленности, в системах охранной и пожарной сигнализации, автоматического тушения пожаров, системах обнаружения и оповещения очагов возгорания, аварийного освещения и аварийной вентиляции, автоматического пожаротушения.