Огнестойкий провод и огнестойкий кабель для пожарной сигнализации (варианты)
FIRE-RESISTANT WIRE AND FIRE-RESISTANT CABLE FOR FIRE ALARM (VERSIONS)

Изобретение относится к кабельной технике, а именно: к конструкциям огнестойких проводов, работоспособных в течение длительного времени (от 30 до 180 мин по ГОСТ IEC60331-23-2011) под прямым воздействием пламени, в том числе в системах пожарной сигнализации, а также к конструкциям огнестойких кабелей пожарной сигнализации. 1. Уровень техники
Известно множество патентов на огнестойкие кабели, в которых требование огнестойкости обеспечивается конструкцией огнестойкой жилы (провода).
Совершенствование конструкции огнестойкой жилы произошло исторически в процессе усложнения требований, характеризующих условия работы огнестойкого кабеля.
Первым требованием было поддержание нормированного значения рабочего напряжения в течение всего времени прямого воздействия пламени.
Решение этой задачи было представлено в Российском патенте на полезную модель: №40523.
В качестве решения было предложено поверх каждой токопроводящей жилы (провода) наложить барьер в виде обмотки с перекрытием слюдосодержащей лентой или огнеупорной лентой с кислородным индексом 90 и температурным индексом 400°С.
(В России слюдосодержащая лента, состоящая из одного или двух слоев слюдинитовой бумаги с односторонней или двухсторонней стекловолокнистой обложкой, пропитанная или сухая, называется слюдинитовой согласно «Справочника по электротехническим материалам» том 2, под редакцией Ю.В. Корицкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева, М., Энергоатомиздат, 1987 г.).
Отдельным решением является обмотка или оплетка токопроводящей жилы (провода) неорганическими нитями согласно Российскому патенту на полезную модель №85031.
При наличии полимерного слоя изоляции по неорганическим нитям подобная жила не уступает огнестойкой жиле (проводу) с обмоткой из слюдинитовой ленты. Но в процессе пожара при выгорании полимера оплетка или обмотка из нитей становится более доступной для проникновения воды.
Кроме того, линейная скорость наложения нити оплеткой или обмоткой ниже линейной скорости наложения слюдинитовой ленты обмоткой, что делает конструкцию с обмоткой или оплеткой нитями малопривлекательной.
Перечисленные полезные модели решили поставленную задачу. Но в течение возникшего пожара производится пожаротушение, зачастую с использованием воды для сбивания пламени. Перекрытие слоев слюдинитовой ленты, а, тем более, оплетка или обмотка из огнеупорных нитей не предотвращают проникновение воды, что приводит к образованию короткого замыкания между токопроводящими жилами и, тем самым, не обеспечивает работоспособности огнестойкой жилы.
Решению усложненной задачи обеспечения работоспособности огнестойкой жилы (провода) после воздействия пламени при последующем воздействии воды были посвящены следующие Российские патенты на полезные модели: №№49340; 53806.
В качестве решения в перечисленных патентах предлагается выполнять огнестойкую изоляцию каждой жилы (провода) в виде экструдированного сплошного концентрического слоя из композиционного материала, который под воздействием пламени превращается в огнестойкую керамику. В частности это может быть специальная силиконовая (кремнийорганическая резина), как в патенте №49340 или синтетический каучук, как в патенте №53806, содержащие негорючие наполнители.
Такие конструкции решили задачу по предотвращению попадания воды в процессе пожара при частичном выгорании изоляции и закорачивании жил между собой. Однако возникло очередное требование: при пожаре и в процессе его тушения возможны одиночные и многократные удары по основе, на которой крепится кабель.
Известен патент на Российское изобретение №2542350 «Кабель электрический огнестойкий, преимущественно взрывопожаробезопасный, не распространяющий горение для искробезопасных цепей».
Огнестойкие жилы (провода) такого кабеля выполнены с двухслойной комбинированной изоляцией, первый слой, прилегающий к токопроводящей жиле, выполнен экструдированным из силиконовой резины, керамизирующейся в условиях воздействия пламени, второй слой выполнен не менее чем одной слюдинитовой лентой, наложенной обмоткой по спирали с перекрытием слюдяным покрытием внутрь, с натяжением ленты при обмотке не менее 7 Н.
Кабели с подобными огнестойкими жилами (проводами) выдерживают требования работоспособности при прямом воздействии пламени (огнестойкости), с последующим поливом водой и ударами по основе, к которой крепится кабель. Однако конструкция применяемой огнестойкой жилы (провода) не технологична: изоляция накладывается на двух технологических операциях, причем вторая операция выполняется на низкой скорости равной 3-5 м/мин.
В качестве прототипа выберем кабель по патенту на изобретение №2542350.
2. Сущность изобретения
Сущность предлагаемого изобретения заключается в создании огнестойкого провода, обеспечивающего работоспособность кабеля под прямым воздействием пламени с последующим (после выдержки под воздействием пламени в течение требуемого времени) проливанием воды на участок кабеля, находящийся под воздействием пламени и ударами по основанию, к которому крепится кабель, при условии оптимальной технологичности процесса наложения изоляции на огнестойкий провод и создании огнестойкого кабеля пожарной сигнализации, выдерживающего подобное испытание.
3. Технический результат
Технический результат достигается тем, что предлагается конструкция огнестойкого провода, состоящего из однопроволочной или многопроволочной токопроводящей жилы с наложенной вокруг нее концентрически огнестойкой изоляцией, выполненной комбинированной в виде экструдированного слоя из керамизирующейся силиконовой резины с встроенными внутри нее продольно не менее одной огнеупорной нити.
Керамизирующаяся силиконовая резина при прямом воздействии пламени превращается в керамику, которая исполняет роль барьера между токопроводящими жилами, мешая им соприкасаться между собой под механическим воздействием пламени и за счет возможного появлении воды при тушении пожара.
Для придания механической прочности образующейся керамике с целью обеспечения устойчивости к совместному воздействию охлаждающей воды и ударов по основанию, в изоляцию встраивается не менее одной огнеупорной нити, создающей каркас, препятствующий разрушению керамики. Нити встраиваются в изоляцию за один проход совместно с наложением изоляции методом экструзии. При этом используется компрессионный метод. Применяемый в этом случае дорн 4 представлен схематическим изображением на Фиг. 2. В дорне 4 наряду с центральным отверстием 5 для токопроводящей жилы высверливаются дополнительные отверстия 6 вокруг него в количестве равном числу используемых нитей. Отдача нитей производится флаерными отдатчиками непосредственно с катушек с нитями, устанавливаемых рядом с головкой экструдера. Перед дорном устанавливают направляющую розетку с требуемым числом отверстий. При такой технологии не снижается скорость экструзии.
Такая технология является оптимальной по сравнению с применяемой для изготовления прототипа, требующей две технологические операции, одна из которых является низкоскоростной.
Огнестойкость провода в совокупности с оптимальностью технологии наложения изоляции и является подтверждением достижения технического результата.
Для большего охвата изолирующей массы и для обеспечения работы изоляции при растягивающих усилиях целесообразно расположить встраиваемые в изоляцию огнеупорные нити по спирали.
Для обеспечения симметричности образования керамического слоя вокруг токопроводящей жилы целесообразно на каждый огнестойкий провод наложить поверх изоляции обмоткой с перекрытием не менее одной стеклоленты.
При необходимости повышения рабочего напряжения, прикладываемого к токопроводящим проводам в кабеле, поверх силиконовой изоляции целесообразно наложить обмоткой с перекрытием не менее одной слюдинитовой ленты.
Кабели пожарной сигнализации служат для подсоединения датчиков сигнализации дыма или пламени с центральным управляющим прибором. При этом на одну пару токопроводящих жил кабеля может быть установлено до 32 датчиков. Кабели пожарной сигнализации применяются для передачи ступенчатых сигналов постоянного тока.
Например: ультрафиолетовый/инфракрасный и ультрафиолетовый унифицированные детекторы пламени моделей FL3110/FL3111. Электронная схема детекторов находится внутри взрывонепроницаемого корпуса, что позволяет производить обработку информации непосредственно в месте обнаружения. Детекторы преимущественно имеют ступенчатый аналоговый выход в системе автоматики «4-20 мА».
Особенностью системы пожарной сигнализации является то, что датчики, как правило, устанавливают на потолке. Через весь потолок штробят канавку, в которой прокладывают и закрепляют кабель, после чего канавку замазывают шпатлевкой.
В процессе горения горячие газы быстро поднимаются к потолку и нагревают поверхность потолка. Дополнительно происходит нагрев поверхности потолка за счет радиационного излучения.
Сотрудники ВНИИПО («Моделирование пожаров и взрывов» под общей редакцией Н.Н. Брушлинского и А.Я. Корольченко, М., Ассоциация «Пожнаука», 2000 г.) расчетным путем установили, что при горении этанола на полу помещения, под потолком высотой 2,5 м через 120 с установится температура 873°С, через 270 с - температура 1273°С. Экспериментальная проверка дала приблизительно совпадающие результаты.
При температурах порядка 500-600°С произойдет высыхание и высыпание шпатлевки, затем самовоспламенение силиконовой резины с переходом в керамическое состояние. Однако действие в этот момент времени сил гравитации приведет к тому, что неукрепленная изоляция осыплется и керамика не сформируется. Наличие огнеупорных нитей позволит сформировать керамическую структуру, опирающуюся на нити.
С целью предотвращения механического воздействия пламени на жилы кабеля на сердечник накладывают обмотку с перекрытием из слюдинитовой ленты.
Использование огнестойкого провода по данному изобретению и использование обмотки сердечника слюдинитовой лентой позволит сохранить керамическую огнестойкую изоляцию в кабеле для пожарной сигнализации и обеспечит его огнестойкость.
Для повышения компактности и помехозащищенности кабеля в случае передачи высокочастотных и цифровых сигналов целесообразно провода скрутить в пары и в сердечник.
Если в кабеле более одной пары проводов, то для защиты от внутренних электромагнитных влияний (между парами), целесообразно на каждую пару наложить электромагнитный экран. В зависимости от степени воздействия и частоты электромагнитных влияющих полей экран может быть выполнен в виде оплетки или обмотки медными или медными лужеными проволоками или наложенным обмоткой с перекрытием не менее чем одной металлополимерной лентой с дренажной проволокой, или комбинированным из металлополимерной ленты, наложенной продольно или обмоткой с перекрытием металлом кверху, и наложенной поверх нее оплетки или обмотки медными или медными лужеными проволоками.
Если кабель работает в условиях повышенных электромагнитных воздействий извне, то целесообразно на названный сердечник наложить общий электромагнитный экран. В зависимости от степени воздействия и частоты внешних электромагнитных влияющих полей экран может быть выполнен в виде оплетки или обмотки медными или медными лужеными проволоками или наложенным обмоткой с перекрытием не менее чем одной металлополимерной лентой с дренажной проволокой, или комбинированным из металлополимерной ленты, наложенной продольно или обмоткой с перекрытием металлом кверху, и наложенной поверх нее оплетки или обмотки медными или медными лужеными проволоками.
4. Поясняющие изображения
Предлагаемое изобретение поясняется конкретными примерами выполнения, представленными на чертежах:
- на Фиг. 1 - схематическое изображение огнестойкого провода;
- на Фиг. 2 - схематическое изображение дорна с тыльной стороны для экструзионной линии.
Изображенный на Фиг. 1 огнестойкий провод состоит из токопроводящей жилы 1, изоляции 2 из керамизирующейся силиконовой резины с четырьмя встроенными огнеупорными нитями 3.
Изображенный на Фиг. 2 дорн 4 имеет центральное отверстие 5 для токопроводящей жилы 1 и четыре отверстия 6 размещенные вокруг центрального отверстия 5 для четырех огнеупорных нитей. Дорн показан с тыльной стороны. С лицевой стороны дорн имеет окончание в виде усеченного конуса.
При заправке дорна 4 токопроводящая жила 1 продевается в отверстие 5, огнеупорные нити 3 продеваются в отверстия 6, после чего дорн 4 устанавливается в дорнодержатель и закрепляется в головке экструзионной линии так. чтобы быть немного углубленным по отношению к внешнему срезу матрицы. Концы токопроводящей жилы 1 и встраиваемых огнеупорных нитей 3 выводят через отверстие матрицы и закрепляют на технологической протяжке (тросе).
После подачи разогретой массы силиконовой резины она обтекает токопроводящую жилу 1 и каждую огнеупорную нить 3, в результате чего они будут располагаться по поперечному сечению огнестойкой жилы в соответствии с расположением отверстий в торце дорна.
5. Технология изготовления
Технология изготовления огнестойких кабелей пожарной сигнализации согласно заявляемому изобретению включает следующие операции.
Медные проволоки для токопроводящих жил 1 изготавливают из медной проволоки «катанки», как правило, диаметром 8 мм методом волочения. Преимущественно используют две технологические операции: грубое и среднее волочение.
Для обеспечения мягкости полученную проволоку подвергают отжигу в специальных печах отжига или в индукционных печах, встроенных в экструзионные линии, на проход. Для получения луженых проволок отдельная операция отжига не требуется. Лужение производится горячим способом, в результате чего проволока становится мягкой.
Гибкие токопроводящие жилы 1 скручивают из необходимого количества проволок, как правило, на машинах сигарного или рамочного типов.
Изоляцию из керамизирующейся силиконовой резины накладывают на линии непрерывной вулканизации с использованием дорна 4, изображенного на Фиг. 2, и одновременным пропусканием упрочняющих нитей.
Обмотку изоляции (при необходимости) и сердечника слюдинитовыми лентами производят на лентообмоточной машине обмоткой по спирали с перекрытием.
Скрутку проводов в пару и в сердечник производят на машинах скрутки, рамочного типа - для скрутки в пару и фонарного типа - для скрутки в сердечник.
Электрический экран в виде оплетки или обмотки накладывают на оплеточных или обмоточных машинах. Предварительно возможна тростка (объединение) проволок в пучки на тростильных машинах.
Электрический экран из металлополимерной ленты накладывают обмоткой по спирали с перекрытием на лентообмоточных машинах. Экран накладывают металлом внутрь, а под него подпускают продольно медную луженую дренажную жилу.
При изготовлении комбинированного электрического экрана металлополимерную ленту подпускают продольно с перекрытием металлическим слоем кверху под оплетку или обмотку на оплеточной или обмоточной машине, соответственно.
Полимерную влагозащитную оболочку накладывают на экструзионной линии.
6. Опытное подтверждение
Испытания проводили на установке по ГОСТ IEC 60331-23-2011 с дополнениями. Для закрепления кабеля была изготовлена металлическая основа, которой предусмотрено нанесение ударов. Над линией подвеса кабеля при испытании был закреплен цилиндрический сосуд, заполняемый до среднего уровня водой. В верхней части сосуда были просверлены отверстия. Для сосуда предусмотрена возможность переворачиваться на угол 180°.
Устройство для периодических ударов по станине имеет следующую конструкцию: на металлическом ободе привязан коротким тросом металлический сферический груз весом 100 г. Обод приводится принудительно во вращение с числом оборотов 1 об/с с помощью электропривода.
Испытуемый кабель имел следующую конструкцию: два провода в виде двух токопроводящих медных однопроволочных жил диаметром 0,8 мм каждая, изолированные слоем керамизирующейся силиконовой резины толщиной 0,7 мм с четырьмя встроенными арамидными нитями 67 тэкс каждая. Провода скручены между собой в пару с шагом 100 мм, поверх пары проводов наложена обмотка с перекрытием не менее 40% из слюдинитовой ленты, на слюдинитовую ленту экструзионным способом наложена оболочка из поливинилхлоридного пластиката.
Испытаниям подвергали три образца кабеля.
Испытания проводили следующим образом: токопроводящие жилы 1 кабеля подсоединяли к трансформатору через предохранители, рассчитанные на 2А каждый. На противоположном от трансформатора конце на жилы устанавливалась нагрузочная лампа. Зажигали горелку и устанавливали откалиброванные значения скорости подачи газа и воздуха. Через трансформатор на жилы испытуемого кабеля подавали напряжение равное (110±10) В переменного тока.
После этого испытывали кабель под воздействием пламени в течение 180 мин. Затем на кабель, переворачивая сосуд, выливали воду. После чего приводили в движение обод и в течение 2 мин осуществляли 120 ударов по основе, на которой был закреплен кабель. Следующим действием отключали трансформатор, снимая напряжение с кабеля.
Все три образца испытания выдержали.