СИММЕТРИЧНЫЙ ОГНЕСТОЙКИЙ КАБЕЛЬ
SYMMETRICAL FIRE-RESISTANT CABLE

Изобретение относится к кабельной технике, в частности к симметричным огнестойким кабелям для передачи аналоговых и цифровых сигналов. Указанные кабели применяются для организации линий передач в системах связи, промышленной автоматизации и системах пожароохранной сигнализации на атомных станциях, в частности, внутри гермозоны.
Основная проблема, которая стоит перед разработчиками кабелей - конструктивное выполнение последних и правильный выбор материалов. Последние должны сохранять исходный химический состав, структуру и свойства после воздействия ионизирующего излучения, то есть обладать необходимой радиационной стойкостью.
К показателям пожарной безопасности относится огнестойкость кабеля, нераспространение горения, низкое дымообразование. Все вышесказанное должно сочетаться с обеспечением минимального уровня потерь коэффициента затухания и необходимого набора нормируемых электрических параметров: электрической емкости, волнового сопротивления, емкостной асимметрии пар и др.
Отечественной промышленностью выпускаются в соответствии с ТУ 16.К71-320-2002 [1] огнестойкие кабели для передачи электрических сигналов и распределения электрической энергии в стационарных электротехнических установках при эксплуатации внутри гермозоны атомных станций.
Кабели содержат токопроводящие жилы, поверх каждой из которых наложена обмотка из слюдосодержащей ленты. Поверх обмотки наложен электроизоляционный слой, выполненный из нераспростроняющего горение полимерного материала. При пожаре полимерный слой выгорает, но кабель сохраняет работоспособность в течение не менее 90 минут (по стандарту), так как наличие слоя слюды между токопроводящими жилами предохраняет их от короткого замыкания.
Недостатки указанных кабелей обусловлены, во-первых, трудностями наложения обмотки из слюдосодержащей ленты на жилы с малым диаметром, например на жилы информационных кабелей диаметром менее 1 мм. Во-вторых, используемая в качестве изоляции безгалогеновая полимерная композиция имеет высокий уровень коэффициента диэлектрических потерь, что не позволяет использовать ее для высокочастотных кабелей.
5
5
Известны огнестойкие симметричные кабели, производимые компанией «Fabbrica Trentina Conduttori» по немецкому стандарту DIN VDE 0815 с диаметром жилы 0,6 и 0,8 мм [2]. В качестве изоляции жил используется огнестойкая кремнийорганическая резина, которая позволила применять данные кабели для связи и передачи данных в цепях с требуемым уровнем огнестойкости, в частности, в адресных системах пожароохранной сигнализации. Использование огнестойкой кремнийорганической резины обеспечивает работоспособность кабелей в условиях воздействия огня в течение требуемых 90-180 мин. Но ни в одном доступном источнике информации не содержится данных, из которых следовало бы, что рассматриваемые кабели при эксплуатации подвергаются (при определенных условиях) дополнительному воздействию - ионизирующему излучению. Однако известно, что доза облучения, вызывающая заметные (до 50%) изменения механических свойств огнестойкой кремнийорганической резины, равна (4÷5·10) Гр. Величина интегральной поглощенной дозы за срок службы кабеля (40 лет) без учета возможной аварии может составить не менее 3,6·10 Гр. Это позволяет сделать вывод, что эти кабели могут работать в условиях ионизирующего излучения, но вопрос увеличения срока службы и работы кабелей при нештатных ситуациях может быть весьма проблематичным.
Конструктивное выполнение кабелей, известных конструкций [2], содержит полимерную пленку, расположенную поверх скрученной пары или пучка пар (а не на изоляции каждой жилы), которая не предназначена для дополнительной защиты кремнийорганической резины от ионизирующего излучения, и эта цель не преследовалась разработчиками известных кабелей.
Задача, на решение которой направлено изобретение, - создание огнестойкого симметричного кабеля с необходимыми характеристиками, обеспечивающими длительный срок его службы (30-50 лет), в том числе в условиях повышенного радиационного излучения. Основная проблема, которая стоит перед разработчиками этих кабелей, - конструктивное выполнение последних и правильный при этом выбор материалов. Последние должны сохранять исходный химический состав, структуру и свойства после воздействия ионизирующего излучения, то есть обладать необходимой радиационной стойкостью. Кроме того, они должны обладать необходимой стойкостью к воздействию пламени, распространению огня и к дымообразованию. Все вышесказанное должно быть обеспечено с минимальным уровнем потерь - коэффициентом затухания и с необходимым набором нормируемых электрических параметров - электрической емкости, волнового сопротивления, емкостной ассиметрии пар и др.
За последнее время условия, в которых работают электроизоляционные материалы, стали более суровыми. Это объясняется тем, что существенно повышаются требования к надежности работы электротехнических устройств, в том числе и кабелей, в очень большой степени определяемой надежностью их электрической изоляции. В ряде случаев изоляционным материалам приходится работать в условиях воздействия химических реагентов, ионизирующего излучения. Для кабелей (как и для других электротехнических устройств) установлены параметры, характеризующие надежность и долговечность их работы. К ним относится и такой параметр, как срок службы (например, 30-50 лет). Все эти параметры зависят от свойств и качества используемых электроизоляционных материалов.
Изоляционные материалы, применяемые при решении той задачи, которая стояла перед заявителями, позволили получить кабель с необходимыми характеристиками. В связи с этим эти материалы будут рассмотрены в первую очередь.
Как правило, все изоляционные материалы, обладающие необходимыми диэлектрическими свойствами, имеют синтетическое происхождение. В частности, большое значение приобрели высокомолекулярные соединения, например органические полимеры, такие как полиимид, полиэтилентерефталат и такие материалы, как огнестойкая кремнийорганическая резина, основная структура которой - это цепи из атомов кремния и кислорода с редкими поперечными сшивками. Этим обстоятельством обуславливается присущий ей в некоторой степени неорганический характер. Вследствие своей особой химической структуры кремнийорганическая резина отличается целым рядом свойств, которые позволяют ей занять особое место среди резиновых эластичных материалов.
Для кабелей существенное значение имеют электрические характеристики применяемых в качестве изоляции материалов, в частности огнестойкой кремнийорганической резины. Главными параметрами, характеризующими электроизоляционные свойства резиновой изоляции, являются удельное объемное электрическое сопротивление и электрическая прочность. Кроме того, важной характеристикой для кабелей является стойкость к воздействию пламени и сопротивление к распространению горения. Для обеспечения стойкости кремнийорганической резины к воздействию огня в огнестойкие рецептуры вводится керамонаполнитель. Для ряда кабельных изделий этот вопрос имеет существенное эксплутационное значение, так как часто при коротких замыканиях в электрической сети или при возникновении пожара в помещениях кабели служат источником распространения огня.
Признаками старения резины служат потеря эластичных свойств, ухудшение электрических и физико-механических параметров и других основных характеристик. Со временем внешний слой резиновой изоляции постепенно твердеет, образуются трещины и в определенный период времени изоляция становится хрупкой, способной разрушаться. Все это является следствием процесса окислительной деструкции содержащегося в резине каучука под воздействием радиации, кислорода, озона, света, тепла и других факторов. Воздействию озона подвержены те резины, основой которых служат неозоностойкие каучуки. Огнестойкая кремнийорганическая резина устойчива к атмосферным воздействиям, озону и кислороду, так как ее основой является озоностойкий каучук. Однако при длительном сроке эксплуатации кабелей в условиях воздействия ионизирующего излучения процесс старения ускоряется. Таким образом, до потери работоспособности нужно пройти три стадии старения: появление первых трещин, снижение эластичности (относительного удлинения) до 50% и полная потеря эластичности.
-4
-3
-2
Кроме того, известны электроизоляционные органические полимерные пленки - тонкие и гибкие материалы, которые могут быть намотаны в рулон различной ширины. Благодаря высоким электрическим и механическим свойствам при малой толщине пленки нашли широкое применение в электротехнической промышленности, в том числе в кабельной технике. Органические полимерные пленки могут быть разделены на две большие группы, различающиеся по электрофизическим свойствам: неполярные пленки характеризуются низким значением ε=(2,0÷2,5) и малым значением угла потерь (tgδ=10), в связи с чем они могут применяться в высокочастотной технике. Полярные пленки имеют повышенные значения ε(от 3 до 10÷5) и tgδ (10÷10). Электрическая прочность полярных пленок, как правило, выше, чем у неполярных.
7
Полиимидные пленки относятся к числу наиболее нагревостойких органических полимеров. При 500°С пленки вдвое прочнее, чем пленки из полиэтилена при 20°С. Деструкция протекает лишь при температуре выше 400°С. Пленки не плавятся и не размягчаются до 800°С. Полиимидная пленка обладает высокими механическими свойствами. Отличительной особенностью пленки является высокая радиационная стойкость. Пленка сохраняет достаточную эластичность после воздействия гамма-излучения 4,16·10 Гр и 50% первоначального удлинения после облучения потоком электронов 6-10 Гр. Длительная рабочая температура пленки 220°С.
Сочетание высоких механических, электрических свойств и радиационной стойкости, а также нагревостойкости при малой толщине 30-60 мкм позволило пленкам найти широкое применение в электротехнической промышленности, в том числе и кабельной технике. Следует обратить внимание на то, что радиационная стойкость полимерных материалов, прежде всего, определяется изменением их механических свойств. Изменение электрических свойств является, во многих случаях, следствием изменения механических свойств. Электрические свойства электроизоляционных материалов сравнительно мало изменяются в зависимости от поглощенной дозы, если в материалах не происходит необратимых изменений структуры. Началу изменения этих свойств соответствует начало необратимого изменения структуры, которое в значительной мере сопровождается изменением механических свойств материала. Поэтому радиационная стойкость электроизоляционного материала, определенная по изменению механических свойств, является более показательной.
Подробное описание свойств использованных изоляционных материалов можно оправдать тем, что рассматриваемый кабель предназначен для работы в широком диапазоне эксплутационных воздействий внутри гермозоны. Кроме того, необходимо отметить, что постоянное пребывание кабелей в гермозоне атомной станции (по сравнению с обычными условиями эксплуатации) осложняется не только постоянным воздействием радиации при нормальном режиме работы реактора, но и совокупностью специальных воздействий, характерных для аварийных режимов работы. К таким воздействиям, в частности, относятся: температура, давление, влажность окружающей среды, ионизирующая радиация, растворы химических реагентов. Независимо от этого кабель должен быть работоспособен и выполнять свои функции.
Ввиду специфики эксплуатации кабелей их конструкции должны обеспечивать огнестойкость и радиационную стойкость в сочетании с минимальным уровнем потерь (коэффициентом затухания) и с необходимым набором электрических параметров (электрической емкости, волнового сопротивления, емкостной асимметрии пар).
Повышение радиационной стойкости кремнийорганической резины достигается путем защиты изоляции от свободного доступа кислорода воздуха, способствующего разрушению резины при ее эксплуатации. В качестве защитного слоя изоляции токопроводящих жил использована полиимидная пленка, которая имеет более высокую, чем у кремнийорганической резины, радиационную стойкость и непроницаемую для молекул кислорода. Однако если наложить на каждую жилу симметричной пары пленку и потом скрутить эти жилы в пары, то в местах соприкосновения жил будет, как минимум, двойной слой пленки (от двух жил). Для обеспечения заданных электрических параметров (электрической емкости и волнового сопротивления) при фиксированном габарите кабеля необходимо будет уменьшить толщину слоя кремнийорганической резины, что недопустимо. Уменьшение толщины слоя резины в изоляции пары симметричного кабеля приведет к снижению его огнестойкости. Кроме того, увеличение массы используемой полиимидной пленки в межжильном пространстве ведет к увеличению диэлектрических потерь в кабеле, росту коэффициента затухания.
Итак, ожидаемый технический результат при использовании изобретения - это создание конструкции кабеля, которая обеспечивает огнестойкость и радиационную стойкость в сочетании с минимально достижимым уровнем потерь (коэффициент затухания) и необходимым набором электрических параметров. Проведение анализа всех материалов заявки позволило выявить совокупность существенных признаков, которые причинно связаны с техническим результатом.
Огнестойкий симметричный кабель, содержащий последовательно расположенные сердечник, включающий, по крайней мере, одну симметричную пару изолированных кремнийорганической резиной токопроводящих жил и полимерную пленку поверх сердечника, далее расположены экран и защитная оболочка из нераспространяющего горение полимерного материала. При этом в качестве пленки использована полиимидная пленка, которая в поперечном сечении кабеля имеет S-образную конфигурацию, имеющую две полости, образованную одним слоем пленки по всему периметру изоляции токопроводящих жил пары. Каждая изолированная жила пары расположена внутри одной из полостей и жилы скреплены между собой указанной пленкой, обеспечивающей постоянство симметрии пары.
Необходимо еще раз вернуться к рассмотрению существенных признаков и определить, какой технический результат стоит за этими признаками. Радиационностойкая пленка - это полиимидная пленка и ее конструктивное выполнение, и взаимосвязь с изолированными кремнийорганической резиной жилами обеспечивают получение результата. Так, пленка имеет S-образную конфигурацию, образованную одним ее слоем. Таким образом, проблема, связанная с двойным слоем пленки в местах соприкосновения двух жил (что приводит к необходимости уменьшить толщину резины и, как следствие, к снижению огнестойкости кабеля), исключена.
Назначением симметричных кабелей для передачи данных является передача высокочастотных сигналов от передающего устройства к приемнику. При этом затухание передаваемого сигнала зависит, в частности, от диэлектрических потерь в изоляции, а также потерь, обусловленных отражениями и фазовыми искажениями сигнала, зависимого от емкостной асимметрии экранированной пары. Также существенный признак - S-образная конфигурация пленки по всему периметру, образованная одним ее слоем, свидетельствует о том, что массовая доля изоляции с высоким значением tgδ в кабеле уменьшилась. Следовательно, уменьшились диэлектрические потери в кабеле. Это приводит, как уже отмечалось, к уменьшению коэффициента затухания в кабеле. S-образная конфигурация имеет две полости и в каждой из них расположена (по всей длине кабеля) одна изолированная жила. Скреплены жилы между собой пленкой, обеспечивая этим постоянство симметрии пары, что, в свою очередь, приводит к уменьшению потерь, обусловленных отражениями и фазовыми искажениями сигнала.
В заключение необходимо остановиться на самой полиимидной пленке. Пленка в заявленном изобретении, выполняя необходимые защитные функции, закрывает поверхность кремнийорганической резины одним слоем. Однако, вследствие исключительно низкой газопроницаемости, одного ее слоя достаточно для защиты резины от воздействия кислорода воздуха. Ее высокая радиационная стойкость обеспечивает эту защиту и целостность конструкции кабеля в течение всего срока ее службы при работе в условиях повышенной радиации. Таким образом, все существенные признаки, выявленные при анализе изобретения, позволили сказать, что за ними стоит выявленный ранее технический результат.
Сущность изобретения поясняется фотографией макета сердечника кабеля, показанного на фиг.1, где две изолированные токопроводящие жилы скручены с имитирующей полиимидную пленку лентой, чтобы проиллюстрировать образование однослойной S-образной конфигурации пленочного элемента конструкции кабеля. Для иллюстрации конструкции кабеля использована окрашенная полиэтиленовая лента, так как в реальности полиимидная пленка тонкая и прозрачная, и поэтому на фотографии была бы не видна. Как видно из фиг.1, указанный элемент закрывает поверхность изоляции жил и при этом скрепляет изолированные жилы. На фиг.2 показан чертеж поперечного сечения заявленного кабеля, где 1 - токопроводящая жила, 2 - изоляция из огнестойкой кремнийорганической резины, 3 - пленка из полиимида, 4 - симметричная пара, 5 - экран и 6 - оболочка из нераспространяющего горение полимерного материала.
НГ
Пример конкретной реализации изобретения может быть представлен конструкцией симметричного огнестойкого кабеля для атомных станций марки КСБ-FRHF 1×2×0,8, который содержит однопроволочные медные токопроводящие жилы диаметром 0,8 мм, изолированные огнестойкой кремнийорганической резиной марки Эластосил R 503/75 (Германия). Изолированные токопроводящие жилы скручены в пару с полиимидной пленкой толщиной 50 мкм. Поверх пленки наложен экран из алюминиевой фольги, ламинированной полиэтилентерефталатной пленкой, с контактным проводником из луженой медной проволоки. Поверх экрана наложена оболочка из безгалогенного нераспространяющего горение полимерного материала марки D - А 898 R фирмы «Сondor compounds» (Германия). Кабель имеет нормируемое волновое сопротивление 100 Ом и коэффициент затухания на частоте 1 МГц - 2,16 дБ/100 м.
Литература
[1] ТУ16.К71-320-2002 «Кабели контрольные, не распространяющие горение и огнестойкие, с изоляцией и оболочкой из полимерных композиций, не содержащих галогенов», ОАО ВНИИ КП, г.Москва, 2002 г., 26 с.
[2] Security cable. Каталог фирмы «Fabbrica Trentina Conduttori», Италия.