ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫЕ ПАРА И ТРОЙКА, И КАБЕЛИ МОНТАЖНЫЕ, ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ВЗРЫВОБЕЗОПАСНЫЕ, ДЛЯ НИЗКОСКОРОСТНЫХ СИСТЕМ АВТОМАТИКИ С СЕРДЕЧНИКОМ ИЗ ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫХ ПАР ИЛИ ТРОЕК (ВАРИАНТЫ)
SEALED PAIR AND TRIPLE, AND MOUNTING CABLES, MOSTLY EXPLOSION-PROOF, FOR LOW-SPEED AUTOMATION SYSTEMS WITH A CORE FROM SEALED PAIRS OR TRIPLES (OPTIONS)

1. Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к кабельной технике и может быть использовано в конструкциях кабелей, применяемых в низкоскоростных системах автоматики промышленного производства, преимущественно для использования во взрывоопасных зонах.
2. Уровень техники
Современные монтажные кабели для низкоскоростных систем автоматики, применяемых в промышленных производственных помещениях, представляют собой сердечник, из скрученных между собой элементов, поверх которого наложены защитные покрытия. К наиболее важным защитным покрытиям относятся: общий экран, броня, полимерная оболочка. Элементами скрутки являются одиночная жила (изолированная токопроводящая жила) или пара (две изолированные токопроводящие жилы, скрученные между собой), или тройка (три изолированные токопроводящие жилы, скрученные между собой). [1, 2]
Требования к кабелям для взрывоопасных зон сформулированы в [3]. По последним представлениям кабели могут оказаться одной из причин инициации взрыва взрывоопасной газообразной среды, формирующейся в промышленных производственных помещениях [4].
Одним из вариантов создания взрывоопасной ситуации является распространение по сердечнику кабеля, имеющему воздушные полости (неуплотненному), взрывоопасных газообразных смесей, легковоспламеняющихся жидкостей и пламени вследствие взрыва [3]. Такие вещества, попадая по кабелю из взрывоопасной зоны в невзрывоопасную способны привести к взрыву в невзрывоопасной зоне, где инициация взрыва может оказаться неконтролируемой. Предотвращение взрыва в таком случае возможно за счет ограничения передачи взрывоопасных веществ и пламени из взрывоопасной зоны в невзрывоопасную. Обеспечение ограничения передачи взрывоопасных веществ и пламени по сердечнику кабеля, выполняют способом заполнения воздушных полостей в сердечнике полимерным заполнителем [2].
При скрутке сердечника из одиночных жил и заполнении воздушных полостей полимером никаких проблем не возникает. Однако при использовании в качестве элементов пар или троек и заполнении воздушных полостей в сердечнике полимером происходит изменение одного из основных электрических параметров - электрической емкости. Электрическая емкость прямо пропорционально зависит от относительной диэлектрической проницаемости. Относительная диэлектрическая проницаемость воздуха в незаполненном кабеле практически равна единице.
Известные заполнители, основанные на использовании каучуков, имеют номинальное значение относительной диэлектрической проницаемости 3 и более. Заполнители, основанные на использовании термопластов с наполнителями, таких как поливинилхлоридный пластикат и полимерная композиция, не содержащая галогенов, имеют относительную диэлектрическую проницаемость в диапазоне значений от 4 до 6. В результате емкость кабеля с заполненным сердечником увеличивается до двух раз. Это приводит к необходимости снижения электрической емкости кабеля с заполненным сердечником за счет увеличения расстояния между токопроводящими жилами и соответствующего повышения материалоемкости.
Известен монтажный кабель по патенту на полезную модель RU №132244 [5], преимущественно взрывобезопасный, в том числе для искробезопасных цепей, содержащий сердечник не менее, чем из одной многопроволочной токопроводящей медной или медной луженой жилой, изолированной полимером с кислородным индексом не менее 30 и пониженным дымогазовыделением, или не менее, чем из одной группы названных жил, предварительно скрученных между собой в пару или тройку, или четверку, заполнитель из специального поливинилхлоридного пластиката с кислородным индексом не менее 28 с пониженным дымогазовыделением с определенным химическим составом, наложенный поверх сердечника в виде цилиндрической трубки с целью обеспечения круглой цилиндрической формы кабеля и влагозащитную оболочку из полимера с кислородным индексом не менее 35 и пониженным дымогазовыделением.
Заполнитель, наложенный поверх сердечника, не заполняет воздушные полости внутри сердечника, и поэтому не обеспечивает ограничение передачи взрывоопасных веществ и пламени по сердечнику кабеля.
0
Известны кабели стационарной и нестационарной прокладки с изоляцией и оболочкой на основе поливинилхлоридного компаунда или без оболочки на номинальное напряжение U/U до 450/750 В включительно по ГОСТ IEC 60227-1-2011 [6]. Кабели имеют заполнитель, который должен состоять из одного или комбинации следующих материалов:
- компаунда на основе невулканизированной резины или пластмасс;
- натуральной или синтетической пряжи;
- бумаги.
Заполнение внутренних полостей может обеспечиваться экструдированным внутренним покрытием, состоящим из компаунда на основе невулканизированной резины или пластмасс.
Заполнитель в виде компаунда на основе невулканизированной резины или пластмасс при наложении на жилы должны заполнять промежутки между ними, придавая сердечнику практически круглую форму.
0
Известен кабель в облегченной поливинилхлоридной оболочке для стационарной прокладки на номинальное напряжение U/U 300/500 В ГОСТ IEC 60227-4-2011 [7].
В кабеле на скрученные изолированные жилы должно быть наложено методом экструзии внутреннее покрытие из невулканизированной резины или пластмассового компаунда с заполнением промежутков между жилами. Однако, в числе испытаний отсутствуют испытания на соответствие требованию ограниченной газопроницаемости и электрической емкости. Поэтому такой способ является неприемлемым для монтажных кабелей.
В качестве прототипа выберем конструкцию кабеля по ГОСТ IEC 60227-4-2011 [7].
3. Раскрытие сущности изобретения
Сущность предлагаемого изобретения выражается в том, что предлагаемая конструкция кабеля при условии обеспечения ограниченной продольной газопроницаемости повышает гибкость и снижает электрическую емкость пар и троек кабеля.
Как следует из изменения №1 к TP ТС 012/2011 [9], одним из возможных вариантов взрывоопасности в промышленных производствах может являться передача взрывоопасных газов, легковоспламеняющихся жидкостей и пламени по сердечнику кабеля с воздушными полостями из взрывоопасной зоны в невзрывоопасную. В особенности это характерно для электрооборудования с видом взрывозащиты «взрывонепроницаемая оболочка «d».
Поэтому кабели, предназначенные для использования в электроустановках во взрывоопасных зонах [2, 8], имеют сердечники с полимерным заполнением воздушных полостей.
В кабелях силовых и контрольных для применения в электроустановках во взрывоопасных средах [8], внутренние воздушные полости предусмотрено заполнять жгутами из негигроскопичного волокнистого или полимерного материала, или жгутами, выпрессованными из полимерной композиции. Жгут может быть профилированным или выполнен из мягкого материала (невулканизированной резины или другого равноценного материала), который при скрутке жил деформируется и заполняет внутренний промежуток между изолированными жилами, повторяя его форму.
Недостатком такой конструкции кабеля (в особенности для имеющих большое количество жил монтажных кабелей) является значительное увеличение числа скручиваемых элементов в сердечнике за счет дополнительных элементов в виде жгутов, что усложняет операцию скрутки: необходимы машины скрутки с большим числом отдающих катушек, а также снижения скорости скрутки из-за увеличения числа скручиваемых элементов разнородных по своим свойствам (полимерные жгуты и медные изолированные жилы).
В кабелях монтажных [2] предусмотрено использование заполнителей на основе поливинилхлоридных пластикатов или полимерных композиций, не содержащих галогенов. Эти заполнители накладывают экструзионным способом, а отвердевают они после охлаждения.
Недостатком таких кабелей (с отвердевающим заполнителем) является ухудшение гибкости, объясняемое тем, что в каждом поперечном сечении сердечника кабеля существуют продольные связи с предыдущим и последующим сечениями по всей площади сечения), и увеличение электрической емкости. Причем для кабелей многопарных, имеющих более одного повива пар в сердечнике, добавляется повышенная трудоемкость за счет необходимости послойного нанесения заполнителя на каждый повив.
Тем не менее для однопарного кабеля гибкость кабеля с заполненным сердечником является приемлемой. Будем рассматривать сердечник такого кабеля, как цилиндрический пруток, содержащий пару с заполнением воздушных полостей отвердевающим полимерным заполнителем.
а) Технический результат достигается тем, что предлагается герметизированная пара, состоящая из двух однопроволочных или многопроволочных медных или медных луженых токопроводящих жил, с диаметром не менее 0,1 мм, изолированных сплошным полимером, с толщиной изоляции не менее 0,2 мм, скрученных между собой в пару, на которую наложен экструзионным способом сплошной полимерный заполнитель, заполняющий воздушные полости между жилами и отвердевающий после экструзии с образованием цилиндрического прутка с парой, причем в процессе экструзии полимерный заполнитель вспенивают физическим или химическим способом с образованием в нем пузырьков газа, преимущественно диаметром 30-50 мкм.
Сравним между собой скрученную пару без заполнения воздушных полостей и скрученную пару с заполнением воздушных полостей вспененным полимерным заполнителем. И в том и другом случае имеются воздушные полости, но в первом случае - воздушные полости можно представить, как непрерывные каналы, изогнутые в пространстве по спирали, в другом случае - это локальные пузырьки с газом, ограниченные стенками из полимера. При определенных физических условиях по воздушным полостям в паре при отсутствии заполнителя возможно распространение газа или жидкости от одного конца кабеля до другого. Но ни при каких физических условиях передача газа или жидкости вдоль кабеля по вспененному заполнителю за счет объединения пузырьков газа в один непрерывный канал невозможна. Незначительное распространение газа возможно только по линии соприкосновения смежных элементов конструкции: например, по границе между поверхностью цилиндрического прутка с парой и внутренней поверхностью влагозащитной оболочки. Но требование герметичности к кабелю не предъявляется. К кабелю предъявляется требование к ограниченной продольной газопроницаемости по методу Приложения Е ГОСТ IEC 60079-14-2013 [3]. Выполнение этого требования подтверждается опытным путем, то есть, с ограниченной утечкой воздуха.
Покажем, что гибкость цилиндрического прутка с парой и заполнением вспененным заполнителем лучше, чем у цилиндрического прутка с парой и заполнением сплошным заполнителем. Если провести поперечное сечение обоих прутков, то будет видно, что в площади поперечного сечения прутка с вспененным заполнителем за счет пересечения с пузырьками воздуха имеется меньше продольных связей с предыдущим и последующим сечениями, а это означает, что гибкость цилиндрического прутка с вспененным заполнителем лучше. Конструкция пары одинакова в обоих прутках, поэтому на изменение свойств прутка при разных заполнителях не влияет.
Вспенивание материала возможно до наступления предела устойчивости вспененной конструкции, после чего даже незначительные механические воздействия приводят к сминаемости полимера. Опытным путем установлено, что оптимальная устойчивость обеспечивается, если основная масса пузырьков имеет диаметры, находящиеся в диапазоне от 30 до 50 мкм.
Для получения сопоставимых результатов, конструкцию кабеля рассчитывают так, как затем проводят измерение.
В соответствии с ГОСТ 27893-88, п. 4.3.3.5, метод 3 [10] при отсутствии в конструкции кабеля металлической оболочки, экрана или брони, испытываемый образец должен быть помещен в специальный бак с водой. Это означает, что вода выполняет при измерении функцию экрана. Тогда и расчет цилиндрического прутка с парой доложен производиться при условии, что поверх цилиндрического прутка нанесен металлический экран.
Емкость цилиндрического прутка с парой, по поверхности которого наложен экран (Фиг. 1) рассчитывается по формуле [11]:
экв
и
з
где ε - эквивалентная относительная диэлектрическая проницаемость, зависящая от относительных диэлектрических проницаемостей цилиндрического прутка: ε - материала изоляции и ε - материала заполнителя;
d - диаметр токопроводящей жилы;
а - расстояние между центрами токопроводящих жил;
D - диаметр цилиндрического прутка под экраном.
Эквивалентную относительную диэлектрическую проницаемость рассчитывают по формуле [12]:
И
где S - площадь в поперечном сечении, занимаемая материалом изоляции:
З
S - площадь в поперечном сечении, занимаемая материалом заполнителя.
з
Известна формула Лихтенеккера-Ротера для определения относительной диэлектрической проницаемости вспененного материала в зависимости от относительной диэлектрической проницаемости ε сплошного материала и плотностей (формула адаптирована к заполнителю) [13]:
ЗВС
где D - плотность вспененного заполнителя;
З
D - плотность сплошного заполнителя.
ЗВС
З
звс
з
Так как для плотностей вспененного и сплошного заполнителей характерно соотношение D<D, то из формулы (3) следует, что относительная диэлектрическая проницаемость вспененного заполнителя ε всегда меньше относительной диэлектрической проницаемости сплошного заполнителя ε.
экв
Подставляя эквивалентную относительную диэлектрическую проницаемость ε из формулы (2) в формулу (1), получаем:
з
звс
з
Из формулы (4) следует, что при замене цилиндрического прутка с парой и сплошным заполнителем, имеющим относительную диэлектрическую проницаемость ε, на цилиндрический пруток (герметизированную пару) с парой и вспененным заполнителем, имеющим относительную диэлектрическую проницаемость ε, меньшую, чем ε, которая стоит в числителе, электрическая емкость уменьшается, что и подтверждает достижение технического результата.
Для получения дополнительного снижения электрической емкости, целесообразно изоляцию токопроводящих жил также выполнить вспененной с образованием в ней пузырьков газа, преимущественно диаметром 30-50 мкм.
Для обеспечения требования огнестойкости, изоляцию токопроводящих жил в герметизированной паре целесообразно выполнить из керамообразующей кремнийорганической резины. Под воздействием пламени кремнийорганическая резина выгорает, но остатки ее после горения образуют механически стойкую керамику, противостоящую электрическому пробою под воздействием электрического напряжения.
Для обеспечения требования огнестойкости изоляции токопроводящих жил в герметизированной паре, в совокупности с повышением стойкости к воздействию электрического напряжения за счет высокой стойкости слюды к электрическому напряжению при высокой температуре, целесообразно выполнить обмотку токопроводящей жилы под полимерной изоляцией из слюдосодержащей ленты не менее чем одним слоем с перекрытием.
б) Технический результат достигается тем, что предлагается герметизированная тройка, состоящая из трех однопроволочных или многопроволочных медных или медных луженых токопроводящих жил, с диаметром не менее 0,1 мм, изолированных сплошным полимером, с толщиной изоляции не менее 0,2 мм, скрученных между собой в тройку, на которую наложен экструзионным способом сплошной полимерный заполнитель, заполняющий воздушные полости между жилами и отвердевающий после экструзии с образованием цилиндрического прутка стройкой, причем в процессе экструзии полимерный заполнитель вспенивают физическим или химическим способом с образованием в нем пузырьков газа, преимущественно диаметром 30-50 мкм.
Гибкость цилиндрического прутка с тройкой и заполнением вспененным заполнителем лучше, чем у цилиндрического прутка с тройкой и заполнением сплошным заполнителем. Если провести поперечное сечение обоих прутков, то будет видно, что в площади поперечного сечения прутка с вспененным заполнителем за счет пересечения с пузырьками воздуха имеется меньше продольных связей с предыдущим и последующим сечениями, а это означает, что гибкость цилиндрического прутка с вспененным заполнителем лучше.
Емкость цилиндрического прутка с тройкой, по поверхности которого наложен экран (Фиг. 2) рассчитывают по формуле [11]:
экв
Подставляя эквивалентную относительную диэлектрическую проницаемость ε из формулы (2) в формулу (5), получаем:
з
звс
з
Из формулы (6) следует, что при замене цилиндрического прутка с тройкой и сплошным заполнителем, имеющим относительную диэлектрическую проницаемость ε, на цилиндрический пруток с тройкой и вспененным заполнителем, имеющим относительную диэлектрическую проницаемость ε, меньшую, чем ε, которая стоит в числителе, электрическая емкость уменьшается, что и подтверждает достижение технического результата.
Для получения дополнительного снижения электрической емкости, целесообразно изоляцию токопроводящих жил также выполнить вспененной с образованием в ней пузырьков газа, преимущественно диаметром 30-50 мкм.
Для обеспечения лучшего заполнения полостей между жилами в тройке целесообразно скручивать жилы в тройку вокруг круглого полимерного корделя.
Для обеспечения требования огнестойкости, изоляцию токопроводящих жил в герметизированной тройке целесообразно выполнить из керамообразующей кремнийорганической резины. Под воздействием пламени кремнийорганическая резина выгорает, но остатки ее после горения образуют механически стойкую керамику, противостоящую электрическому пробою под воздействием электрического напряжения.
Для обеспечения требования огнестойкости изоляции токопроводящих жил в герметизированной тройке, в совокупности с повышением стойкости к воздействию электрического напряжения за счет высокой стойкости слюды к электрическому напряжению при высокой температуре, целесообразно выполнить обмотку токопроводящей жилы под полимерной изоляцией из слюдосодержащей ленты не менее, чем одним слоем с перекрытием.
в) Технический результат достигается тем, что предлагается кабель монтажный, преимущественного взрывобезопасный, для низкоскоростных систем автоматики, однопарный, содержащий сердечник, состоящий из двух однопроволочных или многопроволочных медных или медных луженых токопроводящих жил, с диаметром не менее 0,1 мм, изолированных полимером, с толщиной изоляции не менее 0,2 мм, скрученных между собой в пару, на которую наложен экструзионным способом сплошной полимерный заполнитель, заполняющий воздушные полости между жилами и отвердевающий после экструзии с образованием цилиндрического прутка с парой и влагозащитную оболочку, причем в качестве сердечника использована герметизированная пара по любому из п.п. 1 или 2.
В ГОСТ IEC 60079-14-2013 [3] предъявлены следующие требования к конструкции кабелей, применяемых в электроустановках во взрывоопасных средах (зонах): диаметр однопроволочных или многопроволочных токопроводящих жил в конструкции токопроводящих жил должны быть не менее 0,1 мм, а толщина изоляции - не менее 0,2 мм. Так как во всех независимых пунктах введены такие ограничения, это означает, что данные кабели относятся к группе взрывобезопасных.
2
2
2
2
Для доказательства того, что кабели по предлагаемому изобретению предназначены для низкоскоростных систем автоматики, обратимся к системам автоматики Foundation™ Fieldbus [14] (относящимся к системам со скоростью передачи 31,25 кбит/с). Магистральным кабелем - шиной, для этой системы служит однопарный кабель из двух скрученных изолированных жил с диаметром токопроводящих жил равным 0,8 мм. Согласно [2] монтажные кабели с парами и тройками выпускают с сечениями токопроводящих жил, равным 0,35; 0,5; 0,75; 1,0; 1,5; 2,5 мм. Диаметр 0,8 мм соответствует сечению 0,67 мм. Поэтому кабели с сечениями токопроводящих жил от 0,75 до 2,5 мм могут применяться для систем со скоростью передачи 31,25 кбит/с. Кабели с сечениями токопроводящих жил 0,35, 0,5 мм и более применяются в аналоговых системах «токовая петля 4-20 мА» по определению являющихся низкоскоростными. Поэтому кабели по предлагаемому изобретению применимы для низкоскоростных систем автоматики.
Наличие сердечника в виде герметизированной пары подтверждает лучшую гибкость по сравнению с кабелем, у которого сердечник представляет собой цилиндрический пруток с парой и заполнителем, выполненным из сплошного полимера.
Измерение емкости подобных кабелей по ГОСТ 27893-88 [10], необходимо производить с погружением в воду. Поэтому расчет емкости следует производить для кабеля, у которого поверх оболочки наложен экран, с использованием формулы (1). Но при этом расчет эквивалентной относительной диэлектрической проницаемости нужно производить по следующей формуле с учетом того, что в состав комбинированной изоляции входит материал влагозащитной оболочки [12]:
о
где ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала оболочки;
О
S - площадь в поперечном сечении, занимаемая материалом оболочки.
Подставляя (7) в (1), получаем:
з
звс
з
Из формулы (8) следует, что при замене цилиндрического прутка с парой и сплошным заполнителем, имеющим относительную диэлектрическую проницаемость ε, на цилиндрический пруток (герметизированную пару) с парой и вспененным заполнителем, имеющим относительную диэлектрическую проницаемость ε, меньшую, чем ε, которая стоит в числителе, электрическая емкость уменьшается, что и подтверждает достижение технического результата.
Для защиты от внешних электромагнитных воздействий целесообразно поверх сердечника в виде герметизированной пары наложить общий экран в виде оплетки или обмотки из медных или медных луженых проволок или из металлополимерной ленты обмоткой или продольно со скрепляющей нитью, с перекрытием, металлом внутрь с подпущенным под экраном контактным проводником из одной или нескольких медных или медных луженых проволок.
Для защиты от продольных или радиальных механических нагрузок под влагозащитную оболочку целесообразно наложить броню в виде оплетки или обмотки из круглых металлических проволок или в виде обмотки из металлических лент с перекрытием.
г) Технический результат достигается тем, что предлагается кабель монтажный, преимущественно взрывобезопасный, для низкоскоростных систем автоматики, однотроечный, содержащий сердечник, состоящий из трех однопроволочных или многопроволочных медных или медных луженых токопроводящих жил с диаметром не менее 0,1 мм, изолированных полимером с толщиной изоляции не менее 0,2 мм, скрученных между собой в тройку, на которую наложен экструзионным способом сплошной полимерный заполнитель, заполняющий воздушные полости между жилами и отвердевающий после экструзии с образованием цилиндрического прутка с тройкой и влагозащитную оболочку, причем в качестве сердечника использована герметизированная тройка по любому из п.п. 3 или 4.
Наличие в ограничительной части независимого пункта требований к диаметру однопроволочных или многопроволочных токопроводящих жил (не менее 0,1 мм) и толщине изоляции (не менее 0,2 мм) подтверждает, что предлагаемый кабель является взрывобезопасным.
2
2
2
Согласно [2] монтажные кабели с парами и тройками выпускают с сечением токопроводящих жил, равными 0,35; 0,5; 0,75; 1,0; 1,5; 2,5 мм. Из них кабели с сечениями токопроводящих жил, равными (0,75-2,5) мм применяют в системах автоматики Foundation™ Fieldbus [14], а с сечениями токопроводящих жил равными 0,35, 0,5 мм и более для систем автоматики «токовая петля 4-20 мА». Что и подтверждает применимость кабелей к низкоскоростным системам автоматики.
Наличие сердечника в виде герметизированной тройки подтверждает лучшую гибкость по сравнению с кабелем, у которого сердечник представляет собой цилиндрический пруток с тройкой и заполнителем, выполненным из сплошного полимера.
Измерение емкости подобных кабелей по ГОСТ 27893-88 [10], необходимо производить с погружением в воду. Поэтому расчет емкости следует производить для кабеля, у которого поверх оболочки наложен экран, с использованием формулы (5). А расчет эквивалентной относительной диэлектрической проницаемости нужно производить по формуле (7).
Подставляя (7) в (5), получаем:
з
звс
з
Из формулы (9) следует, что при замене цилиндрического прутка с тройкой и сплошным заполнителем, имеющим относительную диэлектрическую проницаемость ε, на цилиндрический пруток (герметизированную тройку) с тройкой и вспененным заполнителем, имеющим относительную диэлектрическую проницаемость ε, меньшую, чем ε, которая стоит в числителе, электрическая емкость уменьшается, что и подтверждает достижение технического результата.
Для защиты от внешних электромагнитных воздействий целесообразно поверх сердечника в виде герметизированной тройки наложить общий экран в виде оплетки или обмотки из медных или медных луженых проволок или из металлополимерной ленты обмоткой или продольно со скрепляющей нитью, с перекрытием, металлом внутрь с подпущенным под экраном контактным проводником из одной или нескольких медных или медных луженых проволок.
Для защиты от продольных или радиальных механических нагрузок под влагозащитную оболочку целесообразно наложить броню в виде оплетки или обмотки из круглых металлических проволок или в виде обмотки из металлических лент с перекрытием.
д) Технический результат достигается тем, что предлагается кабель монтажный, преимущественного взрывобезопасный, для низкоскоростных систем автоматики, многопарный, содержащий сердечник, состоящий не менее, чем из четырех однопроволочных или многопроволочных медных или медных луженых токопроводящих жил с диаметром не менее 0,1 мм, изолированных полимером с толщиной изоляции не менее 0,2 мм, скрученных между собой попарно, на каждую пару наложен экструзионным способом сплошной полимерный заполнитель, заполняющий воздушные полости между жилами и отвердевающий после экструзии с образованием цилиндрического прутка с парой, цилиндрические прутки с парами скручены в сердечник, воздушные полости между цилиндрическими прутками заполнены вязкоадгезивным заполнителем, наложенный поверх сердечника экструзионным способом отвердевающий после экструзии полимерный заполнитель в виде цилиндрической трубки, и влагозащитную оболочку, отличающийся тем, что в виде цилиндрических прутков в сердечнике использованы герметизированные пары по любому из п.п. 1 или 2.
Наличие в ограничительной части независимого пункта формулы требований к диаметру однопроволочных или многопроволочных токопроводящих жил (не менее 0,1 мм) и толщине изоляции (не менее 0,2 мм) подтверждает, что предлагаемый кабель является взрывобезопасным.
2
2
2
Согласно [2] монтажные кабели с парами и тройками выпускают с сечением токопроводящих жил, равными 0,35; 0,5; 0,75; 1,0; 1,5; 2,5 мм. Из них кабели с сечениями токопроводящих жил, равными (0,75-2,5) мм применяют в системах автоматики Foundation™ Fieldbus [14], а с сечениями токопроводящих жил равными 0,35, 0,5 мм и более для систем автоматики «токовая петля 4-20 мА». Что и подтверждает применимость кабелей к низкоскоростным системам автоматики.
Наличие в сердечнике кабеля герметизированных пар, подтверждает лучшую гибкость по сравнению с кабелем, у которого в сердечнике имеются цилиндрические прутки с парами и заполнителем, выполненным из сплошного полимера.
Электрическую емкость пары рассчитывают с учетом близости соседних пар многопарного кабеля по формуле [11]:
где  - коэффициент укрутки пар в сердечнике;
Ψ - поправочный коэффициент, учитывающий близость токопроводящих жил соседних пар, представленный в таблице 1.7 [11].
Наличие общего экрана по сердечнику не является определяющим для расчета и измерения электрической емкости пар многопарных кабелей. На рассчитываемое и измеряемое значение электрической емкости влияет только диэлектрик, находящийся в пределах токопроводящих жил пар в сердечнике, создающих экранирующее воздействие на конкретную пару.
Поэтому эквивалентную относительную диэлектрическую проницаемость рассчитывают по формуле:
зж
где ε - относительная диэлектрическая проницаемость вязкоадгезивного заполнителя в сердечнике многопарного кабеля;
ЗЖ
S - площадь в поперечном сечении многопарного кабеля, занимаемая вязкоадгезивным заполнителем.
Подставляя формулу (11) в формулу (10), получаем:
з
звс
з
Из формулы (12) следует, что при замене цилиндрических прутков с парами и сплошным заполнителем, имеющим относительную диэлектрическую проницаемость ε, на цилиндрические прутки (герметизированные пары) с парой и вспененным заполнителем, имеющим относительную диэлектрическую проницаемость ε, меньшую, чем ε, которая стоит в числителе, электрическая емкость уменьшается, что и подтверждает достижение технического результата.
Для защиты пар от внутренних электромагнитных воздействий соседних пар в сердечнике целесообразно наложить групповой экран на каждую герметизированную пару в виде оплетки или обмотки из медных или медных луженых проволок или из металлополимерной ленты обмоткой или продольно со скрепляющей нитью, с перекрытием металлом внутрь с подпущенным под экраном контактным проводником из одной или нескольких медных или медных луженых проволок, а поверх группового экрана наложить поясную изоляцию в виде обмотки полимерными лентами с перекрытием или выполненную экструзионным способом в виде полимерной трубки.
Для обеспечения симметричности конструкции сердечника кабеля целесообразно наряду с герметизированными парами использовать полимерные кордели с диаметром равным диаметру герметизированных пар.
Для защиты от внешних электромагнитных воздействий целесообразно поверх полимерного заполнителя в виде цилиндрической трубки наложить общий экран в виде оплетки или обмотки из медных или медных луженых проволок или из металлополимерной ленты обмоткой или продольно со скрепляющей нитью, с перекрытием, металлом внутрь с подпущенным под экраном контактным проводником из одной или нескольких медных или медных луженых проволок.
Для защиты от продольных или радиальных механических нагрузок под влагозащитную оболочку целесообразно наложить броню в виде оплетки или обмотки из круглых металлических проволок или в виде обмотки из металлических лент с перекрытием.
е) Технический результат достигается тем, что предлагается кабель монтажный, преимущественного взрывобезопасный, для низкоскоростных систем автоматики, многотроечный, содержащий сердечник, состоящий не менее, чем из шести однопроволочных или многопроволочных медных или медных луженых токопроводящих жил с диаметром не менее 0,1 мм, изолированных полимером с толщиной изоляции не менее 0,2 мм, скрученных между собой потроечно, на каждую тройку наложен экструзионным способом сплошной полимерный заполнитель, заполняющий воздушные полости между жилами и отвердевающий после экструзии с образованием цилиндрического прутка с тройкой, цилиндрические прутки с тройками скручены в сердечник, воздушные полости между цилиндрическими прутками заполнены вязкоадгезивным заполнителем, наложенный поверх сердечника экструзионным способом отвердевающий после экструзии полимерный заполнитель в виде цилиндрической трубки, и влагозащитную оболочку, отличающийся тем, что в виде цилиндрических прутков в сердечнике использованы герметизированные тройки по любому из п.п. 3 или 4.
Наличие в ограничительной части независимого пункта формулы требований к диаметру однопроволочных или многопроволочных токопроводящих жил (не менее 0,1 мм) и толщине изоляции (не менее 0,2 мм) подтверждает, что предлагаемый кабель является взрывобезопасным.
2
2
2
Согласно [2] монтажные кабели с парами и тройками выпускают с сечением токопроводящих жил, равными 0,35; 0,5; 0,75; 1,0; 1,5; 2,5 мм. Из них кабели с сечениями токопроводящих жил, равными (0,75-2,5) мм применяют в системах автоматики Foundation™ Fieldbus [14], а с сечениями токопроводящих жил равными 0,35, 0,5 мм и более для систем автоматики «токовая петля 4-20 мА». Что и подтверждает применимость кабелей к низкоскоростным системам автоматики.
Наличие в сердечнике кабеля герметизированных троек, подтверждает лучшую гибкость по сравнению с кабелем, у которого в сердечнике имеются цилиндрические прутки с тройками и заполнителем, выполненным из сплошного полимера.
При расчете и измерении пары из любого сочетания одиночных жил в тройке, остальные токопроводящие жилы этой и других троек многотроечного кабеля создают экранирующий эффект, аналогичный эффекту в многопарном кабеле, поэтому для расчета электрической емкости пары в тройке, применимы те же формулы (10) и (12), что и для расчета емкости пары в многопарном кабеле.
з
звс
з
Из формулы (12) следует, что при замене цилиндрических прутков с тройками и сплошным заполнителем, имеющим относительную диэлектрическую проницаемость ε, на цилиндрические прутки (герметизированные тройки) с тройками и вспененным заполнителем, имеющим относительную диэлектрическую проницаемость ε, меньшую, чем ε, которая стоит в числителе, электрическая емкость уменьшается, что и подтверждает достижение технического результата.
Для защиты троек от внутренних электромагнитных воздействий соседних троек в сердечнике целесообразно наложить групповой экран на каждую герметизированную тройку в виде оплетки или обмотки из медных или медных луженых проволок или из металлополимерной ленты обмоткой или продольно со скрепляющей нитью, с перекрытием металлом внутрь с подпущенным под экраном контактным проводником из одной или нескольких медных или медных луженых проволок, а поверх группового экрана наложить поясную изоляцию в виде обмотки полимерными лентами с перекрытием или выполненную экструзионным способом в виде полимерной трубки.
Для обеспечения симметричности конструкции сердечника кабеля целесообразно наряду с герметизированными тройками использовать полимерные кордели с диаметром равным диаметру герметизированных троек.
Для защиты от внешних электромагнитных воздействий целесообразно поверх полимерного заполнителя в виде цилиндрической трубки наложить общий экран в виде оплетки или обмотки из медных или медных луженых проволок или из металлополимерной ленты обмоткой или продольно со скрепляющей нитью, с перекрытием металлом внутрь с подпущенным под экраном контактным проводником из одной или нескольких медных или медных луженых проволок.
Для защиты от продольных или радиальных механических нагрузок под влагозащитную оболочку целесообразно наложить броню в виде оплетки или обмотки из круглых металлических проволок или в виде обмотки из металлических лент с перекрытием.
4. Краткое описание чертежей
Предлагаемое изобретение поясняется конкретными примерами исполнения, представленными на чертежах:
- Фиг. 1 - схематическое изображение поперечного сечения герметизированной пары;
- Фиг. 2 - схематическое изображение поперечного сечения герметизированной тройки;
- Фиг. 3 - схематическое изображение однопарного монтажного кабеля, преимущественно взрывобезопасного, для низкоскоростных систем автоматики с сердечником в виде герметизированной пары;
- Фиг. 4 - схематическое изображение однотроечного монтажного кабеля, преимущественно взрывобезопасного, для низкоскоростных систем автоматики с сердечником в виде герметизированной тройки;
- Фиг. 5 - схематическое изображение многопарного монтажного кабеля, преимущественно взрывобезопасного, для низкоскоростных систем автоматики с сердечником, скрученным из герметизированных пар, с непрерывными полостями между герметизированными парами, заполненными вязкоадгезивным заполнителем, наложенным поверх сердечника, отвердевающим после экструзии полимерным заполнителем в виде цилиндрической трубки и влагозащитной оболочкой;
- Фиг. 6 - схематическое изображение многотроечного монтажного кабеля, преимущественно взрывобезопасного, для низкоскоростных систем автоматики с сердечником, скрученным из герметизированных троек, с непрерывными полостями между герметизированными тройками, заполненными вязкоадгезивным заполнителем, наложенным поверх сердечника, отвердевающим после экструзии полимерным заполнителем в виде цилиндрической трубки и влагозащитной оболочкой;
Изображенная на чертеже Фиг. 1 герметизированная пара в поперечном сечении, содержит две однопроволочные или многопроволочные медные или медные луженые токопроводящие жилы 1 с диаметром не менее 0,1 мм, изолированные сплошным полимером 2 с толщиной изоляции не менее 0,2 мм, скрученные между собой в пару, на которую наложен экструзионным способом вспененный полимерный заполнитель 3, заполняющий непрерывные полости между жилами и отвердевающий после экструзии с образованием цилиндрического прутка с парой.
Изображенная на чертеже Фиг. 2 герметизированная тройка в поперечном сечении, содержит три однопроволочные или многопроволочные медные или медные луженые токопроводящие жилы 1 с диаметром не менее 0,1 мм, изолированные сплошным полимером 2 с толщиной изоляции не менее 0,2 мм, скрученных между собой в тройку, на которую наложен экструзионным способом вспененный полимерный заполнитель 3, заполняющий непрерывные полости между жилами и отвердевающий после экструзии с образованием цилиндрического прутка с тройкой.
Изображенный на чертеже Фиг. 3 кабель монтажный, преимущественно взрывобезопасный, для низкоскоростных систем автоматики, однопарный, содержащий сердечник в виде герметизированной пары, изображенной на чертеже Фиг. 1, из двух однопроволочных или многопроволочных медных или медных луженых токопроводящих жил 1 с диаметром не менее 0,1 мм, изолированных сплошным полимером 2 с толщиной изоляции не менее 0,2 мм, скрученных между собой в пару, на которую наложен экструзионным способом вспененный полимерный заполнитель 3, заполняющий непрерывные полости между жилами и отвердевающий после экструзии с образованием цилиндрического прутка с парой, и влагозащитную оболочку 4.
Изображенный на чертеже Фиг. 4 кабель монтажный, преимущественно взрывобезопасный, для низкоскоростных систем автоматики, однотроечный, содержащий сердечник в виде герметизированной тройки, изображенной на чертеже Фиг. 2, из трех однопроволочных или многопроволочных медных или медных луженых токопроводящих жил 1 с диаметром не менее 0,1 мм, изолированных сплошным полимером 2 с толщиной изоляции не менее 0,2 мм, скрученных между собой в тройку, на которую наложен экструзионным способом вспененный полимерный заполнитель 3, заполняющий непрерывные полости между жилами и отвердевающий после экструзии с образованием цилиндрического прутка с тройкой, и влагозащитную оболочку 4.
Изображенный на чертеже Фиг. 5 кабель монтажный, преимущественно взрывобезопасный, для низкоскоростных систем автоматики, многопарный, содержащий сердечник, состоящий не менее, чем из двух герметизированных пар, изображенных на чертеже Фиг. 1 (на чертеже Фиг. 5 три герметизированные пары), каждая пара состоит из двух однопроволочных или многопроволочных медных или медных луженых токопроводящих жил 1 с диаметром не менее 0,1 мм, изолированных сплошным полимером 2 с толщиной изоляции не менее 0,2 мм, жилы в парах скручены между собой, на каждую пару наложен экструзионным способом вспененный полимерный заполнитель 3, заполняющий непрерывные полости между жилами и отвердевающий после экструзии с образованием цилиндрического прутка с парой, герметизированные пары скручены в сердечник, непрерывные полости в котором, между герметизированными парами заполнены вязкоадгезивным заполнителем 5, наложенный поверх сердечника экструзионным способом отвердевающий после экструзии полимерный заполнитель 6, и влагозащитную оболочку 4.
Изображенный на чертеже Фиг. 6 кабель монтажный, преимущественно взрывобезопасный, для низкоскоростных систем автоматики, многотроечный, содержащий сердечник, состоящий не менее, чем из двух герметизированных троек, изображенных на чертеже Фиг. 2 (на чертеже Фиг. 6 три герметизированные тройки), каждая тройка состоит из трех однопроволочных или многопроволочных медных или медных луженых токопроводящих жил 1 с диаметром не менее 0,1 мм, изолированных сплошным полимером 2 с толщиной изоляции не менее 0,2 мм, жилы в тройках скручены между собой, на каждую тройку наложен экструзионным способом вспененный полимерный заполнитель 3, заполняющий непрерывные полости между жилами и отвердевающий после экструзии с образованием цилиндрического прутка с тройкой, герметизированные тройки скручены в сердечник, непрерывные полости в котором, между герметизированными тройками заполнены вязкоадгезивным заполнителем 5, наложенный поверх сердечника экструзионным способом отвердевающий после экструзии полимерный заполнитель 6, и влагозащитную оболочку 4.
5. Осуществление изобретения
Медные проволоки для токопроводящих жил 1 изготавливают из медной проволоки «катанки», как правило, диаметром 8 мм методом волочения. В зависимости от диаметра готовой проволоки могут использоваться следующие операции: грубое и среднее волочение или грубое, среднее и тонкое волочение.
Для обеспечения мягкости проволоку подвергают отжигу в специальных печах отжига или на проход на операции волочения. Для получения луженых проволок отжиг не требуется. Лужение производится горячим способом, в результате чего проволока становится мягкой.
Многопроволочные токопроводящие жилы 1 скручиваются из необходимого количества проволок на крутильных машинах сигарного, рамочного или фонарного типа.
Полимерная изоляция токопроводящих жил накладывается на экструзионных линиях. Если необходимо наложить изоляцию из вспененного полимера, то в экструзионную линию встраивается установка физического вспенивания. При использовании химического способа вспенивания, необходимо применять гранулы полимера, содержащие вспенивающий реагент.
Скрутка изолированных жил в группы - пару или тройку производится обычно на машинах рамочного типа.
Наложение заполнителя 3 на скрученные пары или тройки производят экструзионным способом. При использовании физического способа вспенивания в линию встраивают установку физического вспенивания, при использовании химического способа вспенивания - применяют гранулы полимера, содержащие вспенивающий реагент.
Экран в виде оплетки или обмотки накладывается на оплеточных или обмоточных машинах. Предварительно возможна тростка (объединение) проволок в пучки на тростильных машинах.
Экран из металлополимерной ленты накладывается обмоткой по спирали с перекрытием на обмоточных машинах. Экран накладывается металлом внутрь, а под него подпускают продольно медную или медную луженую проволоку (контактный проводник), одну или несколько.
Групповой и общий экран накладывают по одной технологии.
Операция наложения вязкоадгезивного заполнителя 5 совмещена с операцией наложения поверх сердечника отвердевающего после экструзии полимерного заполнителя в виде цилиндрической трубки 6.
Полимерный заполнитель в виде цилиндрической трубки 6 накладывают на экструзионной линии, при этом вязкоадгезивный заполнитель 5 вводят в сердечник перед поступлением в дорн.
Броню в виде оплетки или обмотки из круглых металлических проволок накладывают на оплеточных или обмоточных машинах, соответственно.
Предварительно возможна тростка металлических проволок (объединение) на тростильных машинах.
Броню в виде металлических лент накладывают обмоткой с перекрытием на бронировочных машинах.
Влагозащитную оболочку 4 накладывают на экструзионных линиях традиционным способом.
Для подтверждения заявленного изобретения были изготовлены два четырехпарных кабеля: А длиной 72 м и В длиной 102 м, отличающиеся только одним конструктивным элементом - изготовлением заполнителя герметизированной пары (вспененного 53%) и цилиндрического прутка (сплошного).
2
Токопроводящие жилы сечением 1,5 мм из семи проволок номинальным диаметром 0,53 мм. Толщина изоляции из поливинилхлоридного пластиката - 0,7 мм. Шаг скрутки пар - 60-70 мм. Герметизированные пары (цилиндрические прутки) скручены в сердечник. Поверх сердечника наложен заполнитель в виде цилиндрической трубки из поливинилхлоридного пластиката марки ОМ-150, а внутренние полости заполнены вязкоадгезивным заполнителем на основе кремнийорганического компаунда. Поверх заполнителя в виде цилиндрической трубки наложена оболочка из поливинилхлоридного пластиката.
Измеряли электрическую емкость пар по ГОСТ 27893-88 [9] и ограниченную газопроницаемость по ГОСТ Р 59387-2021 [2].
Для кабеля А емкость пар получена в диапазоне 127-134 нФ на длине 1 км, падение давления за время 5 с составило 0,04 кПа.
Для кабеля В емкость пар получена в диапазоне 171-177 нФ на длине 1 км, падение давления за время 5 с составило 0,06 кПа.
Нормируемые значения: емкость не более 200 нФ на длине 1 км, падение давления за время 5 с - не более 0,15 кПа.
По емкости получено реальное преимущество, которое должно быть реализовано в виде улучшения параметров передачи.
Различие по ограниченной газопроницаемости случайное и несущественное, так как различие между вспененным и сплошным заполнениями на продольное распространение газа не влияет.
6. Библиография
1. EN 50288-7 - Multi-element metallic cables used in analogue and digital communication and control. Part 7: Sectional specification for instrumentation and control cables. URL: https://nd.gostinfo.ru/document/5372597.aspx? (дата обращения: 04.04.2022).
2. ГОСТР P 59387-2021 Кабели монтажные для использования в электроустановках во взрывоопасных зонах, в том числе для подземных выработок. Общее технические условия, М., Стандартинформ, 2021 г. - 46 с.
3. ГОСТ IEC 60079-14-2013 Взрывоопасные среды. Часть 14. Проектирование, выбор и монтаж электроустановок М., Стандартинформ, 2014 г. - 125 с.
4. Бычков В.В., Залогин А.С., Лобанов А.В., Поршина А.П. Физические основы инициации взрыва газообразной или пылевой взрывоопасной среды электрическими кабелями. //Кабели и провода - 2020 г. - №5 - стр. 13-21.
5. Патент на полезную модель RU №132244 Кабель монтажный преимущественно взрывобезопасный, в том числе для искробезопасных цепей (варианты) от 07.06.2010 г. (Н01В 7/295)
6. ГОСТ IEC 60227-1-2011 Кабели с поливинилхлоридной изоляцией на номинальное напряжение до 450/750 В включительно. Часть 1. Общие требования. // М., Стандартинформ, 2013 г. - 20 с.
7. ГОСТ IEC 60227-4-2011 Кабели с поливинилхлоридной изоляцией на номинальное напряжение до 450/750 В включительно. Кабели в оболочке для стационарной прокладки. // М., Стандартинформ, 2014 г. - 9 с.
8. ГОСТ Р 58342-2019 Кабели силовые и контрольные для применения в электроустановках во взрывоопасных средах. Общие технические условия. // М., Стандартинформ, 2019 г. - 26 с.
9. Изменение №1 в технический регламент Таможенного союза TP ТС 012/2011 «О безопасности оборудования для работы во взрывоопасных средах» (TP ТС 012/2011). URL: https://www.normacs.info/proiects/6830/
10. ГОСТ 27893-88 Кабели связи. Методы испытаний. // М., Стандартинформ, 2010 г., 9
11. Д.С. Бачелис, Н.И. Белоруссов, А.Е. Саакян Электрические кабели, провода и шнуры // М., «Энергия», 1971 г., 704 с.
12. Ксенофонтов С.Н., Портнов Э.Л. Направляющие системы электросвязи. Сборник задач // М., Горячая линия - Телеком., 2004. - 268 с.
13. Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов // М., «Энергия», 1973 г., 328 с.
14. Рекомендации по проектированию систем Foundation™ Fieldbus AG-181 рев. 2.0. URL: http://www.fieldbus.org.