ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КАБЕЛЬ
ELECTRICAL CABLE

Изобретение относится к области электротехники, в частности к кабельной технике, а именно к конструкциям электрических кабелей, в том числе силовых кабелей, предназначенных для передачи и распределения электрической энергии.
Известен силовой кабель, содержащий скрученные в одном направлении токопроводящие жилы, каждая из которых покрыта изоляцией, и расположенную поверх токопроводящих жил внешнюю оболочку, изоляция и внешняя оболочка выполнены из ПВХ-пластиката, включающего, мас.ч.:
поливинилхлорид - 100, сложноэфирный пластификатор - 40-55,
свинцовый стабилизатор - 5-7, антипирен-дымоподавитель - 60-130,
ионол с дифенилолпропаном в соотношении 3:1-1:3 - 0,4-1 и/или
двуокись титана с каолином дегидратированным в соотношении 2:1-1:2 - 10-20.
Кабель дополнительно снабжен броней, наложенной поверх скрученных токопроводящих жил, и дополнительно под внешней оболочкой содержит внутреннюю оболочку, выполненную из поливинилхлоридного пластиката, включающего, мас.ч.:
поливинилхлорид - 100, сложноэфирный пластификатор - 60-80,
свинцовый стабилизатор - 3-6, антипирен-дымоподавитель - 120-520,
ионол с дифенилолпропаном в соотношении 3:1-1:3 - 0,4-1, и/или
двуокись титана с каолином дегидратированным в соотношении 2:1-1:2 - 10-20 (RU N 20407).
Недостатком является высокий уровень коррозионной активности и токсичности продуктов горения.
Известен кабель силовой, содержащий от одной до пяти токопроводящих жил с пластмассовой изоляцией и наружной оболочкой, термический барьер, выполненный из слюдосодержащей ленты, спирально наложенной поверх каждой из токопроводящих медных жил, изоляция выполнена из поливинилхлоридного пластиката пониженной пожароопасности с кислородным индексом не менее 30 или из полимерной композиции, не содержащей галогенов, с кислородным индексом не менее 30, и наружная оболочка выполнена из поливинилхлоридного пластиката пониженной пожароопасности с кислородным индексом не менее 35 или из полимерной композиции, не содержащей галогенов, с кислородным индексом не менее 45. Кабель дополнительно содержит поверх скрученных изолированных жил внутреннюю оболочку из поливинилхлоридного пластиката пониженной пожароопасности с кислородным индексом не менее 28 или из полимерной композиции, не содержащей галогенов, с кислородным индексом не менее 40, и дополнительно содержит обмотку из стеклоленты или из слюдосодержащей ленты, наложенной с перекрытием под наружной оболочкой (RU №42349).
Недостатком является непродолжительное сохранение работоспособности в условиях открытого пламени (менее 60 мин) и невозможность эксплуатации при длительно допустимой температуре нагрева жил более 70°C.
Известен силовой кабель (варианты) содержащий по меньшей мере одну токопроводящую жилу, покрытую изоляцией из поливинилхлоридного пластиката, внутренний заполнитель и наружную оболочку из поливинилхлоридного пластиката,
Причем ПВХ-пластикат для изоляции и наружной оболочки содержит, мас.ч.:
- суспензионный поливинилхлорид 100,
- сложноэфирный пластификатор 15-80,
- фосфорсодержащий пластификатор 5-40,
- свинцовый стабилизатор 2-7 или CaZn-стабилизатор 3-10,
- дифенилолпропан 0,1-1, - карбонат кальция 20-150,
- карбонат магния 0-100,
- окись цинка 0,3-10,
- тригидрат окиси алюминия, или гидрооксид магния, или их двухкомпонентная смесь 15-90,
- трехокись сурьмы 0-5,
- борат цинка 0,5-15,
- борную кислоту 0,1-2,
- стеарат кальция или стеарат свинца 0,3-5,
- оксид или гидрооксид кальция 0,5-10,
- хлорированный полиэтилен 0-20,
- броморганическое соединение 0-15,
- эпоксидную смолу или эпоксидированное растительное масло 0-5,
- дипентаэритрит или пентаэритрит 0-2.
ПВХ-пластикат для внутреннего заполнителя содержит, мас.ч.:
- поливинилхлорид 100,
- сложноэфирный пластификатор 15-80,
- фосфорсодержащий пластификатор 5-40,
- свинцовый стабилизатор 2-7 или CaZn-стабилизатор 3-10,
- дифенилолпропан 0,1-1,
- карбонат кальция 50-500,
- карбонат магния 0-100,
- окись цинка 0,3-10,
- гидроксид алюминия, или гидрооксид магния, или их двухкомпонентная смесь 25-200,
- трехокись сурьмы 0-5,
- борат цинка 0,5-15,
- борную кислоту 0,1-2,
- стеарат кальция или стеарат свинца 0,3-5,
- оксид или гидрооксид кальция 0,5-10,
- броморганическое соединение 0-15,
- лубрикант 0,2-2.
Данный кабель может быть снабжен термическим барьером и/или броней либо термическим барьером и экраном в виде обмотки из медной фольги или ленты, наложенными поверх изоляции токопроводящих жил и/или наружной оболочки или внутреннего заполнителя (например, кабель марки ВВГнг-LS по ГОСТ Р 53769-2010 «Кабели силовые с пластмассовой изоляцией на номинальное напряжение 0,66; 1 и 3 кВ») (RU 125762, прототип).
Недостатком известного кабеля является то, что он имеет длину обугленной части образца до 2,0 метров при испытании по ГОСТ Р МЭК 60332-3-22-2005, показатель «Предел распространения горения кабельного изделия при групповой прокладке - обозначение ПРГП - категория А-П1а», время сохранения работоспособности в условиях воздействия пламени более 90 минут по ГОСТ Р МЭК 60331 (показатель «Предел огнестойкости кабельного изделия в условиях воздействия пламени - обозначение ПО 4» и имеет высокий уровень коррозионной активности - 10-20% по ГОСТ Р МЭК 60754-1, показатель «Коррозионной активности продуктов дымогазовыделения при горении и тлении каждого из полимерных материалов кабельного изделия - обозначение ПКА1»,
Кроме того, применение в ПВХ-пластикатах гидрофильных компонентов, а именно борной кислоты, оксида или гидроксида кальция, пентаэритрита или дипентпэритрита, увеличивает влагопоглощение. Известно, что борная кислота имеет растворимость в воде от 4,8% (20°C) до 28,7% (100°C), пентаэритрит - растворимость в воде от 7,1% (25°C) до 76,7% (100°C); дипентаэритрит - основная примесь пентаэритрита (продукт конденсации 2-х молекул пентаэритрита), он также легко растворим в воде; оксид кальция (негашеная известь) - энергично взаимодействует с водой, образуя гидроксид кальция; гидроксид кальция - растворимость в воде плохая (0,11%), но образует кристаллогидраты с 0,5-1 молекулами воды - «Химическая энциклопедия» в 5-ти томах, М. - 1988: т. 1, с. 305; т. 3, с. 462; т. 2, с. 297, т. 2, с. 298 соответственно.
Использование неаппретированных наполнителей и антипиренов также способствует повышению влагопоглощения. В прототипе использованы следующие наполнители - карбонат кальция, и карбонат магния, и антипирены - гидроксид алюминия и гидроксид магния; в предлагаемом решении они использованы только в аппретированной форме, что существенно снижает их водопоглощение, например у гидроксида алюминия марки Apyral 40CD (неаппретирован) водопоглощение за 14 сут при 25°C в условиях 100% влажности составляет 1,5%, а у Martinal OL 104/С (аппретирован) - только 0,2%.
Высокое влагопоглощение приводит к ухудшению прочностных и электроизоляционных свойств изоляции и оболочки в процессе эксплуатации и хранения, что в свою очередь снижает надежность кабеля в целом.
9
Помимо этого, в ПВХ-элементах конструкции кабеля, т.е. в изоляции, во внутреннем заполнении и оболочке заявленного кабеля, рассчитанного на длительно допустимую температуру нагрева жил при эксплуатации до 90°C, не конкретизированы сложноэфирные и фосфатные пластификаторы, что не гарантирует указанную температуру эксплуатации (летучесть пластификатора в виде потери массы ПВХ-элемента кабеля в условиях эксплуатации нормируется) и указанный срок службы (он определяется и летучестью пластификатора, и температурой эксплуатации). Доступная информация такого рода существуют лишь в виде данных производителей пластификаторов о летучести производимых ими пластификаторов в разнотипных условиях, например пластификатор ДИНФ (диизононилфталат, т.е. C-алкилфталат) - для марки Vestinol 9 (пр-ва Evonik) - 24 ч при 90°C, для марки Palatinol N (BASF) - 24 ч при 130°C, Jayflex DINP (Exxon Mobil) - 7 дней при 100°C. Определить пригодность пластификаторов к использованию в указанной в прототипе ПВХ-композиции и для указанных условий эксплуатации (90°C на жиле) можно только практическим путем и для указанных условий эксплуатации (90°C на жиле). Таким образом, не все сложноэфирные и фосфорсодержащие пластификаторы могут быть пригодны для использования в композиции по патенту №125762, а только указанные в заявляемом техническом решении (такое указание отсутствует).
Также не конкретизированы свинцовые стабилизаторы, а из названных Ca-Zn-стабилизаторов указанным в прототипе условиям эксплуатации соответствуют менее половины. В отличие от пластификаторов, для Ca-Zn-стабилизаторов прописаны температурные пределы использования, в прототипе в качестве стабилизаторов предлагается использовать Baeropan 8553 и Akropan 2593, которые применимы для температуры жилы 70°C, т.е. их невозможно эксплуатировать при 90°C. Это дополнительно негативно влияет на стойкость к старению при указанной температуре (90°C), а следовательно, на надежность кабеля.
ф
Кроме того, в ПВХ-элементах заявленного кабеля не конкретизирован тип суспензионного ПВХ, что не позволяет гарантировать высокие механические свойства, которые определяются степенью полимеризации (константа K).
Задачей изобретения является снижение коррозионной активности кабеля, повышение предела огнестойкости кабеля, уменьшение длины обугленной части кабеля при испытании на нераспространение горения при групповой прокладке, а также повышение надежности кабеля при эксплуатации за счет улучшения стойкости к термостарению и снижения водопоглощения.
Задача решается за счет исключения в заявляемой ПВХ-композиции пониженной пожароопасности гидрофильных и коррозионно-активных компонентов, использования новых компонентов (силикатов кальция или магния, карбонатов кальция-магния), а также более эффективных стабилизаторов кабельного типа на требуемую температуру и специальных видов промышленного сырья, а также за счет выполнения из заявленной композиции изоляции, наружной оболочки, поясной изоляции, заполнителя как по отдельности, так и в различных сочетаниях, например из заявленной композиции выполнены изоляция, заполнитель и наружная оболочка; изоляция и наружная оболочка; изоляция, заполнитель, поясная изоляция и наружная оболочка.
Технический результат заключается в повышении показателей пожарной безопасности кабеля и эксплуатационных характеристик (к показателям пожарной безопасности относятся пп.1-3 таблицы (т.е. более высокая стойкость кабеля к нераспространению горению при прокладке в пучках, большее время, в течение которого кабель сохраняет свою работоспособность в условиях воздействия пламени и низкая коррозионная активность продуктов горения), к эксплуатационным характеристикам - пп.4-6 (т.е. стабильность к термостарению и водопоглощению).
Технический результат достигается за счет того, что кабель содержит по меньшей мере одну токопроводящую жилу, покрытую изоляцией из поливинилхлоридного пластиката и наружную оболочку из поливинилхлоридного пластиката, и отличается тем, что изоляция и наружная оболочка выполнены из поливинилхлоридного пластиката, включающего, мас.ч.:
- суспензионный поливинилхлорид 100,
8-10
- C-алкилфталатный пластификатор 30-70,
8-10
- C-алкил-арилфосфатный пластификатор 0-20,
- комплексный свинцовый или CaZn-стабилизатор 5-9,
- фенольный антиоксидант 0-0,5,
- эпоксидированное растительное масло 0-5,
- оксид сурьмы 0-5,
- оксид цинка 2-10,
- борат цинка 0-10,
- аппретированный гидроксид алюминия, или магния или, их смесь 50-200,
- аппретированный карбонат кальция, или карбонат кальция-магния, или их смесь 50-300,
- силикат кальция или магния 0-20.
Кабель дополнительно содержит поверх каждой из токопроводящих жил обмотку из по меньшей мере одной стеклослюдосодержащей ленты, наложенной с перекрытием.
Кабель дополнительно содержит заполнитель, наложенный поверх изоляции жилы или скрученных в сердечник изолированных жил.
Кабель дополнительно поверх заполнителя содержит металлический экран из медных лент или медных проволок.
Кабель дополнительно содержит поверх заполнителя броню в виде обмотки из металлических лент, наложенных с перекрытием, или в виде спирально наложенных металлических проволок.
Кабель дополнительно содержит поясную изоляцию, наложенную поверх скрученных в сердечник изолированных жил или скрепляющей ленты, предназначенной для наложения металлического экрана из проволок или спирально наложенных лент.
Кабель дополнительно содержит поясную изоляцию, наложенную поверх скрученных в сердечник изолированных жил или скрепляющей ленты и предназначенную для наложения брони в виде обмотки из металлических лент, наложенных с перекрытием, или в виде спирально наложенных металлических проволок.
Заполнитель и поясная изоляция выполнены из поливинилхлоридного пластиката, включающего, мас.ч.:
- суспензионный поливинилхлорид 100,
8-10
- C-алкилфталатный пластификатор 30-70,
8-10
- C-алкил-арилфосфатный пластификатор 0-20,
- комплексный свинцовый или CaZn-стабилизатор 5-9,
- фенольный антиоксидант 0-0,5,
- эпоксидированное растительное масло 0-5,
- оксид сурьмы 0-5,
- оксид цинка 2-10,
- борат цинка 0-10,
- аппретированный гидроксид алюминия, или магния, или их смесь 50-200,
- аппретированный карбонат кальция, или карбонат кальция-магния, или их смесь 50-300,
- силикат кальция или магния 0-20.
8-10
8-10
В качестве суспензионного поливинилхлорида может быть использован C7059, Vinnolit 84170, Georgia Gulf GG2110 и т.п.; в качестве C-алкилфталатного пластификатора - Palatinol N, Palatinol Z (BASF), DIDP (Exxon), Witamol 118 (Evonik) и т.п.; C-алкил-арилфосфатного пластификатора - Santicizer 148, Reofos 362 и т.п.; в качестве комплексного свинцового или CaZn-стабилизатора кабельного типа на требуемую температуру эксплуатации - Baeropan TX 296 KA, Baeropan 8656 KA-ST, Eurostab CW 0370/P-4, Stabiol C2 3046/5 и т.п.; в качестве фенольного антиоксиданта - Irganox 1010, Irganox 1076 и т.п.; в качестве аппретированного гидроксида алюминия, или магния, или их смеси - Martinal OL 104/C, Apymag 608, Экопирен 3,5С и т.п.; в качестве аппретированного карбоната кальция, или карбоната кальция-магния, или их смеси - Omyacarb TKA, Zetafil CST и т.п.
На снижение пожароопасности влияет использование отличных от прототипа компонентов (карбонатов кальция-магния и силикатов кальция или магния), а также исключение компонентов, повышающих коррозионную активность продуктов горения (броморганическое соединение, хлорированный полиэтилен), выполнение элементов кабеля из заявляемой композиции пониженной пожароопасности.
Технический результат, достигаемый в заявленном техническом решении, заключается также в повышении надежности кабеля при эксплуатации.
Заявленное изобретение иллюстрируется чертежом, на котором изображен кабель в разрезе.
Кабель в соответствии с чертежом может содержать токопроводящие жилы 1, поверх каждой из которых последовательно расположены обмотка из стеклослюдосодержащих лент 2, изоляция 3. Жилы скручены (например, в общий сердечник), поверх скрученных жил кабель содержит обмотку скрепляющей лентой 4, заполнитель 5, металлический экран 6, броню 7 в виде обмотки из металлических лент, наложенных с перекрытием, или в виде продольно наложенных металлических проволок, и наружную оболочку 8.
Изоляция 3 в соответствии с требованием ГОСТ Р 53769-2010 (п. 5.2.1.8) должна быть экструдированной.
Лента 4 предназначена для скрепления скрученных жил. В качестве материала ленты 4 используются органические или неорганические ленты, например лента полипропиленовая. Обмотка может быть выполнена по меньшей мере из одной органической или неорганической ленты.
Металлический экран 6 размещен между заполнителем (также используют термины: внутренняя оболочка, внутреннее заполнение) и наружной оболочкой, броня 7 размещается между наружной оболочкой и заполнением (внутренней оболочкой, внутренним заполнением).
Поясная изоляция - изоляция, входящая в состав сердечника и наложенная поверх скрученных или нескрученных изолировнных жил (ГОСТ 15485-80» Изделия кабельные. Термины и определения», раздел « Изоляция»).
В качестве материала изоляции 3, материала заполнителя 5, материала наружной оболочки 8, поясной изоляции используется поливинилхлоридная композиция пониженной пожароопасности, содержащая, мас.ч.:
- суспензионный поливинилхлорид 100,
8-10
- C-алкилфталатный пластификатор 30-70,
8-10
- C-алкил-арилфосфатный пластификатор 0-20,
- комплексный свинцовый или CaZn-стабилизатор 5-9,
- фенольный антиоксидант 0-0,5,
- эпоксидированное растительное масло 0-5,
- оксид сурьмы 0-5,
- оксид цинка 2-10,
- борат цинка 0-10,
- аппретированный гидроксид алюминия, или магния, или их смесь 50-200,
- аппретированный карбонат кальция, или карбонат кальция-магния, или их смесь 50-300,
- силикат кальция или магния 0-20.
Помимо перечисленных компонентов пластикат может содержать целевые добавки для ПВХ-композиций (пигменты, биоциды, процессинговые добавки и т.п.) в количестве, не превышающем 5 м.ч. (во избежание изменения заявляемых свойств).
Как было показано выше, все компоненты ПВХ-композиции производятся в промышленных масштабах и общедоступны для приобретения.
Заполнение, поясная изоляция могут быть выполнены из поливинилхлоридной композиции пониженной пожароопасности марки Лоусгран. Кабель дополнительно содержит поверх изоляции и/или поверх дополнительно наложенного поверх скрученных в сердечник изолированных жил заполнения металлический экран из медных лент или медных проволок. Кабель дополнительно содержит поверх изоляции жилы или поверх скрученных в сердечник изолированных жил заполнение и броню в виде обмотки или металлических лент, наложенных перекрытием, или в виде спирально наложенных металлических проволок.
Токопроводящие жилы 1 изготавливают из проволоки, традиционной для электрических кабелей, скрутку элементов кабеля производят на обычном крутильном оборудовании.
Металлический экран 6 изготавливают из проволоки или ленты, традиционной для электрических кабелей, например экран из медных лент или медных проволок.
Наложение изоляции 3, заполнителя 5 и наружной оболочки 8 осуществляют на традиционном экструзионном оборудовании с компрессионными шнеками для переработки наполненных ПВХ-пластикатов.
Наложение металлического экрана 6, брони 7, состоящих из спиралеобразно наложенных металлических проволок, осуществляют на известном крутильном оборудовании, традиционно применяемом в кабельной промышленности.
Наложение обмотки 2 из стеклослюдосодержащих лент, обмотки лентой 4, экрана 6 и брони 7, состоящих из металлических лент, осуществляют на обмоточных машинах, применяемых в кабельной промышленности.
Основываясь на результатах испытаний, представленных в таблице, можно сделать вывод, что предлагаемая конструкция кабеля обеспечивает не только соответствие требованиям по основным характеристикам пожарной безопасности, таким как нераспространение горения в пучках, низкая коррозионная активность продуктов горения, но и предопределяет повышенную эксплуатационную надежность.
Основываясь на результатах испытаний, а также рекомендациях по преимущественным областям применения, изложенных в ГОСТ Р 53315-2009, предлагаемый кабель может быть использован для групповой прокладки по категориям нг(AF/R)-LS, нг(A)-LS, нг(AF/R)-FRLS, нг(А)-FLRS во внутренних электроустановках, зданиях, транспортных коммуникациях, сооружениях и закрытых кабельных сооружениях с массовым пребыванием людей, в системах противопожарной защиты, которые должны сохранять работоспособность в условиях пожара.
Различные марко-размеры кабелей были испытаны на соответствие противопожарным нормам в соответствии с классификацией ГОСТ Р53315-2009 по показателям: нераспространение горения кабеля при прокладке как одиночно, так и в пучках, по определению количества выделяемых при горении галогеноводородных кислот (HCl), сохранению работоспособности в условиях воздействия пламени.
Кроме того, определяли эксплуатационные характеристики кабеля - водопоглощение, потерю массы и стойкость к термостарению конструктивных изоляционных элементов кабеля из ПВХ-пластиката.
Полученные характеристики кабеля и его полимерных компонентов приведены в таблице.
Характеристики
Технические требования
Силовой кабель
прототип Полезная модель №125762
Заявляемый кабель
Соответствие кабелей требованиям:
1. Нераспространение горения (ГОСТ Р МЭК 60332-3-22-2005), (категория А)
Длина обугленной части, не кабеля более 2,5 м
длина обугленной части 1,5-2,0 м
длина обугленной части кабеля 0,8-1,5 м
2. Содержание хлористого водорода в продуктах горения (ГОСТ Р МЭК 60754-1, 2)
Содержание хлористого водорода, не более 15%
Содержание хлористого водорода: 10-20%
Содержание хлористого водорода: 3-12%
3. Огнестойкость кабельного изделия в условиях воздействия пламени (ГОСТ Р МЭК 60331-21)
Сохранение работоспособности в условиях воздействия открытого пламени, не менее 90 мин
Более 90 мин
Более 180 мин 60-80 сут
4. Продолжительность термостарения при 100°С до снижения относительного удлинения ПВХ-оболочки на 50%
30-60 сут
5. Потеря массы ПВХ-элементов кабеля при старении (7 сут при 100°С)
1,4-2,0 мг/см<sup>2</sup>
0,7-1,5 мг/см<sup>2</sup>
6. Водопоглощение ПВХ-элементов кабеля (10 сут при 70°C) (ГОСТ Р МЭК 60811-1-3 п. 9)
Не более 10 мг/см<sup>2</sup>
10-16 мг/см<sup>2</sup>
2-6 мг/см<sup>2</sup>
Результаты испытаний свидетельствуют о преимуществе предлагаемого  изобретения относительно прототипа по противопожарным свойствам: при нормируемых требованиями ГОСТ Р 53315-2009 уровне дымовыделения и токсичности продуктов горения выделение хлористого водорода (HCl) снижено практически вдвое, одновременно улучшен показатель нераспространения горения при прокладке в пучках и увеличено время сохранения работоспособности в условиях горения.
По эксплуатационным свойствам предлагаемое  изобретение также имеет преимущество перед известным кабелем - при одинаковых низкотемпературных свойствах существенно снижено водопоглощение и потеря массы элементов кабеля из ПВХ-пластиката и значительно повышена их стойкость к старению, что в итоге приводит к повышению срока службы.