КАБЕЛЬ МОНТАЖНЫЙ, ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ВЗРЫВОБЕЗОПАСНЫЙ ДЛЯ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ СИСТЕМ АВТОМАТИКИ
MOUNTING CABLE, MAINLY EXPLOSION-PROOF FOR HIGH-SPEED AUTOMATIC CONTROL SYSTEMS

1. Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к кабельной технике и может быть использовано в конструкциях кабелей, применяемых в высокоскоростных системах автоматики, преимущественно во взрывоопасных средах промышленных производств.
2. Уровень техники
Известен кабель монтажный для высокоскоростных систем автоматики, преимущественно взрывобезопасный по патенту на изобретение RU №2417470 [1] от 07.06.2010 г., МКП: Н01В 7/29. Кабель состоит из сердечника, включающего четное число изолированных полимером однопроволочных или многопроволочных медных или медных луженых токопроводящих жил, попарно скрученных между собой, общего экрана и экструдированной полимерной влагозащитной оболочки. Сущность изобретения состоит в том, что для двух конкретных типов изоляции, состоящей из чередующихся слоев сплошного и вспененного полиэтилена или из сшитого полиэтилена, а также для двух типов пар, с индивидуальным экраном или без него, подобраны диапазоны изменяющихся толщин.
Известен симметричный огнестойкий кабель по патенту на изобретение RU №2370839 [2] от 21.07.2008 г., МКП: Н01В 11/02; МКП: Н01В 7/295. Огнестойкий симметричный кабель содержит последовательно расположенные сердечник, включающий, по крайней мере, одну симметричную пару изолированных огнестойкой кремнийорганической резиной токопроводящих жил и полимерную пленку, экран поверх сердечника и защитную оболочку из нераспространяющего горение полимерного материала. При этом пленка использована полиимидная, в поперечном сечении пары имеет S-образную конфигурацию, по всему периметру образованную одним ее слоем и имеющую две полости, при этом каждая изолированная жила пары расположена внутри одной из полостей, и жилы скреплены между собой указанной пленкой, обеспечивающей постоянство симметрии пары. Изоляция, обеспечивающая огнестойкость пары, выполнена из керамообразующей кремнийорганической резины, в процессе эксплуатации под радиационным воздействием теряющая свои свойства. Для защиты от разрушающих воздействий пленка наложена так, что в поперечном сечении пары она полностью оборачивает каждую изолированную жилу. Полиимидная пленка имеет высокие терморадиационные свойства, что позволяет защитить кремнийорганическую изоляцию по всей поверхности.
Недостатком обоих аналогов является то, что после скрутки пары с малым шагом экран, накладываемый на сердечник имеет круглую цилиндрическую форму и под экраном образуются воздушные полости.
Согласно Приложению Е ГОСТ IEC 60079-14-2013 [3] кабели с неплотной скруткой и незаполненными промежутками в сердечнике могут приводить к протеканию по ним взрывоопасных газов и жидкостей. Чтобы исключить этот эффект, воздушные промежутки в сердечнике кабеля должны быть заполнены полимерным заполнителем.
Требования к заполнению воздушных полостей в сердечнике монтажных кабелей изложены в ГОСТ Р 59387-2021 [4], однако конструктивное исполнение в тексте не прописано и может быть любым.
В ГОСТ Р 58342-2019 [5] заложено следующее требование: «Внутренние промежутки могут быть заполнены жгутом из негигроскопичного волокнистого или полимерного материала, или жгутом, выпрессованным из полимерной композиции. Жгут может быть профилированным или выполнен из мягкого материала (невулканизированной резины или другого равноценного материала), который при скрутке деформируется и заполняет внутренний промежуток между изолированными жилами, повторяя его форму.».
Обобщая изложенное требование, можно заключить, что под каждый элемент скрутки (пару) требуется отдельные два-три заполняющих прутка или жгута, что делает процесс скрутки достаточно сложным (максимальное число пар в кабеле до 10), а также потребует линию скрутки с большим количеством отдатчиков.
Таким образом, способ оптимального и экономичного заполнения внутренних полостей в пределах пары монтажного кабеля не разработан.
В качестве прототипа выберем кабель по патенту RU №2370839 [2].
3. Раскрытие сущности изобретения
Сущность предлагаемого изобретения выражается в том, что пространство между изоляцией жил в паре заполнено полимерным материалом, обеспечивающим ограниченную газопроницаемость пары.
Технический результат достигается тем, что предлагается кабель монтажный, преимущественно для высокоскоростных систем автоматики, взрывобезопасный, содержащий последовательно расположенные сердечник, включающий, по крайней мере одну пару токопроводящих жил с диаметром по изоляции D, при этом изоляция покрыта слоем пленочного материала толщиной Δ, образованного из ленты шириной Н, наложенной на каждую пару в сердечнике и имеющей в поперечном сечении S-образную конфигурацию, образующую две полости, при этом каждая изолированная жила пары расположена внутри одной из полостей, экран, расположенный поверх сердечника и/или оболочку из нераспространяющего горение полимерного материала. Отличительными особенностями являются следующие: пленочный материал имеет значение относительной диэлектрической проницаемости менее 3,5, а ширину ленты выбирают из соотношения  таким образом, что избыток ширины образует складки пленочного материала кромок ленты, заполняя пространство между изоляцией токопроводящих жил.
Для того, чтобы обеспечить применимость кабелей для высокоскоростных систем автоматики, мы должны обеспечить соответствие кабеля требованиям по следующим параметрам: волновое сопротивление, электрическая емкость и индуктивность [1] и обеспечить симметричность конструкции.
-3
Из ГОСТ IEC 60079-14-2013 [3] известно, что для взрывозащиты вида «искробезопасная электрическая цепь «i» преимущественно, электрическая емкость и индуктивность должны быть не более 200 нФ на длине 1 км» и «10 Гн на длине 1 км», соответственно. Можно распределить эти требования и на кабели для других видов взрывозащиты.
Выбрав необходимое сечение токопроводящих жил, можно с учетом требований по электрической емкости и индуктивности, а также волновому сопротивлению, по способу, изложенному в [6] рассчитать необходимую толщину. Таким образом, не претендуя на изобретение по патенту RU №22417470 [1], можно рассчитать толщину изоляции для конкретной конструкции монтажного кабеля для высокоскоростных систем автоматики, в том числе для любого полимера, применяемого для изоляции. При этом относительная диэлектрическая проницаемость ленты должна быть менее 3,5, в противном случае кабель не обеспечит требуемого значения электрической емкости.
Рассчитанное значение толщины изоляции, попадая в диапазон толщин по изобретению по патенту RU №2417470 [1] подтверждает применимость кабелей для высокоскоростных систем автоматики.
Взрывобезопасность обеспечивается ограничением газопроницаемости сердечника, которая и является сущностью данного изобретения, поэтому доказывая соответствие предлагаемой конструкции (технического решения) мы будем доказывать и взрывобезопасность.
Системы высокоскоростной передачи сигналов автоматики определяется высокой частотой передаваемых по кабельной линии связи информационных сигналов. При этом, к кабелю предъявляется требование симметричности в виде емкостной асимметрии жил, а в конструкции это означает притянутость жил друг к другу.
Известна скрепляющая лента с S-образной конфигурацией [2]. При использовании ленты с такой конфигурацией, концы ленты заворачиваются вокруг изолированных жил так, что обеспечивается полное облегание лентой каждой изолированной жилы и притянутость жил друг к другу, а это и означает повышение симметричности конструкции кабеля.
Если использовать ленту шириной Н, удовлетворяющей соотношению  то при заворачивании ленты вокруг изолированных жил возникает избыток ленты с двух сторон, который получит несколько перегибов.
Скрутка жил в пару с одновременным наложением скрепляющей ленты с S-образной конфигурацией происходит при их поступлении в калибр. При этом избыточная лента на краях складывается в несколько слоев и заполняет воздушные промежутки между жилами в паре.
Ограниченная газопроницаемость сердечника заключается в том, что в соответствии с приложением Е ГОСТ IEC 60079-14-2013 [3] кабель, подключенный к сосуду с избыточным давлением не менее 0,3 кПа за 5 с должен пропустить столько воздуха по сердечнику, чтобы давление в сосуде упало не более, чем на 0,15 кПа. Избыток ленты, заполняя свободную воздушную полость при скрутке прижимается к жилам, выдавливая имеющийся воздух, а ориентация слоев ленты после скрутки по спирали создает дополнительное препятствие для распространения воздуха вдоль сердечника, что и подтверждает, как показывают испытания, достижение сущности изобретения.
Для снижения толщины А скрепляющей ленты и общей экономии материала, целесообразно использовать полиэтилентерефталатную пленку.
Для обеспечения требуемой холодостойкости целесообразно использовать фторполимерную пленку.
С целью дополнительного увеличения сопротивления перемещению воздуха вдоль сердечника целесообразно использовать пленку из нетканого материала, имеющего выступающие с поверхности ворсинки.
С целью снижения эквивалентной относительной диэлектрической проницаемости и электрической емкости сердечника, целесообразно использовать пористую полиэтиленовую пленку. Различие между пористыми материалами заключается в разной жесткости и стоимости, что и определяет выбор. Эквивалентной относительной диэлектрической проницаемостью называется величина, учитывающая как относительную диэлектрическую проницаемость изоляции токопроводящих жил, так и относительную диэлектрическую проницаемость пленочного материала и воздуха, частично оставшегося между слоями пленочного материала.
С целью уплотнения избытка ленты на краях между изоляцией токопроводящих жил, целесообразно наложить дополнительную в виде поясной изоляции ленту из полиэтилентерефталатной, или фторполимерной, или из нетканого материала, или пористой полипропиленовой, или пористой полиэтиленовой пленок или другого пленочного материала.
4. Краткое описание чертежей
Предлагаемая изобретение поясняется конкретным примером исполнения, представленным на чертеже:
- Фиг. 1 - схематическое изображение однопарного кабеля со скрепляющей лентой S-образной конфигурацией и заполнением воздушных промежутков в паре избытком ленты на краях.
Кабель однопарный 1 со скрепляющей лентой S-образной конфигурации и заполнением воздушных промежутков между жилами в паре избытком ленты на краях, представлен на схематическом изображении на Фиг. 1, состоит из двух токопроводящих жил 2 с изоляцией 3, скрепляющей ленты 4, имеющей S-образную форму и облегающей каждую жилу по изоляции 3 по всей длине окружности, с избытком ленты на краях 5, которая заполняет свободные промежутки пары, на сердечник наложен экран 6, а поверх экрана - защитная оболочка 7 из нераспространяющего горение полимерного материала.
5. Осуществление изобретения
Токопроводящие жилы используют однопроволочные или многопроволочные. Из медной катанки, как правило, диаметром 8 мм по традиционным технологиям на машинах грубого, среднего, тонкого волочения (последнее - при необходимости) волочат проволоку необходимого диаметра. Многопроволочную жилу скручивают из нескольких проволок преимущественно на машинах сигарного типа.
Изолированные жилы скручивают в пару, например, на машинах однопроволочной одинарной скрутки или на машинах рамочного типа [7].
Жилы в пару скручиваются в калибре, одновременно с жилами в калибр подается лента S-образно изогнутая. При скрутке лента оборачивает жилы по всей поверхности, а избыток ленты складывается, занимая свободное пространство между жилами (изоляцией).
Для уплотнения избытка ленты на краях, сложившихся и заполнивших свободное пространство между жилами в парах, поверх скрепляющей ленты S-образной конфигурации накладывают дополнительно ленту в виде поясной изоляции из того же или иного пленочного материала подпуская ее в тот же калибр.
Поверх сердечника накладывают экран, например, в виде оплетки, который накладывают на оплеточных машинах.
Затем, поверх экрана на экструзионной линии накладывают защитную полимерную оболочку.
6. Библиография
1. Патент на изобретение RU №2417470 «Кабель монтажный преимущественно взрывобезопасный для высокоскоростных систем автоматики (варианты)» от 07.06.2010 г.
2. Патент на изобретение RU №2370839 «Симметричный огнестойкий кабель» от 21.07.2008 г.
3. ГОСТ IEC 60079-14-2013 «Взрывоопасные среды. Часть 14. Проектирование, выбор и монтаж электроустановок» М., Стандартинформ, 2014 г. - 125 с.
4. ГОСТР Р 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.
5. ГОСТ Р 58342-2019 «Кабели силовые и контрольные для применения в электроустановках во взрывоопасных средах. Общие технические условия», М., Стандартинформ, 2019 г. - 26 с.
6. И.И. Гроднев, С.М. Верник «Линии связи. Учебник для высших учебных заведений», М., «Радио и связь», 1988 г. - 544 с.
7. О.Ш. Бабицкий, Л.Я. Лехман «Технология скрутки кабелей», М., Энергия, 1978 г. - 136 с.