СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КАБЕЛЯ НА МЕХАНИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ПРИ ПОНИЖЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ
METHOD OF MECHANICAL TESTING FOR ELECTRIC CABLE AT LOW TEMPERATURE AND TESTING DEVICE

Изобретение относится к кабельной технике, а именно: к способам контроля электрических кабелей на соответствие техническим требованиям, отражающим эксплуатационные параметры.
В нормативной документации на электрические кабели (технических условиях) в числе прочих нормируются требования к «Внешним воздействующим факторам» (ВВФ), характеризующим свойства кабелей обеспечивать работоспособность, то есть транспортировку, монтаж, хранение и эксплуатацию в пределах допустимых значений ВВФ. Преимущественно к ВВФ относятся следующие параметры окружающей среды:
- минимальная допустимая рабочая температура;
- максимальная допустимая рабочая температура;
- максимальная влажность при некоторой фиксированной температуре (с учётом разброса значений температуры от фиксированного значения).
Иногда первые два параметра заменяют одним: допустимым диапазоном рабочих температур.
В основном, стойкость к ВВФ электрических кабелей определяется механической прочностью полимерных элементов конструкции, таких как изоляция, влагозащитные оболочки и шланги.
Следует отметить, что в число кабельных изделий помимо кабелей входят также провода и шнуры. Несмотря на то, что провода и шнуры чаще применяются внутри помещений при положительных температурах, под электрическими кабелями в дальнейшем будем понимать все кабельные изделия.
Если кабели эксплуатируются в непосредственной близости от поверхности Земли, то ВВФ определяются влиянием атмосферы вблизи поверхности Земли, при этом повышенные температуры (до плюс 70°C) и влажность до 100% (при температуре плюс 35°C, как правило) не являются разрушающими для основной массы полимерных материалов и кабели выдерживают достаточно длительный сток эксплуатации. В то же время температуры минус 40°C и ниже для многих полимерных материалов являются критическими: происходит растрескивание полимерных элементов конструкции при таких температурах. Поэтому контроль электрических кабелей на холодостойкость (работоспособность при минимальной допустимой рабочей температуре) производится периодически. В основу испытаний положен метод 203-1 «Испытание на воздействие пониженной рабочей температуры среды» по ГОСТ 20.57.406-81 «Комплексная система контроля качества. Изделия электронной техники, квантовой электроники и электротехнические. Методы испытаний».
При необходимости метод допускает испытание на холодостойкость под электрической нагрузкой. Электрические кабели, как правило, испытывают без электрической нагрузки, но после испытания на холодостойкость испытывают приложением электрического напряжения к токоведущим элементам, между которыми находятся изолирующие полимерные элементы конструкции. Недостатком этого метода является то, что испытание на воздействие минимально допустимой рабочей температуры по методу 203-1 производится в близких к идеальным условиях, т.е. при отсутствии дополнительных механических воздействий, которые в том или ином виде обязательно присутствуют в условиях реальной прокладки в течение всего срока эксплуатации.
Электрические кабели в целом подразделяются на две подгруппы: кабели стационарной прокладки и кабели нестационарной прокладки. К кабелям стационарной прокладки относятся такие кабели, которые прокладываются только один раз за весь срок эксплуатации и имеют не менее двух точек постоянного крепления к стационарным устройствам (например: в начале и в конце линии). К ним относятся кабели прокладываемые в грунт, кабельную канализацию, подвешиваемые вдоль стен и заборов и на столбах или опорах. К кабелям нестационарной прокладки относятся такие кабели, которые в процессе эксплуатации свободно перемещаются в пространстве или претерпевают многократные смотки-размотки.
К кабелям стационарной прокладки относятся, например городские телефонные кабели по ГОСТ Р 51311-99 «Кабели телефонные с полиэтиленовой изоляцией в пластмассовой оболочке. Технические условия».
Согласно ГОСТ Р 51311-99, кабели длиной не менее 1,0 м испытывают на соответствие требованию к минимальной допустимой рабочей температуре по методу 203-1 свёрнутыми в бухту с радиусом равным 10 максимальным наружным диаметрам кабеля по оболочке (кабеля небронированного). Свёртка в бухту ужесточает испытание за счёт неравномерного натяжения внутренней и наружной поверхности оболочки кабеля в витке, однако это ужесточение не имеет никакого отношения к проверке работоспособности кабеля в условиях эксплуатации, так как кабель стационарной прокладки всегда эксплуатируется в распрямлённом состоянии. Испытание кабелей на соответствие требованию к минимально допустимой рабочей температуре свёрнутыми в бухту является имитацией условий транспортировки и то, в несколько идеализированных условиях: при отсутствии тряски, характерной для транспортировки на автотранспорте.
В том же ГОСТ Р 51311 -99 приведена методика проверки кабеля на соответствие требованию к допустимым монтажным изгибам при отрицательной температуре. Испытание заключается в том, что в камеру холода с предварительно установленной отрицательной температурой помещают изогнутые образцы длиной не менее 1 м, выдерживают в течении 1 часа, распрямляют, извлекают из камеры, выдерживают в нормальных климатических условиях не менее 1 часа, затем проводят испытание напряжением.
Недостатками данной методики являются следующие: испытания производятся, как правило, при температурах минус 10°C - минус 15°C, характерных для условий монтажа и прокладки большинства полимеров, и сами изгибы специфичны для возникающих при условиях прокладки и монтажа, но не эксплуатации.
Для кабелей нестационарной прокладки известен ГОСТ Р МЭК 60811-1-4-2008 «Общие методы испытаний материалов изоляции и оболочек электрических и оптических кабелей. Часть 1-4. Методы общего применения. Испытания при низкой температуре».
В п.8.5. ГОСТ Р МЭК 60811-1-4-2008 изложен метод испытаний поливинилхлоридной изоляции и оболочки (в составе кабеля) на удар при низкой температуре. Испытание заключается в том, что установка для испытания на удар помещается вместе с образцами кабелей в камеру холода и по истечении требуемого времени образцы испытывают на удар, непосредственно в камере холода.
Испытание на удар при отрицательной температуре применяется к электрическим кабелям нестационарной прокладки по ГОСТ Р МЭК 60227-6-2002 «Кабели с поливинилхлоридной изоляцией на номинальное напряжение до 450/750 В включительно. Лифтовые кабели и кабели для гибких соединений».
Однако существует большая группа кабелей, для которых удар при отрицательных температурах либо исключается вовсе, либо является не основным механическим воздействием в процессе эксплуатации. Так для различных групп электрических кабелей предусмотрен вариант использования в виде подвески на столбах и опорах. При правильной подвеске удар при отрицательных температурах должен быть исключён (посадкой птиц из-за малости воздействия можно принебречь). В то же время такие кабели в процессе эксплуатации неоднократно испытывают воздействие ветрового напора.
Отличие ветрового напора от механического удара заключается в том, что ветровой напор воздействует на кабель по всей поверхности, обращенной в сторону, с которой перемещаются воздушные массы, а удар приходится на ограниченную поверхность (при испытании - равную площади бойка), а также в механике воздействия: воздушные массы перемещаются преимущественно с постоянной скоростью, а удар происходит с ускорением.
Таким образом, существующие методы совместных испытаний на механические воздействия при отрицательной температуре не позволяют оценить работоспособность кабелей подвешиваемых на столбах и опорах в процессе эксплуатации.
В качестве прототипа выберем способ испытания кабелей на удар при низкой температуре по ГОСТ Р МЭК 60811-1-4-2008.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в создании способа испытаний кабелей, подвешиваемых на столбах и опорах, для проверки работоспособности в условиях эксплуатации при минимальной допустимой рабочей температуре.
Технический результат достигается тем, что предложен способ испытаний электрического кабеля на механическое воздействие при пониженной температуре, заключающийся в том, что механическое воздействие обеспечивает имитацию результатов воздействия ветрового напора, а температуру выбирают преимущественно из диапазона допустимых для электрического кабеля отрицательных рабочих температур по шкале Цельсия.
Кабели для наружной стационарной прокладки можно подразделить на две большие группы: кабели, специально сконструированные для подвески на столбах и опорах, и кабели широкого применения, в число которых входит и подвеска на столбах и опорах. В процессе эксплуатации на кабели, подвешиваемые на столбах и опорах, наиболее сильное воздействие оказывают ультрафиолетовое излучение Солнца, отрицательные температуры окружающей среды и ветровой напор.
Для защиты кабелей от ультрафиолетового излучения Солнца в состав полимерной оболочки вводят специальные добавки (например: сажу), исключающие возможность растрескивания полимерных оболочек в течение всего срока службы кабелей.
В зависимости от возмущений в атмосфере наблюдаются перемещения крупных воздушных масс, проявляющихся в виде ветра, преимущественно действующего вдоль поверхности Земли. Встречая на своём пути преграды, ветер производит механическое воздействие на них, проявляющееся как давление, осуществляемое ветровым напором. При этом деревья изгибаются, а электрический кабель, подвешенный на столбах и опорах в промежутке между ними выгибается по дуге в сторону направления действия ветра. Отличия от механического удара состоят в том, что давление ветрового напора происходит по всей площади поверхности кабеля, обращенной навстречу перемещению воздушных масс, а также в том, что при выгибании кабеля по дуге по разному растягиваются слои оболочки по внутреннему и внешнему радиусу дуги, что может привести к образованию трещин и полному разрушению оболочки (обрыву в поперечном сечении).
Для пояснения физической сущности описываемого явления обратимся к физике полимеров.
В плане использования предлагаемого способа испытания нас интересует вопрос прочности полимеров, относящихся к группе пластических материалов. В настоящее время в теоретическом плане наиболее полно исследовано хрупкое разрушение полимеров, содержащих начальные микро и субмикротрещины.
Основой для образования субмикротрещин является наличие перенапряженных участков макромолекул. Известно, что полимеры являются частично кристаллическими веществами. Одна и та же макромолекула может составлять кристалл и рядом лежащую аморфную область (А.А. Тагер «Физико-химия полимеров», М, «Научный мир», 2007 г.).
Место перехода из кристаллического состояния в аморфное называется дефектом и является перенапряженным участком. Экспериментально прослежено накопление термофлуктуационных разрывов этих перенапряженных молекул по химическим связям, а затем образование субмикроскопических трещин - нарушений уже надмолекулярного масштаба.
Этим объясняется начальный этап локализации разрушения - переход от нарушений молекулярного масштаба к образованию субмикротрещин (Б. Цой, Э.М. Карташов, В.В. Шевелёв «Прочность и разрушение полимерных плёнок и волокон», М., «Химия», 1999 г.).
Накопление субмикротрещин и слияние их между собой приводит к образованию микротрещин, имеющих размеры на порядок больше. Разрыв материала происходит с ростом микротрещины. В теоретическом плане получила признание модель микротрещины, у которой перед вершиной лежит значительно превышающая саму микротрещину по размерам пластическая зона. Распространение микротрещины начинается тогда, когда пластическая деформация вблизи ее вершины становится большой, порядка десятков процентов. Вершина первоначально острой, например, усталостной микротрещины затупляется, стороны её, которые первоначально смыкались, расходятся параллельно на конечное расстояние, и дальнейшее разрушение происходит лишь тогда, когда это расхождение достигает некоторого критического значения (В.З. Партон, Е.М. Морозов «Механика упругопластического разрушения», М., «Наука», 1985 г.).
Физическая сущность предлагаемого нами способа испытаний заключается в том, что под воздействием механического давления кабель приобретает форму некоторой дуги (форму цепной линии кабель имеет только при отсутствии ветрового напора или механического давления). При этом часть оболочки, расположенная по внутренней дуге сжимается, а по наружной растягивается. Растяжение пластической зоны перед микротрещиной, способна привезти к разрушению полимерной оболочки кабеля.
При отрицательных температурах увеличивается хрупкость полимера и, следовательно, при меньших растяжениях возможно хрупкое разрушение оболочки кабеля (появление макротрещин, видимых невооруженным глазом).
В настоящее время методик расчета хрупкого разрушения полимерных оболочек кабелей не существует. Поэтому предлагаемый способ может быть единственным средством оценки работоспособности кабеля наружной стационарной прокладки, который может быть использован для подвески на столбах и опорах. Если в процессе испытания не наблюдается макротрещин, видимых невооруженным глазом, то кабель испытание выдержал и является работоспособным при установленных температуре и давлении ветрового напора, если макротрещины наблюдаются, то кабель испытание не выдержал.
Способ имитирует результат воздействия перемещения воздушных масс (ветрового напора) на кабель, направленного перпендикулярно вертикальной плоскости подвеса кабеля, изгибающих кабель по дуге в направлении движения и создающих в слое материала оболочки, размещённом в геометрическом центре дуги по большему радиусу изгиба и одинаковое натяжение в точках крепления на опорах, в связи с чем целесообразно при испытании к кабелю прикладывать равное натяжение, направленное от центра к концам кабеля.
Воздушный напор в реальности действующий под углом к вертикальной плоскости провиса кабеля в плане испытания рассматривается только в виде давления осуществляемого перпендикулярной составляющей, т.е. воздушным напором действующим перпендикулярно с меньшим значением давления.
Для испытания с имитацией равномерно перемещающихся больших воздушных масс целесообразно поддерживать давление неизменным в течение всего времени испытания.
Для испытания с имитацией резких порывистых ветров целесообразно в процессе испытания изменять давление и использовать программу, включающую значения давлений с отрезками времени их действий и последовательностью их воздействия.
Так как испытание на воздействие имитацией ветрового напора при отрицательной температуре является более жёсткими, чем эксплуатация кабелей в реальных условиях, то целесообразно найти корреляцию между длительностью при определённой программе испытаний и реальным сроком эксплуатации (сроком службы кабеля), в этом случае испытание на воздействие ветрового напора при отрицательной температуре будет служить ускоренной методикой испытания на подтверждение срока службы кабеля.
Для проведения испытаний на механическое воздействие на электрический кабель имитацией ветрового напора при пониженной температуре используют устройство, состоящее из камеры холода и установленного в ней приспособления, осуществляющего механическое воздействие, с испытуемым образцом электрического кабеля.
При этом приспособление является имитатором результатов воздействия ветрового напора. В камере холода устанавливают требуемую отрицательную температуру. После этого в неё устанавливают имитатор результатов воздействия ветрового напора и образец испытуемого электрического кабеля и выдерживают требуемое время. Имитатор результатов воздействия ветрового напора производит в центре испытуемого образца электрического кабеля давление, под действием которой кабель отклоняется в сторону и принимает форму дуги. При соответствии давления и натяжения кабеля значениям, которые реализуются при эксплуатации кабеля, мы получаем устройство имитирующее результат воздействия ветрового напора. Названное приспособление состоит из двух стоек, на которых устанавливается испытуемый образец кабеля, двух грузов и генератора нагрузки.
Для учёта натяжения кабеля в соединителях, закреплённых на столбах и опорах, целесообразно на каждом конце кабеля закрепить груз, сила тяжести которого направлена по центральной оси кабеля вертикально вниз.
Во избежание сползания образца кабеля со стоек и для обеспечения требуемого радиуса изгиба каждую стойку целесообразно снабдить группой роликов: одним вертикальным, задающим требуемый радиус изгиба, и не менее чем одной парой горизонтальных роликов, удерживающих образец испытуемого электрического кабеля на стойке.
С целью предотвращения соскальзывания образца испытуемого электрического кабеля по направлению его движения через вертикальный ролик целесообразно на каждой стойке установить ограничитель перемещения, в который упирается находящийся в движении груз.
Для обеспечения передачи нагрузки на кабель целесообразно снабдить генератор нагрузки исполнительным устройством с рычагом, передающим нагрузку (давление) на кабель.
С целью совмещения образца испытуемого электрического кабеля с приспособлением, обеспечивающим имитацию результатов воздействия ветрового напора генератор нагрузки целесообразно снабдить трубчатым фиксатором для локализации положения образца испытуемого электрического кабеля и направляющей рейкой, по которой смещается трубчатый фиксатор, обеспечивающей боковое смещение образца испытуемого кабеля.
С целью предотвращения соскальзывания трубчатого фиксатора с направляющей рейки целесообразно ограничить перемещение трубчатого фиксатора с помощью ограничительной пружины.
Для реализации модели случайного проявления порывов ветра целесообразно снабдить генератор нагрузки генератором случайных чисел, который при кодировании массива значений нагрузки (давления) порядковыми числами из ограниченного ряда натуральных чисел, случайным выбором натурального числа будет обеспечивать случайный выбор значения нагрузки. Также и для интервалов времени действия нагрузки.
Для автоматизации процесса целесообразно снабдить генератор нагрузки микропроцессом, считывающим информацию с генератора случайных чисел и управляющим исполнительным устройством, задавая требуемое давление на образец испытуемого электрического кабеля и время воздействия.
Предлагаемое изобретение поясняется конкретным примером выполнения, представленным на чертеже схематическим изображением устройства для испытаний электрического кабеля на механическое воздействие в виде имитации ветрового напора при пониженной температуре.
Изображённое на чертеже устройство состоит из камеры холода 1 и приспособления для испытания электрического кабеля на механическое воздействие в виде имитацтора результатов воздействия ветрового напора, включающего генератор нагрузки 2, стойки 3 для размещения образца кабеля в процессе испытания и грузы 4 для обеспечения натяжения кабеля, а также образец испытуемого электрического кабеля 5.
Стойки 3 оборудованы группой роликов 6, состоящих из вертикального ролика, обеспечивающего требуемый радиус изгиба кабеля и не менее одной пары горизонтальных роликов, предотвращающих сползание образца кабеля 5 со стоек, и ограничители 7, предотвращающие соскальзывание образца кабеля 5 по направлению его движения через вертикальный ролик.
Генератор нагрузки 2 оборудован рычагом исполнительного устройства 8, передающим давление на образец испытуемого электрического кабеля 5, трубчатым фиксатором 9, локализующим положение образца испытуемого электрического кабеля 5, направляющей рейкой 10, по которой смещается трубчатый фиксатор 9, обеспечивающей боковое смещение образца испытуемого электрического кабеля 5, и ограничительной пружины 11, предотвращающей соскальзывание трубчатого фиксатора 9 с направляющей рейки 10.
Устройство для испытаний электрического кабеля 5 на механическое воздействие в виде имитации ветрового напора при пониженной температуре комплектуется из камеры холода 1, серийно изготавливаемой, и приспособления, состоящего из генератора нагрузки 2, стоек 3 и грузов 4. Приспособление заказывается на заводе производящем испытательное оборудование по техническим требованиям и чертежам. Особенностью при изготовлении приспособления является то, что в нём должна быть предусмотрена возможность метрологической аттестации.
Предлагаемые способ испытаний электрического кабеля на механическое воздействие в виде имитации результатов воздействия ветрового напора при пониженной температуре и установка для проведения испытаний при использовании в технологическом процессе производства электрических кабелей позволяют производить отработку технологических режимов, предотвращающих зарождение в полимерных элементах конструкции субмикротрещин и микротрещин на стадии производства.