Vysokoteplotně odolné kabelové výrobky jsou kabely a vodiče, jejichž vodivá jádra a izolace jsou schopny plnit své funkce na dostatečně vysoké úrovni v podmínkách dlouhodobého komplexního vystavení vysokým teplotám, mechanickému zatížení a dalším faktorům. [1] :5 V terminologii, která se vyvinula v SSSR v oblasti elektroizolačních materiálů, se používají různé pojmy: vysoce tepelně odolný, žáruvzdorný, žáruvzdorný, žáruvzdorný atd. Rozdíl v terminologie byla způsobena příslušností materiálů k různým oddělením a nedostatkem obecného sjednocení pojmů. [2] : 266
Porucha izolace vlivem vysoké teploty je obvykle spojena s postupnou destrukcí v průběhu času, a nikoli s náhlou poruchou při nějaké kritické teplotě. K elektrickému průrazu dochází v důsledku ztráty mechanické pevnosti izolace. Bez mechanických vlivů mohou oxidované a křehké izolační konstrukce fungovat roky. [3] : 19
Rozvoj moderních technologií často způsobuje drsné provozní podmínky pro vodiče a kabely, když se používají k přenosu elektřiny a signálů ze senzorů, signálů k akčním členům v řídicích systémech. V některých případech je jedním z hlavních požadavků na kabel požární odolnost, která zajišťuje požární bezpečnost. Kabely mohou být samy o sobě tepelnými senzory s vysokou tepelnou odolností a spolehlivostí. Takové kabely se používají v jaderných energetických reaktorech, proudových motorech, výkonných generátorech a dalších zařízeních. [4] :3
Elektrický proud procházející kabelem vytváří teplo. Většina kabelů je navržena pro použití tam, kde je teplota jádra kabelu vyšší než teplota okolí. [5] :113 V případě, že množství přijatého tepla v izolaci je větší než množství rozptýlené, může dojít k tepelnému průrazu izolace. Zvýšené okolní teploty mohou přispět k tepelnému úniku. [5] : 104
Vývoj elektrických strojů a přístrojů na konci 19. století si vyžádal tepelně odolné elektroizolační materiály. Pro zlepšení tepelné odolnosti byly vytvořeny impregnační kompozice a nátěry, kompozitní materiály. Slída byla použita k izolaci kolektorových desek elektromotoru. Počátkem 90. let 19. století vznikly nové materiály na bázi slídy: micanit, micalenta, mikafolium. [6]
Tepelná odolnost izolace je zvláště důležitá nejen pro kabely pracující v extrémních podmínkách, ale také pro kabely pro běžné použití, protože zvýšení horní hranice provozní teploty umožňuje snížit rozměry a hmotnost kabelu. . [7] Přípustná teplota ohřevu izolace silových kabelů pro všeobecné použití podle typu izolace pro nepřetržitý provoz 70–90 °C, krátkodobě v případě havarijního stavu sítě 80–130 °C , pro zkrat a aktivovanou ochranu 125–250 °C. [8] :20 Žáruvzdorné a topné kabely jsou určeny pro okolní teploty do 1000 °C. [9] : 187
Pro vinutí přístrojů se používají žáruvzdorné dráty vinutí s provozními teplotami do 200 °C, pro vinutí zařízení pracujících při zvýšených teplotách žáruvzdorné dráty vinutí s provozními teplotami do 700 °C. [9] :54
Instalační a silové vodiče , používané pro rozvody energie v energetických a osvětlovacích instalacích, jako flexibilní výstupní koncovky pro elektrické stroje, při použití silikonové izolace, pracují při teplotách do 180°C. [9] : 23
Nucené chlazeníElektrická zařízení mají zpravidla přirozené chlazení vzduchem. To je způsobeno tím, že energetické ztráty u většiny zařízení pro obecné průmyslové použití jsou malé a přirozené chlazení vzduchem je za normálních podmínek dostačující. Většina elektrických strojů používá umělé chlazení . Může to být systém ventilace vzduchu; pro velké turbogenerátory - chlazení vodíku; pro těžké stroje - vodní chlazení , při kterém voda protéká dutými vodiči vinutí. [10] :5
Pro chlazení elektrických zařízení lze použít kapalná a plynná dielektrika.
Kapalina:
plynný:
Pro dodávku elektřiny v obloukových ocelových pecích a jiných typech elektrických pecí se používají silové vodou chlazené kabely [12] .
Možnosti zvýšení přenášeného výkonu kabelovým vedením zvýšením provozního napětí jsou omezené. Zvýšit přenášený výkon je možné zvýšením proudového zatížení. Pro použití ve vysokonapěťových kabelech prakticky neexistují žádné tepelně odolné izolační materiály. Výrazného efektu lze dosáhnout zlepšením odvodu tepla z kabelů nuceným chlazením. [13] : 90
Ve vnitřních chladicích systémech je chladicí médium uvnitř kabelu. První kabelová linka s vnitřním chlazením byla uvedena do provozu v roce 1958 ve Velké Británii. Byl použit pro budicí vinutí v synchrofasotronu, měl napětí 8,5 kV, proud 1130 A s průřezem měděného vodiče 323 mm². [13] :91
V systémech povrchového chlazení je chladicí médium v přímém kontaktu s povrchem kabelu. Existuje mnoho možných způsobů, jak tento princip implementovat. Kabely lze umístit do trubek s tekoucí vodou, do otevřené vaničky s tekoucí vodou. Kabely uložené v blocích lze chladit nuceným prouděním vzduchu. Vnější povrch kabelů lze chladit olejem. [13] :94 V roce 1965 bylo na VVE Volžskaja zprovozněno kabelové vedení 500 kV o výkonu 405 MVA s nuceným oběhem ropy potrubím s uloženým kabelem. Ohřátý olej byl ochlazen ve výměníku tepla a vracel se zpět zpětným potrubím. Délka vedení byla 300 m. [13] :77
U vnějších (nepřímých) chladicích systémů je potrubí s chladicí kapalinou položeno vedle kabelů: v zemi, ve volných buňkách bloku, v kanálu nebo tunelu. U tunelů a kanálů je možné kombinovat s povrchovým vzduchovým chlazením. [13] :96
V případě požáruKabely a dráty, které zůstávají funkční, když jsou vystaveny plameni po určitou dobu, se nazývají ohnivzdorné nebo ohnivzdorné. [čtrnáct]
Poprvé v Rusku byly povinné požadavky na požární odolnost (požární odolnost) kabelových výrobků při certifikaci kabelových výrobků předepsány v NPB 248-97 „Elektrické kabely a vodiče. Indikátory nebezpečí požáru. Zkušební metody“ a pro kabelová vedení – v NPB 242-97 „Klasifikace a metody pro stanovení nebezpečí požáru elektrických kabelových vedení“. Na konkrétních objektech přitom nebyly kladeny žádné požadavky na požární odolnost kabelů a kabelových vedení. Požadavky na používání kabelových produktů v zařízeních se objevily v roce 2008 a kabelové vedení - v roce 2012 v „Technických předpisech o požadavcích na požární bezpečnost“. [patnáct]
V experimentálních studiích bylo zjištěno, že příčiny selhání byly:
Při dosažení teploty 500–900 °C dochází k deformaci bez destrukce ocelové nosné konstrukce. V této době již měděné jádro ztrácí únosnost a kabel je poškozen. [16]
Požární odolnosti elektrického vedení nebo kabelového vedení lze dosáhnout různými způsoby:
Výrobci konstrukcí pro upevnění ohnivzdorného kabelu široce používají termín "ohnivzdorné kabelové vedení". Tento termín v ruských regulačních dokumentech chybí. Tvůrci ruských norem ve vědeckých článcích používají termín „kabeláž položená otevřeným způsobem, na kterou jsou kladeny požadavky na požární odolnost“. [16]
Kabely a vodiče (v závislosti na provedení) mohou být žáruvzdorné a ohnivzdorné nebo žáruvzdorné a ohnivzdorné, nebo žádná z těchto vlastností. Kabely zpomalující hoření nebo zpomalující hoření jsou někdy mylně označovány jako zpomalovače hoření [17] .
Tepelná odolnostNa rozdíl od požární odolnosti nelze přímo testovat tepelnou odolnost nových materiálů s životností 10-30. Proto byly vyvinuty metody pro urychlené stanovení tepelné odolnosti izolace. Mezi logaritmem životnosti izolace a hodnotou nepřímo úměrnou provozní teplotě existuje lineární vztah. Po získání přímky pomocí několika experimentů je možné extrapolovat parametry na jiné teploty a životnost s velkou přesností. Třída tepelné odolnosti izolace je určena na základě zdroje 20 tisíc hodin. [osmnáct]
Dlouhodobá tepelná odolnost je charakterizována teplotou, při které produkt pracuje v elektrárnách po dobu 20-30 let, a v rádiových a elektronických zařízeních - 10 tisíc hodin. [19] :138 V souladu s GOST 8865-70 lze izolační a kabelové výrobky klasifikovat jako:
Krátkodobá tepelná odolnost je charakterizována teplotou, při které může výrobek za přesně definovaných podmínek fungovat po omezenou dobu. [19] :138
Skutečná požární odolnostExistují dva systémy pro testování kabelových výrobků na požární odolnost. V rámci prvního se testují jednotlivé kabely, v rámci druhého se testují kabely a vodiče spolu s upevňovacími prvky, potrubími, trubkami, stavebními a kabelovými konstrukcemi.
Dlouhodobě se provádějí zkoušky jednotlivých kabelů na požární odolnost různými metodami. V roce 1977 podali G. I. Smelkovov, I. F. Poedintsev a B. I. Kasholkin přihlášku vynálezu "Ohřívací pec pro testování kabelů na požární odolnost." [dvacet]
| Značka kabelu nebo drátu | Doba požární odolnosti při napájecím napětí | |||
|---|---|---|---|---|
| Z6 V | 300 V | Ve zdroji neuvedeno | 5 kV | |
| KPSVVng(A)-LS 1x2x0,5 mm² | 50 s | 28 s | ||
| KPSVEVng(A)-LS 1x2x0,5 mm² | 32 s | 24 s | ||
| KPSVEVng(A)-LS 1x2x1,5 mm² | 60 s | 39 s [21] | ||
| APV 1x6 mm² v plastové trubce o průměru 25 mm | 201,67 s | |||
| APV 1x16 mm² v plastové trubce o průměru 32 mm | 239,00 s | |||
| APV 1x35 mm² v plastové trubce o průměru 50 mm | 270,00 s | |||
| AVVG 3x35+1x25 mm² | 240,00 s [22] | |||
| KPOBVng 7×2,5 mm² v kovové krabici bez protipožární ochrany | 12,0 min | |||
| KPOEVng 14×2,5 mm² v kovové krabici bez protipožární ochrany | 15,2 min | |||
| PvBVng 3×50 + 1×25 mm² v kovové krabici bez protipožární ochrany | 22,3 min [23] | |||
| KGESHV 3×35+1×10+3×2,5 mm² | Metoda zkoušení kabelů na nešíření plamene napětím aplikovaným přes přístroj pro kontrolu izolace | 37,7 min | ||
| KGEBUSHV 3×50+1×10+3×2,5 mm² | 62,2 min | |||
| KGESHuS-PB 6×25+3×3,5+4×2,5 mm² | 44,4 min [24] | |||
| AABnlG 3×95 mm² (6 kV) | 24 min | |||
| AAShv 1×120 mm² (35 kV) | 7,4 min | |||
| AAShv 3×35 mm² (1 kV) | 3,5 min | |||
| PVC 1×240 mm² (6 kV) | 4 min | |||
| PVC 3×10 mm² (1 kV) | 2,6 min | |||
| AASHPS10 3×95 mm² (10 kV) | 10,3 min | |||
| KVVGng 4×1,5 mm² (660 V) | 2,1 [25] ;2,2 [26] ; 4,1 [27] min | |||
| KVVGng 37×1,5 mm² (660 V) [27] | 11 min | |||
| KVVBG 37×2,5 mm² (660 V) | 7,6 min | |||
| KPOSG 7×1,5 mm² (660 V) | 4 min | |||
| KVVBbG 37×2,5 mm² (660 V) | 2 minuty [28] | |||
Teplotní limit pro elektrické kabely obecného průmyslového designu ležící v žlabech v USA je 182 ° C, v Německu - 120 ° C. Podle ukrajinských experimentů v roce 2007 je při vysoké rychlosti ohřevu kabelů ležících v kovových krabicích bez požární ochrany mezní teplota 400 °C. Pro potrubí s požární ochranou, v důsledku čehož se kabely zahřívají pomaleji - 190 °C [23] .
Při testování kabelových kanálů podle UL 1724 nesmí být vnitřní teplota v průměru vyšší než 120 °C a 160 °C v žádném bodě kabelu [29] .
V Německu lze kabely, které prošly zkouškami na standardní nosné konstrukci, pokládat bez dodatečných zkoušek na standardní nosné konstrukce jakéhokoli výrobce. Není-li upevnění kabelu v normě stanoveno, platí výsledky zkoušek pouze pro zkoušenou kombinaci kabelu a nosné konstrukce [30] .
Označení:
Systémy jsou rozděleny do tříd E30, E60, E90 v závislosti na době, po kterou si zachovává schopnost normální funkce - 30, 60 a 90 minut, resp. Třída E30 musí zahrnovat všechny kabelové systémy systémů požární signalizace, nouzového osvětlení, systémů požární signalizace a systémů přirozeného odvodu kouře. Třída E90 má zahrnovat kabelové napájecí systémy pro čerpadla v hasicích systémech, výtahy pro hasičské sbory, nákladní výtahy v nemocnicích, systémy pro odvod kouře s mechanickou stimulací [32] .
Ve Spojeném království jsou ohnivzdorné kabely rozděleny do dvou tříd: Standard (standardní) a Enhanced (zvýšený). Standardní – požární odolnost 30 minut, Rozšířená – požární odolnost 120 minut. Kabely ve verzi Enhanced jsou určeny pro použití v budovách vyšších než 30 m vysokých a dalších veřejných budovách, které mají velký počet evakuačních zón (čtyři a více), ve kterých mohou lidé pobývat značnou dobu. Během testování jsou vzorky kabelů vystaveny plameni, nárazům a vodě [33] .
Při vysokých teplotách se nedostatečná tepelná odolnost projevuje také nejen u izolace, ale také u vodičů. Dochází k interakci mezi izolačním materiálem a vodiči [1] :6 . Pro provoz při teplotě 1000 °C se na vodiče používá zlato a platina, při teplotách 1100-1200 °C - rhodium [1] :183 . Při teplotách 400-500 °C se na vodiče používá měď plátovaná niklem (například drát PEZHB), při 600 °C - nikl (drát PNZH), při 600-700 °C - stříbro plátované niklem (PEZHB- 700 drát) [1] :184 .
Charakteristickým rysem kabelů a vodičů je flexibilita. [34] Polymerní materiály se používají jako izolace a pláště kabelových výrobků. Jsou pružné, ale většina nesnese teploty přes 150°C. [35] :4 Krystalické materiály jsou často odolné vůči vysokým teplotám, ale postrádají pružnost a elasticitu. [35] :3 Slída , keramika , sklo a další materiály schopné provozu při vysokých teplotách jsou známy již dlouhou dobu a jsou široce používány pro výrobu různých montážních dílů pro elektrotechniku, elektroniku a rádiová zařízení. Výroba izolace pro motory, transformátory a jiná elektrická zařízení je však nemožná pouze z nich [1] :5 .
Existuje obecný fyzikální a chemický zákon, podle kterého každých dalších 8°C zahřátí urychlí fyzikální a chemické procesy 2x. Ve vztahu k relativnímu opotřebení izolace to znamená, že každých dalších 8 °C ohřevu urychluje stárnutí (snižuje životnost) izolace dvojnásobně [36] . Dlouhodobě a stabilně za vysokých teplot mohou fungovat pouze ty elektroizolační materiály, ve kterých dochází k chemickým a strukturním přeměnám za výrazně vyšších teplot, než je provozní teplota izolace [1] :253 .
Organické polymeryVětšina použitých kabelů je s polymerovou izolací. Pro polymery se používají termíny „tepelná odolnost“ a „tepelná odolnost“. Pojem tepelná odolnost je spojen s fyzikálními faktory: bodem tání a teplotou skelného přechodu. Při krátkodobé tepelné expozici jsou vlastnosti často určeny výhradně fyzikálními faktory. Termín tepelná stabilita je spojen s chemickými faktory: odolností vůči tepelné, tepelně-oxidační a hydrolytické degradaci. V případě dlouhodobého působení tepla jsou rozhodující chemické faktory. [37] :27
Změny chemické struktury polymerů mohou být spojeny jak s degradací, tak se strukturováním, zpravidla oba procesy probíhají současně. Povaha chemických přeměn určuje proces probíhající vyšší rychlostí. Neexistuje přímá souvislost mezi fyzikálními a chemickými změnami v polymerech během zahřívání. U mnoha polymerů (jako je polyethylen) dochází ke měknutí při mnohem nižší teplotě než ke ztrátě tepelné odolnosti. [38]
Horní dlouhodobá teplota u většiny polymerů je pod 100 °C, u některých technických plastů je to 150 °C. Pokrok v elektrotechnickém průmyslu vede k miniaturizaci odporů, kondenzátorů , elektromotorů při zachování jejich výkonu. Výsledkem je zvýšení provozních teplot. Dlouhodobé provozní teploty elektroizolačních polymerů, fólií, částí spínačů a krytů musí překročit 200 °C. [37] :22
Měkký PVC nebo kabelová směs je běžným materiálem pro izolaci kabelů. Tento materiál obsahuje 50% různých přísad (změkčovadla apod.), které velmi mění hořlavé vlastnosti PVC. Plastifikátory začínají těkat již při teplotě 200 °C a rozsvěcují se [39] .
Při vystavení plameni na pevném PVC dochází k následujícím procesům:
Slída jsou anorganické krystaly, které mají šupinatý tvar. Krystalické desky mají tloušťku 5–50 µm. Teplota tání 1200-1300 °C. Při teplotě 900 °C dochází k bobtnání, materiál se delaminuje a ztrácí pevnost. Přírodní slída se jako elektrická izolace používá jen zřídka. Široce se používá slídový prášek a slídový papír impregnovaný pojivy. Pojiva určují provozní teplotu izolace. [40] :97
Pojiva pro impregnaci:
Slída je materiál na bázi slídových papírů; drcený a lisovaný bez slídového pojiva. [40] :98 . Slídový papír se získává klížením zpracovaného slídového odpadu. [40] :98
MinerálVýroba minerálních izolovaných kabelů byla poprvé zvládnuta v roce 1934 ve Francii. Jednou z oblastí použití bylo osvětlení Louvru . Provoz v muzeu ukázal jejich vysokou spolehlivost a naprostou požární bezpečnost. Od roku 1937 se kabely vyrábí v Anglii, Japonsku a Kanadě, přičemž hlavní oblastí použití jsou ropné tankery. V roce 1946 začala výroba takových kabelů v USA. O něco později byla výroba takových kabelů zvládnuta v Rakousku, Austrálii, Itálii, Německu. Sovětský průmysl zahájil výrobu v roce 1951. [41] :4
Životnost kabelů při vysokých teplotách je dána odolností kovového pláště vůči oxidaci. Při 250 °C se měděný plášť smrští o 0,25 mm za stovky let, zatímco při 800 °C se to stane za 26 hodin [41] :54 . V případě požáru si kabely udrží svůj výkon až do bodu tání mědi (1083 °C) [41] :26 . Je znám případ, kdy při požáru na palubě lodi minerální izolované kabely dodávaly energii všem lodním zařízením po dlouhou dobu, přestože procházely požární zónou [41] :6 .
V kovové trubce je umístěn jeden nebo více vodivých drátů. Prostor uvnitř pláště je vyplněn oxidem hořečnatým . Požární odolnosti kabelů je dosaženo úplnou absencí hořlavých nebo tepelně odbouratelných kabelových prvků, jejichž zničení může vést k poruše kabelu. Při vystavení plameni se neuvolňuje kouř a toxické složky.
Teplotně citlivé kabely s minerální izolací jsou čidla, která signalizují nárůst teploty zóny, kterou je kabel položen [41] :5 .
V rámci standardizačního systému RVHP byl použit termín „kabel s minerální tepelně odolnou izolací“. Počítalo se s výrobou kabelů KMZh, KMZhV. [42]
V rámci normalizace je výroba kabelů regulována GOST IEC 60702-1-2017 "Kabely s minerální izolací a jejich koncovky pro jmenovité napětí nepřesahující 750 V. Část 1. Kabely", GOST IEC 60702-2-2017 „Kabely s minerální izolací a koncovky k nim pro jmenovité napětí nejvýše 750 V. Část 2. Koncové koncovky.
Magnesia izolovaný kabel s kovovým pláštěm s ochranným polymerovým pláštěm
Vstup kabelu s kovovým pláštěm a minerální izolací do zařízení
Molekuly organokřemičitých polymerů se skládají ze střídajících se atomů křemíku a kyslíku. Atom křemíku je vázán na kyslík a není schopen dále oxidovat. Proto se molekuly takových polymerů při zahřívání na vzduchu nerozpadají a nepřeměňují se na plynné produkty, jak se to děje u organických polymerů. Skupiny atomů uhlíku jsou také přítomny a dávají polymerům pružnost nebo plasticitu . Tyto skupiny jsou schopné oxidace, ale jejich oxidace nezpůsobí destrukci hlavního polymerního řetězce molekuly. [43] :6
Životnost výrobků ze silikonové pryže závisí na teplotě:
Síťování probíhá na vzduchu při teplotě 200-250°C. [45] V důsledku tepelného rozkladu pod vlivem vysoké teploty vzniká pevný zbytek koksu. [46] Po spálení se povrch silikonové pryže stává tvrdým a porézním. I přes zuhelnatění má dobré elektroizolační vlastnosti. [47] :146
Při výrobě kabelových výrobků pro provoz při zvýšených teplotách se zpravidla používají pryže na bázi siloxanových pryží . [35] :68 Jejich běžná provozní teplota je 180°C, ale mohou pracovat nepřetržitě při 200-250°C a krátkodobě při 300°C. Rozklad vulkanizovaných polymerních řetězců začíná při 400°C [35] :70 . Při pokládání vodičů a kabelů do těsně uzavřených trubek nebo kanálů klesá odpor během nepřetržitého provozu na 120 ° C kvůli nedostatku přístupu vzduchu. [47] :149 Při 150°C za těchto podmínek klesá životnost na 2-3 měsíce. [47] :131
Použití silikonových kaučukových izolovaných kabelů na válečných lodích k udržení provozuschopnosti během požáru se nachází ve zdrojích z roku 1959. Uvádí se, že doba provozu kabelu v plynovém plameni při teplotě 950 °C a normálním napětí byla 8 hodin. [43] :46
Žáruvzdorný drát RKGM
Ohnivzdorný kabel KSREVng(A)-FRLS 2x0,5
Silikonový izolátor
Používá se pro navíjení vodičů v motorech pro velké zatížení a suchých transformátorech. Dráty mohou mít teplotní index 155 °C [48] .
| Požární bezpečnost a hasicí technika | |
|---|---|
| Hasičské vybavení | |
| Technické prostředky | |
| Požární technika | |
| Mobilní hasicí zařízení | |