ПРОВОД ОДНОЖИЛЬНЫЙ ПЛОСКИЙ ИЗОЛИРОВАННЫЙ

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к конструкции изолированных проводов, применяемых в линиях электроснабжения на железнодорожном транспорте, для подачи электрической энергии к двигателям электробуров, а также для обеспечения связи блоков телеметрии по кабельной линии в составе буровой кабельной секции.
Особенностью двигателей электробуров является непосредственное воздействие на их обмотки агрессивных сред, таких как пластовые жидкости, буровые растворы, эксплуатационные жидкости. В связи с чем, для обеспечения надежной работы оборудования обмоточные провода должны иметь увеличенное сечение токопроводящей жилы, повышенную электрическая прочность изоляции, химическую стойкость к воздействию масел, нефтепродуктов, щелочей, кислот, спиртов и других агрессивных сред, высокую механическую прочность в связи со значительными растягивающими, истирающими и режущими нагрузками в процессе изготовления электродвигателей, а также обладать способностью длительной эксплуатации в условиях высоких температур.
Конструктивно данный тип проводов представляет собой одно- или многопроволочную токопроводящую жилу с изоляцией. Изоляция может быть выполнена одним из двух способов: обмоткой изоляционными лентами с последующим запеканием слоев полимерных лент или экструзией (выдавливанием изоляционного полимера, нагретого до температуры плавления).
В качестве полимерных материалов изоляции проводов для погружного оборудования, такого как двигатели электробуров, используются, как правило, полиэтилен низкой и высокой плотности, полипропилен, поливинилхлорид, фторопласт, эмаль.
Наибольшее распространение на практике получили следующие типы изоляции: двухслойная из полиэтиленовых лент низкой и высокой плотности, двухслойная из двух материалов - полиэтилена и полипропилена, двухслойная из эмали и поливинилхлоридного пластиката, многослойная (до 5 слоев) ленточная из разных типов фторопластовых или полиимидно-фторопластовых пленок, однослойная монолитная изоляция из экструдированного слоя фторопласта, двухслойная из пленки фторопласта одной марки и экструдированного слоя из фторопласта другой марки (см. Месенжик Я.З., Осягин А.А. "Кабели и провода для геофизических, гидрологических исследований и добычи полезных ископаемых", Энциклопедический справочник, том 1 - Тверь: Издательство ГЭРС, - 2002, сс. 289-297) /1/.
На практике наибольшее применение при изготовлении нефтепогружного оборудования находят электрические провода марки ППИ-У, выпускаемые отечественными кабельными заводами по ТУ 16-705.159-80 121. Провод выполнен из токопроводящей медной жилы и двух слоев полиимидно-фторопластовой пленки отечественного или импортного производства с последующей термической обработкой.
Известен также применяющийся в промышленности электрический провод, выпускаемый по ТУ 16-705.159-80 под маркой ПЭИ-200, состоящий из токопроводящей медной жилы, первого изоляционного слоя, выполненного методом эмалирования из полиамидимидного лака и второй слой из односторонней полиимидно-фторопластовой пленки с последующей термообработкой. Однако данный провод обладает довольно низкими техническими характеристиками.
Основные технические и эксплуатационные характеристики проводов в значительной степени зависят от материалов изоляции и для перечисленных типов составляют (см. /1/): рабочее напряжение в пределах от 380 до 3000 В, пробивное напряжение изоляции от 4,5 до 12 кВ, электрическое сопротивление изоляции от 8 до 200 МОм на км. длины, теплостойкость (или нагревостойкость) от 80°С до 200°С, в экстренных случаях кратковременно до 250°С для проводов с многослойной изоляцией фторопластовыми пленками, химическая стойкость, оцениваемая по изменению физико-механических характеристик после воздействия агрессивных факторов внешней среды, от ±25% до ±50% показателей, механическая прочность, задаваемая числом возвратно-поступательных протаскиваний провода в корпусе электродвигателя, от 300 до 500.
Улучшение технических характеристик электрических проводов для погружного оборудования идет в основном по пути использования новых материалов изоляции и усовершенствования технологии их нанесения, при этом важным показателем является также и уменьшение стоимости изделия.
Известен провод одножильный изолированный для погружного электрооборудования, содержащий медную токопроводящую жилу, покрытую полимерной изоляцией (патент РФ на полезную модель №14472, 24.02.2000, Н01 В7/04) /3/. Предлагается два варианта провода: с одно- или двухслойной изоляцией. В случае однослойной изоляции она выполнена из блоксополимера пропилена с этиленом с включением 0,1-0,6 мас. % дезактиватора меди. В случае двухслойной изоляции первый слой также выполнен из блоксополимера пропилена с этиленом с включением 0,1-0,6 мас. % дезактиватора меди, а в качестве второго слоя предлагается использовать один из полимеров: полипропилен, полиэтилен высокой плотности или тот же блоксополимер пропилена с этиленом. Включение 0,1-0,6 мас. % дезактиватора меди в материал изоляции обусловлено тем, что блоксополимер без указанной добавки при взаимодействии с медной жилой подвержен быстрому старению. Поэтому провод с изоляцией из блоксополимера пригоден для установки в устройствах с небольшим сроком эксплуатации. Однако полностью проблема низкой стойкости к теплоокислительному старению блоксополимера предложенным решением не решается, что также ограничивает область его применения.
Известен электрический провод, обладающий комплексом высоких эксплуатационных характеристик и содержащий медную токопроводящую жилу, покрытую полимерной изоляцией, выполненной из ароматического полиэфирэфиркетона (патент РФ на полезную модель №83872, 20.06.2009, Н01В 7/00) /4/. Ароматический полиэфирэфиркетон является известным полимером и может применяться в качестве материала конструкционного назначения в различных технологиях. Он дает много преимуществ производителям и фирмам-изготовителям комплектного оборудования, а также открывает новые перспективы для целого ряда сегментов рынка, от электроники, изоляции проводов и кабелей, до авиационно-космической промышленности, а также при производстве полупроводников и в автомобильной промышленности. Во всех этих случаях использование материалов на основе ароматического полиэфирэфиркетона может способствовать снижению системных издержек, помочь улучшить эксплуатационные характеристики. Показатель теплостойкости, характеризующий максимально допустимую температуру длительной эксплуатации провода, изготовленного с изоляцией из ароматического полиэфирэфиркетона, составляет 250°С, а кратковременной эксплуатации -300°С. Однако, недостатком указанного провода является его недостаточно высокие технические характеристики.
Известен провод одножильный плоский изолированный (патент РФ на полезную модель №55502, 10.08.2006, Н01В 7/00) /5/, содержащий медную токопроводящую жилу, покрытую изоляцией толщиной 0,1-0,7 мм, выполненной в виде сплошной оболочки из линейного ароматического полужидкокристаллического полимера, содержащего окси-1,4-фенилинокси-фенилинкарбонил-карбонил-1,4-фенилин. Провод обладает улучшенными физико-техническими параметрами, позволяющими резко увеличить срок службы как самих проводов, так и электродвигателей, в которых он эксплуатируется. Недостатком провода являются повышенная толщина слоя изоляции и, соответственно, повышенные внешние габариты провода, а также недостаточная химическая стойкость к воздействию масел, нефтепродуктов, щелочей, кислот, спиртов и других агрессивных сред.
Известен провод одножильный плоский изолированный (патент КНР на полезную модель №201956097 U, 31.08.2011, Н01В 7/04) /6/, являющийся наиболее близким техническим решением к заявленной полезной модели. Известный провод содержит медную токопроводящую жилу, изоляцию из полиимидно-фторопластовой пленки и оболочку. Провод обладает улучшенными физико-техническими параметрами, позволяющими увеличить срок службы как самих проводов, так и электродвигателей, в которых он эксплуатируется. Недостатком провода являются повышенные внешние габариты, а также недостаточная химическая стойкость к воздействию масел, нефтепродуктов, щелочей, кислот, спиртов и других агрессивных сред.
Задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является разработка конструкции одножильного плоского изолированного провода, предназначенного для использования в составе буровой кабельной линии, лишенного недостатков, присущих известным из уровня техники проводам.
Технический результат, достигаемый в результате осуществления полезной модели, заключается в обеспечении высокой стойкости к механическим воздействиям.
Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что провод одножильный плоский изолированный, содержащий медную токопроводящую жилу, изоляцию из полиимидно-фторопластовой пленки и оболочку, согласно полезной модели, содержит изоляцию из полиимидно-фторопластовой пленки, которая имеет толщину 0,1-0,3 мм и выполнена с клеящим слоем с каждой из сторон, а оболочка выполнена из блоксополимера полипропилена с этиленом и имеет толщину 0,1-0,4 мм, при этом изоляция наложена на токопроводящую жилу посредством однонаправленной двухслойной намотки.
Выполнение провода плоским обеспечивает его высокую гибкость и повышенную устойчивость к изгибам, что способствует обеспечению высокой стойкости к механическим воздействиям в условиях эксплуатации погружного оборудования, приводя к повышению срока службы и надежности оборудования, в том числе в различных температурных условиях. Плоская форма выполнения провода позволяет ему выдерживать раздавливающую нагрузку не менее 5 тс (тонн-силы), провод является продольно герметичным при перепаде давления масла 0,01 МПа на 1 метр длины, а также имеет стойкость к изгибам при навивании на цилиндр диаметром не более 165 мм и стойкость к воздействию смены температур от минус 60°С до плюс 130°С. Кроме того, плоская форма выполнения провода характеризуется малыми помехами и удобством корпусирования по сравнению с круглой формой выполнения, а также плоская конструкция провода дает больший объем поверхности и лучше рассеивает тепло, что позволяет пропускать более высокие токи при меньшем диаметре проводника, а следовательно, обеспечивает более высокие электрические характеристики и высокий срок эксплуатации провода и оборудования.
2
Выполнение токопроводящей жилы медной обеспечивает ей значительные преимущества перед другими возможными электропроводящими материалами, например алюминием. Медь является металлом с высокой проводимостью, уступающим по этому параметру только серебру. Сопротивление 1 метра медного кабеля сечением 1 мм составляет 0,017 Ом, в отличие от алюминия, у которого этот показатель составляет 0,028 Ом. Следовательно, для одной и той же нагрузки необходимо выбирать провод из меди меньшего сечения, что приводит к уменьшению внешних габаритов провода и снижению себестоимости. Все металлы, кроме благородных, с течением времени покрываются окисной пленкой, ухудшающей контакт. Медные провода окисляются значительно медленнее алюминиевых, а в месте контакта с другими проводами или клеммами не окисляются совсем, при этом образовавшаяся окисная пленка, при необходимости, может быть легко удалена, в отличие от окисной пленки на алюминиевых проводах, удалить которую практически невозможно. При этом, хотя окисная пленка на алюминиевых проводах не видна невооруженным глазом, она ухудшает контакт с другими элементами, что приводит к нагреву соединения и выходу его из строя. Токопроводящие жилы из меди имеют более высокую прочность на разрыв и выдерживают большее количество перегибов, чем алюминиевые. Это позволяет изготавливать жилы меньшего сечения, соответственно, они будут иметь меньший вес, наружный диаметр и цену, а их сечение можно более точно подобрать исходя из мощности и тока нагрузки. Во время работы места соединений кабелей и других деталей нагреваются. Это нежелательное явление, которое может привести к разрушению изоляции и выходу провода из строя. Лишнее тепло отводится различными путями, в том числе через сами провода, поэтому, чем выше коэффициент теплопроводности, тем лучше металл охлаждает место соединения: медь имеет коэффициент 389,6 Вт/м⋅°С, а алюминий 209,3 Вт/м⋅°С. Соответственно, медные провода охлаждаются почти в два раза лучше алюминиевых. Кроме нагрева провода при прохождении по нему тока происходит также падение напряжения в конечной точке линии. Оно тем больше, чем выше сопротивление провода. Медные провода имеют более низкое сопротивление, соответственно можно использовать медные провода меньшего сечения по сравнению с алюминиевыми.
Таким образом, использование в проводе медной жилы способствует обеспечению высокой стойкости к механическим воздействиям, а также высоких электрических характеристик и длительного срока эксплуатации провода и оборудования.
Реализации конструкции провода в круглом исполнении с использованием других электропроводящих материалов возможна, однако геометрические размеры (диаметр) провода окажутся значительно большими, что негативно скажется на большей части испытаний на соответствие предъявляемым к проводу требованиям.
Выполнение изоляции из полиимидно-фторопластовой пленки с клеящим слоем с каждой из сторон, имеющей толщину 0,1-0,3 мм и наложенную на токопроводящую жилу путем однонаправленной двухслойной намотки, и оболочки из блоксополимера полипропилена с этиленом толщиной 0,1-0,4 мм обеспечивает высокую стойкость к механическим воздействиям и в совокупности с этим высокую химическую стойкость, высокие электрические характеристики и высокий срок эксплуатации в том числе при различных температурных условиях при незначительных внешних габаритах провода.
Изоляция, с одной стороны, защищает электрический провод, а с другой -придает ему такие свойства, как, например, гибкость, термостойкость, холодостойкость, пожаробезопасность.
Полиимидно-фторопластовые пленки, используемые в качестве материала изоляции, представляют собой комбинированный материал на основе полиимидной пленки с фторопластовым покрытием с одной или двух сторон, полученном из суспензии фторопласта. Важным преимуществом полиимидно-фторопластовых пленок является возможность фторопластовых слоев свариваться между собой и с полиимидом в процессе последующей термической обработки. Это преимущество позволяет за счет двухслойной обмотки токопроводящей жилы лентами с клеящим слоем с каждой из сторон и их последующей термической обработки получать провода с монолитной герметичной изоляцией за счет увеличения герметичности упаковки между слоями намотки, что позволяет повысить химическую стойкость и гидростабильность провода, который приобретает повышенную нагревостойкость, обеспечить высокие значения и стабильность по длине электрической и механической прочности изоляции при ее малой толщине, что позволит обеспечить более высокую стойкость к механическим воздействиям. Пленка сохраняет свои электроизоляционные свойства в интервале температур от минус 60 до плюс 220°С в течение длительного времени и при пониженном атмосферном давлении до 7 гПа.
Оболочка, нанесенная на слой изоляции, представляет собой защитный покров провода, и обеспечивает защиту при транспортировке, прокладке и от различных воздействий в ходе эксплуатации, таких как вода, влага, солнечная радиация, кислоты и другие агрессивные вещества, а также грызунов и механических повреждений, то есть обеспечивает высокую стойкость к механическим воздействиям. Качественная оболочка должна быть прочной при растяжении, удлинении, при ударах и проколах о камни. Также в зависимости от типа кабеля оболочка должна иметь низкий коэффициент трения и гибкости, быть огнестойкой, иметь стойкость к растрескиванию при сильном напряжении. К другим критериям относятся дымообразующая способность материала и токсичность продуктов горения, их коррозионная активность.
Блоксополимер полипропилена с этиленом, используемый в качестве материала оболочки, представляет собой модифицированный полимер полипропилена, в который в процессе синтеза был включен этилен. Благодаря этим включениям вещество приобретает дополнительные свойства, а также появляются дополнительные возможности для модификации свойств материала при помощи введения добавок. Самое распространенное применение блоксополимера - введение добавок-антипиренов в состав вещества, чтобы сделать материал пригодным для применения в условиях высоких температур, а также исключить поддержание материалом горения. Материал лучше переносит механические воздействия, является более стабильным и, при этом, эластичным. Потому улучшается прочность, как на сжатие, так и на излом и растяжение. Материал обладает повышенной устойчивостью к долгосрочным температурным воздействиям, повышенной стабильностью к воздействию агрессивных химических веществ и растворителей, улучшенной электроизоляцией, являясь надежным диэлектриком обеспечивает изолирующую устойчивость свыше 100 кВ/мм, и долговечностью, поскольку гораздо меньше подвержен механическому износу по сравнению с обычным полипропиленом.
Использование именно этих материалов для изоляции и оболочки было выбрано в связи с улучшенной адгезией между ними и заложенными требованиями по эксплуатации данного провода. В первую очередь, применяемые материалы должны выдерживать длительно допустимую температуру нагрева жил не менее 130°С, а в статическом состоянии быть стойкими к воздействию температуры воздуха до минус 60°С. Провод должен иметь хорошую диэлектрическую прочность и хорошую адгезию между изоляцией и оболочкой. Суммарные радиальные толщины изоляции и оболочки в любом поперечном сечении провода, не должны отличаться более чем на 20%. Изоляция должна плотно прилегать к жиле. В изоляции не должно быть пор и инородных включений, а на ее поверхности - трещин, вмятин и утолщений. Оболочка должна плотно прилегать к изоляции жилы и легко отделяться от нее без повреждения изоляции. В оболочке не должно быть пор и инородных включений, а на ее поверхности - трещин, вмятин и утолщений, выводящих номинальные размеры оболочки за предельные отклонения.
В случае использования других материалов оболочки и изоляции не будет обеспечен требуемый уровень адгезии между ними, данный провод не выдержит требуемых длительно допустимых температур и стойкости к буровому раствору, а в сочетании с выдержанными толщинами изоляции и оболочки данный провод занимает минимально возможный объем для выдерживания требуемых характеристик. В случае уменьшения толщин изоляции и оболочки менее 0,1 мм, данная конструкция не выдержит испытаний на соответствие предъявляемым к проводу требованиям. Превышение толщиной изоляции значения 0,3 мм и оболочкой 0,4 мм приведет к увеличению лишь внешних габаритов провода без оказания какого-либо положительного влияния на характеристики провода.
2
2
2
2
Предлагаемый провод может быть изготовлен в двух типоразмерах с сечением медной жилы 16 мм и 25 мм, представленных на Фиг. 1 и Фиг. 2. На представленных чертежах поз. 1 - медная токопроводящая жила, поз. 2 - изоляция из полиимидно-фторопластовой пленки, поз. 3 - оболочка из блоксополимера полипропилена с этиленом. Максимальные внешние размеры провода при максимальной толщине изоляции и оболочки составляют: для провода с сечением жилы 16 мм - 13×3,2 мм, для провода с сечением жилы 25 мм - 13×4,1 мм.
В процессе промышленной опробации оценивалась стойкость провода при эксплуатации в буровом растворе. Буровой раствор представляет собой щелочную среду с рН=8-12 и может содержать различные химические реагенты и соли в соответствии с таблицей 1.
В результате была подтверждена высокая и стабильная стойкость провода к воздействию агрессивных химических веществ и растворителей.
Аналогичные результаты были также получены в ходе проведения экспериментов по стойкости провода в растворах кислот, которые показали, что изготовленный провод сохраняет свою работоспособность после пребывания в течение 12 часов в ванне технической соляной кислоты концентрацией 8-14% или в ванне смеси 16-20%-ной соляной и 40%-ной плавиковых кислот.
Провод имеет высокие электрические характеристики, в частности выдерживает номинальное напряжение 4000 В переменного тока частотой до 200 Гц и имеет электрическое сопротивление, значение которого в зависимости от площади сечения токопроводящей жилы представлено в таблице 2.
3
После пребывания в модельной среде минерализованной пластовой воды плотностью 1,12 г/см, состав которой представлен в таблице 3, в течение 3 часов при температуре +70°С провод при температуре +20°С удовлетворяет следующим требованиям:
- выдерживает испытание напряжением постоянного тока 18 кВ в течение не менее 5 минут. Ток утечки изоляции, замеренный в конце испытания и пересчитанный на длину 1 км, составляет не более 10 мкА;
- имеет сопротивление изоляции токопроводящей жилы не менее 2500 Мом на длину 1 км при напряжении 2500 В;
- выдерживает испытание переменным напряжением 9000 В при частоте 50 Гц в течение 5 минут без пробоя.
Провод может быть изготовлен по стандартной технологии с использованием широко известных материалов и оборудования, используемых при производстве электротехнических изделий.
Для изготовления медной жилы, например, может быть использована электротехническая медь марок М0, М00, М06, М001, М001б, М00б, М1б, М1Е.
В качестве полиимидно-фторопластовых пленок для изоляции могут быть использованы пленки марок ПМФ-С 351 по ТУ 6-19-226-89, ПМФ-С 351ТП по ТУ 6-19-226-89, ПМФ-С 352 по ТУ 6-19-226-89, ПМФ-1-ДТП по ТУ 2255-005-18805827-2006, ПМФ-2-ДТП по ТУ 2255-006-18805827-2006, ПМФ -1-ТПК по ТУ 2255-009-18805827-2008, ПМФ -2-ТПК по ТУ 2255-009-18805827-2008.
В качестве материала оболочки могут быть использованы блоксополимеры полипропилена с этиленом, например, марок РР 8332М, 0201К по ТУ 2211-002-36295287-2002, 02-МК по ТУ 2211-001-36295287-2017.
Технология изготовления такого провода может быть, например, следующей, раскрытой в конкретном примере осуществления полезной модели.
Изготавливают медную токопроводящую жилу, предпочтительно из электротехнической меди марки М1Е. Накладывают слой изоляции путем обмотки токопроводящей жилы двумя слоями ленты из полиимидно-фторопластовой пленки, например марки ПМФ-С 351ТП, со скоростью обмотки 2-4 м/мин при ширине изоляционной ленты 8-12 мм (в зависимости от поперечного сечения жилы провода). Подвергают провод с нанесенной изоляцией термической обработке при температуре 320°С, протягивая через камеру термоагрегата со скоростью 3-4,5 м/мин (в зависимости от поперечного сечения жилы провода), в результате которой происходит сильная усадка слоев изоляции с образованием плотного слоя изоляции. После чего накладывают слой оболочки из блоксополимера полипропилена с этиленом, например марки РР8332М, методом экструзии со скоростью экструзии от 10 до 16 м/мин (в зависимости от поперечного сечения жилы провода). При наложении оболочки с помощью экструзионного оборудования проволока с отдающего барабана поступает через нагревательное устройство в экструдер, где осуществляется наложение оболочки. Затем посредством тягового устройства провод через емкость с охлаждающей жидкостью поступает на приемный барабан.
Таким образом, предлагаемый провод показал свою высокую надежность вследствие обеспечения высокой стойкости к механическим воздействиям, которая в совокупности с высокой химической стойкостью и высокими электрическими характеристиками, в том числе при различных температурных условиях, при незначительных внешних габаритах провода, позволила резко увеличить срок службы как самих проводов, так и электрооборудования, для подачи электроэнергии к которому они используются.