Размещено на http://www.allbest.ru/

Аннотация

В работе представлены результаты разработки силовых кабелей на напряжение от 0,66 до 3 кВ с сшитой полиолефиновой изоляцией. В качестве материала был использован поливинилиденфторид. Представлены результаты механических и термических экспериментальных исследований кабелей с применением сшитого полиэтилена и фторопласта марки Ф-2М. Проанализированы проблемы пожарной безопасности кабелей. Дан обзор свойств современных материалов, используемых в качестве изоляции кабелей. Рассчитаны затраты на производство разработанной конструкции и рассмотрена экологическая безопасность использования предложенного материала.



Annotation

The paper presents the results of the power cables for voltages from 0.66 to 3 kV crosslinked polyolefin insulation. Was used for insulation material polyvinylidene fluoride. The problems of fire safety cables. An overview of the properties of advanced materials used as cable insulation. Calculated cost of production of the developed design and considered environmental safety of the proposed material.



Содержание

• Аннотация
• Annotation
• Введение
• 1. Проблемы пожарной безопасности кабелей
• 2. Обзор свойств современных материалов, использумых в качестве изоляции силовых кабелей
• 3. Разработка конструкции кабелей со сшитой изоляцией, не распространяющей горение
• 3.1 Определение геометрических параметров
• 3.2 Выбор материала изоляции
• 3.3 Сшивка изоляции
• 3.4 Экспериментальное сравнение свойств образцов материалов
• 3.4.1 Механические испытания
• 3.4.2 Термические испытания
• 4. Определение расходов на производство продукции
• 4.1 Основные понятия
• 4.2 Расчет затрат
• 5. Безопасность и экологичность проекта
• 5.1 Термические характеристики ПВДФ
• 5.2 Термические характеристики СПЭ
• 5.3 Предложения по обеспечению комфортных и безопасных условий труда для человека
• Заключение
• Список литературы


Введение

В настоящее время для передачи электрической энергии многие страны практически полностью перешли с кабелей с бумажно-маслянной изоляцией (БМПИ) на использование кабелей с полиолефиновой, в частности из сшитого полиэтилена (СПЭ), на напряжение 6--35 кВ и имеют положительный опыт их эксплуатации. Так, например, в США и Канаде такие кабели занимают 85% всего рынка силовых кабелей, в Германии и Дании -- 95%, а в Японии, Франции, Финляндии и Швеции -- 100%.

В последнее время ведущая энергосистема России ЕЭЭС ориентирована на применение в электрических сетях указанных выше кабелей при строительстве (прокладке) новых электрических сетей (ЭС), плановой замене либо капитальном ремонте старых кабельных линий (КЛ).

Замена кабелей БМПИ на напряжение до 1 кВ практически уже произошла во всём мире. Преимущественное распространение получили КЛ с самозатухающей и негорючей изоляцией. При этом изготовители в качестве изолирующих применяют материалы, которые при нагреве и горении не выделяют вредных для человека и окружающей среды веществ [1].

Твёрдая изоляция даёт неоспоримые преимущества при прокладке на пересечённой местности (с большими наклонами, возвышенностями), то есть на трассах с большой разностью уровней, а также в вертикальных и наклонных коллекторах. Ещё одним достоинством кабелей с изоляцией с самозатухающей и негорючей изоляцией является их экологическая безопасность. Отсутствие масла, свинца и битума обеспечивает сохранение чистоты окружающей среды, что позволяет применять их на любых объектах и эксплуатировать КЛ практически без обслуживания. Таким образом, кабели с такой изоляцией в первую очередь должны рассматриваться как замена кабелям с БМПИ. Преимущества усовершенствованной конструкции и современной технологии производства кабелей с изоляцией из полиолефинов обусловили их повсеместное применение в развитых странах, что заметно сократило использование других типов кабеля [2].

Вопрос о конструкции кабелей, не поддерживающей горение, стали рассматривать после значительного числа пожаров, которые привели к большому ущербу. Например, в Останкинской телебашне в 2000 г. распространение пожара в направлении сверху вниз было обусловлено стекающим расплавом полиэтиленовой оболочки силового кабеля. Падающие вниз горевшие капли полиэтилена создавали на различных высотах вторичные очаги пожара. Выбор материалов в качестве изоляции до сих пор актуален.

Разработка кабеля, которого обеспечивает работоспособность и не поддерживает горение, с изоляцией, свойства которой не хуже поливинилхлорида (ПВХ-пластикат), является актуальной.

Целью работы является разработать конструкцию кабеля с полиолефиновой изоляцией и исследовать его свойства.

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

· провести анализ современный материалов, используемых для изоляции кабелей силовых кабелей;

· разработать конструкцию кабеля с предложенным материалом;

· исследовать свойства кабеля;

· дать предложение о целесообразности и эффективности использования нового материала.



1. Проблемы пожарной безопасности кабелей

Одним из самых важных показателей пожарной опасности кабеля является нераспространение горения при групповой прокладке (ПРГП). Групповой прокладкой называется ряд кабелей с расстоянием по воздуху в свету между ними не более 300 мм.

По оценке специалистов службы пожарной безопасности России электрические кабели и провода по основным составляющим пожарной опасности, таких как количество пожаров, размер материального ущерба и число погибших занимают первое место в ранге пожарной опасности среди электротехнических изделий (табл. 1.1) [3]. Поэтому требования по показателям пожарной безопасности к кабельной продукции становятся все более жесткими.

Таблица 1.1. Ранг пожарной опасности электротехнических изделий

Изделие	Ранг (место) по числу пожаров	Ранг (место) по размеру ущерба	Ранг (место) по числу погибших	Сумма рангов (мест)	Коэффициент значимости пожарной опасности	Ранг пожарной опасности изделия
Трансформатор	9	8	8	25	0,16	8
Кабель, провод	1	1	2	4	1,02	1
Электродвигатель	11	13	12	36	0,11	10

Основные пути снижения горючести кабельного изделия, которые используются при конструировании, показаны на рис. 1.1. Выбор материалов пониженной горючести при конструировании кабелей, не распространяющих горение, является основным техническим приемом, однако с учетом областей применения кабелей и уровня требований по пожарной безопасности все шире используется введение дополнительных элементов конструкции. Особенно это характерно для кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена или других горючих изоляционных материалов.

Рис. 1.1. Основные пути снижения горючести кабельного изделия

В качестве критерия соответствия кабелей требованиям по нераспространению горения по стандарту МЭК 60332-1-2007 принято значение эквивалентного кислородного индекса КИ_экв, которое было экспериментально определено для кабелей с изоляцией и оболочкой из поливинилхлоридного (ПВХ-ПЛАСТИКАТ) пластиката или других галогеносодержащих полимерных материалов. Как видно из данных, приведенных на рис. 1.2, значение КИ_экв должно быть не менее 29. Это значение в большинстве случаев достижимо при использовании в качестве оболочки ПВХ-ПЛАСТИКАТ композиции с кислородным индексом 32 и более.



Рис. 1.2. Результаты испытаний кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена и оболочкой из поливинилхлоридного пластиката с различными значениями КИэкв на нераспространение горения

Значение эквивалентного кислородного индекса для кабелей определяется как

(1.1)

где: v_i - объем i-го материала в кабеле, л/м; n - число полимерных материалов в конструкции кабеля; КИ_i - кислородный индекс i-го материала.

Рассчитанные значения КИ_экв и сам критерий КИ_экв характерны для кабелей с оболочкой из ПВХ-пластиката с высокими значениями выделения хлористого водорода при горении (24%). При использовании безгалогенных полимерных композиций и ПВХ-пластикатов с низким выделением хлористого водорода при горении этот критерий является недостаточным. Здесь должна использоваться совокупность других параметров, характеризующих горючесть материалов.

Были разработаны кабельные изделия массового применения, которые не распространяют горение при групповой прокладке. Первоначально такие кабели и провода применялись на атомных электростанциях, однако затем эти кабельные изделия были использованы на промышленных объектах, в складских помещениях и в зданиях общественного назначения.

В маркировке это обозначается как «НГ-LS», где «LS» непосредственно обозначается как «low-smoke» (малый дым). Широкое распространение приобрела изоляция, выполненная из негорючего ПВХ-пластиката [3]. Он характеризуется оптимальной устойчивостью к долгосрочному воздействию повышенных температур.

Все кабели с индексом «нг» проходят сертификационные испытания по оценке распространения пламени по вертикально расположенным пучкам кабелей.

Для кабелей, предназначенных для эксплуатации в сооружениях с закрытым объемом, например, кабельные коммуникации в метро, в жилых и общественных зданиях, нормирован показатель токсичности продуктов горения по ГОСТ 12.1.044.

Использование не распространяющих горения кабелей исполнения "НГ-LS" позволяет значительно снизить риск пожара в кабельных сооружениях, о чем свидетельствуют результаты огневых испытаний кабельных потоков проложенных в кабельном туннеле, представленных на рис. 3. Из приведенных графиков видно, что область 2, в которой пожарная нагрузка является критичной и при которой происходит распространение горения, для кабелей исполнения "НГ-LS" весьма незначительна. Это свидетельствует о том, что при прокладке таких кабелей в большинстве случаев применение дополнительных мер по огнезащите не требуется.



Рис. 1.3. Зависимость распространения горения от пожарной нагрузки в кабельном сооружении



Рис. 1.4. Изменение интенсивности светового потока при испытании кабелей оптическую плотность дыма при горении: НГ - кабель огнестойкий, не распространяющий горение; НГ-HF - тот же с изоляцией из полимерной композиции, не содержащей галогенов; НГ-LS - тот же с низким дымо- и газовыделением.

Для ряда отраслей техники требуются кабели и провода, не выделяющие при пожаре хлористый водород. В первую очередь это относится к атомным электростанциям, где пожар на одном блоке может привести к выходу всей аппаратуры управления на соседних блоках в результате воздействия выделяющихся коррозионно-активных газов [3].

Таблица 1.2. Области применения кабелей нового поколения с улучшенными показателями пожарной безопасности

Кабели исполнения "НГ-LS"	Кабели исполнения "HГ-HF"	Огнестойкие кабели "HГ-FRHF"
Нормированные в НТД на кабели и в ведомственных нормах
1. Системы АЭС нормальной эксплуатации и важных для безопасности, расположенные вне гермозоны. 2. Метрополитены. 3. Электропроводки в жилых и общественных зданиях.	1. Системы АЭС внутри гермозоны.	1. Системы безопасности АЭС.
Требуется разработка федеральных норм и правил
	1.Электроустановки общественных культурных и спортивных сооружений. 2. Электроустановки в детских садах, школах.	1. Цепи систем пожарной сигнализации. 2. Цепи питания пожарных насосов. 3. Цепи аварийного освещения. 4. Цепи питания установок дымоудаления. 5. Цепи внутренней радиосети. 6. Цепи питания пассажирских и пожарных лифтов. 7. Цепи питания вентиляторов запасных выходов. 8. Цепи питания электроустановок в больницах, операционных, отделениях.

Целью моей работы является разработка конструкции кабелей со сшитой полиолефиновой изоляцией, не распространяющей горение. В качестве примера такой изоляции выберу полиолефиновый материал поливинилиденфторид (фторопласт 2 или ПВДФ).



2. Обзор свойств современных материалов, использумых в качестве изоляции силовых кабелей

Полиолефины - высокомолекулярные соединения общей формулы

(2.1)

образующиеся при полимеризации или сополимеризации ненасыщенных углеводородов -- олефинов (R, R'=H, CH₃, C₂H₅ и т.п.). Это большая группа органических веществ, синтетические полимеры, продукты полимеризации олефинов. Полиолефиновая изоляция к обладает весьма ценным комплексом свойств: высокой механической прочностью и диэлектрическими свойствами, устойчивостью к действию агрессивных сред, повышенной температурой плавления и теплостойкостью, небольшим удельным весом и т. д. Они обеспечивают рабочую температуру кабелей до 150 ⁰С. По масштабу промышленного производства и широте областей применения (плёнки и волокна, электроизоляционные покрытия, литьевые изделия и др.) полиолефины не имеют себе равных среди термопластичных материалов [4].

Полимеры очень часто используется в кабельных конструкциях среднего напряжения за счет того что он имеет ряд преимуществ по сравнению с БПМИ:

· большая пропускная способность за счет увеличения допустимой температуры жилы (допустимые токи нагрузки в зависимости от условий прокладки на 15-30% больше, чем у кабелей с БПМИ) [5];

· высокий ток термической устойчивости при коротком замыкании;

· высокие электрические свойства изоляции, низкие диэлектрические потери;

· меньше масса и габариты кабеля в целом, что облегчает прокладку кабеля как в кабельных сооружениях, так и в земле на сложных трассах;

· высокая влагостойкость, нет необходимости в применении металлической оболочки,

· меньше радиус изгиба;

· возможность прокладки на трассах с неограниченной разностью уровней;

· возможность прокладки кабелей при температуре - 20 0С без предварительного подогрева, благодаря использованию полимерных материалов для изоляции и оболочки;

· меньшие расходы на содержание и реконструкцию кабельных линий;

· высокая стойкость к повреждениям;

· большие строительные длины;

· более экологичный монтаж и эксплуатация (отсутствие свинца, масла, битума).

Самыми распространенными полиолефиновыми материалами, которые используют в качестве изоляции сегодня, являются ПВХ-пластикат и сшитый полиэтилен (СПЭ).

В настоящее время последний является одним из наиболее применяемых изоляционных материалов при производстве кабелей. Но изначально термопластичному полиэтилену присущи серьезные недостатки, главным из которых является резкое ухудшение механических свойств при температурах, близких к температуре плавления.

Применение кабелей со сшитой полиэтиленовой изоляцией по сравнению с традиционными с поливинилхлоридной позволяет:

· использовать жилы меньшего сечения для передачи равного потока;

· увеличить длительно допустимую температуру нагрева жил кабелей до 90 °С;

· увеличить длительно допустимую температуру нагрева жил кабелей при коротком замыкании до 250 °С.

ПВХ-пластикат - полярный полимер, он имеет пониженные диэлектрические характеристики в сравнении с неполярным полиэтиленом или бумагой, а это приводит к увеличению показателя потерь в изоляции. Но, ПВХ-пластикат - это материал, не распространяющий горение.

Одна из самых главных характеристик изоляционных материалов - допустимая температура нагрева жил. Чем выше этот параметр, тем выше допустимая нагрузка, которую можно пропускать в течение длительного времени. Допустимая температура нагрева полиэтиленовой изоляции значительно выше, других материалов, т.к. это термореактивный материал.

Таблица 2.1. Сравнение свойств распространенных материалов

Характеристика	СПЭ	ПВХ-пластикат
Плотность, г/смі	0,90- 0,96	1,35-1,43
Температура плавления, °C	220	150--220
Допустимая рабочая температура, °C	90	60
Предел прочности при растяжении, МПа	8,5-12	40-50
Предел прочности при изгибе, МПа	7,4--39,0	80-120
Относительное удлинение, %	200-500	200--400
Электрическая прочность, кВ/мм	30-60	18--40
Отн. диэлектрическая проницаемость	2,3	3,40
Тангенс угла потерь	0,0035--0,005	0,01--0,06
Кислородный индекс	17,4	49,1



3. Разработка конструкции кабелей со сшитой изоляцией, не распространяющей горение

В данной работе мои предложения, по поводу разработки конструкции кабеля со сшитой изоляцией, не распространяющей горение, сводятся к применению известного материала ПВДФ. Он обладает повышенным тангенсом диэлектрических потерь tgд по сравнению со сшитым полиэтиленом, в связи с чем поливинилиденфторид не пригоден в качестве изоляции для кабельных конструкций на 6 кВ и выше, так как при расчете изоляции получаются несоизмеримые размеры. Однако он пригоден для силовых кабелей до 3 кВ включительно. Рекомендации по конструкции указаны в стандартом на кабели с пластмассовой изоляцией на номинальное напряжение 0,66, 1 и 3 кВ (ГОСТ Р 53769-2010).

Рис. 3.1.1. Общая конструкция кабелей серии с ПВДФ-изоляцией на номинальное напряжение до 3 кВ

Условные обозначения:

1. Токопроводящая жила (ТПЖ) - медные, многопроволочные, круглые;

2. Экран - электропроводящая сшитая композиция полиэтилена;

3. Изоляция - поливинилиденфторид;

4. Экран - электропроводящий сшитый полиэтилен;

5. Разделительный слой - для марок КВ и АКВ - электропроводящая полимерная лента. Для марок КП2г и АКП2г - электропроводящая водоблокирующая лента;

6. Экран - медные проволоки с обмоткой медной лентой;

7. Разделительный слой - для марок КП2г и АКП2г - ламинированная алюмополимерная лента, а поверх полиэтилен; для марок КВ, АКВ - внутренняя выпрессованная оболочка из поливинилхлоридного пластиката;

8. Броня - круглые проволоки из алюминиевого сплава;

9. Оболочка - для марок КП2г, АКП2г - полиэтилен высокой плотности; для марок КВ, АКВ - поливинилхлоридный пластикат.

3.1 Определение геометрических параметров

Номинальные сечения токопроводящих жил кабелей (ТПЖ) указаны в таблице 3.1.1, они соответствуют классу 1 или 2 ГОСТ 22483.

Таблица 3.1.1

Наименование жилы	Номинальное сечение жилы, мм2
	Круглой	Секторной (сегментной)
	Медной	Алюминиевой	Медной	Алюминиевой
Однопроволочная	1,5-50	2,5-300	-	35-400
Многопроволочная	16-1000	25-1000	25-400	25-400

ТПЖ огнестойких кабелей должны быть медными. Изоляцию экструдирует (выпресовывают), плотно прилегают к ТПЖ и отделяют от неё без повреждения, в том числе самой изоляции.

Номинальная толщина изоляции жил указана в таблице 3.1.2.



Таблица 3.1.2. Конструктивные размеры элементов кабелей

Номинальное напряжение, кВ	Номинальное сечение жилы, мм2	Номинальная толщина изоляции, мм
0,66	1,5 и 2,5	0,6
	4 и 6	0,7
	10 и 16	0,9
	25 и 35	1,1
	50	1,3
1	1,5 и 2,5	0,8
	4 - 16	1,0
	25 и 35	1,2
	50	1,4
	70	1,4
	95	1,6
	120	1,6
	150	1,8
	185	2,0
	240	2,2
	300	2,4
	400	2,8
	500	2,8
	625 и 630
	800
	1000	3,0
3	10 - 240	2,2
	300	2,4
	400	2,6
	500	2,8
	625 и 630
	800
	100	3,0

Изолированные жилы номинальным сечением до 16 мм² включительно скручивают без заполнения внутреннего промежутка между ними.

В кабелях на номинальное напряжение 3 кВ поверх внутренней оболочки или обмотки лентами сердечника многожильных кабелей или поверх изоляции одножильных кабелей наложен экран из медных проволок.

В экранированных бронированных кабелях поверх медного экрана накладывают экструзией разделительный слой. Толщина слоя полимерных лент 0,5 мм при D_ск = 40 мм и 0,6 мм - при D_ск = 45 мм. Толщина экструдированного разделительного слоя соответствует приведенной в таблице 3.1.3.

Таблица 3.1.3

Диаметры скрутки изолированных жил Dск, мм	Толщины экструдированной внутренней оболочки, мм
20	1,0
25 35	1,2
35 45	1,4
45 60	1,6
60 80	1,8
85	2,0

Поверх внутренней оболочки или обмотки лентами сердечника или поверх медного экрана небронированных кабелей должна быть наложена экструзией наружная оболочка из поливинилхлоридного пластиката или поливинилхлоридного пластиката пониженной горючести, или поливинилхлоридного пластиката пониженной пожарной опасности, или из полимерной композиции, не содержащей галогенов.

Толщина наружной оболочки из поливинилхлоридного пластиката пониженной горючести должна соответствует категории Обп-2 по ГОСТ 23286, значение толщины оболочки одножильных кабелей 1,4 мм, многожильных -- 1,8 мм.

В одножильных кабелях броня наложена на предварительно наложенную поверх изоляции подушку. Подушка выполнена в виде экструдированного полимерного слоя толщиной 1,0 мм.

Применение стальных лент для бронирования одножильных кабелей, предназначенных для эксплуатации в электрических сетях переменного напряжения, не допускается.

Диаметр круглых проволок брони соответствует указаному в таблице 3.1.4.

Таблица 3.1.4

Расчетный диаметр кабеля под броней, мм	Диаметр проволоки для брони, мм
7	0,80
10	1,25
15	1,60
25	2,00
40	2,50
60	3,15

Характеристики изоляции соответствует указанным в таблице 3.1.5.

Таблица 3.1.5

Наименование характеристики	Значение для изоляции
1. До старения
Прочность при разрыве, Н/мм2	50-60
Относительное удлинение при разрыве, %	>30
2. После старения
Прочность при разрыве. Н/мм2, не менее	50-60
Отклонение' значения прочности при разрыве, % не более	30
Относительное удлинение при разрыве, % не менее	>30
Отклонение* значения относительного удлинения при разрыве, % не более	30
3. Продавливание при высокой температуре
Твердость	80
4. Тепловая деформация
Относительное удлинение под нагрузкой, %	70
Остаточное относительное удлинение после снятия нагрузки и охлаждения, %	15
5. Водопоглащение
В нормальных условиях, %	<0,05
До насыщения, %	<0,05
*Отклонение - разность между средним значением, полученным псоле старения, и средним значением, полученным до старения, выраженная в процентах последнего.

По требованиям безопасности кабелей (ГОСТ 12.2.007.14) значения показателей коррозионной активности продуктов дымо- и газовыделения при горении и тлении материалов изоляции, оболочки и защитного шланга кабелей соответствуют указанным в таблице 3.1.6.

Таблица 3.1.6

Наименование показателя	Значение
Количество выделяемых газов галогенных кислот в пересчете на HCI. мг/r, не более	5,0
Проводимость водного раствора с адсорбированными продуктами дымо- и газовыделения. мкСм/мм, не более	10.0
рн (кислотное число), не менее	4.3

В существующей серии силовых кабелей марок АПв/Пв до 3 кВ предлагается заменить изоляционный материал на указанный ранее, ПВДФ, в целях понижения пожароопасности в кабельных сооружениях наружных электроустановок. По проведенным теоретическим и испытательным анализам можно сделать вывод о возможности такой замены, опираясь на подходящие физико-механические, термически, и электрические характеристики изоляции, которые удовлетворяют требованиям в стандарте на кабели с пластмассовой изоляцией на номинальное напряжение 0,66; 1 и 3 кВ (ГОСТ Р 53769-2010). Эта замена повлечет за собой увеличение массы кабельной конструкции на единицу длины (приблизительно в 2 раза тяжелее при таком же радиусе изоляции (таблица 3.1.7)), а также на её расход производства и стоимости.

Таблица 3.1.7. Плотность материалов

Изоляционный материал	Значение плотности , г/смі
СПЭ	0,90- 0,96
ПВДФ	1,731-1,781



Такие конструкции кабелей позволяют использовать их для передачи и распределения электрической энергии в стационарных установках при переменном напряжении 1 кВ частотой 50 Гц в сетях с изолированной или заземленной нейтралью. Климатическое исполнение УХЛ и Т, категория размещения 1, 5 по ГОСТ 15150-69, включая прокладку в земле. Учитывая превосходство предложенной изоляции, серия кабелей рассчитана на рабочую температуру до 140 ?C.

3.2 Выбор материала изоляции

Всероссийский научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт кабельной промышленности (ВНИИКП) разработал и одобрил кабельную продукцию из сшитого полиэтилена и на сегодняшний день большинство современных заводов выпускает ее для передачи и распределения электрической энергии в стационарных установках при переменном напряжении в сетях с изолированной или заземленной нейтралью, добавляя в конструкцию оболочку из ПВХ-ПЛАСТИКАТ пластиката с пониженной пожароопасностью и горючестью для предотвращения и распространения пожара [2]. Это новшество возникло вследствие нередких случаев распространения пожара в направлении сверху вниз, что вызвало падение вниз горевших капель полиэтилена, которые, в свою очередь, создавали вторичные очаги пожара.

Мои предложения по разработке подобной кабельной конструкции заключаются в том, чтобы использовать в качестве изоляции материал, который непосредственно не поддерживает горение.

Под эти свойства хорошо вписывается полиолефиновый материал поливинилиденфторид. Техническое название в СССР и РФ -- фторопласт-2. Торговые названия других изготовителей: Susta®PVDF, Кайнар (США), KF полимер (Япония), Видар (Германия), Солеф (Бельгия), Форафлон (Франция), Ftorosint PVDF (Фторосинт ПВДФ) (Бельгия).

ПВДФ - фторопласт, фторсодержащий полимер, химическая формула -(C₂H₂F₂)_n-. Он представляет собой высококачественный изоляционный материал, предназначенный для работы в жёстких условиях, при которых требуется высокая термостойкость, повышенные изоляционные характеристики и высокие сопротивления пробою. Изоляция проводов, изготовленная из этого материала, хорошо зарекомендовала себя при работе в условиях космических полетов. Фторопласт относится к классу высокомолекулярных кристаллизованных полимеров.

Рис. 3.2.1. Химическая формула поливинилиденфторида.

История фторопласта началась в 30-х годах прошлого века, когда ученые американской лаборатории DuPont случайным образом получили уникальный материал, по многим характеристикам превосходящий эмали, благородные металлы и спецстали. Продажа фторопластов на отечественном рынке началась с 90-хх годов и с тех пор данный материал пользуется неизменным спросом. Фторопласт характеризуют хорошие диэлектрические свойства, высокая электрическая прочность и широкий диапазон механических свойств. Высокий экранирующий эффект электроотрицательных атомов фтора объясняет коррозионно-, радиационно-, атмосферо- и химостойкость фторопласта. Это способствует широкому применению фторопласта в строительстве, производстве электроники и электротехники, а также химической промышленности. Для человека фторопласт физиологически и биологически безвреден, поэтому повсеместно применяется в фармацевтическом производстве и медицинской промышленности [6].

Производство фторопластов в России осуществляется в соответствии с требованиями ГОСТа 10007-80, согласно которому материал представляет собой белый порошок. В зависимости от производственных целей, для которых предполагают использовать фторопласты, из данного порошка изготавливают пластины, листы, диски, втулки, стержни или другие детали. Также спросом пользуются ленты, защитные оболочки и пленки из фторопласта.

В обычных условиях фторопласт листовой или стержень как класс материалов проявляют исключительную стойкость к старению, в связи с чем многие производители заявляют гарантированный срок сохранения их качественных характеристик до 20 лет [7].

Изделия из фторопласта могут подвергаться фрезеровке, шлифованию, сверлению и точению, исключая снижение качественных свойств материала. Композиции из фторопласта, как и сам материал, обладают исключительной стойкостью к гидролизу, к сорбции веществ, к окислению и нарастанию на его поверхности отложений различного вида. Он не растворим в воде, и плохо растворим или не растворим в большинстве органических растворителей.

Основные свойства

При комнатной или повышенной температуре фторопласт устойчив к воздействию различных агрессивных сред: органических и минеральных кислот, щелочей, окислителей, газов, органических растворителей. Разрушительным для фторопласта может оказаться лишь контакт при высоких температурах с расплавами щелочных металлов, элементарным фтором или трехфтористым хлором.

Исключительные диэлектрические характеристики в сочетании с высоким показателем термостойкости дали возможность для широкого применения фторопласта в электронной промышленности (изготовление печатных плат, использование деталей из материала в технике СВЧ, изоляция разъемов, проводов, кабелей).

При нагревании свыше +327 °С происходит разрушение кристаллической структуры и материал становится прозрачным и аморфным. Интервал температур, в котором фторопласт остается прочным и сохраняет свои химические и механические свойства, колеблется от -269 до +260 °С. При этом верхний предел характеризуется снижением физико-механических свойств, но не потерей химической стойкости.

Фторопласт не поддерживает горение. Также он обладает высокими антифрикционными свойствами, что позволяет изделиям из фторопласта работать без смазки. Материал характеризует чрезвычайно низкий для конструкционных материалов коэффициент трения (до 0,02).

Рис. 3.2.2. Сравнение допустимой рабочей температуры ПВДФ с другими полимерами.

Фторопласт-2, более износостойкий в сравнении с Фторопласт-4 (ПТФЕ). Основное его отличие от других фторполимеров это то, что материал сочетает в себе хорошие механические, тепловые и электрические свойства при воздействии химических веществ. Так же, как и другие фторполимеры, ПВДФ стоек к гидролизу [6]. Имеет более низкую постоянную и кратковременную рабочую температуру по сравнению с ПТФЕ, но более прочный и твердый, более высокие механические свойства. Отсутствует хладотекучесть под действием нагрузок.

Материал обладает повышенной упругостью, стойкостью к абразивному износу, истиранию и прорезыванию. Также он устойчив к воздействию ультрафиолетовой и ионизирующей радиации (часто используется в атомной энергетике). По химической стойкости и рабочим температурам превосходит полиолефины и поливинилхлорид. Фторопласт-2 плохо растворим или вообще не растворим во многих органических растворителях. Фторопласт-2 растворяется только в диметилсульфоксиде, диметилформамиде, кетонах. Имеет меньшую плотность по сравнению с ПТФЕ, но гораздо большую по сравнению с остальными высокотемпературными пластиками. Высокие трибологические свойства. Если температура эксплуатации не превышает +150 °С, то наилучшей заменой ПТФЕ будет служить ПВДФ. Его более высокие механические свойства делают его более дорогим (в 2-3 раза дороже, чем ПТФЕ). ПТФЕ универсальный конструкционный материал для производства изделий в нефтехимической, химической, металлургической, пищевой, бумажной, текстильной, фармацевтической и атомной отраслях промышленности, в условиях где детали работают при повышенных температурах (до +150 °С) и воздействии агрессивных сред.

изоляция силовой кабель поливинилиденфторид

Таблица 3.2.1. Механические, термические, электрические свойства ПВДФ

Характеристика	Значения	Единицы измерений	Метод испытаний
Плотность, с	1,78	гр/см3	ГОСТ 15139-69
Удлинение при разрыве, д	> 30	%	DIN EN ISO 527
Напряжение при растяжении, у	50-60	МПа	DIN EN ISO 527
Модуль упругости при растяжении, л	2000	МПа	DIN EN ISO 527
Модуль упругости после изгиба, л	2000	МПа	DIN EN ISO 527
Ударная прочность, A/S	без повреждений	кДж/м2	DIN EN ISO 179 (Метод Шарпи)
Твердость	80	-	ISO 2039/2 (Метод Бринелля)
Предел текучести после 1000 часов под статической нагрузкой, ут	34	МПа	ГОСТ 11262-80 и п.3.10
Предел прочности для 1 % удлинения после 1000 часов, уВ	3	МПа	ГОСТ 11262-80 и п.3.10
Коэффициент трения, µ	0,3	-	(по стали о=0,05 N/мм2, v=0,6 м/сек)
Теплопроводность при Т=23 °С	0,11	Вт/(м·К)	ГОСТ 23630.2-79
Удельная теплоемкость при Т=23 °С, С	1,2	Дж/(кг·К)
Линейный коэффициент теплового расширения, б	13	10-5 1/К	ASTM D 696, DIN 53 483, IE-250
Диэлектрическая проницаемсть, е	8	-	ASTM D 150, DIN 7991, ASTM Е 831
Коэффициент диэлектрических потерь, tgд	0,06	-	ASTM D 150, DIN 7991, ASTM Е 831
Объемное электрическое сопротивление, с	1014	Ом·см	ASTM D 257, ЕС 93, DIN IEС 60093
Поверхностное сопротивление, сs	1013	Ом	ASTM D 149, DIN IEС 60093
Электрическая прочность, Епр	10-60	кВ/мм	DIN 53 481, IEC-243, VDE 0303 Teil2
Водопоглощение в нормальных условиях	<0,05	%	23°С/50% отн. влажность DIN EN ISO 62
Водопоглощение до насыщения	<0,05	%	DIN EN ISO 62

На сегодняшний день сшитый фторопласт марки Ф-2М применяется в качестве изоляции в кабелях для фиксированного монтажа ботовой электрической сети авиационной техники марки БПДО. Его конструкция состоит из ТПЖ из медных, луженых оловом проволок сечением от 0,35 до 95,0 мм², изоляции из сшитого полиэтилена и сшитого поливинилиденфторида, экранированной оплетки из медных проволок, луженых оловом или олово-свинцовым сплавом.

Сшивают материал радиационном методом используя ускорители промышленного назначения.

3.3 Сшивка изоляции

Для улучшения механических свойств, а именно увеличения прочности на разрыв, неизменность или незначительное повышение напряжения на разрыв, уменьшения удлинения на разрыв, сопротивления трещинообразования, тепловой стабильности, находящейся под давлением, устойчивости к химическим соединениям благодаря сниженной растворимостью в органических растворителях, снижения газопроницаемости, материал подвергают сшивке [8].

В зависимости от технологии производства сшивку полимеров делят на:

· силановый способ;

· пероксидный способ;

· радиационный способ.

Силановая сшивка

Самый распространенный способ (для кабелей до 1кВ) - сшивание через привитые органофункциональные группы, в качестве которых применяют силаны (водородные соединения кремния общей формулы Si_nH_2n+2, где n=1 - 8).

Сшивают во влажной среде (пар, вода) при температуре 80-90 ⁰С, или в условиях окружающей среды, что занимает немного больше времени. Под воздействием влаги происходит гидролиз силанольных групп и последующее их сшивание, ускоряющееся под действием тепла и катализатора. Применение данного способа сшивания при производстве кабелей на среднее напряжение ограниченно, поскольку кабели на напряжение 10-35 кВ имеют значительно большую толщину изоляции, чем кабели на низкое напряжение. Поэтому достаточно сложно добиться равномерности физико-механических свойств в радиальном направлении изоляции и это не обеспечивается силановой сшивкой. Силано-сшитые полиолефины связаны Si-O-Si мостами, (см. рис. 3.1.3) в отличие от C-C связей, образующихся в результате пероксидного или радиационного метода.

Рис. 3.3.3. Структура полиэтилена, сшитого по силановой технологии:

A: сшитый винилсилан (например, Sioplas^®, Monosil^®),

B: винилсилан сополимеризации (например,, Silink^®, Visico^®)

Sioplas, зарегистрированная торговая марка Dow Corning Corp.

Monosil, зарегистрированная торговая марка Maillefer SA

Silink, зарегистрированная торговая марка Dow Corp.

Visico, зарегистрированная торговая марка Borealis A.S.

Силановая технология состоит из двух этапов:

Этап 1. Внедрение силана в полимер, либо привитием винилсилана на полимерную цепочку (см. рис. 3.3.4), либо сополимеризацией винилсилана с этиленом в реакторе полимеризации.

Этап 2. Сшивка в присутствии воды (см. Рис. 3.3.5), обычно ускоряемая оловянным или другими подходящими катализаторами.

Рис. 3.3.4. Прививка винилсиланов на полиэтилен

Рис. 3.3.5. Сшивка силано-привитого полиэтилена в присутствии влаги

Силановое сшивание расширяет рамки производственного процесса, поскольку отпадает необходимость поддерживать температуру ниже температуры разложения перекиси. При использовании силана экструдат может быть быстро охлажден и подготовлен для чистовой обработки. Скорость полимеризации определяется скоростью диффузии влаги, поэтому для ускорения реакции часто применяется горячая водяная баня, паровая сауна или автоклав низкого давления [9]. Силановая технология сшивания обладает следующими преимуществами, по сравнению с пероксидным методом:

* снижение капитальных вложений

* снижение эксплуатационных затрат (стоимости энергии и труда)

* повышение производительности

* широкий спектр рецептур и применений

* возможность производства изделий различной толщины

* возможность производства изделий сложных форм

* повышение процента наполнения пластиков

* возможность применения со всеми типами полиэтиленов и сополимеров.

Пероксидная сшивка

При производстве кабелей на среднее и высокое напряжение используется другой способ сшивания - при помощи пероксидов. Сшивание полимерной изоляции при помощи пероксидов происходит непосредственно при ее наложении в сухой среде - среде инертного газа (азота) при высокой температуре (300-400°С) и давлении 8-12 атм.

Сшивка представляет собой свободно-радикальный процесс, приводящий к образованию углерод-углеродных связей между полимерными цепочками (см. Рисунок 1.4). Для получения сшитого полимера материал перед экструдированием расплавляется вместе с антиокислителями и пероксидами. С повышением температуры пероксиды распадаются, образуя радикалы (молекулы со свободной связью). Радикалы пероксидов отрывают у звеньев полиэтилена по одному атому водорода, что приводит к появлению свободной связи у атома углерода. В соседних макромолекулах атомы углерода объединяются. Количество межмолекулярных связей составляет 2-3 на 1000 атомов углерода. Образуется трехмерная сетка, которая исключает возможность образования кристаллитов при охлаждении полимера. Процесс требует жесткого контроля над температурным режимом в процессе экструзии, и когда происходит предварительная сшивка, и в ходе дальнейшего нагревания трубы для завершения образования связей.

Рис. 3.3.6. Структура полиэтилена, сшитого по пероксидной технологии.

Пероксидная сшивка позволяет обеспечить стабильность электрических характеристик кабеля, особенно на высокое напряжение. Поэтому для кабелей на напряжение до 1кВ во всем мире получила широкое распространение сшивка при помощи силанов, а для кабелей на среднее и высокое напряжение (с большой толщиной изоляции) - пероксидная сшивка.

Разложение пероксидов происходит после экструзии с помощью протяженных линий непрерывной вулканизации, соляной бани или азотной системы. Пероксидно-сшитые изделия требуют продолжительного замедленного цикла термообработки (часто при повышенном давлении) для завершения процесса вулканизации.

Радиационная сшивка

Технология радиационного модифицирования изоляции кабельных изделий посредством электронно-лучевой сшивки полимеров нашла широкое применение в промышленности. Первоначально она применялась прежде всего для увеличения максимальной температуры эксплуатации кабельных изделий. Затем обнаружились многие другие преимущества сшитых полимеров -- уменьшение деформации при нагреве, повышение сопротивления химическому, радиационному и абразивному воздействиям, улучшение ударной прочности и памяти полимера.

Применение этих технологий позволило наладить выпуск широкого ассортимента кабельных изделий как для нефтедобывающей отрасли, атомных станций, спецтехники, так и для других областей применения, где необходима высокая надёжность кабельных изделий при работе в штатных и аварийных условиях.

Использование электроннолучевых технологий раскрывает широкие возможности для выпуска разнообразного ассортимента кабелей и термоусадочных изделий для различных целей (атомные и тепловые электростанции, нагревательные, силовые и корабельные кабели и кабели для воздушных судов и т.д.). Это все изделия повышенной надёжности и несут значительную нагрузку при экстремальных условиях.

Качество радиационной обработки зависит как от самого ускорителя, так и от транспортного оборудования комплекса.

Ускоритель должен работать при стабильных параметрах электронного пучка -- энергия, ток пучка, ширина фронта облучения.

Установка четырёхстороннего облучения необходима для придания азимутальной однородности принятой дозы облучения.

Основным параметром системы при прохождении кабеля в зоне радиации является скорость его транспортировки. Она должна быть пропорциональна току пучка электронов. Эта задача была успешно решена созданием высокоавтоматизированных комплексов.

Ускорители. На участке радиационной обработки монтажных проводов НП «Подольсккабель» эксплуатируются два мощных ускорителя промышленного назначения -- ЭЛВ-4 и ЭЛВ-8. Диапазон энергий электронов -- от 0,8 до 2,5 МЭВ и ускоренный пучок -- до 50 мА, с максимальной мощностью до 100 киловатт.

В настоящее время ускорители отвечают современным требованиям национальных стандартов и являются флагманами не только в России, но и не уступают образцам заграничных аналогов ускорительной техники.

Четырёхсторонняя система облучения. В 1998 году лабораторией № 12 ИЯФ им. Г. Будкера была разработана система четырёхстороннего облучения, которая впервые в мире была реализована на Подольском кабельном заводе в 2003 году. Она позволила коренным образом улучшить качество кабельной продукции после радиационной обработки. Наряду с уменьшением азимутальной неоднородности метод позволяет уменьшить энергию электронов и распространять технологию облучения на оболочку кабельных изделий большего диаметра.

Результаты научно-исследовательских работ, проведённых на Подольском кабельном заводе, показали, что неравномерность радиальной сшивки по азимуту составляет 3--5%, что нельзя обеспечить ни силановой, ни пероксидной сшивкой. Новая методика заменила ранее применявшийся способ двухстороннего облучения, улучшила качество продукции, привела к повышению производительности труда и дала возможность качественно облучать термоусаживаемые изделия.

Раскладка заготовки под пучком электронов выполнена так, чтобы на каждом повороте верхняя и нижняя поверхности менялись местами. Если траектории пучков пересекаются под углом 90 градусов, принимая во внимание смену поверхностей, достигается именно четырёхстороннее облучение (рис. 3.3.7, 3.3.8). Очень важно, что кабель проходит зону облучения несколько раз.



Рис. 3.3.7. Установка четырёхстороннего облучения: 1 -- магниты сканирования с переключающим магнитом; 2 -- выпускное устройство; 3 -- траектории электронов; 4 -- правый поворотный магнит; 5 -- левый поворотный магнит.

Рис. 3.3.8. Облучаемая заготовка.

Подпучковая транспортная система. Универсальная система транспортировки (ПТС) была разработана в ИЯФ им. Г. Будкера в лаборатории № 12. Её устройство показано на рис. 3.3.9. Система состоит из двух барабанов: один -- приводной, а другой -- ведомый.

Рис. 3.3.9. Универсальная система транспортировки (ПТС).

В связи с принципиальным изменением подпучкового оборудования снижается вероятность повреждения изоляции обрабатываемой заготовки, и самое главное -- степень вытяжки токопроводящей жилы однопроволочного проводника.



Рис. 3.3.10. Устройство для четырёхстороннего облучения с системой воздушно-капельного охлаждения заготовки.

На рис. 3.3.10 показано технологическое помещение с ПТС, устройство для четырёхстороннего облучения с системой воздушно-капельного охлаждения заготовки. В ПТС используется асинхронный индукционный двигатель с приводом.

В связи с тем, что скорость перемещения заготовки является функцией от нарастания тока пучка электронов, изоляция облучаемой заготовки получает постоянную дозу во времени в любой переходный период. Такой подход облучения заготовки гарантирует безупречное качество радиационной обработки изоляции заготовки, с которым не могут конкурировать другие виды сетирования: силановая и пероксидная.



Рис. 3.3.11. Схема контроля процесса на мониторах в технологическом зале.

3.4 Экспериментальное сравнение свойств образцов материалов

Для разработки конструкции кабеля с полиолефиновой изоляцией проведён ряд, механических и термических испытаний, а также проведён анализ свойств сшитого, несшитого полиэтилена и ПВДФ с целью выявления преимуществ и недостатков в кабельной конструкции предлагаемого мной материала. Исследования проводились в лабораториях заводов ООО «Еврокабель» и ОАО НП «Подольсккабель».

3.4.1 Механические испытания

Механические испытания изоляционных материалов проведены с целью определения разрушающих свойств. Были проведены испытания на растяжение. Метод основан на растяжении испытуемого образца с установленной скоростью деформирования, при котором определяют показатели (ГОСТ 11262-80 (СТ СЭВ 1199-78)). Для испытаний применялись образцы типа 2, форма и размеры которой указаны на Рис. 3.4.1.1. и в табл. 3.4.1.1.



Рис. 3.4.1.1. Форма образца. Тип 2

Таблица 3.4.1.1. Геометрические размеры образца

Параметр	Значение
Общая длина l1, мм, не менее	150
Расстояние между метками, определяющими положение кромок зажимов на образце l2, мм	115±5
Длина рабочей части l3, мм	60±0,5
Расчетная длина l0, мм	50±0,5
Ширина головки b1, мм	20±0,5
Ширина рабочей части b2, мм	10±0,5
Толщина d, мм	4 ±0,4
Радиус закругления r, мм, не менее	60

При изготовлении образцов механической обработкой из изделий и полуфабрикатов, в том числе из листов и пластин, максимально допустимая толщина должна соответствовать толщине изделия или полуфабриката, но не более 10 мм. При изготовлении образца типа 2 использовался нож вырубной штанцевый ТИП-III ГОСТ 270.

Для испытания материалов используют не менее пяти образцов. Образцы кондиционируют не менее 16 ч по ГОСТ 12423-66 при температуре (296±2) К (23±2)°С и относительной влажности (50±5)%.

Испытание проводят на машине, которая при растяжении образца должна обеспечивать измерение нагрузки с погрешностью не более 1% от измеряемой величины и постоянную скорость раздвижения зажимов в пределах, требуемых настоящим стандартом. Зажимы машины обеспечивают надежное крепление образцов и совпадение продольной оси образца с направлением растяжения и не должны вызывать разрушений образцов в месте крепления. Перед испытанием на образцы наносят необходимые метки. Толщину и ширину образцов измеряют в трех местах, в середине и на расстоянии 5 мм от меток. Из полученных значений вычисляют средние арифметические величины, по которым вычисляют начальное поперечное сечение S₀. Образцы закрепляют в зажимы испытательной машины по меткам, определяющим положение кромок зажимов таким образом, чтобы продольные оси зажимов и ось образца совпадали между собой и направлениям движения подвижного зажима. Зажимы равномерно затягивают, чтобы исключалось скольжение образца в процессе испытания, но при этом не происходило его разрушения в месте закрепления. При испытании измеряют нагрузку и удлинение образца непрерывно или в момент достижения предела текуче...