Избор на кабели за индустриални приложения

ЕлектроапаратурaСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 5, 2012

Влиянието на средата в много от съвременните индустриални приложения изисква устойчиви материали и механични характеристики, които да гарантират надеждното функциониране на инсталираните кабелни мрежи. Кабелите са изложени на екстремни температури, химически въздействия, механично износване, огъване или комбинация от фактори, които могат да застрашат надеждността и функционалността им. Поради тази причина, независимо от конкретното приложение, отчитането на всички възможни условия, които могат да повлияят върху електрическите характеристики на мрежата, е изключително важно. Тези променливи оказват директно влияние върху използваните материали за изолацията и обвивката на кабелите, както и върху тяхната конструкция.

Фактори на средата и експлоатационни особености
При избора на кабел за конкретно приложение специалистите препоръчват най-напред да се вземат предвид електрическите напрежения, както и свързаните с работната среда въздействия, на които ще бъде изложен кабелът. Освен тях, върху функционалността на кабелите влияние оказват и електромагнитните смущения, предизвикани както от самия кабел, така и от външни източници; смущенията, които се появяват в резултат на интерференция между две електрически вериги; падът на напрежението, както и съпротивлението на проводника, от което зависи падът на напрежението. Приема се, че той не трябва да надвишава 3% за мрежи, захранващи осветителни системи, и 10% за линии, захранващи електродвигатели.

Обикновено електрическото поведение е устойчиво, когато няма странични фактори, дължащи се на работната среда, но когато се добави влиянието на механичните напрежения, предизвиканите от средата въздействия или специфични за приложението фактори, поддържането на устойчиви електрически характеристики може да се окаже нелека задача.

Механичните напрежения се появяват, когато кабелите са подлоложени на движения, често в ограничени пространства с високи скорости. Движенията биват случайни, вълнови и усукващи и създават кинетична енергия в кабела, която може да доведе до сериозни повреди, ако не се регулира адекватно. Когато кабелите се движат, те се трият един в друг или в други твърди компоненти на системата, което може да доведе до износване на обвивката и бронята. Една от основните причини за възникване на механични напрежения на кабелите се явява в случаите, когато кабелът е част от оборудване, с което работи човек. Операторът може да прегъне, прещипе или премаже кабел, като стъпи върху него или премине отгоре му с машина. Поради тази причина, якостта на опън е изключително важна при справянето с механични напрежения. Освен това, когато кабелите се движат в работната среда, те могат да влязат в контакт с остри повърхности, които да ги прорежат или да предизвикат претриване. Като се добави и проблемът с високите ускорения и вибрации, механичните напрежения могат сериозно да повлияят на качеството на електропреноса и да предизвикат преждевременно възникване на неизправност в кабела.

Предизвиканите от работната средата въздействия се появяват в резултат на влиянието на физическата среда, в която се полагат и използват кабелите. Така например, екстремните температури влияят на материалите на кабелите, като ниските температури ги правят чупливи, а високите - много меки. По подобен начин екстремните налягания могат да окажат сериозно влияние върху кабелите. Вакуумът извлича маслата и добавките от кабелите, като така замърсява работната повърхност. От друга страна, хидростатичното налягане води до проникването на газове или течност в изолацията и обвивките на кабелите. Газове и течности, като почистващи препарати, горива, смазочни средства, химикали и пара, също разрушават определени изолационни материали. Предизвиканите от средата влияния могат сериозно да скъсят експлоатационния живот на кабела, което налага вземането им под внимание при проектирането и реализацията на кабелни мрежи.

Изборът на кабел зависи и от начина, по който се планира неговото полагане: в изкоп, в кабелен канал, кабелна скара, гофрирана тръба или като въздушна линия. В зависимост от съществуващия риск от химически замърсители, механични повреди и т. н. кабелът трябва да се предвиди със съответните допълнителни обвивки, брони и оплетки.

Избор на изолационен материал
Осигуряването на надежден постоянен експлоатационен режим означава обстойна преценка на характеристиките на материалите за изолация и обвивка на кабела. Изолационният материал, който се използва за външната обвивка, влияе върху максималното механично напрежение и устойчивостта на протриване. Материалите на обвивките трябва да понесат повечето външни фактори (температура, триене, течности и газове), за да предпазят проводниците в кабела. Списъкът с възможните материали, които могат да се използват за изолация и обвивки на кабели е дълъг, тъй като много от тези материали са разработени за специфични приложения - транспортни, електопреносни и др. Някои са по-подходящи в сравнение с други за агресивни среди. Като изолационни материали често се използват силикон, полиуретан, полиетилен, флуорополимери и др.

Силиконът основно се използва за обвивки и изолация на кабели за високи напрежения. Той е с отлична диелектрична якост и е много подходящ за високоволтови приложения, защото понижава коронния разряд между проводника и изолационния слой. Силиконът е много гъвкав, дори и при ниски температури, реже се лесно, но лепкавата му повърхност го прави неподходящ за приложение в среди с висок клас на чистота. Якостта на опън и съпротивлението при разкъсване на силикона са ниски, така че изолацията с него трябва да бъде по-дебела в сравнение с другите изолационни материали. Използват се технологии за повърхностна обработка, които могат да понижат коефициента на триене, но нанесените допълнителни материали се износват с течение на времето. Силиконът е с много добра устойчивост на радиация, но силиконите, които се използват за изолация на проводници и кабели, са известни с това, че изпускат силиконово масло във вакуум. Силиконът се прилага както за кръгли, така и за плоски кабелни обвивки.

Полиуретанът е добър материал за обвивки, но не се използва при изолация, тъй като в сравнение с други материали неговата диелектрична устойчивост на напрежения е ниска. Налични са безхалогенни видове. От механична гледна точка полиуретанът е гъвкав и много устойчив на прорези и протриване.

Обработката за огнеустойчивост не понижава неговата гъвкавост, но по-гъвкавите видове са и по-лепкави - с по-висок коефициент на триене. От гледна точка на въздействията на околната среда, полиуретанът е устойчив на разтворители, UV лъчи, радиация и плесени. Подходящ е за не много широк температурен диапазон - става ронлив при температура от около -40 °C, а горната му температурна граница е около 100 °C.

Полиетиленът е особено подходящ за изолация на проводници. Полиетиленовите обвивки са относително по-твърди, което влияе върху гъвкавостта на кабелите. Диелектричните характеристики на полиетилена са добри. От механична гледна точка полиетиленът с висока молекулна маса е устойчив на протриване и е с нисък коефициент на триене, но също така е твърд в сравнение с други материали. Подобно на полиуретана, температурният му интервал е доста ограничен. Като цяло механичните характеристики на полиетилена се понижават от забавящите горенето обработки.

Флуорополимерите и подсилените флуорополимери, наричани още тефлони, като FEP, PFA, PTFE и обработен PTFE, са отлични материали за изолация и обвивки, особено при приложения, в които разходите в случай на възникване на неизправност на системата са високи. Диелектричната устойчивост на напрежения на флуорополимерите е сред най-високите при изолационните материали. Те са устойчиви на екстремни температури, но всеки материал е със собствен диапазон: FEP може да се справи с температури в диапазона от -250 °C до 150 °C, докато диапазонът на PFA е от -250 °C до 200 °C. PTFE е подходящ за температури, чиято долна граница е криогенната, а горната до 260 °C, като при това кабелът не губи своята гъвкавост.

Флуорополимерите могат да издържат и излагане на химикали, киселини и агресивни разтворители и по природа са незапалими. PTFE и неговите ко-полимери имат и предимството на ниско газоотделяне, което е критично за среди с висок вакуум. Повечето флуорополимери са гъвкави, но подобно на тяхната температурна устойчивост, гъвкавостта им варира в зависимост от конкретния материал - PFA е най-твърд, следван от FEP, PTFE, а обработеният PTFE е най-гъвкав. PTFE са химически инертни и не съдържат никакви добавки, масла, лубриканти или пластификатори, вложени по време на обработката, което го прави най-добрия материал за вакуумни среди.

Една от малкото отрицателни черти на флуорополимерите е това, че те не са много устойчиви на протриване и прорязване. Някои флуорополимери могат да бъдат обработени, с цел да се подобрят техните физически, химически и електромагнитни характеристики, което подобрява възможностите на кабела да удовлетвори специфичните изисквания на конкретното приложение.

Така например, етилен-тетрафлуороетиленът (ETFE) може да бъде облъчен, за да се подобрят неговите механични характеристики и химическа устойчивост, но облъчването повишава твърдостта, така че има сериозно понижение на гъвкавостта. От друга страна, PTFE е термоустойчив и химически инертен, така че неговите отлични температурни и химически характеристики не се променят, когато той бъде обработен с цел подобряване на електрическите или механичните му свойства.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top