Иновации при кабелите за индустриална среда

ЕлектроапаратурaСп. Инженеринг ревю - брой 3/2022 • 25.05.2022

  • Бъдещата технология на захранващите кабели е тясно свързана с разбирането и разработването на нови и алтернативни материали

  • Интегрираните CAD инструменти и опитът, позволяващ разбиране на пазарните тенденции, са един от отговорите за разработване на оптимални електрически схеми

  • Последните изследвания в областта водят до усъвършенствани, екологични и ресурсно ефективни продукти

Обезпечаването на надеждно електроснабдяване става все по-важен въпрос в условията на глобален енергиен преход. С увеличаването на степента на сложност и разрастването на енергийните мрежи, реципрочно нарастват и трудностите при управлението и едновременното балансиране на производството и потреблението. Това изисква нови, интелигентни и иновативни решения за планиране и управление на големи енергийни мрежи, което е свързано с политиката, технологиите, икономиката и ежедневния живот на хората. Съвременните изследователски центрове работят за създаване на системи, които успешно да балансират производството на енергия с потреблението.

Последните изследвания в областта на енергийните системи, преобразуването на енергия и електроенергийните технологии дават много обнадеждаващи резултати, които водят до усъвършенстване на екологични и ресурснo ефективни продукти за употреба в индустриална среда. Кабелите за захранващи мрежи в индустриални приложения също подлежат на все по-високи експлоатационни и функционални изисквания, за да бъдат готови за бъдещите електрически мрежи.

 

Материали и технологии на бъдещето

Бъдещите технологии за захранващите кабели са тясно свързани с разбирането и разработването на нови и алтернативни материали. Екипите от разработчици са във важен етап от извършването на изследванията, необходими за разработването на следващото поколение захранващи кабели. Например един обещаващ изследователски проект в Кралския технологичен институт в Стокхолм се фокусира върху симулацията на материали за изолация на захранващи кабелни системи.

Основната цел е да се създаде по-добро разбиране на комбинирането на материали, за да се подпомогне разработването на подобрена изолация за захранващи кабели от ново поколение. По-доброто разбиране за материалите може да доведе до по-висока ефективност. Подобрената кабелна технология ще стимулира конкурентоспособността и ще спомогне за това глобалните енергийни мрежи да станат по-ефективни и готови да посрещнат предизвикателствата, поставени от нарастващия дял на възобновяемата енергия.

Намаляването на теглото на проводниците е друга цел във фокуса на разработващите екипи. Олекотените проводници са особено важен фактор в някои отрасли, като например автомобилната индустрия. Проучването на нови материали, намаляването на теглото на продуктите и внедряването на иновации в масовото производство са стъпките по пътя към успеха.

Непрекъснатото увеличаване на функционалностите на едно превозно средство означава, че в системата за окабеляване на автомобила трябва да се интегрират повече и по-сложни вериги. Същевременно намаляването на теглото в автомобилостроенето е постоянно изискване и оптимизираната конструкция на превозното средство налага по-малко налично пространство за окабеляването. И всичко това трябва да се изпълни в постоянно съкращаващи се производствени интервали. Често архитектурата на системата за окабеляване трябва да отразява топологията и структурния дизайн на превозното средство. Това е предизвикателство, на което производителите намират различен отговор и реализация. Оптимизираните архитектури позволяват да се намали теглото на мрежата от кабели в превозното средство.

По-малкото тегло означава по-нисък разход на гориво и намалени емисии на отработени газове – добра новина за потребителите и страхотна новина за околната среда.

Интегрираните CAD инструменти и опитът, позволяващ разбиране на пазарните тенденции, са един от отговорите за разработване на оптимална архитектура на електрическите схеми на превозното средство, която взема предвид концепцията на инсталацията, функционалното разпределяне, хардуера, разпределението на захранването, разделянето на сноповете, маршрутизирането на сноповете, оразмеряването на проводниците и т.н.

Друга насока на усилена работа са решенията за намаляване на площта на напречното сечение. Намаляването на размерите на кабелите има две основни предимства – понижаване на теглото и редуциране на размера на сноповете, което от своя страна оптимизира разходите за опаковане и транспорт. Вече се прилагат технологии на производство, позволяващи намаляване на размерите на кабелите от сечение 0,5 mm2 до 0,22 mm2 и дори 0,13 mm2.

 

Огнеустойчиви, но и без халогени

При никакви обстоятелства не е допустимо кабелът да се окаже в ролята на предпазител, позволявайки разпространението на пожар. Кабелите не трябва да представляват източник, захранващ процеса на горене, и не трябва да отделят опасни вещества. Точно това е проблемът при материали, чието забавяне на горенето се основава на съдържанието на халогени – т.е. флуор, хлор, бром или йод. Халогенните елементи присъстват в полимери като PVC, FEP и PTFE, PP, P и TPE материали и често се добавят като забавители на горенето. При тяхното отделяне в случай на пожар те погасяват пламъка. На следващ етап обаче те се комбинират с водни пари и образуват киселини, които причиняват дразнене на очите, кожата и дихателните пътища и разяждат метал и стъкло.

Кабелите, сертифицирани със стандарт за безопасност, не трябва да съдържат халогенни елементи. Нова концепция за пожароустойчиви кабели, при която забавянето на горенето е на основата на алуминиев хидроксид, елиминира образуването на киселини, като единственото, което се отделя в процеса на забавяне на горенето е вода, която кристализира. Това охлажда повърхността и измества кислорода, като по този начин инхибира възпламеняването. Не се отделят корозивни газове, а само лек дим и опасността от токсични газове е много по-ниска. Свойствата на тези иновативни кабели се потвърждават от щателни тестове в съответствие със стандартите за безопасност на VDE и DIN-EN.

За специални приложения се предлагат кабели и проводници със спецификацията FE 180/E 30. По време на пожар те остават функционални най-малко 30 минути и целостта на изолацията остава некомпрометирана до 180 минути. По този начин те осигуряват аварийната работа на асансьори, врати и др., както и системи за безопасност, пожароизвестяване и др.

Кабелите с полиуретан (PUR) не съдържат халогени, устойчиви са на пламък и предлагат висока механична и химична устойчивост, което ги прави подходящи за тежки индустриални среди на експлоатация.

Освен че е устойчив на износване, полиуретанът ограничава развитието на бактерии и микроби, което го прави особено подходящ материал за външната обвивка на кабели за приложения в хранително-вкусовата промишленост, в чисти помещения, и т.н. тъй като отговаря на хигиенните изисквания на производствените линии.

Използването на полиуретан като материал за обвивка също поддържа гъвкавостта на кабела, като тези кабели отговарят на приложения, изискващи често или постоянно огъване, като кабели за захранване, при приложения като конвейери, кабели, които се навиват на барабани, за фестонно окабеляване, за движещи се машини, в роботиката и обработващите инструменти.

 

Защита от електромагнитни смущения

Източник и същевременно и цел на електромагнитни смущения може да бъдат мрежови кабели, проводници за управление, електрически или електронни модули, които излъчват електромагнитни полета или които могат да бъдат повлияни от тях.
При оборудването за измерване и управление на процеси се изисква високо ниво на защита срещу повреда. Електромагнитното екраниране и заземяването е много важна част от една инсталация. Зоната, където екранираният кабел се свързва към заземяването на шкафа, е критична точка. Много е важно мястото на свързване да има ниско съпротивление.

Нови кабелни скоби за екранирани кабели предлагат по-голяма контактна площ с екрана на кабела, като с някои усъвършенствани модели може да се постигне до 50% по-висока контактна площ в сравнение с конвенционалните скоби за екранирани кабели. Посоченият диапазон на затягане може да бъде надвишен до 10%. Скобите могат да са от винтов тип за монтаж върху метални планки или върху DIN шини.

 

Електропреносни мрежи на бъдещето

Изследователи от Норвежкия университет за наука и технологии работят в тясно сътрудничество с партньори от индустрията, за да проучат възможностите за използване на интелигентни технологии за проводници за пренос на електроенергия високо напрежение от екологично чисти енергийни източници.

Производството и потреблението на енергия трябва да бъдат правилно балансирани по всяко време поради факта, че съхранението на големи количества електрическа енергия е трудно. Тъй като степента и сложността на енергийните мрежи непрекъснато се увеличават, става по-трудно да се управлява и поддържа този баланс. Това изисква нови, интелигентни и иновативни решения за планиране и управление на големи електрически мрежи. Една от задачите на изследователите е разработка на иновативни кабелни технологии за надежден пренос и разпределение на електрическа енергия. Основната цел е повишаване на капацитета чрез подобряване на издръжливостта на изолационната система и осигуряване на внедряване на надеждни системи за управление на активите.

Преносът на енергия чрез мрежа за високо напрежение е ефективен и икономичен начин за транспортиране на големи количества енергия на дълги разстояния. Въздушните електропроводи са най-използваното средство за транспортиране на електроенергия с променлив ток (AC). Използват се трансформатори за повишаване на напрежението за пренос на ток с напрежение стотици хиляди волта, което се понижава до безопасни нива в подстанции по линията.

Въпреки това глобалните екологични проблеми и непрекъснато нарастващата нужда от възобновяеми източници на електроенергия изискват от електроинженерите да обмислят възможността за разгръщане на потенциала за пренос на енергия на далечни разстояния с постоянен ток (DC) като по-ефективен и целесъобразен ход. Освен това екологичното и естетическото въздействие на високите въздушни линии на електропроводите често повдига политически и обществени въпроси.

Едно техническо решение е да се използват кабели за пренос, които преминават под земята, вместо стълбове. Технологичният напредък през последните 60 години прави това възможно. Възникването на нови технологии за преобразуване позволява електропроводите с постоянен ток с високо напрежение (HVDC) да се превърнат в най-ефективните и икономични мрежи за пренос на мощност от точка до точка при покриване на големи разстояния, тъй като са необходими по-малко проводници за предаване на същото количество мощност в сравнение с необходимите в преносни системи с променлив ток. Нещо повече, в случаите на подводни електропроводни линии, по-дълги от 60 km, преносът на постоянен ток е единствената възможност.

Това са важни фактори, които трябва да се вземат предвид предварително, преди да може да се задоволи нарастващото търсене на електрическа енергия от възобновяеми енергийни източници като вятърни паркове в открито море и водноелектрически централи, които често са в отдалечени райони.

Основното предизвикателство, произтичащо от използването на HVDC, е свързано с високите топлинни загуби, генерирани при преобразуване на променливия ток в постоянен и обратното. По-високото напрежение означава, че трябва да се разработят нови типове надеждни HVDC изолационни материали и това е нещо, върху което учените усилено работят, целейки да систематизират критерии за проектиране на компактни и надеждни кабели.
За да се подобри издръжливостта на кабелите, е жизненоважно да се разбере какви са рисковете от повреда на кабела и какво може да се обърка по време на обслужване. Особено важно е да се предотврати абсорбцията на вода, проникването на частици и образуването на кухи пространства в изолацията. Учените отдавна знаят, че проникването на вода, т.нар. “водни дървета”, причинява преждевременна повреда в захранващите кабели с полимерна изолация за променлив ток. Този проблем възниква поради наличие на вода в самата изолация или абсорбирането й от околната среда. Водата предизвиква разширяващи се водни дървета, водещи до дефекти в изолацията. Това е причината подводните кабели обикновено да са снабдени с метални защитни покрития.

Наскоро екипът учени от Норвежкия университет за наука и технологии установява, че статичната и динамична механична сила на опън спомага за образуването на водно дърво в изолацията на кабели от омрежен полиетилен (XLPE). Проучванията доказват, че олекотените, т. нар. “динамични кабели за високо напрежение” могат да се използват за пренос на електрическа енергия от плаващи инсталации. Свободно висящите секции на такива кабели ще бъдат изложени на механични натоварвания поради собственото им тегло и движенията на водата, по-ниски от величините на остатъчните напрежения при натиск и опън, получени при производствения процес на кабела.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top