КАБЕЛЬ МОНТАЖНЫЙ, ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ВЗРЫВОПОЖАРОБЕЗОПАСНЫЙ, В ТОМ ЧИСЛЕ ДЛЯ ИСКРОБЕЗОПАСНЫХ ЦЕПЕЙ

Полезная модель относится к кабельной технике, а именно: к конструкциям монтажных многожильных кабелей, предназначенных для фиксированного межприборного монтажа электрических устройств промышленных предприятий, в том числе, во взрывоопасных зонах всех классов при использовании различных методов взрывозащиты, включая «искробезопасную электрическую цепь i» по ГОСТ Р 51330.10-99, ГОСТ Р 51330.13-99, ГОСТ Р 52350.11-2005, ГОСТ Р 52350.14-2005, ГОСТ Р МЭК 60079.14-2008.
Известна полезная модель «Кабель монтажный, преимущественно взрывопожаробезопасный, в том числе для искробезопасных цепей (варианты) по патенту RU №104371 МПК: Н01В 7/29. Кабель содержит сердечник не менее чем из одной многопроволочной токопроводящей медной или медной луженой жилы, покрытой концентрическим слоем диэлектрической изоляции, или не менее чем одной группы названных жил, предварительно скрученных в пару или тройку, или четверку, заполнитель и влагозащитную оболочку, причем заполнитель наложен поверх сердечника с целью обеспечения круглой цилиндрической формы кабеля. Патент получен на варианты, в которых технический результат, состоящий в наложении заполнителя поверх сердечника с целью обеспечения круглой цилиндрической формы кабеля, сочетается с конструкциями, выполненными с отдельно холодостойкими и отдельно теплостойкими материалами, а также в сочетании с бронированным исполнением кабеля, в том числе с отдельно холодостойкими и отдельно теплостойкими материалами. В зависимых пунктах предусмотрена дополнительная частичная продольная герметизация названных групп и сердечника за счет введения заполнителя в воздушные полости.
Кабели по патенту RU №104371 могут открыто прокладываться в климатических зонах ХЛ (по ГОСТ 1510-69 «Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнения для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды») в которых на некоторое время может установиться температура равная минус 60°С и ниже (например: в Заполярье или Якутии) при соответствующем подборе холодостойких полимерных материалов с температурой хрупкости не выше минус 60°С.
Они так же могут прокладываться внутри промышленных помещений, в которых возможно возникновение малого аварийного режима с повышенной температурой окружающей среды не превышающей 100°С при соответствующем подборе теплостойких полимерных материалов с температурой плавления не ниже плюс 105°С. Если при этом требуется соединить кабелем какие-то устройства, расположенные вне производственных помещений с регистрирующими или управляющими приборами внутри помещений, в которых возможна малая авария, то такая кабельная линия составляется из двух участков: кабелей наружной прокладки и кабелей внутренней прокладки, соединяемых друг с другом на границе раздела. Наличие дополнительных соединений всегда является источником возможных повреждений. Кроме того, подобная технология прокладки кабельных линий излишне трудоемка и неэкономична. Гораздо эффективнее прокладывать один кабель, работоспособный в обоих условиях эксплуатации. Поэтому необходимость использования разных кабелей по патенту RU №104371 в зонах с разными температурными режимами является недостатком указанной полезной модели.
В качестве прототипа выберем конструкцию кабеля по патенту на полезную модель №104371.
Сущность предполагаемой полезной модели заключается в создании кабеля монтажного, преимущественно взрывопожаробезопасного, в том числе для искробезопасных цепей, работоспособного в широком диапазоне температур (не менее, чем от минус 60°С до плюс 100°С) и обеспечивающего возможность прокладки кабельной линии одним кабелем через участок с минимальной температурой достигающей минус 60°С и ниже и внутри помещений с возможной аварией, приводящей к повышению температуры до 100°С.
Технический результат достигается тем, что предлагается кабель монтажный, преимущественно взрывопожаробезопасный, в том числе для искробезопасных цепей, содержащий сердечник, состоящий не менее чем из одной изолированной полимером многопроволочной токопроводящей медной или медной луженой жилы, или не менее чем из одной группы названных жил, скрученных в пару или тройку, или четверку, заполнитель и полимерную влагозащитную оболочку, причем изоляция и влагозащитная оболочка выполнены из полимера, обладающего одновременно свойством холодостойкости с температурой хрупкости не выше минус 60°С и теплостойкости с температурой плавления не ниже 105°С.
Работоспособность монтажного кабеля заключается в передаче на требуемое расстояние нормируемых значений тока и напряжения электропитания и информационных сигналов.
Снижение температуры не приводит к ухудшению передаточных свойств кабелей. Повышение температуры приводит к увеличению электрического сопротивления токопроводящих жил и к снижению сопротивления изоляции (увеличению проводимости диэлектрика изоляции), что в целом может трактоваться, как ухудшение свойства работоспособности кабеля. Но падение напряжения и снижения тока в конце линии при повышенной температуре могут быть рассчитаны и, если система управления допускает такие изменения, кабель может считаться работоспособным.
Однако для температур ниже минус 50°С происходят структурные изменения в ряде полимеров, приводящие к образованию трещин и, как следствие, электрическому пробою диэлектрика.
К таким полимерам, имеющим температуру хрупкости, преимущественно, выше минус 60°С, относятся применяемые для изготовления изоляции и оболочек кабелей, прокладываемые согласно требованию п. 7.3.102 ПУЭ («Правила устройства электроустановок», шестое издание, С-Пб, Из-во «ДЕАН», 2004 г.) во взрывоопасных зонах основная часть марок поливинилхлоридного пластиката и кабельной резины. Понижение температуры хрупкости перечисленных материалов возможно с введением специальных добавок.
Аналогичное наблюдается при температурах эксплуатации близких к температуре плавления полимера: возникающие очаги изменения фазового состояния вещества приводят к возможности электрического пробоя диэлектрика. И также возможно повышение температуры плавления полимера за счет введения специальных добавок. Для полимеров, относящихся к классу эластомеров, аналогом температуры плавления является температура стеклования, характеризующая переход из высокоэластического в стеклообразное состояние. («Справочник по электротехническим материалам», т.1, под редакцией Ю.В.Корицкого, В.В.Пасынкова, Б М.Тареева, М., «Энергоатомиздат», 1986 г.). Потеря эластичности в условиях эксплуатации также приводит к электрическому пробою диэлектрика.
Таким образом, правильно подобранный полимер для изоляции и оболочки с температурой хрупкости не выше минус 60°С и температурой плавления не ниже 105°С обеспечит отсутствие электрического пробоя диэлектрика и, тем самым, работоспособность кабеля в диапазоне температур от минус 60°С до плюс 100°С.
Для обеспечения компактности сердечника при числе жил или групп более одной целесообразно скрутить их между собой в сердечник.
Как правило, материалы изоляции, заполнителя и влагозащитной оболочки при условии обеспечения или требований по температуре хрупкости и плавления в заданном температурном диапазоне - не выше минус 60° и не ниже плюс 105° выбирают одинаковыми, руководствуясь, в первую очередь, требованиями пожарной безопасности.
При условии одиночной прокладки кабеля выбирают традиционный поливинилхлоридный пластикат с кислородным индексом, находящимся в диапазоне от 20 до 25.
При условии групповой прокладки кабеля (пучком) выбирают специальный поливинилхлоридный пластикат с кислородным индексом не менее 30 (для заполнителя в соответствии с особенностями его химического состава, обусловленными большим количеством наполнителя, допускается не менее 28).
С введением в действие ГОСТ Р 53315-2009 «Кабельные изделия. Требования пожарной безопасности. Методы испытаний» к кабелям, прокладываемым пучком в пределах производственных, бытовых и административных помещений стали предъявлять требования к пониженному дымогазовыделению. Для общей группы кабелей, прокладываемых вне производственных, бытовых и административных помещений, присвоили индекс «нг», для группы кабелей с пониженным дымогазовыделением - индекс «нг-LS». Согласно ГОСТ Р 53315-2009 дымообразование кабельных изделий с индексом «нг-LS» при испытании по ГОСТ Р МЭК 61034-2 не должно приводить к снижению светопроницаемости более чем на 50%.
При прокладке кабелей в помещениях оснащенных компьютерной и микропроцессорной техникой предъявляют дополнительное требование по выделению в процессе горения и/или тления коррозионно-активных газов, паров галогенных кислот в пересчете на HCl не более 5,0 мг/г. Для таких кабелей выбирают безгалогенную полимерную композицию с кислородным индексом не менее 35.
Общие показатели пожарной безопасности с учетом требований ГОСТ Р 53315-2009 представлены в таблице 1.
Таблица 1.
Наименование материала
Кислородный индекс, %, не менее
Снижение светопроницаемости при дымообразовании, %, не более
Массовая доля HCl, выделяющегося при горении, %, не более
Традиционный поливинилхлоридный пластикат
20-25
80
40
Специальный поливинилхлоридный пластикат
30
80
40
Специальный поливинилхлоридный пластикат с пониженным дымогазовыделением
30
50
15
Безгалогенная полимерная композиция
35
40
0,5
Для изоляции, заполнителя, влагозащитной оболочки кабелей, применяемых для подвижного монтажа (например: переносные лампы, электроинструмент, сварочные установки) выбирают кабельную резину.
В этом случае кислородный индекс требуется не выше 25.
Для условий прокладки кабелей при требовании повышенной гибкости выбирают полиолефиновый или полиуретановый термопластичный эластомер с кислородным индексом не менее 29. При этом полиолефиновый термопластичный эластомер дешевле полиуретанового, но полиуретановый термопластичный эластомер выдерживает до 1 миллиона изгибов при температуре минус 30°С.
Для условий прокладки кабелей при требовании повышенной гибкости и работе в широком диапазоне температур выбирают изоляцию, заполнитель и влагозащитную оболочку из силиконовой резины. При предъявлении дополнительного требования огнестойкости выбирают керамизирующуюся силиконовую резину.
В случае обеспечения передачи по группам (парам) высокочастотных сигналов, с целью снижения коэффициента затухания, целесообразно выполнять изоляцию 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», одобренном Федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзор). В этом случае экструдированная поясная изоляция, заполнитель, влагозащитная оболочка выполняются из других материалов, отвечающих иным требованиям. Например: повышенным требованиям пожарной безопасности.
При предъявлении к кабелям требования огнестойкости дополнительно поверх токопроводящих жил целесообразно наложить не менее одной слюдинитовой ленты обмоткой по спирали с перекрытием, для формирования основного огнестойкого барьера.
Также поверх сердечника целесообразно наложить дополнительно бандаж не менее чем из одной слюдинитовой ленты обмоткой по спирали с перекрытием слюдяным слоем внутрь, для формирования огнестойкого крепления, сохраняющего структуру кабеля в условиях длительного воздействия открытого пламени с температурой не менее 750°С в течении 45-180 мин в соответствии с требованиями ГОСТ Р МЭК 60331-11-2003, ГОСТ Р 53315-2009.
При этом в обоих случаях слюдинитовая лента обычно представляет собой слоистую композицию из слюдяной бумаги и электроизоляционной стеклоткани, пропитанных и склеенных между собой кремнийорганическим связующим.
Для обеспечения идентификации изолированных токопроводящих жил в группах и сердечнике, а также групп между собой целесообразно ввести индивидуальную расцветку изоляции, позволяющую однозначно определять каждую жилу в пределах группы и в сердечнике, а также группы между собой.
Исходя из требования помехозащищенности целесообразно установить при скрутке согласованные шаги у смежных групп (неравные и некратные), а также ограничить шаг скрутки жил в группы следующим образом: в группу из двух жил (в пару) - не более 0,1 м, из трех - не более 0,15 м, из четырех жил - не более 0,2 м.
С целью предупреждения возможного оплавления изоляции токопроводящих жил при наложении заполнителя на сердечник экструзионным способом целесообразно на каждую группу наложить обмотку не менее чем из одной полимерной ленты с перекрытием.
Поверх сердечника целесообразно наложить бандаж из диэлектрических лент, причем для выполнения функции скрепления сердечника и теплового барьера, предохраняющего изоляцию токопроводящих жил от расплавления при наложении заполнителя, он должен быть выполнен из полиэтилентерефталатной или поливинилхлоридной, или полиэтиленовой, или полиамидной ленты наложенной с перекрытием в виде обмотки по спирали или продольно.
С целью защиты от электромагнитных воздействий целесообразно выполнить кабель не менее чем с одним экраном. При этом для защиты от внутренних электромагнитных воздействий и с целью организации схем заземления по экранам целесообразно выполнить экраны индивидуальными, наложенными на отдельную токопроводящую жилу или групповыми, наложенными на отдельную группу. Для защиты от внешних электромагнитных воздействий целесообразно выполнить экран общим, наложенным на сердечник.
Для защиты от электромагнитных воздействий в диапазоне низких частот целесообразно изготавливать экран в виде оплетки или обмотки из медных или медных луженых проволок.
Для защиты от электромагнитных воздействий в диапазоне высоких частот целесообразно изготавливать экран не менее чем из одной металлополимерной ленты, наложенной металлом внутрь с перекрытием обмоткой по спирали или продольно с проложенной под экраном экранной проволокой.
Для защиты от электромагнитных воздействий в широком диапазоне частот целесообразно изготавливать экран в виде оплетки или обмотки из медных или медных луженых проволок, дополнительно проложив под оплетку или обмотку металлом кверху с перекрытием металлополимерную ленту продольно или обмоткой по спирали.
Преимущественно для искробезопасных кабелей на каждый индивидуальный или групповой экран целесообразно наложить экструзионным способом полимерную оболочку или поясную изоляцию в виде обмотки по спирали с перекрытием не менее чем одной полимерной лентой, причем толщину названных полимерной оболочки и поясной изоляции по индивидуальным и групповым экранам выбрать такой, чтобы она выдерживала испытание напряжением не менее 500 В переменного тока частотой 50 Гц, приложенным между любыми индивидуальными или групповыми, или общим экранами, что соответствует требованиям п. 12.2.2.1 ГОСТ Р 51330.13-99 и п. 12.2.2.1 ГОСТ Р МЭК 60079-14-2008.
Материал для экструдированной полимерной оболочки по индивидуальным и групповым экранам, как правило, выбирают из тех же соображений, что и материал для изоляции, заполнителя и влагозащитной оболочки.
С целью идентификации в процессе эксплуатации целесообразно оболочку кабелей для искробезопасных цепей окрашивать в синий цвет.
С целью обеспечения круглой цилиндрической формы кабеля целесообразно наложить заполнитель поверх сердечника. Заполнитель накладывают методом экструзии под давлением. Часть материала затекает в поверхностные углубления сердечника, остальная часть ложится равномерно по форме матрицы экструдера, обеспечивая круглую форму по заполнителю, а, следовательно, и кабеля в целом. Если на сердечник наложить влагозащитную оболочку методом экструзии под давлением, то материал оболочки также заполнит поверхностные углубления сердечника, но это значительно усложнит снятие оболочки в процессе монтажа, так как материал влагозащитной оболочки достаточно жесткий. В то время, как заполнитель выполняется мягким пластилиноподобным материалом и, по определении, должен сниматься руками.
При прокладке кабеля из взрывоопасной зоны в невзрывоопасную (или наоборот) в стену встраивается отрезок трубы, через которую пропускается кабель. В соответствии с разделом 9.4 ГОСТ Р МЭК 60079-14-2008 (ГОСТ Р МЭК 60079-14-2008 «Взрывоопасные среды. Часть 14. Проектирование, выбор и монтаж электроустановок», дата введения - 2010.07.01.) кабели в трубах должны прокладываться с трубными уплотнительными кольцами в местах входа и выхода из взрывоопасных зон для предотвращения проникновения или утечки газов или жидкостей из взрывоопасной зоны в невзрывоопасную зону. Для того, чтобы кольца выполняли свою функцию, кабель должен иметь круглую цилиндрическую форму.
С целью предотвращения распространения газов или жидкостей по воздушным пустотам в сердечнике кабеля целесообразно ввести в воздушные пустоты в сердечнике заполнитель, для обеспечения частичной продольной герметизации.
Для выполнения одновременно двух требований: по круглой цилиндрической форме кабеля и частичной продольной герметизации целесообразно наложить заполнитель поверх сердечника и в воздушные полости в сердечнике.
Для улучшения плотности насадки уплотнительных колец и снижения эквивалентной относительной диэлектрической проницаемости сердечника (решение о выдаче патента на полезную модель от 13 июля 2011 года по заявке №2011123545 от 10.06.2011) целесообразно выполнить заполнитель из вспененного материала.
Согласно ПУЭ (Правила устройства электроустановок, шестое издание, С-Пб, из-во «ДЕАН», 2004 г.), открыто и неограниченно во взрывоопасных зонах прокладываются только бронированные кабели: они не требуют дополнительной защиты или каких-то упрощенных облегченных условий, поэтому имеют широкое применение.
При эксплуатации кабелей в условиях воздействия радиальных (раздавливающих) усилий целесообразно под влагозащитную оболочку наложить броню из стальных проволок обмоткой по спирали или в виде оплетки.
При эксплуатации кабелей в условиях воздействия продольных (растягивающих) усилий целесообразно под влагозащитную оболочку наложить броню из стальных лент обмоткой по спирали или продольно из предварительно гофрированной стальной ленты ламинированной полимером.
С целью предотвращения продольного распространения воды под броней в случае нарушения целостности влагозащитной оболочки при эксплуатации во влажной среде под броню целесообразно дополнительно проложить слой водоблокирующего материала.
Для улучшения технологии и предотвращения возможного разрушения заполнителя в момент наложения брони целесообразно под броню наложить экструзионным методом промежуточную оболочку из полимерного материала однородного с материалом названной влагозащитной оболочки или обмотку не менее чем одной полимерной лентой с перекрытием. Выбор между промежуточной оболочкой и обмоткой осуществляется на основании степени разрушающего воздействия брони в процессе наложения и из экономических соображений.
Предлагаемая полезная модель поясняется конкретным примером выполнения, представленным чертежом поперечного сечения кабеля.
Изображенный на чертеже кабель монтажный, преимущественно взрывопожаробезопасный, в том числе для искробезопасных цепей, состоит из многопроволочных токопроводящих медных или медных луженых жил 1, изолированных поливинилхлоридным пластикатом 2 с температурой хрупкости не выше минус 60°С и температурой плавления не ниже 105°С, с кислородным индексом от 20 до 25, скрученных между собой попарно семи пар, каждая из которых имеет обмотку 4 не менее чем из одной полимерной ленты с перекрытием, с воздушными полостями 3 в пределах групп и 5 в сердечнике, заполнителя 6 из материала на основе поливинилхлоридного пластиката с кислородным индексом от 20 до 25 и влагозащитной оболочки 7 из поливинилхлоридного пластиката с температурой хрупкости не выше минус 60°С и температурой плавления не ниже 105°С, с кислородным индексом от 20 до 25.
Технология изготовления кабелей согласно заявляемой полезной модели включает следующие операции.
Медные проволоки для токопроводящих жил 1 изготавливаются 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.
Токопроводящие жилы 1 скручиваются из необходимого количества проволок на крутильных машинах сигарного, рамочного или фонарного типа.
Изоляция 2 из поливинилхлоридного пластиката или специального поливинилхлоридного пластиката, или безгалогенной полимерной композиции, или термопластичного эластомера наносится экструзионным способом на экструзионных линиях и на линиях непрерывной вулканизации - при использовании резины или силиконовой резины.
Скрутка изолированных жил в группы - пару, тройку или четверку производится обычно на машинах рамочного типа.
Электрический экран в виде оплетки или обмотки накладывается на оплеточных или обмоточных машинах. Предварительно возможна тростка (объединение) проволок в пучки на тростильных машинах.
Электрический экран из металлополимерной ленты накладывается обмоткой по спирали с перекрытием на обмоточных машинах. Экран накладывается 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.
Обмотка 4 и бандаж из полимерных и слюдинитовых лент изготавливается методом обмотки по спирали с перекрытием на обмоточных машинах или продольно с перекрытием с применением дополнительно нитеобмотчика или лентообмотчика для скрепления пучком нитей или узкой пластмассовой лентой по спирали.
Оболочку в виде экструдированного слоя накладывают из поливинилхлоридного пластиката или специального поливинилхлоридного пластиката, или безгалогенной полимерной композиции, или термопластичного эластомера на экструзионных линиях или из резины или силиконовой резины на линиях непрерывной вулканизации.
Заполнитель 6 из поливинилхлоридного пластиката или специального поливинилхлоридного пластиката, или безгалогенной полимерной композиции, или термопластичного эластомера производится экструзионным способом на экструзионных линиях и на линиях непрерывной вулканизации при использовании резины или силиконовой резины.
Вспенивание материала заполнителя производится химическим или физическим способом. В первом случае к гранулам основного материала в бункер экструзионной линии добавляют гранулированный, вспенивающий реагент, во втором случае вводят неактивный газ (например: азот) в формирующийся заполнитель с помощью установки физического вспенивания.
Промежуточную оболочку и влагозащитную оболочку 7 накладывают экструзионным способом на экструзионных линиях при использовании поливинилхлоридного пластиката или специального поливинилхлоридного пластиката, или безгалогенной полимерной композиции, или термопластичного эластомера и на линиях непрерывной вулканизации при использовании резины или силиконовой резины.
Водоблокирующий слой накладывается водоблокирующей лентой обмоткой по спирали на обмоточной машине.
Броня из круглых стальных оцинкованных проволок накладывается в виде оплетки или обмотки на оплеточных или бронировочных машинах, из стальных лент - по методу обмотки по спирали с перекрытием на лентообмоточных бронировочных машинах. При использовании ламинированных стальных лент броню накладывают продольно с использованием специальной гофрирующей и свертывающей установки совместно с наложением влагозащитной оболочки.
Для подтверждения технического результата были изготовлены два однопарных экранированных кабеля длиной по 50 м каждый. В одном из них изоляция и оболочка были выполнены из термопластичного полиуретанового эластомера с температурой холодостойкости минус 70°С и температурой плавления более 120°С, в другом - из силиконовой резины с температурой холодостойкости минус 60°С и температурой плавления более 200°С.
От обоих кабелей было отобрано по три образца по три метра каждый.
Все образцы были скручены в бухты с диаметром 300 мм и испытаны на холодостойкость по методу 203-1 ГОСТ 20.57.406-81 с выдержкой в камере холода при температуре минус 60°С в течение 1 часа. После извлечения образцов из камеры холода и выдержки при нормальных климатических условиях в течение одного часа, был проведен внешний осмотр на отсутствие трещин и испытание напряжением 2,5 кВ в течение 1 мин между жилами и между жилами соединенными вместе, по отношению к экрану, и напряжением 5 кВ между жилами, соединенными с экраном, по отношению к воде (с погружением в воду).
Трещины на оболочках и изоляции образцов отсутствовали, испытание напряжением образцы выдержали.
Те же образцы были испытаны на теплостойкость с выдержкой при температуре плюс 100°С по методу 201-1.2 ГОСТ 16962.1-89 в течение 48 часов. После извлечения образцов из камеры и выдержки в течение 2 часов при нормальных климатических условиях, был проведен внешний осмотр на отсутствие трещин и испытание напряжением с теми же значениями и на тех же условиях, что и при испытании на холодостойкость.
Трещины на оболочках и изоляции образцов отсутствовали, испытание напряжением образцы выдержали.
Результаты испытаний подтверждают достижение технического результата.