Повышение надежности работы кабельно-проводниковой продукции путем усовершенствования технологии наложения изоляции

АННОТАЦИЯ

Надежность кабельных линий в условиях жаркого климата определяется климатическим характеристикам кабелей и проводов, к которым относятся: длительная и кратковременная нагревостойкость, холодостойкость, влагостойкость, стойкость к циклическому воздействию температур и солнечной радиации, озоностойкость и т. д. В данной статье рассматриваются основные воздействия факторов окружающей среды: повышенная температуры, солнечная радиация, которые, как показывает практика, приводят к необратимому ухудшению электрических и механических свойств кабельных изделий. Результатом климатических воздействий в Среднеазиатском регионе, в условиях жаркого климата, является старение как изоляции так и защитных оболочек, которое приводит к необратимому изменению механических и электрических свойств используемых полимеров из-за потери эластичности экструдируемого материала и его последующего растрескивания переходящего в трещины. Оценка возможности длительной эксплуатации используемого полимера производилась по величине периода окисления полиэтилена, которая определяет сроки естественного сохранности различных типов кабелей в период их эксплуатации. Исследования осуществлялось на образцах кабелей, хранящихся под навесом в деревянных ящиках, защищенных от воздействия солнечного света и атмосферных осадков путем измерения критериальных параметров при жестком соблюдении установленных норм. Таким образом, предлагаемое решение повышения надежности кабельных линий состоит в отладке технологического процесса наложения изоляции и оболочки, при котором экструдирование полимерной массы производится по методике, обеспечивающей минимизацию попадания загрязнений. Проведенный обзор результатов показал, что усовершенствование экструзионной линии позволит обеспечить возможность повышения надежности в эксплуатации кабельных изделий в условиях воздействия климатических факторов среднеазиатского региона за счет уменьшенные показателя старения изоляции.

ABSTRACT

Reliability of cable lines in hot climate conditions is determined by the climatic characteristics of cables and wires, which include: long-term and short-term heat resistance, cold resistance, moisture resistance, resistance to cyclic exposure to temperatures and solar radiation, ozone resistance, etc. This article considers the main effects of environmental factors: high temperatures, solar radiation, which, as practice shows, lead to irreversible deterioration of the electrical and mechanical properties of cable products. The result of climatic impacts in the Central Asian region, in hot climate conditions, is aging of both insulation and protective shells, which leads to irreversible change in the mechanical and electrical properties of used polymers due to the loss of elasticity of the extruded material and its subsequent cracking, turning into cracks. Assessment of the possibility of long-term operation of the used polymer was made according to the polyethylene oxidation period, which determined the natural preservation time of various types of cables during the period of their operation. The research was carried out on samples of cables, stored under a canopy in wooden boxes, protected from sunlight and atmospheric precipitation, by measuring criterion parameters in strict compliance with established standards. Thus, the proposed solution for increasing the reliability of cable lines is debugging the technological process of cable insulating and sheathing, in which the extrusion of the polymer mass is carried out according to the technique that minimizes the contamination ingress. Conducted review of the results showed that the improvement of the extrusion line would provide the possibility of increasing the reliability in the operation of cable products under the influence of climatic factors of the Central Asian region due to the reduced aging of insulation.

Ключевые слова: надежность, климатические воздействия, условия жаркого климата, старение изоляции, кабельно-проводниковая продукция, кабельная линия, экструзия, экструдер, улавливатель, технологический процесс.

Keywords: Reliability, climate impacts, hot climate conditions, insulation aging, cabling and wiring products, cable line, extrusion , extruder, trap, technological process.

Надежная работа кабельных линий в условиях жаркого климата как правило определяется климатическими характеристиками кабелей и проводов, к которым относятся: длительная и кратковременная нагревостойкость, холодостойкость, влагостойкость, стойкость к циклическому воздействию температур и солнечной радиации, озоностойкость и т. д. В данной статье рассматриваются влияние основных воздействий, обусловленных окружающей средой, таких как повышенная температура, солнечная радиация оказывающие негативное воздействие на эффективную работу кабельной линии. Как показывает практика, они приводят к необратимому ухудшению электрических и механических свойств кабельных изделий. Однако, как результат климатического воздействия в Среднеазиатском регионе (в условиях жаркого климата) – это быстрое старение как изоляции так и защитных оболочек, которое ведет к необратимому изменению эксплуатационных характеристик применяемых полимеров: потеря эластичности экструдируемого материала и его последующее растрескивание переходящее в трещины.

Обзор результатов исследований показал [16, с 632; 17, с.747; 18, с.180], что усовершенствование технологии наложения изоляции и модернизация экструзионной линии позволит обеспечить возможность повышения надежности в эксплуатации кабельных изделий. При этом в условиях жаркого климата можно также достичь уменьшение показателя старения изоляции кабелей за счет усовершенствования технологии его наложения.

Надежность кабельных линий определяется климатическими характеристикам кабелей и проводов, к которым относятся: длительная и кратковременная нагревостойкость, холодостойкость, влагостойкость, стойкость к циклическому воздействию температур и солнечной радиации, озоностойкость и т. д.

Существует еще одна проблема влияния высокой температуры окружающей среды на бесперебойную работу электрических систем, а именно температуры поверхности земли в летнее время. На основании результатов исследований Навалихина Е.Ю. и Труфанова Н.М. проводимых в ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет» установлено, что уменьшение температуры грунта приводит к уменьшению температуры в кабельном канале [1, с.988-992], а следовательно увеличивает проводимость токоведущей части кабельной линии.

Однако, в зимнее время существует потребность увеличения нагрузки на кабель, которая обосновывается проведением исследований влияния климатических условий на температурное поле в канале и может быть определена выбором уровня передаваемой мощности. В момент роста потребительского спроса в зимний период становится возможным увеличить пропускную способность кабельных линий [1, с.988-992]. В зависимости от температурных условий (диапазон поверхностной температуры) осуществляют оптимизацию передаваемой мощности по кабельным линиям путем выбора рабочего тока. При этом экспериментальные данные по различным температурным условиям окружающего грунта (таблица 1) позволяют установить рекомендуемые максимально допустимые токовые нагрузки, которые зависят от температурных условий окружающего грунта и эксплуатационных характеристик кабельного канала. Табличные данные приведены с учетом температуры изоляции из сшитого полиэтилена, не превышающей допустимую температуру [1, с.988-992].

Таблица 1.

Эксплуатационные характеристики кабельного канала [1, с.988-9921]

Исследования российских специалистов показывают, что физический износ кабельных линий равен 70-80% при значении их удельной повреждаемости от 4,5 до 12 случаев на 100 км в год, что является очень высоким показателем повреждаемости кабельных линий [2], примером может служить опубликованные сведения ОАО «Россети» анализа состояния кабельных линий (0,4÷110 (220) кВ) дают общую картину повреждаемости [2], где:

• дефекты прокладки – 20%;
• естественное старение силовых кабелей – 31%;
• механические повреждения – 30%;
• заводские дефекты – 10%;
• коррозия – 9%.

Представленные результаты показывают, что параметр «естественное старение» занимает вторую позицию степени повреждаемости кабеля и имеет по сравнению с другими параметрами самое высокое значение. Одной из причин проявления этого негативного фактора является избыточная температура и нагрев кабеля, вызывающие нарушение равновесия между теплом выделяющимся внутри всего объёма изоляции, и теплом, отводимым в окружающую среду, а также возможное тепловое разрушение изоляции (диэлектрика), которое влечет за собой повышение температуры диэлектрика приводящее к его пробою.

При прокладке кабелей в туннелях и каналах определяется общий нагрев окружающего воздуха в течении календарного года и ежедневно [3]. Изменение температуры слоя грунта вокруг кабельной линии вызывает повышение температуры кабеля приводящее к увеличению повреждаемости всей линии.

Установлено, что суточные изменения зависят от толщины слоя, которые рассматривают в зависимости от годовых колебания температуры на этой же глубине. На рис. 1 показаны годовые графики изменения температуры почвы, где термические параметры для построения этих графиков были приняты  как средние из соответствующей литературы [17]. Также было учтено, что в зависимости от сезона происходит изменение распределения температуры на разной глубине в течение года.

На основании проведенных замеров температур почвы исходя из годовых колебаний температур и данных литературы [4] была построена зависимость изменения суточных температур почвы с учетом сезонности ее распределения и климатических особенностей в сравнении российского региона и Узбекистана (рис. 1).

Рисунок 1. Изменение температуры почвы для российского региона и Узбекистана в течение года при среднесуточных температурах окружающей среды.

С целью установления сроков естественного сохранности различных типов кабелей в период их эксплуатации, в жаркое время года, на кафедре «Электрические машины» Ташкентского государственного технического университета были проведены исследования по оценке возможности длительной эксплуатации используемого полимера по следующим параметрам: удельное сопротивление изоляции, диэлектрическая постоянная, тангенс угла диэлектрических потерь и электрическая прочность на пробой, изменение тока утечки [6; 7, с.61-65].

Исследования осуществлялись на образцах кабелей в летний период при воздействии высоких (дневных) температур, которые хранились под навесом в деревянных ящиках, защищенных от воздействия прямого солнечного света и атмосферных осадков путем измерения критериальных параметров при жестком соблюдении установленных эксплуатационных норм (таблица 2).

Таблица 2.

Электроизоляционные свойства полимерных материалов

Теплофизические свойства среды вокруг кабеля оказывают негативное воздействие на температурные режимы работы кабельного изделия в период эксплуатации, а значит эти факторы обязательно должны учитываться в расчётах нагрузочной способности кабельного изделия. Анализ данных, приведенных Чиркиным В.С. отражают зависимость теплофизических свойств токопроводящих жил и металлических экранов от конструктивных параметров токопровода, а следовательно, и от технологии изготовления [5, с.356].

Разработанное, в рамках проводимых исследований, техническое решение ориентировано на повышение надежности кабельных линий. Суть разработки состоит в модернизации технологического процесса наложения изоляции, при котором экструдирование полимерной массы производится по методике, обеспечивающей минимизацию попадания загрязнений из воздушного пространства производственного участка цеха.

Рисунок 2. Технологическая схема экструзионной линии

1-отдающее устройство; 2-компенсатор отдающего устройства; 3 – экструдер; 4- экструзионная головка; 5- измеритель эксцентриситета и диаметра; 6-ванна охлаждения; 7 – ЗАСИ; 8 – тяговое устройство; 9-компенсатор; 10- приемник

Технологический процесс наложения полимерной изоляции на металлическую жилу (рис. 2) состоит в следующем: металлическая жила (медь, алюминий, сплавы цветных металлов) с отдающего барабана (1) поступает на устройство (2) предварительного нагрева (нагрев до Т= 90-100°С) и затем в головку экструдера (4), в которой и происходит формирование изоляционного слоя. Вышедшая из рабочей головки экструдера изолированная жила, охлажденная в ванне (6), поступает в камеру контроля сплошности изоляционного слоя (7) ЗАСИ. Проверенный провод на участке контроля (7) проходит через барабан тянущего устройства (8) и поступает в приемное устройство (10). Толщина наносимой изоляции на токоведущую жилу и ее эксентриситет регулируется диафрагменным устройством [8, с.122-145].

Современные экструзионные линии имеют очень высокую степень автоматизации в сочетании с синхронизацией работы основных рабочих узлов оборудования. При этом качество наложенного изоляционного слоя зависит от [9, с.170]:

• поддержания и обеспечение режима чистоты в зоне подачи материала в загрузочной зоне экструдера;
• содержание технологического инструмента в соответствии с установленными требованиями;
• выбор температурного режима (правильный подбор) в рабочей зоне в зависимости от параметров материала;
• выбор и поддержание температурного режима охлаждения изолированной заготовки.

Проведенный обзор литературы показал [16, с.632; 17, с.632; 18, с.151], что усовершенствование экструзионной линии, а именно участка загрузки полимера, позволит обеспечить возможность повышения надежности кабельного изделия при эксплуатации кабельных изделий в условиях воздействия климатических факторов среднеазиатского региона за счет уменьшения показателя старения изоляции. Термин «электрическое старение изоляции» включает в себя постепенное накапливание микротрещин. Причина образования этих дефектов являются электрические разряды образованные за счет наличия инородных включений в объеме изоляции, на которые оказываемое воздействие электромагнитного поля, создаваемое токоведущей частью кабеля.

Загрязнения и примеси в изоляции кабеля образуются в результате смешивания в зоне загрузки экструдера гранул полимера и цехового воздуха. При этом, экструзионный участок это не «чистая зона» производственного помещения цеха, где воздушное пространство является общим для всего цеха которое содержит большое количество пыли, образованной в ходе технологических циклов. Это объясняется непосредственным соседством на производственной площади машин различных участков, в том числе и скрутки, что обеспечивает наличие в едином воздушном пространстве различных мелкодисперсных, легковесных включений. Скрутка алюминиевых и медных проволок в сердечник, изолированных токопроводящих жил, наложение брони и экранов осуществляется с обязательным применением калибров, которые формируют и уплотняют скрученный сердечник (повив по скрутке, повив брони, экран), а значит механически воздействуют на металлы и полимеры сдирая верхний слой и образуя те самые легковестный и мелкодисперстные включения, постоянно загрязняющие воздушное пространство  цеха.

Однако, при наложении слоя изоляции, в случае обнаружения дефектов по изоляции на ЗАСИ (рис.2) не происходит моментальная остановка линии, т.к. существует запаздывание по скорости линии. Место дефекта изоляции обнаруживается при этом визуально оператором, что не исключает наличие человеческого фактора и ошибки. Поэтому очень важно обеспечить максимально чистую подачи полимерных материалов в загрузочную зону экструдера, минимизировав попадание различного рода легковесных и мелкодисперсных инородных частиц в расплав полимера, которые смешиваясь с основной изоляционной массой, формируют слой изоляции с дефектами и примесями по токоведущей жиле.

Современные конструкции экструзионных линий позволяют осуществить быструю загрузку полимера благодаря принудительной подачи материала в загрузочный бункер, но при этом очистка воздушных масс, поступающих из цеха при загрузке гранул не предусмотрена. Воздух, поступающий из производственного цеха в зону загрузки экструдера, не является очищенным, т.к. содержит пыль и различные легковесные частицы - остатки технологических циклов, которые смешиваются с гранулами полимера при загрузке в зоне выпрессовки материала (зона дозирования расплава) когда происходит формирование слоя изоляции токоведущей части кабеля (рис.3).

Создать условия минимизации попадания сопутствующих включений в рабочую зону - является одной из основных задач, решение которой позволит повысить электрическую прочность изоляции и как следствие увеличить надежность работы кабеля в целом. 

Предлагаемое техническое решение обеспечит повышение надежности кабельных линий путем модернизации технологического процесса наложения изоляции и оболочки, при котором экструзирование полимерной массы производится по новой методике, обеспечивающей минимизацию попадания загрязнений и различного рода включений в экструдируемый материал.

Рисунок 3. Схема модернизированного экструдера.

1-воздух из производственного помещения  (не очищенный воздушный поток); 2-улавливатель; 3-зона загрузки; 4- гранулы полимера; 5-экструдер

Поставленная цель достигается установкой в зоне загрузки экструдера (рис. 3) улавливателя (2), который осуществляет очистку сопутствующей гранулам полимера (4) воздушной массы (1). В основу улавливателя (4) положен метод очистки воздуха – осаждение частиц – сопутсвующих включений (мелкодисперсные, легковестные частицы) путем воздействия электростатической силы, которая также используются в электрофильтрах. Контроль уровня загрязнения дисперсной среды проводится лазерном датчиком пыли.

Предлагаемое техническое решение сводится к установке в загрузочной зоне электромагнитной катушки, основной функциональной нагрузкой которой является очистка воздушного потока (в насыщенном состоянии) путем выделения на рабочей поверхности улавливателя  частиц (загрязнений). Эксперементальные испытания позволили получить результаты фракционной эффективности в зависимости от величины улавливания (таблица 3).

Таблица 3.

Эффективность элемента в зависимости от диаметра частиц и степени улавливания

Экспериментально (в лабораторных условиях) установлено, что коэффициент разделения резко возрастает с увеличением степени улавливателя до 10% и слабо возрастает при дальнейшем увеличении степени улавливания. Проведенное усовершенствование экструзионной линии позволило значительно повысить общую эффективность работы технологического оборудования за счет принудительной очистки воздушного потока. Оптимальная среднерасходная скорость в установке равна 7 м/с, при этом концентратор пыли собирает общее количество пыли, содержание  которой около 35%.

Проведенный анализ публикаций посвященных движению газовзесей [10, с. 170;11, с.17-24; 12, с.149-152; 13, с.392; 14, с.588; 15, с.616] по сепарации одиночных частиц, закономерностей их движения, особенностей движения дисперсной фазы в камерах различных конструкций, скольжение материала относительно потока несущей среды в зависимости от чисел Стокса, Фруда, Рейнольдса, позволил сделать вывод что расчет предлагаемой системы необходимо проводить по диаметру и  концентрации частиц. На производственных участках кабельного цеха газовзвесь содержит примесные частицы размером 0,01-0,55 мкм, при этом показатель истинной плотности равен 1750 -2000 кг/м³, а значение плотности 80-300 кг/м³. На основании вышеизложенного, в воздушном потоке цеха который сопутствует гранулам пластиката содержание мелкодисперсных инородных включений равно 4-15%, а соответственно остальной объем - газовая фаза [16, с.632; 17, с.632; 18, с.151].

Таким образом, работа пылеулавливающей установки позволяет осуществить комплексную очистку цехового воздушного потока, как  от металлических включений, так и от пыли с  получением максимального эффекта по показателям: снижение концентрации вредностей (легковесных, мелкодисперсных частиц) при попадании воздушного потока в загрузочную зону экструдера на 5-7%; улучшение качества и однородности выпресованного изоляционного слоя на 3-5%; увеличение надежности работы кабельного изделия, за счет увеличения электрической прочности изоляции на 3-5%.

Список литературы:

1. Навалихина Е.Ю., Труфанова Н.М. Компьютерная модель процессов тепломассопереноса в кабельном канале при различных режимах работы кабельных линий // Научный журнал «Фундаментальные исследования», 2014. –№ 9 (часть 5)– С. 988-992
2. Изменение состояния изоляции кабелей из сшитого полиэтилена за 6 лет эксплуатации / Ханс Йоргенсен, // Кабель news. -2013. - №4

1. https://www.ruscable.ru/article/Izmenenie_sostoyaniya_izolyacii_kabelej_iz/.
2. Диагностика // Издательство «Открытые системы» [Электронный источник] Ссылка: http://www.osp.ru/lan/2003/12/138371/
3. Об эксплуатации кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена / Г. Невар // Кабель news. – 2011. - №3.
4. https://mobile.ruscable.ru/article/30/
5. Чиркин В.С. Теплофизические свойства материалов. Справочник. М.: ФИЗМАТГИЗ. 1959. - 356 с
6. 6.Полиэтилен высокой плотности // Аналитический портал химической промышленности [Электронный источник] Ссылка: http://newchemistry.ru/material.php?id=3
7. Применение полимерных материалов в кабельной промышленности / Р. И. Аблеев // КАБЕЛЬ−news / No 12-1 / декабрь-январь 2009, с.61-65
8. Производство изделий из полимерных материалов" ред. В.К. Крыжановского, изд. Профессия, Спб 2004, с.122-145.
9. Технология производства // Estralin [Электронный источник] Ссылка: http://estralin.com/product/cable110/productiontechnology/
10. Пирумов А.И. Аэродинамические основы инерционной сепарации. М.: Гос-стройиздат, 1961, 170 с.
11. Гольдштик М.А., Леонтьев А.К., Палеев И.И. Движение мелких частиц в закру-ченном потоке // ИФЖ. 1960, т.3, №2, с. 17 -24.
12. 12 Гольдштик М.А., Сорокин В.Н. О движении частицы в вихревой камере. //ПМТФ. 1968, №6, с. 149 -152.
13. Ужов В.Н., Вальдберг А.Ю., Мягков Б.И., Решидов И.К. Очистка промышлен-ных газов от пыли.- М.: Химия, 1981.-392 с.
14. Гупта А., Лилли Д., Сайред Н. Закрученные потоки. - М.: Мир, 1987. -588с.
15. Страус В. Промышленная очистка газов: Пер с англ. -М.: Химия, 1981, 616 с.
16. Тадмор З., Гогос К. Теоретические основы переработки полимеров. – М.: Химия, 1984. – 632 с.
17. Бернхардт Э. Переработка термопластических материалов. – М.: Химия, 1965. – 747 с.
18. Силин В.А. Динамика процессов переработки пластмасс в червячных машинах. – М.: Машиностроение, 1972. – 150 с.