ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КАБЕЛЬ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к кабельной технике, а именно: к электрическим кабелям, прокладываемым в условиях возможности образования электростатических зарядов на поверхности полимерной оболочки, несущих опасность для людей и промышленного оборудования во взрывоопасных зонах или в условиях концентрации электронной аппаратуры.
В соответствии с требованиями п.9.6.9 ГОСТ Р МЭК 60079-14-2008 «Взрывоопасные среды. Часть 14. Проектирование, выбор и монтаж электроустановок» проектировщиками при разработке промышленных объектов и эксплуатационными службами в процессе их эксплуатации должны быть предусмотрены меры по предотвращению накапливания электростатистических зарядов на поверхности кабелей.
Известен кабель монтажный, преимущественно взрывопожаробезопасный, в том числе для искробезопасных цепей, по полезной модели RU №91464, МПК - Н01 В 7/04. Кабель содержит сердечник, скрученный из многопроволочных токопроводящих медных или медных луженых жил, с концентрической диэлектрической изоляцией, одиночных или предварительно скрученных в группы - пары или тройки, или четверки, снабженных, соответственно, индивидуальными или групповыми экранами, имеющими каждый, соответственно индивидуальную или групповую поясную изоляцию, выполненную из диэлектрических лент с перекрытием или в виде экструдированного концентрического сплошного слоя, заполнитель и влагозащитную оболочку.
Наружным элементом такого кабеля является влагозащитная оболочка из полимерного материала. Необходимость влагозащитной оболочки обусловлена тем, что в условиях прокладки, как правило, на кабель периодически или постоянно воздействует вода, образующаяся в виде атмосферных осадков вне помещений или технологических сбросов и сливов внутри помещений. Попадание влаги в сердечник приводит к изменению электрических параметров кабеля и в большинстве случаев выходу его из строя. Для предотвращения этого накладывается влагозащитная оболочка практически на все типы кабелей. Исключение составляют лишь отдельные конструкции, работа которых предусмотрена в условиях отсутствия воздействия воды. Например: кабели управления с панцирной оплеткой, выполняющей функцию брони.
Полимерные оболочки применяются потому, что они обеспечивают достаточную влагонепроницаемость при требуемой технологичности производства.
Однако полимерные материалы преимущественно имеют очень высокое удельное объемное электрическое сопротивление, что способствует накоплению электростатического заряда.
Электростатические заряды в материалах могут возникать при разрыве контакта между ними, при деформации материалов, находившихся в контакте и при трении друг о друга. Причем в случае трения электростатический заряд на твердом теле может возникать даже под воздействием падающих капель жидкости или воздушной струи.
При механическом соприкосновении двух тел (контакте) происходит перераспределение зарядов и, когда тела разъединяются, это неравномерное распределение зарядов на них сохраняется. Материал, который теряет электроны, становится положительно заряженным, а материал их получающий - отрицательно заряженным.
В результате соприкосновения двух материалов на их границе возникает двойной электрический слой, обусловленный обменом зарядов между ними. Этот обмен вызван разным энергетическим состоянием контактирующих поверхностей. С физических позиций основной величиной, определяющей обмен зарядами, является работа выхода электрона из конденсированной среды.
Контактирующий материал, работа выхода у которого меньше, легче теряет электроны и его поверхность заряжается положительно. Это соответствует положительной обкладке двойного электрического слоя на границе раздела двух материалов. Поверхность контактирующего материала с большей работой выхода заряжается отрицательно и, таким образом, служит отрицательной обкладкой двойного слоя. При этом, чем больше разность работ выхода, тем сильнее заряжается граница раздела.
При трении количество контактных участков гораздо больше, чем при соприкосновении. Кроме того, совершаемая в результате трения работа переходит в теплоту, что приводит к изменению энергетического состояния контактирующих поверхностей. Поэтому при трении материалов эффект заряжания намного значительнее, чем просто при их контакте с последующим разведением.
ля упрощенной оценки заряжания материалов при трении друг о друга, установлен эмпирическим путем трибоэлектрический ряд (Л.Н. Кечиев, Е.Д. Пожидаев, «Защита электронных средств от воздействия статического электричества», М., Издательский дом «Технологии», 2005 г.), представленный в таблице 1:
Таблица 1.
Знак заряда
Материал
+
Атмосфера
Кожа руки
Кроличий мех
Стекло
Слюда
Волосы
Нейлон
Овечий мех
Свинец
Шелк
Алюминий
Бумага
±
Хлопчатобумажная ткань
-
Сталь
Дерево
Янтарь
Эбонит
Никель, медь
Цинк
Латунь, серебро
Золото, платина
Сера
Ацетатный шелк
Полиэфир
Целлулоид
Полиуретан
Полиэтилен
Полипропилен
Поливинилхлорид
Политрифторхлорэтилен
Кремний
Политетрафторэтилен
При накоплении до некоторого уровня электростатического заряда происходит его разряд. Предельным значением электрического поля электростатического заряда с поверхности диэлектрика (неметалла) принято считать 15 кВ для воздушного разряда и 8 кВ для контактного разряда (через другой диэлектрик), что соответствует четвертой максимальной степени жесткости по ГОСТ 51317.4.2-99 «Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электростатическим разрядам. Требования и методы испытаний», аутентичного публикации МЭК 61000-4-2-95.
Разряд электростатического заряда несет опасность для электронного оборудования производственных помещений как в виде разрушающего воздействия, в особенности на микропроцессоры и компьютеры, так и в виде электромагнитных помех, искажающих передаваемые сигналы в цепях автоматики.
Еще более опасным является разряд электростатического заряда во взрывоопасных производственных помещениях, способный привести к взрыву газообразных взрывоопасных смесей в воздухе.
Таким образом, для использования в промышленных производствах во взрывоопасных зонах и местах концентрации электронной аппаратуры необходимо использовать кабели, конструкции которых обеспечивают свойство предотвращения накапливания электростатических зарядов на наружной оболочке.
Выберем конструкцию кабеля по полезной модели RU №91464, МПК-Н01 В 7/04 в качестве прототипа.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в создании кабеля предотвращающего накапливание электростатических зарядов на наружной оболочке.
6
9
2
Технический результат достигается тем, что предлагается электрический кабель, состоящий из сердечника, содержащего не менее одной однопроволочной или многопроволочной токопроводящей жилы с полимерной изоляцией, и оболочки. Кабель отличается от традиционных тем, что оболочка выполнена экструзионным способом в виде основного полимерного слоя с добавками, обеспечивающими удельное поверхностное электрическое сопротивление в диапазоне от 10 до 10Ом, совместно с прилегающей к поверхности в контакте с ней или встроенной в объем основного полимерного слоя электрически непрерывной по всей длине проводящей структурой ячеистой формы с площадью элементарной ячейки, ограниченной проводящими элементами, не более 4 см или линейной формы с минимальным расстоянием между любыми двумя смежными проводящими линейными элементами, не более 2 см.
Наложение основного полимерного слоя оболочки экструзионным способом позволяет равномерно размешать вносимые добавки по объему экструдируемой смеси и, благодаря этому, получить равномерно распределенное по поверхности значение удельного поверхностного электрического сопротивления по наружной поверхности полученной трубки (оболочки) из смеси полимера с добавками.
Контроль удельного поверхностного электрического сопротивления на одном участке трубки позволяет распространить полученное значение на всю поверхность, изготовленную из конкретного количества смеси.
6
9
Образование электростатических зарядов происходит на всех видах твердых и жидких материалов, начиная от металлов и заканчивая диэлектриками и устранению не поддается. Однако можно воспрепятствовать накоплению электростатических зарядов до критической величины. Для этого поверхность должна обеспечивать некоторую электропроводность, тогда образовавшийся заряд растекается по поверхности, за счет чего исключается опасность разрядов. Но использование металлических проводящих материалов для наружных оболочек недопустимо, так как они взаимодействуют с окружающей средой и разрушаются. Было установлено, что если обеспечить полимерному материалу удельное поверхностное электрическое сопротивление в диапазоне от 10 до 10 Ом, то для некоторой пространственно ограниченной области наблюдается достаточное растекание заряда. Для полного устранения вредного эффекта пространственная область должна быть ограничена проводящей структурой электрически непрерывной по всей длине кабеля и заземляемой на одном из концов кабеля. Образовавшийся на ограниченной площади основного полимерного слоя оболочки заряд растекается по поверхности и достигая проводящих элементов проводящей структуры стекает по ней на землю.
В ряде случаев наличие открытых проводящих элементов на поверхности основного полимерного слоя оболочки приводит к их разрушению (например: коррозии), поэтому необходима их защита. Было установлено, что при наличии некоторого слоя полимера с добавками поверх проводящей структуры не изменяет механизма стекания электростатических зарядов. Поэтому наряду с открытой установкой проводящей структуры предусмотрен вариант встроенной проводящей структуры в объем основного полимерного слоя оболочки.
Электрическая непрерывность проводящей структуры может быть практически реализована двумя способами: в ячеистой форме или в виде параллельно уложенных линейных элементов. Применение конкретного решения обусловлено конструктивными и технологическими требованиями.
2
2
Пространственное ограничение области растекания электростатических зарядов для аналогичного случая площади поверхности неметаллической оболочки или частей оболочки электрооборудования установлено в ГОСТ Р 52274-2004 «Электростатическая электробезопасность. Общие технические требования и методы испытаний». Для худшего случая - взрывоопасной зоны класса «0» и категории взрывоопасной смеси II или IIС она не должна превышать 4 см. Отсюда, для ячеистой проводящей структуры площадь элементарной ячейки ограниченной проводящими элементами не должна превышать 4 см, а для линейной формы - минимальное расстояние между любыми двумя смежными проводящими линейными элементами не должно превышать 2 см.
Требование по предотвращению накапливания электростатических зарядов на поверхности наружной оболочки предъявляется к любому типу кабеля безотносительно к выполняемым им функциям.
Известны кабели силовые, связи, контрольные, монтажные, управления и другие. В самом общем виде можно заключить, что отличие их друг от друга состоит в структуре сердечника. Принципиально отличаются три типа сердечника:
- состоящий из нескрученных изолированных токопроводящих жил;
- состоящий из скрученных изолированных токопроводящих жил;
- состоящий из скрученных групп, каждая из которых состоит из нескольких скрученных между собой изолированных токопроводящих жил.
Поэтому заявка представлена в виде вариантов. Первый вариант относится к кабелю с сердечником, состоящим из нескрученных изолированных однопроволочных или многопроволочных токопроводящих жил.
Как правило, материалы изоляции и основного полимерного слоя оболочки 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 НСl 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 2.
Таблица 2.
Наименование материала
Кислородный индекс, %, не менее
Снижение светопроницаемоспри дымообразовании, %, не более
Массовая доля НСl, выделяющегося при горении, %, не более
Традиционный поливинилхлоридный пластикат
20-25
80
40
Специальный поливинилхлоридный пластикат
30
80
40
Специальный поливинилхлоридныйпластикат с пониженным дымогазовыделением
30
50
15
Безгалогенная полимерная композиция
35
25
0,5
Для изоляции и основного полимерного слоя 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 дополнительном требовании повышенной маслобензостойкости выбирают изоляцию и основной полимерный слой оболочки 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 основной полимерный слой оболочки выполняется 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 поясную изоляцию не менее чем из одной слюдинитовой ленты обмоткой по спирали с перекрытием слюдяным слоем внутрь, для формирования огнестойкого бандажа, 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.
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. 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.
Для использования кабелей в сухой атмосфере при отсутствии резких перепадов температур, приводящих к образованию на названных оболочках конденсата в виде капель влаги, целесообразно в качестве добавок использовать проводящую сажу в количестве от 0,1 до 20% объема основного полимерного слоя названной оболочки.
Для использования кабелей во влажной атмосфере с возможностью образования конденсата целесообразно в качестве добавок использовать моностеарат сорбитола и/или моностеарат глицерина в количестве от 0,01 до 2% объема основного полимерного слоя названной оболочки. Добавки моностеарата сорбитола и/или моностеарата глицерина служат для дополнительного усиления водоотталкивающих свойств основного полимерного слоя названной оболочки.
С целью придания жесткости кабелю, на который накладывается названная оболочка, целесообразно проводящую структуру выполнять ячеистой в виде металлической сетки.
С целью достижения экономичности изготовления кабеля целесообразно проводящую структуру выполнять ячеистой в виде перфорированной металлической или металлополимерной ленты, наложенной с перекрытием обмоткой по спирали или продольно.
Для изготовления больших длин кабелей (порядка нескольких километров) целесообразно ячеистую проводящую структуру выполнять в виде оплетки из проволок. Причем выбор проволок для оплетки осуществляется, например, исходя из следующих соображений: для самых больших длин кабелей выбирают медную проволоку, имеющую минимальное электрическое сопротивление (из ряда для недрагоценных металлов), при необходимости дополнительной защиты меди от коррозии применяют медную луженую проволоку, при необходимости придания дополнительных механических защитных свойств выбирают стальную оцинкованную проволоку, для минимизации магнитной проницаемости в сочетании с требованием механической прочности и экономичностью выбирают стальную нержавеющую или из фосфористой бронзы проволоку, для совмещения свойств высокой проводимости (меньшего электрического сопротивления) и повышенной механической прочности выбирают биметаллическую сталемедную проволоку, для экономичности решения выбирают биметаллическую алюмомедную проволоку.
В атмосфере коррозионноактивной по отношению к металлам целесообразно наложение ячеистой проводящей структуры из проводящего полимера, преимущественно химически родственного материалу основного полимерного слоя названной оболочки.
Для обеспечения технологичности наложения проводящей структуры целесообразно изготавливать ее линейной формы в виде полимерных линейных проводящих элементов, из полимера, преимущественно химически родственного материалу основного полимерного слоя названной оболочки.
Для обеспечения совмещения требований технологичности наложения с другими свойствами (высокая проводимость, дополнительная жесткость, низкая магнитная проницаемость) целесообразно изготавливать проводящую структуру линейной формы в виде обмотки проволоками. Выбор проволок производится исходя из условий, описанных для выбора проволок для оплетки.
Для дополнительного скрепления проводящей структуры с полимерным слоем названной оболочки целесообразно дополнительное нанесение адгезионного слоя (например, клея) между проводящей структурой и основным полимерным слоем названной оболочки, если он не ухудшает свойства стекания электростатических зарядов.
Названная проводящая структура ячеистой формы, выполненная из металлических проволок в виде оплетки или линейной формы - в виде обмотки по спирали дополнительно могут являться кабельной броней. Для этого рассчитывают количество и сечение проволок в зависимости от растягивающих и/или раздавливающих нагрузок. При этом уменьшится площадь элементарной ячейки (увеличится поверхностная площадь оплетки) и дополнительно уменьшится минимальное расстояние между смежными проводящими линейными элементами.
При необходимости изменения физических свойств оболочки (например: снижения влагопроницаемости) названную оболочку целесообразно выполнить из нескольких слоев, при этом основной полимерный слой, выполненный экструзионным способом, располагается ближайшим к наружной поверхности.
В соответствии с разделом 9.4. ГОСТ Р МЭК 60079-14-2008 кабели в трубах должны прокладываться с трубными уплотнительными устройствами (кольцами) в местах входа и выхода из взрывоопасных зон для предотвращения проникновения или утечки газов или жидкостей из взрывоопасной зоны в невзрывоопасную зону. А для того, чтобы герметизация в этих местах была оптимальной кабель должен иметь круглую цилиндрическую форму.
А для того, чтобы оболочка не проявляла рельеф сердечника, под оболочку целесообразно наложить полимерный заполнитель экструзионным способом. При наложении на сердечник заполнитель затекает в неровности сердечника на его поверхности, в результате чего поверхность заполнителя принимает ровную круглую цилиндрическую форму. Такую форму будет иметь и оболочка, накладываемая поверх заполнителя (в этом случае, проводящая структура выполняется встроенной в объем основного полимерного слоя оболочки). С целью предотвращения возможного распространения взрывоопасных газообразных веществ по сердечнику кабеля целесообразно ввести в воздушные полости в сердечнике полимерный заполнитель. При предъявлении обоих требований заполнитель накладывается под оболочку и вводится в воздушные полости в сердечнике.
6
9
2
Второй вариант описывает электрический кабель с сердечником, скрученным из однопроволочных или многопроволочных токопроводящих жил с полимерной изоляцией. Как и в первом варианте оболочка для лучшего перемешивания основного полимера с добавками, накладывается экструзионным способом, добавки для растекания образующихся электростатических зарядов по наружной поверхности основного полимерного слоя оболочки обеспечивают удельное поверхностное электрическое сопротивление в диапазоне от 10 до 10 Ом, для стекания зарядов по большой длине кабеля основной полимерный слой оболочки выполнен совместно с прилегающей к поверхности основного полимерного слоя оболочки в контакте с ней или встроенной в объем основного полимерного слоя электрически непрерывной проводящей структурой, причем встроенной в объем при необходимости защиты самой проводящей структуры от вредного воздействия окружающей среды, для обеспечения оптимальных конструкций и технологии изготовления ячеистой или линейной формы, для обеспечения оптимального растекания электростатических зарядов по поверхности - с площадью элементарной ячейки не более 4 см и минимальным расстоянием между любыми двумя смежными проводящими линейными элементами не более 2 см.
Также для обеспечения свойства огнестойкости под названную изоляцию и поверх сердечника целесообразно наложить обмоткой по спирали не менее одной слюдинитовой ленты, для изоляции и основного полимерного слоя оболочки целесообразно выбирать поливинилхлоридный пластикат с кислородным индексом от 20 до 25 или специальный поливинилхлоридный пластикат с кислородным индексом не менее 30, в том числе с пониженным дымогазовыделением, или безгалогенную полимерную композицию с кислородным индексом не менее 35, исходя из требований пожарной безопасности кабельную резину при использовании для изделий подвижного монтажа, полиолефиновый или полиуретановый термопластичный эластомеры при предъявлении требование повышенной гибкости, при сочетании требований повышенной гибкости и маслобензостойкости - силиконовую резину, при дополнительном требовании огнестойкости - силиконовую резину, керамизирующуюся в условиях воздействия пламени, для защиты от внешних или внутренних электромагнитных воздействий целесообразно наложить не мене одного экрана, для придания кабелю круглой цилиндрической формы и/или предотвращению переноса взрывоопасных газов по сердечнику кабеля целесообразно под оболочку и/или в воздушные полости в сердечнике ввести полимерный заполнитель, для использования кабелей в сухой атмосфере целесообразно использовать добавки в виде проводящей сажи в количестве от 6,1 до 20% объема основного полимерного слоя оболочки, во влажной атмосфере - в виде моностеарата сорбитола и/или моностеарата глицерина в количестве от 0,01 до 2% объема основного полимерного слоя оболочки, для придания кабелю жесткости проводящую структуру целесообразно изготавливать ячеистой в виде металлической сетки, для экономичности - ячеистой в виде перфорированной металлической или металлополимерной ленты, для кабелей больших длин - в виде оплетки из проволок, для кабелей применяемых в атмосфере коррозионноактивной по отношению к металлам -ячеистой из проводящего полимера, для обеспечения технологичности - линейной формы из полимерных проводящих элементов или в виде обмотки проволоками, для дополнительной защиты кабеля от растягивающих и раздавливающих усилий целесообразно изготавливать проводящую структуру ячеистой формы в виде оплетки или линейной формы в виде обмотки проволоками, причем сечение и количество проволок рассчитывают, исходя из требований к растягивающим и раздавливающим усилиям, для дополнительного скрепления проводящей структуры с основным полимерным слоем оболочки между ними дополнительно вводят адгезионный слой, при предъявлении к оболочке иных дополнительных требований целесообразно выполнить ее из нескольких слоев, причем основной полимерный слой располагается ближайшим к наружной поверхности.
6
9
Третий вариант описывает электрический кабель с сердечником, скрученным из групп, каждая из которых скручена из нескольких однопроволочных или много проволочных токопроводящих жил с полимерной изоляцией. Как и в первом варианте оболочка для лучшего перемешивания основного полимера с добавками накладывается экструзионным способом, добавки для растекания образующихся электростатических зарядов по наружной поверхности основного полимерного слоя оболочки обеспечивают удельное поверхностное электрическое сопротивление в диапазоне от 10 до 10 Ом, для стекания зарядов по большой длине кабеля основной полимерный слой оболочки выполнен совместно с прилегающей к поверхности основного полимерного слоя оболочки в контакте с ней или встроенной в объем основного полимерного слоя электрически непрерывной проводящей структурой, причем встроенной в объем при необходимости защиты самой проводящей структуры от вредного воздействия окружающей среды, для обеспечения оптимальных конструкций и технологии изготовления ячеистой или линейной формы, для обеспечения оптимального растекания электростатических зарядов по поверхности - с площадью элементарной ячейки не более 4 см и минимальным расстоянием между любыми двумя смежными проводящими линейными элементами не более 2 см.
Также для обеспечения свойства огнестойкости под названную изоляцию и поверх сердечника целесообразно наложить обмоткой по спирали не менее одной слюдинитовой ленты, для изоляции и основного полимерного слоя оболочки целесообразно выбирать поливинилхлоридный пластикат с кислородным индексом от 20 до 25 или специальный поливинилхлоридный пластикат с кислородным индексом не менее 30, в том числе с пониженным дымогазовыделением, или безгалогенную полимерную композицию с кислородным индексом не менее 35, исходя из требований пожарной безопасности кабельную резину при использовании для изделий подвижного монтажа, полиолефиновый или полиуретановый термопластичный эластомеры при предъявлении требование повышенной гибкости, при сочетании требований повышенной гибкости и маслобензостойкости - силиконовую резину, при дополнительном требовании огнестойкости - силиконовую резину, керамизирующуюся в условиях воздействия пламени, для защиты от внешних или внутренних электромагнитных воздействий целесообразно наложить не мене одного экрана, для придания кабелю круглой цилиндрической формы и/или предотвращению переноса взрывоопасных газов по сердечнику кабеля целесообразно под оболочку и/или в воздушные полости в сердечнике ввести полимерный заполнитель, для использования кабелей в сухой атмосфере целесообразно использовать добавки в виде проводящей сажи в количестве от 6,1 до 20% объема основного полимерного слоя оболочки, во влажной атмосфере - в виде моностеарата сорбитола и/или моностеарата глицерина в количестве от 0,01 до 2% объема основного полимерного слоя оболочки, для придания кабелю жесткости проводящую структуру целесообразно изготавливать ячеистой в виде металлической сетки, для экономичности - ячеистой в виде перфорированной металлической или металлополимерной ленты, для кабелей больших длин - в виде оплетки из проволок, для кабелей применяемых в атмосфере коррозионноактивной по отношению к металлам - ячеистой из проводящего полимера, для обеспечения технологичности - линейной формы из полимерных проводящих элементов или в виде обмотки проволоками, для дополнительной защиты кабеля от растягивающих и раздавливающих усилий целесообразно изготавливать проводящую структуру ячеистой формы в виде оплетки или линейной формы в виде обмотки проволоками, причем сечение и количество проволок рассчитывают, исходя из требований к растягивающим и раздавливающим усилиям, для дополнительного скрепления проводящей структуры с основным полимерным слоем оболочки между ними дополнительно вводят адгезионный слой, при предъявлении к оболочке иных дополнительных требований целесообразно выполнить ее из нескольких слоев, причем основной полимерный слой располагается ближайшим к наружной поверхности.
Предлагаемая полезная модель поясняется конкретными примерами выполнения, представленными на следующих чертежах:
- фиг.1а, б - схематическое изображение кабеля с тремя скрученными токопроводящими жилами в сердечнике (вариант 2), двухслойной оболочкой и проводящей структурой ячеистой формы в фронтальной «а» и профильной «б» проекциях;
- фиг.2а, б - схематическое изображение кабеля с тремя скрученными токопроводящими жилами в сердечнике (вариант 2), двухслойной оболочкой и проводящей структурой линейной формы в фронтальной «а» и профильной «б» проекциях.
Изображенный на фиг.1а, б электрический кабель с проводящей структурой ячеистой формы состоит из однопроволочных или многопроволочных токопроводящих жил 1 с изоляцией 2 из поливинилхлоридного пластиката с кислородным индексом от 20 до 25 или специального поливинилхлоридного пластиката с кислородным индексом не менее 30, в том числе, с пониженным дымогазовыделением, или сшитого полиэтилена, или безгалогенной полимерной композиции с кислородным индексом не менее 35, или термопластичного полиолефинового эластомера, с кислородным индексом не менее 29, или термопластичного полиуретанового эластомера с кислородным индексом не менее 29, или изоляционной кабельной резины, или силиконовой резины, в том числе, керамизирующейся в условиях воздействия пламени, скрученных в сердечник (вариант 2), с двухслойной оболочкой из слоя полиэтилена 3 и основного полимерного слоя оболочки 4 из из поливинилхлоридного пластиката с кислородным индексом от 20 до 25 или специального поливинилхлоридного пластиката с кислородным индексом не менее 30, в том числе, с пониженным дымогазовыделением, или безгалогенной полимерной композиции с кислородным индексом не менее 35, или термопластичного полиолефинового эластомера, с кислородным индексом не менее 29, или термопластичного полиуретанового эластомера с кислородным индексом не менее 29, или шланговой кабельной резины, или силиконовой резины, в том числе, керамизирующейся в условиях воздействия пламени и проводящей структурой ячеистой формы 5 в виде металлической сетки, наложенной обмоткой по спирали или продольно, или в виде перфорированной металлической или металлополимерной ленты, наложенной обмоткой по спирали или продольно, или в виде оплетки из металлических проволок, или из проводящего полимера, преимущественно химически родственного материалу основного полимерного слоя названной оболочки.
Изображенный на фиг.2а, б электрический кабель с проводящей структурой линейной формы состоит из однопроволочных или многопроволочных токопроводящих жил 1 с изоляцией 2 из поливинилхлоридного пластиката с кислородным индексом от 20 до 25 или специального поливинилхлоридного пластиката с кислородным индексом не менее 30, в том числе, с пониженным дымогазовыделением, или сшитого полиэтилена, или безгалогенной полимерной композиции с кислородным индексом не менее 35, или термопластичного полиолефинового эластомера, с кислородным индексом не менее 29, или термопластичного полиуретанового эластомера с кислородным индексом не менее 29, или изоляционной кабельной резины, или силиконовой резины, в том числе, керамизирующейся в условиях воздействия пламени, скрученных в сердечник (вариант 2), с двухслойной оболочкой из слоя полиэтилена 3 и основного полимерного слоя оболочки 4 из из поливинилхлоридного пластиката с кислородным индексом от 20 до 25 или специального поливинилхлоридного пластиката с кислородным индексом не менее 30, в том числе, с пониженным дымогазовыделением, или безгалогенной полимерной композиции с кислородным индексом не менее 35, или термопластичного полиолефинового эластомера, с кислородным индексом не менее 29, или термопластичного полиуретанового эластомера с кислородным индексом не менее 29, или шланговой кабельной резины, или силиконовой резины, в том числе, керамизирующейся в условиях воздействия пламени и проводящей структурой линейной формы 6 из продольно или спирально наложенных линейных элементов из проводящего полимера, преимущественно химически родственного материалу основного полимерного слоя названной оболочки, или в виде обмотки по спирали из металлических проволок.
Технология изготовления кабелей согласно заявляемой полезной модели включает следующие операции.
Жилы могут, например, изготавливаться медными или медными лужеными.
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.
Многопроволочные 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 металлопластмассовой ленты накладывается обмоткой по спирали с перекрытием на обмоточных машинах или продольно с перекрытием на операции наложения влагозащитной оболочки. Экран накладывается металлом внутрь, а под него подпускают продольно медную луженую дренажную жилу. Возможно продольное наложение экрана из металлопластмассовой ленты металлом внутрь с подпуском медной луженой дренажной жилы при одновременном наложении экструдированного слоя поясной изоляции из поливинилхлоридного пластиката или специального поливинилхлоридного пластиката, или безгалогенной полимерной композиции, или термопластичного эластомера на экструзионной линии или резины или силиконовой резины на линии непрерывной вулканизации.
При изготовлении комбинированного электрического экрана металлопластмассовую ленту подпускают продольно с перекрытием металлическим слоем кверху под оплетку или обмотку на оплеточной или обмоточной машине, соответственно.
Заполнитель 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.
Основной полимерный слой 4 названной оболочки может накладываться традиционным способом, например, с помощью экструзионной линии. При этом добавки в требуемом количестве замешиваются в промежуточной емкости с гранулами основного полимера, откуда они подаются насосом в загрузочный бункер экструдера. Для обеспечения качественного перемешивания целесообразно предварительно изготовить концентраты добавок в гранулах, для чего на специальной экструзионной линии смешать добавки в большом процентном соотношении с основным полимером и получить концентрат добавок в гранулах.
Дополнительные слои многослойной оболочки (например: 3) изготавливают также традиционным способом: полимерные - экструзией, ленточные - обмоткой по спирали или продольно.
Проводящая ячеистая структура 5 в виде металлической сетки изготавливается на металлоткацких станках, сворачивается в рулон, рулон устанавливается в обмоточной машине, далее сетка накладывается на основной полимерный слой 4 названной оболочки методом обмотки по спирали. Продольное наложение металлической сетки, преимущественно, производится для ячеистой структуры встроенной в объем на операции экструдирования основного полимерного слоя оболочки.
Перфорированная лента проводящей ячеистой структуры 5 приобретается готовой, либо изготавливается из ленты сплошного материала пропусканием через перфоратор с приемом в виде рулона. Продольное наложение перфорированной ленты, преимущественно, производится для ячеистой структуры встроенной в объем на операции экструдирования основного полимерного слоя оболочки.
Рулон устанавливается в обмоточной машине, далее перфорированная лента накладывается на основной полимерный слой 4 названной оболочки методом обмотки по спирали.
Проводящая ячеистая структура 5 в виде оплетки изготавливается из проволоки на оплеточных машинах.
Проводящую ячеистую структуру 5 из проводящего полимера получают в несколько приемов. Вначале на основной полимерный слой 4 названной оболочки накладывают металлическую сетку, поверх которой наносится маска из легкоудаляемого полимера, например, парафина. Удалив сетку, получают основной полимерный слой 4 с маской в местах, где были ячейки сетки. Затем на полученную заготовку в электростатическом поле напыляют проводящий полимер. Под воздействием температуры и вибрации маска удаляется и остается основной полимерный слой 4 с ячеистой структурой из проводящего полимера 5.
Проводящую линейную структуру 6 с продольными линейными проводящими элементами из проводящего полимера изготавливают методом экструзии с использованием дополнительного встраиваемого экструдера (вертикального или горизонтального) в линию изготовления основного полимерного слоя 4 названной оболочки. Как правило, основной и дополнительный экструдер в этом случае работают на общую головку. Для получения продольных линейных проводящих элементов используют стандартный набор технологического инструмента, для получения спиральных линейных проводящих элементов используют метод вращающейся матрицы.
Проводящую линейную структуру 6 с линейными проводящими элементами в виде обмотки проволоками по спирали изготавливают на обмоточных машинах. При этом, как правило, используются дополнительные способы крепления линейных проводящих элементов к основному полимерному слою, например, с помощью адгезионного слоя в качестве клея, наносимого валиком, встроенным в машину.
Для проверки достижения технического результата были изготовлены девять групп образцов кабелей, каждый образец длиной 10 м. Все образцы подразделены на три группы по три кабеля по конструкции сердечника: первая с сердечником из трех не скрученных между собой токопроводящих жил с изоляцией, вторая - с сердечником из трех скрученных между собой токопроводящих жил с изоляцией, третья - с сердечником из трех групп скрученных между собой, причем каждая группа содержала по две токопроводящие жилы с изоляцией, скрученные между собой.
В каждой группе образцы отличались следующим образом: стандартной конструкции, с однослойной оболочкой по данной полезной модели с проводящей структурой ячеистой формы, с однослойной оболочкой по данной полезной модели с проводящей структурой линейной формы.
Оболочка кабелей стандартной конструкции была выполнена из полиэтилена марки 153-10К. Основной полимерный слой оболочек двух других групп кабелей был выполнен из полиэтилена марки 153-10К с добавками сажи в объеме 15% от объема полимера. На образцы кабеля с ячеистой проводящей структурой была наложена оплетка из медных проволок, на образцы кабелей с линейной проводящей структурой - обмотка из медных проволок, скрепленная на концах образцов хомутами шириной 10 мм по поверхности кабеля в поперечном сечении.
Образцы, свитые в бухты с внутренним диаметром 0,3 м, закреплялись на платформе вибростенда марки СД-2М и подвергались вибрации с частотой 25 Гц с амплитудой ускорения 2g в течение 2 часов. У кабелей с проводящими структурами один конец проводящей структуры был заземлен.
До испытаний на образцах длиной 200 мм, отобранных от образцов каждой группы кабелей измеряли поверхностное электрическое сопротивление между двумя кольцевыми электродами, охватывающими поверхность оболочки (со снятыми проводящими структурами у тех образцов, у которых они есть) на расстоянии 100 мм друг от друга, а по данным измерений рассчитывали удельное поверхностное электрическое сопротивление изоляции на единицу поверхности.
У кабелей с ячеистой проводящей структурой измеряли площадь элементарный ячеек (выборочно 10%), у кабелей с линейной проводящей структурой измеряли расстояние между всеми линейными проводящими элементами в двух сечениях образца.
По окончании испытаний с помощью дистанционного измерителя напряженности статического поля марки ETS-216 измеряли напряжение электростатических зарядов на оболочках всех трех групп образцов.
Результаты измерений свели в таблицу 3.
Как видно из таблицы 3, на кабелях с оболочкой по предлагаемой полезной модели, значительного накопления электростатического заряда не наблюдается, что подтверждает достижение технического результата.
Таблица 2.
Наименование группы образцов
Наименование конструкции группы образцов
Расстояние между смежными линейными проводящими элементами, см
Площадь сечения элементарной ячейки в ячеистой проводящей структуре, см<sup>2</sup>
Удельное поверхностное электрическое сопротивление, Ом
Напряжение электростатического заряда, кВ
1. Электрический кабель с сердечником из трехнескрученных между собой токопроводящих жил с изоляцией.
Стандартная конструкция
-
-
(1,8-3,6)·10<sup>12</sup>
1,4-4,7
Конструкция с оболочкой по данной полезной модели с проводящей структурой ячеистой формы
-
1,21 - 1,49
(7,1-7,7)·10<sup>7</sup>
0,09-0,23
Конструкция с оболочкой по данной полезной модели с проводящей структурой линейной формы
1,49-1,63
-
(7,3-7,4)·10<sup>7</sup>
0,27-0,35
2. Электрический кабель с сердечником из трех скрученных между собой токопроводящих жил с изоляцией.
Стандартная конструкция
-
-
(4,1-6,8)·10<sup>12</sup>
2,2-5,8
Конструкция с оболочкой по данной полезной модели с проводящей структурой ячеистой формы
-
1,37-1,91
(7,9-8,5)·10<sup>7</sup>
0,05-0,12
Конструкция с оболочкой по данной полезной модели с проводящей структурой линейной формы
1,28-1,54
-
(7,6-7,7) · 10<sup>7</sup>
0,11-0,17
3. Электрический кабель с сердечником из трех групп скрученных между собой, причем каждая группа состоит из двухтокопроводящих жил с изоляцией, скрученных между собой.
Стандартная конструкция
-
-
(0,5-1,3) · 10<sup>13</sup>
1,9-6,3
Конструкция с оболочкой по данной полезной модели с проводящей структурой ячеистой формы
-
1,17-1,58
(8,1-9,5) · 10<sup>7</sup>
0,22-0,33
Конструкция с оболочкой по данной полезной модели с проводящей структурой линейной формы
1,33-1,58
-
(8,1-8,9) · 10<sup>7</sup>
0,13-0,28