КАБЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГИБКИЙ

Полезная модель относится к кабельной технике, а именно к конструкциям электрических гибких кабелей, предназначенных для нестационарной прокладки в наземных и подземных условиях, а также внутри помещений и присоединения передвижных машин, механизмов и оборудования к электрическим сетям и к передвижным источникам электрической энергии, включая силовые и вспомогательные цепи.
Известны конструкции гибких кабелей по патентам 51438 и 69675, Россия, состоящие из медных токопроводящих жил с резиновой изоляцией. Токопроводящие жилы этих гибких кабелей скручиваются из медных проволок диаметром менее 0,5 мм. Недостатками данных конструкций гибких кабелей являются их большая масса и высокая стоимость, а также ускоренное разрушение изоляции под действием ионов меди. Известна также конструкция гибкого кабеля марки АКРПТ по ГОСТ 13497-68, год ввода 1970, Россия, содержащего токопроводящие жилы с резиновой изоляцией. Токопроводящие жилы гибкого кабеля марки АКРПТ скручиваются из алюминиевых проволок диаметром более 0,8 мм и имеют третий класс гибкости по ГОСТ 22483-77, год ввода 1980, Россия. В связи с этим кабель марки АКРПТ относится к группе кабелей с пониженной гибкостью и ограниченной областью применения. Алюминиевую проволоку меньшего диаметра изготовить чрезвычайно сложно. Прочность алюминиевой проволоки на разрыв и на изгиб существенно ниже прочности медной проволоки. Алюминий и его существующие сплавы электротехнического назначения имеют пониженную длительно допустимую температуру нагрева (до 90°С). При более высокой температуре нагрева происходит существенное снижение физико-механических характеристик алюминия и его известных сплавов за счет увеличения зерна. Проволока из алюминия становится ломкой. Недостатки кабеля марки АКРПТ:
- повышенная жесткость;
- повышенная ползучесть под нагрузкой;
- повышенный допустимый радиус изгиба;
- низкая стойкость к многократным перегибам;
- низкая технологичность;
- низкий ресурс и срок службы.
Эти недостатки существенно снижают эксплуатационные характеристики, надежность, долговечность и область применения гибких кабелей с алюминиевыми жилами. В настоящее время гибкий кабель марки АКРПТ снят с производства.
Ближайшим по своим параметрам к предлагаемой конструкции является кабель электрический гибкий по патенту №133964 от 13.05.2013, Россия, на полезную модель (прототип), который содержит изолированные многопроволочные токопроводящие жилы 5-6 класса гибкости из сверхтонких проволок алюминия или его сплавов с модифицирующими добавками, имеющих мелкозернистую структуру. В качестве модифицирующих добавок по прототипу могут быть использованы редкие и редкоземельные металлы из группы: цирконий, скандий, иттрий, церий, лантан, ванадий, гафний, щелочные или щелочноземельные металлы из группы: литий, бериллий, магний, кальций, стронций, или полупроводниковые материалы из группы: бор, теллур, селен, германий, кремний, или их смеси. Проволоки токопроводящих жил гибкого кабеля по прототипу могут быть выполнены из сверхпластичных сплавов алюминия с ультрамелкозернистой или нанокристаллической структурой, получаемой физическими методами обработки заготовок: методом интенсивной пластической деформации и методом литья алюминиевого сплава в высокочастотном электромагнитном поле. В настоящее время существуют только лабораторные установки по обработке заготовок алюминиевых сплавов данными методами. Использование редких и редкоземельных металлов в качестве модифицирующих добавок приводит к существенному удорожанию алюминиевых сплавов и усложнению технологического процесса волочения сверхтонких проволок из-за повышенной жесткости алюминий-циркониевых сплавов. Кабель электрический гибкий по прототипу (фиг.) содержит одну или несколько основных токопроводящих жил (ТПЖ) 1 из сверхтонких проволок алюминия или его сплавов с модифицирующими добавками, экран 2 по жилам из электропроводящих эластомеров или без него, изоляцию 3 жил из эластомеров, экран 4 по изоляции жил из электропроводящих эластомеров или без него, разделительный слой 5 из полимерных материалов или без него, одно или двухслойную оболочку 6 из эластомеров. Перечень токопроводящих жил, входящих в различные марки гибкого кабеля по прототипу: основные (фазные) жилы, нулевая жила или жила заземления, вспомогательные жилы цепей освещения, контроля и управления. Изоляция токопроводящих жил, электропроводящие экраны и оболочка гибкого кабеля по прототипу могут быть изготовлены из резины или термоэластопластов (ТЭП). Гибкий кабель по прототипу на напряжение 6кВ с использованием ТЭП изготавливается по следующей технологии. Проволоки диаметром менее 0,5 мм для токопроводящих жил из алюминиевого сплава марки ТАС, модифицированного цирконием, изготавливают на минимальной безобрывной скорости волочения на специальном волочильном оборудовании с очень низкой производительностью. Основные токопроводящие жилы 1 скручивают на крутильной машине из одного или нескольких концентрических повивов стренг (скрученных пучков проволок) по спирали в чередующихся направлениях с определенным шагом скрутки. При этом одну стренгу размещают в центре жилы. Верхний повив стренг должен иметь левое направление кручения. Направление скрутки проволок в стренгу - левое. Во время скрутки ТПЖ может уплотняться обжимными роликами. На основные токопроводящие жилы 1 последовательно наносятся экструзией экран 2 из электропроводящего ТЭП, изоляция 3 из электроизоляционного ТЭП, экран 4 из электропроводящего ТЭП. Толщина изоляции зависит от номинального сечения токопроводящих жил. Внутренний экран 2 или изоляция 3 должны отделяться от жил без повреждений. Изоляция жил должна плотно прилегать к экранам. Отслоения экранов от изоляции не допускаются. На вспомогательные жилы, нулевую жилу и жилу заземления наносится экструзией изоляция из электроизоляционного ТЭП. На жилу заземления допускается не наносить изоляцию. Изолированные токопроводящие жилы скручиваются вместе на крутильной машине. Направление скрутки жил - правое. Поверх скрученных жил накладывается разделительный слой 5 из полимерной пленки или нетканого полотна. Поверх разделительного слоя наносится экструзией одно или двухслойная оболочка 6 из ТЭП. При этом внутренний слой оболочки может быть изготовлен из электропроводящего ТЭП. Жилы кабеля при разделке должны отделяться друг от друга и от оболочки без повреждения изоляции и экрана. К недостаткам прототипа следует отнести:
- пониженную технологичность изготовления сверхтонких проволок из алюминиевого сплава, модифицированного цирконием;
- повышенную стоимость.
Технической задачей полезной модели является разработка кабеля электрического гибкого, не уступающего прототипу по основным характеристикам, а также более технологичного и более экономичного, высококачественного и высоконадежного, предназначенного для нестационарной прокладки в любых условиях. Технический результат достигается тем, что токопроводящие жилы выполнены из проволок алюминия или его сплавов, модифицированных добавками из группы: железо, никель, титан, ванадий, хром, марганец, магний, медь, цинк, бор, или их смесями, в том числе из проволок пластичных сплавов алюминия с мезополикристаллической структурой и размером зерна не более 150 мкм. Структура зерна алюминия и его сплавов может иметь микро-, мезо- и макроуровень. К микроуровню относятся ультрамелкозернистая структура (УМЗ) с размером зерна менее 10 мкм и нанокристаллическая структура с размером зерна менее 100 нм. К мезоуровню относится поликристаллическая структура с размером зерна не более 150 мкм. К макроуровню относится поликристаллическая структура с размером зерна более 150 мкм. Размер зерна алюминия и его известных сплавов электротехнического назначения составляет 500-4000 мкм. Алюминиевые сплавы с мезополикристаллической структурой обладают повышенной пластичностью и стойкостью к многократным перегибам. Мезополикристаллическая структура обеспечивает оптимальное соотношение прочности и пластичности алюминиевого сплава, необходимое для волочения сверхтонких проволок диаметром менее 0,5 мм.
Общим признаком прототипа и предлагаемого технического решения является наличие изолированных многопроволочных токопроводящих жил 5-6 класса гибкости из сверхтонких проволок алюминия или его сплавов с модифицирующими добавками, имеющих мелкозернистую структуру. В то же время предложенный кабель отличается от известного использованием токопроводящих жил, выполненных из проволок алюминия или его сплавов, модифицированных добавками из группы: железо, никель, титан, ванадий, хром, марганец, магний, медь, цинк, бор, или их смесями, в том числе из проволок пластичных сплавов алюминия с мезополикристаллической структурой и размером зерна не более 150 мкм.
Железо обладает модифицирующим действием на алюминиевые сплавы. С увеличением концентрации железа в алюминиевых сплавах размер зерна уменьшается. Небольшие добавки (до 0,5 масс. %) железа позволяют существенно снизить ползучесть алюминиевого сплава, которая приводит к ослаблению, перегреву и быстрому разрушению электрических контактов. Снижение ползучести происходит за счет укрепления кристаллической решетки алюминиевого сплава атомами железа. Кроме того, добавки железа обеспечивают повышение прочности и термостойкости алюминиевого сплава при сохранении хорошей пластичности и электропроводности за счет снижения размера зерна. Алюминиевый сплав с добавкой железа хорошо поддается термообработке при сохранении высокой прочности в отожженном состоянии. Эффект железа в алюминиевом сплаве увеличивается в присутствии никеля. Никель (до 0,1 масс. %) является модифицирующей добавкой для повышения жаропрочности и коррозионностойкости алюминиевого сплава электротехнического назначения без снижения его основных эксплуатационных характеристик. Никель затормаживает диффузионные процессы и образует сложнолегированные мелкодисперсные упрочняющие фазы, устойчивые к коагуляции при нагреве. Сплавы алюминия с никелем обладают высокой пластичностью и технологичностью в горячем состоянии при деформировании. Сумма тяжелых металлов: титан, хром, ванадий и марганец (до 0,04 масс. %) при оптимальном соотношении между собой и другими элементами ограничивает рост зерна и затормаживает процессы диффузии, образуя стабильные сложнолегированные упрочняющие фазы. При этом повышается коррозионностойкость, прочность и жаропрочность алюминиевого сплава, значительно уменьшается склонность к трещинообразованию. Металлы магний, медь и цинк имеют наибольшую по сравнению с другими известными элементами растворимость в твердом алюминии, резко снижающуюся с понижением температуры. В результате чего при охлаждении сплавов с этими компонентами из твердого раствора выделяются интерметаллидные фазы, а при нагреве - растворяются. Это фазовое превращение открыло возможность в сильной степени влиять на структуру и свойства алюминиевого сплава посредством термической обработки. Сумма перечисленных металлов (до 0,1 масс. %) при оптимальном соотношении между собой и другими элементами, в первую очередь кремнием, повышает технологичность сплава при термической обработке. При этом улучшаются прочностные характеристики сплава и его электропроводность. Полуметалл бор также является модифицирующей добавкой для алюминиевых сплавов. Количество бора (до 0,01 масс. %), особенно в присутствии титана, эффективно измельчает зерно алюминиевого сплава. Бор способствует улучшению механических свойств, пластичности и электропроводности, равномерности свойств во всем объеме. Бор способствует также нейтрализации отрицательного воздействия вредных примесей: галлия, водорода и др. Вступая в реакцию с этими примесями, бор образует нерастворимые соединения, выводя их из твердого раствора. При этом увеличивается коррозионностойкость сплава и существенно снижается газовая (водородная) пористость.
Деформируемая заготовка-катанка, предназначенная для дальнейшего волочения-прокатки с целью получения сверхтонкой проволоки для гибких кабелей, может быть изготовлена способом непрерывного литья и прокатки с последующей термообработкой путем рекристаллизационного отжига. После такой обработки алюминиевый сплав приобретает мезополикристаллическую структуру с размером зерна не более 150 мкм. Благодаря этой технологии достигается требуемый уровень пластических, прочностных и электрических свойств алюминиевой заготовки-катанки и снижаются энергетические и технологические затраты на ее производство. Из данной заготовки-катанки получают сверхтонкую проволоку диаметром менее 0,5 мм для токопроводящих жил гибкого кабеля безобрывным волочением на высокой скорости.
Преимущества нового кабеля:
- высокие технологичность и качество;
- повышенные эксплуатационные характеристики и надежность;
- повышенная экономичность.
Конструкция и технология изготовления гибкого кабеля по полезной модели аналогичны конструкции и технологии изготовления кабеля по прототипу.
Новый гибкий кабель прошел всесторонние испытания на кабельных заводах РФ и сетевых компаниях с положительными результатами. Налажено производство данных кабелей.