Исследования и разработка кабелей и проводов для экстремальных условий эксплуатации и технологии их производства

• Автор: Мещанов, Геннадий Иванович
• Шифр специальности: 05.09.02
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 56 с. : 12 ил.

Содержание

Общая характеристика работы Основное содержание работы

1. Исследование материалов и технологии их переработки при изготовлении обмоточных проводов для погружных электродвигателей.
1.1 Обмоточные провода для погружных электродвигателей - изделие для использования и эксплуатации в особо тяжелых условиях.
1.2 Исследование изоляционных материалов для работы в условиях эксплуатации погружных электродвигателей насосов нефтедобычи.
1.3 Обоснование и выбор оптимальных параметров технологии герметизации (спекания) пленочной изоляции.
1.4 Теоретический анализ технологического процесса термообработки при изготовлении обмоточных проводов.
1.5 Применение высокочастотного индукционного нагрева, анализ эффективности его использования в производстве проводов и кабелей.
2. Создание проводов высокой нагревостойкости для маслозаполненных погружных электродвигателей, тяговых электродвигателей, электробуров и кабелей-удлинителей, освоение их производства.
2.1 Разработка и исследование характеристик проводов с изоляцией на основе полиамидно-фторопластовых пленок.
2.2 Обоснование применения изоляции высокой нагревостойкости кабелей-удлинителей на основе расчета тепловых нагрузок.
2.3 Технология и оборудование для изготовления круглых и прямоугольных проводов с пленочной изоляцией, освоение их производства.
3. Анализ и исследование факторов пожарной опасности кабельных коммуникаций, разработка основных принципов конструирования кабелей пожаробезопасного исполнения.
3.1 Специфика воздействующих факторов эксплуатации кабелей для атомных электростанций с учетом требований по пожаробезопасности. Создание экспериментальной базы исследований характеристик пожарной опасности кабелей и материалов.
3.2 Разработка основных принципов конструирования кабелей, не распространяющих горение, и огнестойких с учетом полного комплекса показателей пожарной безопасности.
3.3 Анализ особенностей горения электрических кабелей при их групповой прокладке.
4. Разработка и внедрение серии кабелей пожаробезопасного исполнения для атомных электростанций и других объектов повышенной пожарной опасности.
4.1 Исследование и разработка полимерных композиций пониженной горючести для производства кабелей с повышенными показателями пожарной безопасности.
4.2 Разработка и внедрение серии электрических кабелей, не распространяющих горение, с низким дымо- и газовыделением (кабели исполнения «нг-Ь8»).
4.3 Разработка и внедрение серии электрических кабелей, не распространяющих горение, с изоляцией и оболочкой из полимерных композиций, не содержащих галогенов (кабели исполнения «нг-НР »).
4.4 Разработка и внедрение огнестойких кабелей (кабели исполнения «нг-ЬЯЬ’К», «нг-НГРК»).
Выводы.
Список работ, опубликованных по теме диссертации.
Приложение.

Общая характеристика работы
Актуальность проблемы. Для большинства кабельных изделий основным воздействующим фактором в процессе эксплуатации, определяющим их работоспособность, является температура. Для силовых кабелей высокого и среднего напряжения, а также для других кабелей и проводов, подвергающихся воздействию повышенного напряжения, добавляется фактор электрического старения. Основная масса кабельных изделий для телекоммуникаций, кабелей и проводов энергетического назначения эксплуатируется при температурах, не превышающих 100-120°С в воздушной среде или при прокладке в земле. Обмоточные провода массового применения для обмоток асинхронных электродвигателей в пропитанном состоянии эксплуатируются при температурах 130-180°С. Указанные воздействия можно считать нормальными условиями эксплуатации кабелей и проводов. Для таких условий эксплуатации в качестве электрической изоляции используются кабельная бумага, поливинилхлоридные пластикаты, композиции полиэтилена, радиационно- и химически сшиваемые материалы, эмалевые и пропиточные лаки.
Однако в целом ряде случаев к кабельным изделиям предъявляются требования значительно превышающие условия нормальной эксплуатации. Так, в 70-е годы прошлого столетия освоение новых месторождений нефти в районах Западной Сибири потребовало создания новой серии погружных электродвигателей насосов добычи нефти, обеспечивающих надежную эксплуатацию в скважинах, глубина которых достигла 1
2,0 км и более. Особенностью таких электродвигателей является то, что они имеют относительно малый диаметр и весьма большую длину, достигающую 8 м, а их обмотка изготовляется методом протяжки в закрытом пазе статора. Перед кабельной промышленностью была поставлена задача по разработке и освоению производства обмоточных проводов и кабелей для эксплуатации при температурах 200°С и выше при одновременном воздействии минерального и синтетического масла и их эмульсий в воде нефтескважины. Такие воздействующие факторы следует отнести к экстремальным условиям эксплуатации. Разработка кабельных изделий для таких условий потребовала комплексного подхода по исследованию материалов, разработке оптимизированных конструкций, технологии изготовления изделий и созданию специализированного технологического оборудования.
К группе кабелей и проводов для экстремальных условий эксплуатации следует отнести и кабельные изделия, которые эксплуатируются в нормальных условиях, но к ним предъявляются требования по оценке работоспособности и поведения в случаях экстремальных, аварийных воздействий. Таким экстремальным воздействием является воздействие пламени в условиях пожара, которое можно отнести к предельным. Впервые задача по созданию кабелей и проводов со специфичными требованиями по пожаробезопасности была поставлена в начале 80-х годов прошлого столетия после нескольких серьезных пожаров на атомных электростанциях, когда кабельные коммуникации явились каналами распространения пламени.
Анализ показывает, что насыщенность кабельных коммуникаций атомных станций, а значит и объем горючей массы (в единицах объема прокладки), в несколько раз превосходит насыщенность кабельными изделиями других объектов. Это связано с большим объемом систем контроля, управления, безопасности, энергообеспечения и с учетом необходимого резервирования цепей. Поэтому необходимые исследования и разработка кабельных изделий в пожаробезопасном исполнении в первую очередь проводилась для объектов атомной энергетики. При этом особо учитывалось, что к кабельным изделиям, применяемым в гермозоне атомного реактора, предъявлялись

Таблица 3.
Теплота сгорания и кислородный индекс материалов для кабелей, _________________не распространяющих горения
Наименование полимерных композиций Теплота сгорания, МДж/кг Кислородный индекс, %
Сшитый полиэтилен 46,0
Поливинилхлоридный пластикат пониженной горючести типа НГП для оболочки 19,7
Поливинилхлоридный пластикат пониженной пожарной опасности, типа ПП с низким дымовыделением : для изоляции 18,9
для заполнения 10,0
для оболочки 17,7
Полимерные композиции, не содержащие галогенов : для изоляции 16,3
для заполнения 7,4
для оболочки 14,2
Политетрафторэтилен 5,0
* Специально разработаны для кабелей пожаробезопасного исполнения.
Эффективной мерой повышения стойкости кабеля к возгоранию при воздействии внешнего источника пламени является использование термических барьеров из стеклолент под металлическими элементами. Это позволяет увеличить термическое сопротивление теплопереносу к внутренним элементам конструкции кабеля и замедлить процесс деструкции полимерных материалов.
При конструировании огнестойких кабелей основным техническим решением, обеспечивающим их функционирование во время пожара, является применение термически-изоляционного барьера из неорганических материалов. Сложность задачи при этом сводится к тому, что кабели такого исполнения должны не только обеспечивать требования по огнестойкости, но и удовлетворять всему комплексу эксплуатационных показателей, в том числе по сроку службы и совокупности остальных показателей пожаробезопасности. Следовательно технические решения, направленные на обеспечение огнестойкости, не должны снижать эксплуатационные характеристики кабеля. В связи с этим изоляция огнестойких кабелей должна состоять как минимум из двух слоев, основной из которых должен обеспечить работоспособность при воздействии эксплуатационных факторов в течение срока службы, а термически-изоляционный барьер взять на себя нагрузку по функционированию во время пожара.
Выполненные исследования показали, что наиболее надежным решением создания термически-изоляционного барьера в кабеле является использование слюдосодержащих лент, наложенных на жилу кабеля методом обмотки с перекрытием. На основании исследований зависимости между толщиной барьера, его удельным объемным сопротивлением, рабочим напряжением и температурой при пожаре было установлено значение толщины термически-изоляционного барьера, при котором ток утечки не превышал 2А. Такая толщина составила 0,25 мм для кабелей на напряжение 660 В и 0,29 мм для кабелей на напряжение 1000 В. При этом были установлены факторы, которые могут существенно влиять на ток утечки и приводить к пробою изоляции. На рис. 3.6 представлена зависимость тока утечки образцов кабеля с барьерным слоем из двух