Text
                    Учебник

Высшее профессиональное образование
Электротехника
основы
КАБЕЛЬНОЙ
УДК 62-427.4(075.8)
ББК 31.232.3я73
0-753
Авторы:
В. М.Леонов, И. Б. Пешков, И. Б. Рязанов, С.Д. Холодный
Рецензенты:
зам. генерального директора ВНИИ кабельной промышленности, д-р техн, наук Г. Г. Свалов;
доцент кафедры ФЭМАЭК МЭИ А. С. Воробьев
Основы кабельной техники: учебник для студ. высш. учеб. 0-753 заведений / [В.М.Леонов, И.Б.Пешков, И.Б.Рязанов, С. Д. Холодный]; под ред. И. Б. Пешкова. — М.: Издательский центр «Академия», 2006. — 432 с.
ISBN 5-7695-1647-Х
Даны характеристика кабельных изделий как средств передачи энергии и информации, их классификация, а также основы теории и технологии процессов производства. Рассмотрены электрические и магнитные поля в кабельных изделиях и связанные с ними электрофизические процессы. Изложены основы теории тепломассобменных процессов, имеющих место в производстве и эксплуатации кабельных изделий. Даны основы теории электрических и оптических кабелей связи. Рассмотрены вопросы автоматизации производства и испытаний кабельной продукции.
Для студентов высших учебных заведений. Может быть полезен инженерно-техническим работникам кабельной промышленности и специалистам, занимающимся эксплуатацией кабелей и проводов.
УДК 62-427.4(075.8)
ББК 31.232.3я73
Оригинал-макет данного издания является собственностью Издательского центра «Академия», и его воспроизведение любым способом без согласия правообладателя запрещается
ISBN 5-7695-1647-Х
©Леонов В. М„ Пешков И. Б., Рязанов И. Б., Холодный С. Д., 2006 © Образовательно-издательский центр «Академия», 2006
© Оформление. Издательский центр «Академия», 2006
ПРЕДИСЛОВИЕ
В последнее десятилетие несмотря на экономический кризис в России спрос на кабельную продукцию сохранился, хотя объемы производства по сравнению с 1990 г. заметно снизились.
В настоящее время наряду с имеющими многолетнюю историю крупными кабельными заводами работают много новых предприятий со сравнительно небольшим объемом выпуска тех или иных кабельных изделий.
Постоянно растущая потребность в кабельной продукции, используемой в электроэнергетике, системах передачи информации, специальных областях техники и быту, обусловлена прогрессом в этих отраслях, т.е. появлением новых систем передачи информации, усовершенствованием бытовой техники и т.д.
Все это увеличивает спрос на квалифицированных специалистов в данной области, а следовательно, становится более востребованной учебная литература, отражающая теоретические основы и современное состояние кабельной техники.
В данном учебнике учтены последние достижения в области кабельной техники: приведены новые метода электрического и теплового расчетов кабельных конструкций и рассмотрены новые виды кабельных изделий (например, оптические кабели связи, компьютерные кабели для структурированных кабельных систем и др.).
При написании учебника авторы использовали опыт преподавания данной и других кабельных дисциплин в Московском энергетическом институте (Техническом университете).
Материал книги распределяется следующим образом: предисловие, гл. 1, 2 (за исключением подразд. 2.2.1, 2.2.2 и 2.2.5), гл. 6 (за исключением подразд. 6.2.3,6.2.4 и 6.3), гл. 14,15 и подразд. 10.1 написаны И. Б. Рязановым; гл. 3, 5, 8, 9 (за исключением подразд. 9.5) и подразд. 2.2.1, 2.2.2 и 2.2.5 — В.М.Леоновым; гл. 4, 7, 16, подразд. 6.2.3, 6.2.4 и 6.3 — И. Б. Пешковым; гл. 11... 13, подразд. 9.5 и 10.2 — С. Д. Холодным.
Авторы выражают благодарность А. А. Репкину за помощь в подготовке учебника к печати.
Глава 1
КАБЕЛЬНЫЕ ИЗДЕЛИЯ КАК СРЕДСТВА ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ И ИНФОРМАЦИИ
1.1.	Общая характеристика кабельных изделий
Кабельные изделия предназначены для передачи электрической энергии или информации на расстояние, т.е. для создания самых разнообразных электрических, электронных, радиотехнических и волоконно-оптических схем и цепей. Ни одно современное техническое устройство, работа которого связана с использованием электрических и электронных схем, не может работать без кабелей и проводов, которые образуют системы электроснабжения, информатики и управления работой этого устройства.
Большое разнообразие кабельных изделий определяется не только разнообразием того, что передается по ним, но и тем, где они работают (т.е. условиями их эксплуатации), а работают они в космосе, под землей, под водой, при очень высоких (до +200 °C и выше) и очень низких (вплоть до значений, близких к абсолютному нулю) температурах окружающей среды, в условиях глубокого вакуума и под давлением в десятки и сотни атмосфер, в различных агрессивных химических средах и при наличии проникающих излучений, а также при действии разнообразных растягивающих, сжимающих, раздавливающих, скручивающих, истирающих и вибрационных механических нагрузок. При этом энергия или информация должны передаваться адресату без заметных потерь и искажений.
Следует заметить, что термины «передача энергии» и «передача информации» не точны со строго научной точки зрения. Действительно, энергия или мощность — это некоторые количественные показатели, аналогичные, например, напряжению, току, частоте и др. Правильнее говорить о передаче электромагнитного поля (или электромагнитных колебаний), характеризуемого энергией определенного значения или несущего определенный объем информации.
В соответствии со сложившимися научными представлениями есть две формы существования материи — вещество и поле. Подобно веществу, поле обладает массой, энергией, движением, т. е. теми свойствами материи, которые подчиняются всеобщим законам сохранения.
4
Таким образом, по линиям электропередачи (ЛЭП) или линиям связи (ЛС) передается электромагнитное (ЭМ) поле. Оно может быть постоянным или переменным, изменяющимся во времени и пространстве, может быть «сильным» или «слабым». В последнем случае энергия является количественной характеристикой этого поля. Сама по себе энергия передаваться не может (это лишь параметр передаваемого электромагнитного поля), но такие выражения, как выработка, передача, потребление, экономия, оплата энергии настолько прижились в обыденной речи, что они будут использоваться и в тексте настоящего учебного пособия.
Под термином «передача информации» следует понимать передачу электромагнитных колебаний (электромагнитного поля) определенной формы. Количественные параметры этих колебаний (например, амплитуда, частота или фаза) должны изменяться (модулироваться) определенным образом, соответствующим характеру передаваемой этим полем полезной информации. Таким образом, при передаче информации по ЛС передаются модулированные электромагнитные колебания или определенные последовательности импульсов.
Отметим еще одну особенность передачи информации по Л С. Передача энергии по ЛЭП связана, как правило, с передачей «сильных» электромагнитных полей, т. е. полей, определяемых очень большими значениями энергии, а следовательно, и высокими значениями напряжения (десятки, сотни тысяч вольт) и тока (сотни ампер). В то же время в ЛС при передаче информации мощность электромагнитных колебаний невелика (обычно доли ватта), напряжение составляет менее 100 В, токи — доли ампера. Однако частота этих колебаний очень высокая — от десятков тысяч (килогерцы) до миллионов (мегагерцы) и миллиардов (гигагерцы) герц, так как чем выше частота электромагнитных колебаний, тем больший объем полезной информации они могут нести.
И наконец, еще одно характерное свойство кабельных изделий — они являются длинномерными, а это в свою очередь обусловливает следующие их специфические особенности:
для производства этих изделий требуется большое количество материалов (часто дефицитных и дорогостоящих);
в процессе изготовления различные элементы конструкции накладываются на «внутри лежащие» элементы при непрерывном движении изделия через узлы кабельного оборудования;
необходимость учета закономерностей распространения энергии или информации по длинным электрическим цепям (т. е. потери, искажения, встречные потоки и т.п.);
требование обладания определенной гибкостью, необходимой как при их прокладке или эксплуатации, так и при намотке на барабаны (катушки, бухты), используемые для транспортировки.
5
1.2.	Передача электроэнергии и общие принципы электрораспределения
Для передачи и распределения электроэнергии в России создана единая энергетическая система (ЕЭС), которая объединяет энергетические системы отдельных регионов посредством линий электропередачи.
Часть энергетической системы, состоящую из генераторов, распределительных устройств, повышающих и понижающих подстанций, линий электрической сети и приемников электроэнергии, называют электроэнергетической системой.
Электрической сетью называют совокупность электроустановок для передачи и распределения электроэнергии, включающую в себя подстанции и распределительные устройства, соединенные линиями передачи и работающие на определенной территории.
Система электроснабжения объекта объединяет понижающие и преобразовательные подстанции, распределительные пункты, электроприемники (электродвигатели, электротермические установки, установки электроосвещения и др.) и ЛЭП. Подстанции, на которых происходит прием и распределение электроэнергии, состоят из трансформаторов, распределительных устройств, а также из устройств для управления, защиты и измерений. Распределение поступающей энергии без ее трансформации или преобразования осуществляется на распределительных подстанциях (РП).
Электрические сети по назначению и характеру потребителей классифицируются следующим образом:
сети для соединения крупных электроэнергетических систем на напряжения 330, 500 и 750 кВ;
районные сети для соединения крупных электрических станций и подстанций на напряжения выше 35 кВ;
сети городские, сельские, промышленных предприятий, электрического транспорта.
Номинальное напряжение сети совпадает с номинальным напряжением ее приемников, в то время как генераторы электрических станций и вторичные обмотки трансформаторов, находящихся в начале питаемой ими сети, должны иметь напряжения выше номинального напряжения приемников на значение падения напряжения в сети (обычно это значение составляет 5... 10 %).
Приняты следующие номинальные напряжения:
для приемников и сетей (кВ) — 0,22; 0,38; 0,66; 1,0; (3)*; 6; 10; 20; 35; 110; (150); 220; 330; 500; 750; 1150;
на зажимах генераторов — 0,23; 0,4; 0,69; 1,05; (3,15); 6,3; 10,5; 21;
* Напряжения, указанные в скобках, для вновь проектируемых сетей не рекомендуются.
6
на вторичных обмотках трансформаторов — 0,23; 0,4; 0,69; (3,15); 6,3 и 6,6; 10,5 и И; 22; 38,5; 115 и 121; (158); 230 и 240; 347.
На напряжения до 1 кВ используются четырехпроводные сети с глухозаземленной нейтралью. Наиболее распространенные четырехпроводные сети с напряжениями до 380 В для силовых и осветительных электроприемников должны обязательно иметь заземленные нейтраль и нейтральный провод.
В последнее время получают распространение пятипроводные сети (три фазных провода, заземленные нейтраль и защищенный провод) с номинальными напряжениями 6... 35 кВ. Они работают с изолированными нейтралями при небольших емкостных токах замыкания на землю, а при определенных повышенных значениях емкостных токов — с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор.
Электрические сети с напряжениями ПО кВ и выше (большие токи замыкания на землю) работают с эффективно заземленными нейтралями.
Различают сети питающие или распределительные, а по конструктивному выполнению — воздушные, кабельные и токопроводы.
Воздушные линии передачи (ВЛЭП) применяются для передачи электроэнергии на большие расстояния и прокладываются в основном в сельской местности. Кабельные линии используются в городских сетях и сетях промышленных предприятий для прокладки в земле, под водой, на открытом воздухе и внутри помещений. Сети с напряжениями до 1 кВ внутри помещений выполняются изолированными проводами (токопроводами).
Кабели на напряжения 110 кВ и выше используются вместо ВЛЭП при прокладке сетей в городах, а также на крупных электростанциях для передачи электроэнергии от трансформаторных блоков в открытые распределительные устройства.
Сеть энергоснабжения круп кого города с напряжениями 35... 110 кВ, включающая в себя понижающие подстанции, состоит, как правило, из воздушной кольцевой сети, охватывающей город, и сети глубокого ввода. Кольцевая сеть связывает между собой источники питания и распределяет энергию между районами города. Сеть глубокого ввода используется для подачи электроэнергии в центральные районы или непосредственно крупным потребителям. Применение кабельных линий прежде всего эффективно для сетей глубокого ввода, где использование ВЛЭП практически невозможно.
В перспективе для увеличения площади городской застройки и из эстетических соображений кольцевую сеть также будут выполнять кабелями высокого напряжения. Препятствием этому пока служит тот факт, что сооружение и эксплуатация кабельных линий значительно дороже воздушных, причем стоимость кабельных линий резко возрастает с увеличением напряжения. Так, если кабельные линии на напряжения до ПО кВ в 4—5 раз дороже воз
7
душных, то с повышением напряжения до 500 кВ их стоимость будет уже в 18—20 раз превышать стоимость ВЛЭП.
1.3.	Общие принципы организации электросвязи
Электрическая связь в России осуществляется на базе единой автоматизированной системы связи (ЕАСС), которая объединяет в единое целое различные средства связи — кабельные, радиорелейные, воздушные линии, радиолинии и каналы, создаваемые через искусственные спутники Земли. Также ЕАСС объединяет в масштабе всей страны все сети магистральной, зоновой (областной), сельской и городской связи, обеспечивая их развитие в едином автоматизированном комплексе с единой нумерацией и коммутацией.
ЕАСС включает в себя передачу всех видов современной информации. Составными частями ЕАСС являются: автоматизированная телефонная сеть (ТФ); телеграфная сеть (ТГ); сеть передачи данных (ПД); сеть звукового вещания (ВЩ); сеть факсимильной связи (ФС) — фототелеграф, газеты; сеть телевизионного вещания (ТВ); ведомственные сети и др.
В электронно-вычислительных центрах, входящих в систему ЕАСС, различные виды информации преобразуются в цифровую форму, а затем передаются по каналам связи. Основой ЕАСС являются современные кабельные магистрали в сочетании с радиорелейными и развивающимися спутниковыми линиями.
Сети связи страны состоят из магистральных и зоновых сетей.
Магистральная сеть соединяет столицу с центрами зоновых сетей, а также зоны между собой. Зоновая сеть организуется в пределах одной-двух областей (или республик, краев) и подразделяется на внутризоновую и местную. Внутризоновая связь соединяет областной центр с районами. Местная связь включает в себя сельскую (райцентр с деревнями, рабочими поселками) и городскую.
Абоненты зоны охватываются единой семизначной нумерацией, а следовательно, в зоне может быть до 107 телефонов.
Линейные сооружения городской телефонной сети состоят из абонентских и соединительных линий. Обычно в городах строится несколько районных автоматизированных телефонных станций (РАТС).
Линии, соединяющие телефонные аппараты абонентов с РАТС, называются абонентскими, а линии, соединяющие РАТС между собой, — соединительными.
Построение сетей абонентских линий осуществляется, как правило, на основе так называемой шкафной системы: на абонентских линиях по одной физической двухпроводной цепи в кабеле передается один разговор и абонент через систему последователь-
8
него включения в различных кабелях непосредственно соединен со своим номером на АТС.
Включение абонентов в телефонную станцию осуществляется через распределительные коробки (РК) и распределительные шкафы (РШ). От телефонной станции в различных направлениях отходят крупные по емкости (с числом пар проводов — сотни и тысячи) городские телефонные кабели, которые, разветвляясь на более мелкие, заходят в РШ (с емкостью, кратной сотням пар). Эти кабели вместе с относящимся к ним линейным оборудованием составляют так называемую магистральную городскую сеть. От РШ отходят меньшие по емкости кабели (100...50 пар), которые, разветвляясь на более мелкие, подходят к распределительным коробкам, обычно размещаемым на этажах зданий, и имеющим емкость 10 пар (10x2). Эти кабели с относящимся к ним линейным оборудованием составляют распределительную сеть. От РК к телефонным аппаратам абонентов прокладывается однопарная абонентская проводка.
Рассмотренные принципы построения сетей связи позволяют объяснить различие конструкций кабелей связи, применяющихся в разных сетях.
1.4.	Основные конструктивные элементы кабельных изделий
Вее кабельные изделия можно подразделить на три группы — непосредственно кабели, провода и шнуры.
Провода — это либо только неизолированная жила, либо жила и изоляция. Шнуры можно определить как провода повышенной гибкости.
Основными элементами кабелей являются токопроводящие жилы, изоляция, электрические экраны и защитные покровы, в том числе влагозащитные оболочки.
Токопроводящие жилы предназначены для направления потока ЭМ энергии или информации.
Для токопроводящих жил используется медная, алюминиевая и стальная проволока, а также проволока из сплавов низкого и высокого сопротивления. Диаметры кабельной проволоки Moiyr быть от нескольких микрометров до 10 мм.
Основные требования к материалам токопроводящих жил: высокие электропроводность, механические характеристики и коррозионная стойкость, а также технологичность, экономичность и недефицитность. Высокая электропроводность и размер (площадь сечения) жил — это параметры, которые оказывают решающее влияние на допустимый ток нагрузки при передаче энергии или на затухание сигналов (потери) в информационных кабелях.
9
Значение электропроводности определяет выбор сечений токопроводящих жил. Высокие механические характеристики проводниковых материалов обеспечивают работоспособность кабельных изделий при растяжении, изгибе, кручении, вибрации. Высокая ** коррозионная стойкость обусловливает их сохранность при воз-
действии климатических и химических факторов. Под технологичностью проводниковых материалов понимают возможность получения проволок большой строительной длины, а также их надежного соединения путем пайки или сварки. Ввиду того что кабельная промышленность является одним из основных потребителей цветных металлов, экономичность и недефицитность проводниковых материалов также имеют важное значение.
Медь имеет наибольшую электропроводность среди всех металлов (исключая серебро). Она также обладает хорошей способностью к прокатке и волочению, что обеспечивает возможность получения проволоки большой длины (практически любой). Для предохранения медной проволоки от коррозии при повышенных температурах (более 100 °C) применяют защитные покрытия (лужение оловом или свинцово-оловянистыми сплавами), а при высоких температурах используют посеребренную или никелированную проволоку.
Алюминий по электропроводности уступает лишь меди (и серебру), и по этой причине (а также из-за его сравнительной дешевизны, легкости и неограниченных запасов в природе) он является основным материалом, заменяющим дефицитную медь.
Механические характеристики алюминия невысоки. Низкая по сравнению с медью стойкость алюминиевых проволок к многократным перегибам ограничивает область их применения условиями неподвижной (фиксированной) прокладки.
На воздухе алюминий покрыт (вследствие химической коррозии) тончайшей оксидной пленкой, которая препятствует дальнейшему окислению металла. Эта пленка является диэлектриком, что создает трудности при сращивании тонкой алюминиевой проволоки и приводит к недостаточной надежности таких соединений.
Одним из основных недостатков алюминиевой проволоки является ее сравнительно низкая технологичность. Механическая прочность этой проволоки при малых диаметрах соизмерима с усилиями, возникающими на технологическом оборудовании в процессе изготовления кабельных изделий, поэтому для кабельных изделий с алюминиевыми жилами используется проволока диаметром свыше 0,67 мм. Тонкая алюминиевая проволока (диаметром до 0,55 мм) используется только для изготовления эмалированных обмоточных проводов с наиболее простым технологическим циклом.
Из-за худшей электропроводности сечение алюминиевой проволоки должно быть в 1,68 раза больше, чем медной (для сохране
10
ния того же значения электрического сопротивления), или ее диаметр должен быть в 1,3 раза больше. По этой причине алюминиевые жилы используются для кабельных изделий, у которых изоляция и защитные покровы выполняются из недефицитных и недорогих материалов. При использовании, например, в качестве изоляции или защитных покровов таких дефицитных материалов, как фторопласты или свинец, применение алюминиевых жил экономически нецелесообразно,
В некоторых случаях для токопроводящих жил применяется стальная проволока (в неизолированных проводах воздушных линий передачи или воздушных линий связи, полевых проводах связи, кабелях для геофизических работ, миниатюрных кабельных изделиях и др.). Чаще стальную проволоку применяют в сталемедных или сталеалюминиевых токопроводящих жилах, в которых медная или алюминиевая проволока несет электрическую нагрузку, а стальная — обеспечивает повышенную механическую прочность.
Общей особенностью всех видов стальной проволоки, применяемой в кабельной технике, является необходимость защитных покрытий, что объясняется весьма низкой стойкостью стальной проволоки к любым видам коррозии.
Проволока из медных сплавов высокой проводимости применяется для упрочнения токопроводящих жил малых сечений. При этом она имеет более низкую проводимость по сравнению с проволокой из меди. В качестве таких сплавов применяют бронзу — сплав меди с оловом и другими металлами (хромом, бериллием, кадмием и др.), латунь — сплав меди с цинком, а также низколегированные сплавы меди (с общим количеством добавок таких элементов, как хром, цирконий, олово, титан, не более 1%).
Проволока из сплавов высокого сопротивления применяется в качестве токопроводящих жил обмоточных проводов, предназначенных для намотки магазинов сопротивлений, электроизмерительных приборов, реостатов, нагревательных приборов и нагревательных кабелей. Это такие сплавы, как манганин (сплав марганца, никеля и меди), константан (сплав никеля и меди с присадкой марганца) и нихром.
Изоляция предназначена для создания электрически прочного диэлектрического промежутка между токопроводящими жилами и между жилами и другими заземленными элементами (экранами, металлическими оболочками). Кроме того, очень часто изоляция должна обладать большой геометрической стабильностью размеров, что важно для кабелей связи, особенно радиочастотных. Материал, толщина и форма изоляции определяют максимальное значение рабочего напряжения данного кабельного изделия.
Электрические экраны применяются для создания в изоляции радиального электрического поля или защиты передаваемых информационных сигналов от ЭМ помех.
11
Защитные покровы, обычно состоящие из влагозащитной оболочки и наружных защитных покровов, предназначены для защиты всех элементов кабелей от механических, климатических и химических воздействий.
Влагозащитные оболочки предотвращают проникновение вла-ги внутрь изоляции; они могут быть металлическими (свинцовыми, алюминиевыми, стальными гофрированными), пластмассовыми (из полиэтилена и поливинилхлоридного пластиката) или резиновыми. Металлические оболочки обеспечивают полную защиту изоляции от влаги и поэтому применяются в тех случаях, когда материал изоляции обладает способностью впитывать влаху (бумага, пористые материалы и т. п.), или при специальных требованиях повышенной надежности. Полимерные оболочки хотя и имеют очень низкие коэффициенты влагопроницаемости (особенно полиэтилен), тем не менее допускают проникновение влаги внутрь кабеля. Эта влага за годы эксплуатации диффундирует через оболочку, что приводит сначала к ухудшению качества изоляции (снижению сопротивления, увеличению относительной диэлектрической проницаемости (е) и тангенса угла диэлектрических потерь (tg 5), увеличению диэлектрических потерь), а затем к ее про-, бою в силовых кабелях или существенному ухудшению передачи сигналов в кабелях связи. По этой причине полимерные влагозащитные оболочки применяются в тех кабелях, изоляция которых достаточно влагостойка, т. е. в разнообразных кабелях со сплошной полиэтиленовой или поливинилхлоридной изоляцией.
Поверх металлических оболочек (особенно свинцовых) при прокладке кабелей в землю или под воду накладываются броневые покровы — стальные ленты или повив круглых стальных оцинкованных проволок (при подводной прокладке), а поверх брони — антикоррозийные защитные покровы (различные комбинации слоев пропитанной бумаги, кабельной пряжи, полимерных лент и битума).
Следует иметь в виду тот факт, что основные различия кабелей разного типа определяются той их частью, которая находится под влагозащитной оболочкой (изолированные жилы, экраны) и которую часто называют сердечником кабеля. Структура же защитных покровов (влагозащитные оболочки, броня, антикоррозийные покровы) в основном одинаковая для кабелей разного назначения и определяется условиями прокладки и эксплуатации (хотя некоторые отличительные особенности для некоторых кабелей имеются).
1.5.	Направляющие системы для передачи электромагнитного поля
Под направляющей системой (НС) будем понимать линию или устройство для передачи ЭМ поля на расстояние. В зависимости от 12
условий, способа возбуждения и вида направляющей системы ЭМ поле может распространяться в разных направлениях. Например, от точечного излучателя распространяются сферические волны во все стороны равномерно; параболическая антенна дает направленное излучение, плотность которого определяется так называемой диаграммой направленности, зависящей от конструктивных особенностей излучателя. Электромагнитное поле в проводных НС передается вдоль линий и т.д.
Использование различных материальных НС основано на свойстве ЭМ поля концентрироваться и передаваться вдоль границы раздела двух сред, отличающихся следующими электрофизическими параметрами: абсолютной диэлектрической проницаемостью еа = еое, абсолютной магнитной проницаемостью ца = цоц, удельной электрической проводимостью среды а. Здесь е, ц — соответственно относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости; Eq = [1/(Збл)] • 10-9= 8,85 • 10-12 Ф/м — электрическая постоянная, Цо = 4л • 10-7 Гн/м — магнитная постоянная.
Таким образом, направляющей системой передачи ЭМ поля может быть любая граница раздела двух сред, отличающихся электрофизическими параметрами, способная замедлять распространение ЭМ поля по сравнению с распространением его в вакууме.
Скорость распространения ЭМ поля в вакууме (скорость света) с = 1Д/еойо = 300 000 км/с (при этом е = 1 и ц = 1).
Скорость распространения ЭМ поля в однородной среде с параметрами еаи ца определяется выражением v = 1Д/Еаца = сД/ЁЦ •
Распространение ЭМ поля замедляется, если одна из двух сред имеет повышенное значение е (е > 1) или ц (ц > 1) либо конечное значение электропроводности а (а ф ~).
Чем больше замедляется скорость распространения поля, тем больше оно концентрируется вдоль границы раздела сред и тем более эффективна для передачи данная НС.
Типы волн в направляющих системах. По НС возможна передача различных типов ЭМ полей (обычно говорят «типов волн»), отличающихся конфигурацией электрического и магнитного полей и их свойствами при распространении. Различают основную бездисперсионную волну типа ТЕМ к дисперсионные волны высших типов — электрические типа Е (поперечно-магнитные типа ТМ), магнитные типа Н (поперечно-электрические типа ТЕ) и смешанные (или дипольные) типов ЕН или НЕ.
Основная ЭМ волна типа ТЕМ (или Т) при распространении вдоль НС по оси z (рис. 1.1) имеет электрическое и магнитное поля, силовые линии которых лежат в плоскости поперечного сечения линии, т.е. в плоскости хОу. Напомним, что направление распространения ЭМ поля характеризуется вектором Пойнтинга (П), который в каждой точке пространства равен векторному произведению векторов электрического (Е) и магнитного (Н) полей.
13
Таким образом, по определению в волне ТЕМ отсутствуют продольные составляющие электрического и магнитного полей (Ez и Hz), а могут существовать только поперечные составляющие полей (Ех, Еу и Нх, Ну). Говоря о том, что волна ТЕМ бездисперсионная, имеют в виду, что скорость ее распространения вдоль НС не зависит от частоты.
Волны высших типов (электрические или магнитные) имеют в отличие от волны ТЕМ продольные составляющие соответственно электрического или магнитного полей — Ez или Hz. Дипольные волны типа ЕН к НЕ имеют продоль-
Рис. 1.L Расположение векторов поля для поперечной ЭМ волны (ТЕМ)
ные составляющие и электрического, и магнитного полей — Ez и Н. ВоЛны высших типов — дисперсионные, т.е. их фазовая скорость зависит от частоты.
Особенностью волны ТЕМ является то, что она связана с потенциальным полем.. Картины ее электрического и магнитных полей S поперечном сечении НС даже при передаче сверхвысоких частот но меньших, чем критическая частота (^р), в точности совпад£ют со статическим электрическим или стационарным магнитный полями, которые можно получить, разместив на проводниках НС разноименные неподвижные электрические заряды или пропустив по ним постоянный электрический ток. Соответственно волна ТЕМ требует для своего существования, как минимум, деУх проводников в НС, и определяющими в таких НС являются тСки проводимости в проводниках.
Дисперсионные волны типов Е, Н, ЕН, НЕ связаны с вихревым ЭУ1 полем, они не требуют для своего существования наличия двух проводников Ки вообще наличия проводников), и определяющими в них являются токи смещения в диэлектрике.
Уравнения электродинамики в НС. При анализе условий передачи и расчете НС для волн любых типов применяются уравнения электродинамики (уравнения Максвелла) в дифференциальной форме.
Эти же уравнения можно использовать и при анализе процессов, происходящих в НС с передачей волны ТЕМ. Однако в этом случае возможно (и целесообразно) применение значительно более простыв соотношений электростатики или уравнений длинных линий с распределенными параметрами, полученных на основе уравнений 5?М поля в интегральной форме (см. гл. 14), с использовани
14
ем таких интегральных характеристик поля, как напряжение U и ток I, и характеристик среды (линии) — сопротивления R и индуктивности L, зависящих от проводников цепи, а также емкости С и проводимости изоляции G, зависящих от изоляции цепи.
При анализе процессов, происходящих при передаче дисперсионных волн, можно применять только уравнения ЭМ поля в дифференциальной форме с использованием таких его дифференциальных характеристик, как напряженности электрического Е и магнитного Н полей и среды (Еа, ца, а).
Для лучшего понимания структур ЭМ полей различных типов волн вспомним физический смысл основных уравнений ЭМ поля.
Уравнения ЭМ поля в интегральной форме
Закон полного тока устанавливает связь между электрическим током и напряженностью магнитного поля, созданного этим током: линейный интеграл вектора напряженности магнитного поля (Н) по любому замкнутому контуру (Z) равен полному току (сумме токов I), проходящему сквозь поверхность, ограниченную этим контуром:
(1.1)
L
где d/ — элемент длины контура L.
Закон электромагнитной индукции устанавливает связь между изменяющимся во времени магнитным полем и возникающим за счет этого изменения полем электрическим: электродвижущая сила (Э), возникающая в контуре (Z) при изменении магнитного потока (Ф), проходящего сквозь поверхность, ограниченную контуром, равна взятой со знаком минус скорости изменения этого потока (йФ/й/):
9 = 6£dZ = -—.	(1-2)
l	d/
Этот закон, открытый Фарадеем, обобщил Максвелл, который распространил его на любой контур (он может быть и мысленным) в любой среде, в том числе и в пустоте.
Для электростатического поля широко используется теорема Остроградского—Гаусса: поток вектора электрического смещения (D) сквозь замкнутую поверхность (S) равен сумме электрических зарядов (q) внутри объема, ограниченного этой поверхностью:
(1.3)
Уравнения ЭМ поля в дифференциальной форме
Система уравнений электродинамики (уравнения Максвелла) для произвольных ЭМ колебаний и для любых сред записывается в следующем виде:
15
rot Н = аЕ + ~ = Jnp + JCM; «	lip	СМ'	(1.4)
rot/? =	; St div D = p;	(1-5) (1-6)
div j? = 0; J = cE, D = £aE; 5 = ЦаЯ,	(1.7) (1.8) (1.9) (1.Ю)
где Jnp — вектор плотности тока проводимости; JCM — вектор плотности тока смещения; р — плотность электрических зарядов; В — вектор магнитной индукции.
Для гармонических ЭМ колебаний напряженности электрического и магнитного полей записываются в следующем виде:
Е = EmeJea; Н = Нте^' где Ет, Нт — амплитудные значения.
Соответственно
(1.П)
ЪВ ЪЕ „ дВ ан .	„
—	— J^&E,	— Ца — /®Ра^>
at at	at	at
уравнения (1.4), (1.5) будут иметь вид
rot// = оЕ + J(PEaE;	(1-12)
rot Е = -Jwpa Н,	(1-13)
где J — мнимое число.
Для проводящей среды Jnp » JCM и уравнение (1.12) имеет следующий вид (рис. 1.2, а):
rotH = aE = /пр.	(1.14)
Для идеального диэлектрика, когда токи проводимости отсутствуют и магнитное поле определяется током смещения (рис. 1.2, б),
rotH = jUEaE = JCM.	(1.15)
Уравнения (1.4), (1.5), как и (1.1), (1.2), отражают фундаментальное свойство ЭМ поля: любое изменение электрического поля вызывает появление переменного магнитного поля и любое изменение магнитного поля вызывает появление переменного электрического поля.
Заметим, что на основании этого свойства, открытого экспериментально, Максвелл ввел понятие тока смещения, определив
16
Рис. 1.2. Принцип возникновения магнитного поля в НС с проводниками (а) и без них (б)
а
его как dD/dt = z$E/dt — изменение во времени электрического поля, назвав его током формально из-за свойства (общего с обычным током проводимости) вызывать появление магнитного поля. Таким образом, в различных структурах ЭМ полей замкнутые линии магнитного поля (Н) охватывают токи (движущиеся заряды) или линии переменного электрического поля (£), а замкнутые линии электрического поля (Е) охватывают линии переменного магнитного поля (И) (см. рис. 1.2).
Виды ЭМ полей в НС. Приведем примеры различных ЭМ полей для разных типов волн. Вспомним, что в любой точке пространства линии напряженности электрического и магнитного полей взаимно перпендикулярны, и на проводящих элементах НС должны выполняться граничные условия: линии Е перпендикулярны проводнику (идеально проводящему), а линии Н ему параллельны.
На рис. 1.3 приведены картины ЭМ полей в коаксиальной и симметричной и кабельных цепях для волны ТЕМ. На рис. 1.4 приведена структура ЭМ полей для дисперсионной волны EOi (ТМ01) в круглом металлическом волноводе (МВ).
В НС чаще удобнее пользоваться цилиндрической системой координат, показанной на рис. 1.5. В ЭМ поле коаксильного кабеля (КК) имеются только радиальная составляющая электрического
Рис. 1.3. Картина ЭМ поля волны ТЕМ в коаксиальной (а) и симметричной (б) двухпроводных кабельных цепях
17
Рис. 1.4. Схематичная структура ЭМ поля волны £01 (TMOi) в круглом металлическом волноводе:
а — линии электрического и магнитного полей; б — направления векторов £г, Еп Щ
поля (Д) и тангенциальная составляющая магнитного поля (Яф) и такое поле называется радиальным.
В ЭМ поле симметричного кабеля (СК) присутствуют радиальные и тангенциальные составляющие электрического и магнитного полей: Еп Ev, Нп Hv.
В поле волны Е0| кроме радиальной составляющей электрического поля (£г) и тангенциальной составляющей магнитного поля (Яф) присутствует продольная составляющая электрического поля (Д). Обратим внимание на определенное сходство ЭМ полей волны ТЕМ в КК и волны Е01 в металлическом волноводе: их поперечные магнитные поля имеют похожую структуру, но связаны они с током, текущим по внутреннему проводнику КК, и переменным продольным электрическим полем (Д) для волны Еох в МВ (см. рис. 1.4).
Волны высших типов кроме буквенных обозначений имеют и цифровые индексы:	Н„т, НЕпт и т. п. Здесь первый индекс п
указывает число изменений поля (стоячих полуволн) по окружности, а индекс второй т — по диаметру волновода.
На рис. 1.6 приведена структура ЭМ поля для другой волны в МВ — магнитной Нх i (ТЕХ ।). Здесь имеют место почти все составляющие ЭМ поля (Д, Еч, Ez, Нп Ну) и только одна продольная составляющая электрического поля Е2 = 0.
Конфигурация полей дисперсионных волн зависит от способа возбуждения их в волноводе (вида и расположения введенной внутрь него излучающей антенны), от формы и размеров волновода и
Рис. 1.5. Цилиндрическая система координат
18
Рис. 1.6. Схематичная структура ЭМ поля волны Ни (ТЕи) в поперечном и продольном сечениях металлического волновода
Е
длины волны. Отметим, что в волноводных НС дисперсионные волны могут распространяться, как правило, в том случае, если длина волны передаваемых ЭМ колебаний соизмерима (или меньше) с поперечным размером НС.
Для каждого вида электромагнитных дисперсионных волн (их называют также волнами высших типов) существует своя критическая частота ниже которой они существовать не могут. В то же время основная ЭМ волна ТЕМ не может существовать выше критической частоты, при достижении которой она перерождается в волны высших типов.
Контрольные вопросы
1.	Каковы основные конструктивные элементы кабельных изделий и для чего они предназначены?
2.	В каких случаях используются полимерные влагозащитные оболочки?
3.	Какие общие свойства имеют различные направляющие системы передачи электромагнитного поля?
4.	Какие существуют типы волн в направляющих системах и в чем состоит их различие?
5.	Каков вид основных уравнений электромагнитного поля в интегральной и дифференциальной формах?
6.	Каковы условия существования бездисперсионной волны в направляющей системе?
Глава 2
КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КАБЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ
2.1.	Принципы классификации кабельных изделий
Кабельные изделия можно классифицировать по различным признакам:
по группам однородной продукции;
составу конструктивных элементов;
материалу изоляции;
назначению;
области применения.
По группам однородной продукции стандартизуются кабельные изделия в целом. Установлены 25 групп однородной кабельной продукции:
1	— кабели силовые для стационарной прокладки на напряжения до 35 кВ;
2	— кабели силовые для стационарной прокладки на напряжение ПО кВ и выше;
3	— кабели силовые для нестационарной прокладки;
4	— кабели связи симметричные;
5	— кабели связи коаксиальные;
6	— кабели связи телефонные;
7	— кабели связи телефонные распределительные;
8	— кабели радиочастотные;
9	— кабели оптические;
10	— кабели управления;
11	— кабели контрольные;
12	— провода неизолированные для воздушных линий электропередачи;
13	— провода неизолированные гибкие;
14	— провода силовые изолированные;
15	— провода обмоточные с эмалевой изоляцией;
16	— провода обмоточные с эмалево-волокнистой, волокнистой, пластмассовой и пленочной изоляцией;
17	— провода монтажные низковольтные;
18	— провода монтажные высоковольтные;
19	— провода бортовые;
20	— провода ленточные;
20
21	— провода зажигания;
22	— шнуры силовые;
23	— провода телефонные распределительные;
24	— арматура силовых кабелей;
25	— шнуры слаботочные.
Кроме того, имеется еще одна (26-я) общая группа продукции, в которую входят отдельные виды или группы кабельных изделий, не вошедшие в 25 перечисленных групп.
По составу конструктивных элементов кабельные изделия можно подразделить на следующие большие группы: электрические провода, электрические шнуры и электрические кабели.
Провод — это кабельное изделие, содержащее одну или несколько скрученных проволок либо одну или более изолированных жил, поверх которых (в зависимости от условий прокладки и эксплуатации) может иметься легкая неметаллическая оболочка, обмотка и (или) оплетка из волокнистых материалов или проволоки; не предназначено, как правило, для прокладки в земле.
Шнур — это провод с изолированными жилами повышенной гибкости, служащий для соединения с подвижными устройствами.
Кабель — это кабельное изделие, содержащее одну или более изолированных жил (проводников), заключенных в металлическую или неметаллическую оболочку, поверх которой в зависимости от условий прокладки и эксплуатации может иметься соответствующий защитный покров (возможно, с броней), и пригодное, в частности, для прокладки в земле или под водой.
По материалу изоляции все кабельные изделия можно подразделить на следующие группы:
неизолированные провода;
кабели и провода с бумажной (пропитанной и непропитанной) изоляцией;
кабели, провода и шнуры с пластмассовой изоляцией;
кабели, провода и шнуры с резиновой изоляцией;
эмалированные провода;
провода и кабели с волокнистой и комбинированной изоляцией.
Классификация по этому признаку важна при рассмотрении вопросов, связанных с технологией производства кабельных изделий, в соответствии с которой производится специализация кабельных цехов или заводов.
Однако приведенные три варианта классификации не отражают главного в кабельном изделии — его назначения.
По назначению кабельные изделия можно подразделить на следующие группы:
кабели и провода высокого напряжения;	1
кабели, провода и шнуры низкого напряжения;
21
кабели связи;
радиочастотные кабели;
обмоточные провода.
Кабели и провода высокого напряжения характеризуются высоким (свыше 1000 В) значением рабочего напряжения. К ним отно-'*г сятся неизолированные провода для воздушных ЛЭП, силовые кабели для передачи и распределения электроэнергии, высоковольтные монтажные провода для соединения элементов радиоэлектронной и электротехнической аппаратуры, а также провода для систем зажигания и запуска автомобилей и летательных аппаратов.
Кабели, провода и шнуры низкого напряжения предназначены для распределения электроэнергии во вторичных (низковольтных) сетях, для осуществления дистанционного управления системами контроля и автоматики и их силового питания (кабели управления и контроля), монтажа низковольтных схем электро- и радиоэлектронной аппаратуры (монтажные провода и кабели), цепей освещения и подключения бытовой аппаратуры (установочные провода и бытовые шнуры).
Кабели связи используются для передачи информации, т.е. во всех видах проводной связи (телефонной, телевизионной, передаче данных и др.) как в аналоговой, так и в цифровой (импульсной) форме.
В зависимости от диапазона рабочих частот они могут быть низкочастотными (местная связь), высокочастотными (дальняя связь) и оптическими.
Радиочастотные кабели применяются для передачи высокочастотной (свыше 1 МГц) электроэнергии в качестве фидеров, соединяющих передающую и приемную аппаратуру с антеннами, а также для монтажа и соединения радиоаппаратуры и систем кабельного телевидения.
Обмоточные провода применяются для изготовления разнообразных обмоток электрических машин, аппаратов и электроизмерительных приборов.
Внутри каждой из перечисленных групп существует подразделение кабельных изделий в зависимости от их основных технических параметров, особенностей конструкции или применяемых материалов. Однако общие принципы конструирования и расчета (методы и основные формулы расчета, рекомендации по выбору конструкций и материалов и др.) в пределах одной классификационной группы остаются неизменными. Например, силовые кабели могут иметь разные число и форму токопроводящих жил, а следовательно, и разную конфигурацию электрического поля в изоляции (радиальное и нерадиальное), также они могут иметь разную изоляцию, но принцип расчета конструкций этих кабелей один — выполнение электрического и теплового расчетов, т. е. оп
22
ределение необходимой толщины изоляции, обеспечивающей длительную работу кабеля при приложении заданного рабочего напряжения, и значения допустимого рабочего тока.
Классификация кабельных изделий по назначению выполняется в зависимости от значения трех основных «электрических» параметров — напряжения, тока и частоты, которыми и определяются особенности конструирования и расчета перечисленных групп кабельных изделий.
Для кабельных изделий высокого напряжения расчет толщины изоляции проводится исходя из ее электрической прочности, а площадь сечения токопроводящих жил определяет допустимый рабочий ток кабеля.
Для кабельных изделий низкого напряжения толщина изоляции выбирается исходя из технологических соображений или необходимости обеспечения достаточной механической прочности.
По кабельным изделиям высокого и низкого напряжения могут передаваться как значительные, так и незначительные токи. В первом случае площадь сечения токопроводящих жил выбирается исходя из нагревостойкости изоляции, т.е. требования обеспечения длительно допустимой температуры жилы (из теплового расчета). В случае небольших токов площадь сечения жил выбирается исходя из допустимого значения падения напряжения по длине кабельного изделия или же из соображений обеспечения достаточной механической прочности жилы.
Вид напряжения (переменное, постоянное) и частота тока также оказывают решающее влияние на принципы конструирования кабельных изделий.
По области применения все кабельные изделия условно можно подразделить на две большие группы — изделия общего и специального применения.
Кабельные изделия общего применения используются для обеспечения энергоснабжения промышленных предприятий, гражданских сооружений и электрифицированного транспорта, всех видов местной и дальней связи, а также для обеспечения бытовых нужд населения.
К кабельным изделиям общего применения можно отнести:
силовые кабели с пропитанной бумажной, пластмассовой и резиновой изоляцией;
силовые кабели с пластмассовой изоляцией для сельского хозяйства;
провода с пластмассовой и резиновой изоляцией для распределения электрической энергии и выводов обмоток электрических машин и аппаратов;
кабели контрольные, управления, сигнализации и блокировки; монтажные провода и кабели;
23
гибкие кабели, провода и шнуры для присоединения к передвижным или переносным электроустановкам и бытовой электро-и радиоэлектронной аппаратуры;
кабели и провода для электрифицированного транспорта;
кабели местной и дальней связи;
радиочастотные кабели.
Кабельные изделия специального применения отличаются от соответствующих изделий общего применения наличием предъявляемых к ним особых требований, вызванных спецификой их использования в различных отраслях или в условиях особых климатических воздействий.
Кабельные изделия специального применения можно подразделить на следующие основные группы:
кабели для питания передвижных механизмов, используемых для землеройных и открытых горных работ;
шахтные кабели и провода;
кабели для нефтегазовой промышленности;
кабели и провода для геофизических работ;
кабели и провода для авиационной и космической техники; судовые кабели и провода;
подводные кабели;
кабели для систем кабельного телевидения; нагревательные кабели, провода и шнуры;
специальные кабели и провода для различных областей техники.
Кабели для питания передвижных механизмов работают в условиях перемещения по поверхности земли, т. е. при наличии неровностей почвы, а следовательно, они должны обладать повышенной гибкостью, стойкостью к механическим растягивающим, ударным и истирающим нагрузкам, а также высокими влагостойкостью и химической стойкостью. В случае питания мощных энергоемких механизмов эти кабели должны быть высоковольтными (до 35 кВ) и иметь вспомогательные жилы для обеспечения заземления корпуса механизма в условиях его перемещения.
Шахтные кабели и провода используются для питания угольных комбайнов и другой специальной техники, а также для освещения, управления и сигнализации, монтажа различной электроаппаратуры и организации местной связи. Эти кабельные изделия работают в условиях ограниченного свободного пространства. При перемещении по штрекам колесного транспорта существует вероятность наезда на проложенный кабель или повреждения его в случае локальных обвалов пород. Учитывая наличие в шахтах взрывоопасных газов, необходимо исключить возможность короткого замыкания при повреждении кабелей, т.е. шахтные кабели должны обладать высокой гибкостью, повышенной механической прочностью (стойкостью к ударам и раздавливанию), быть негорючими, пожаробезопасными. По этой причине в конструкции ряда
24
кабелей предусматривается применение специальных упрочняющих профильных сердечников между изолированными жилами, а также специальных конструктивных элементов (экранов, дополнительных жил) для создания систем опережающего отключения, которые обесточивают кабель до момента замыкания жил при его механическом повреждении. В качестве материалов для шахтных кабелей используются резины, не распространяющие горение, и поливинилхлоридные (ПВХ) пластикаты.
Кабели для нефтегазовой промышленности обеспечивают питание электродвигателей погружных насосов, применяемых для добычи нефти, и нефтебуров, используемых при бурении нефтяных скважин. Эти кабели должны обладать повышенной гибкостью, радиальной герметичностью, стойкостью к агрессивным средам, способностью работать при повышенном гидростатическом давлении в условиях вибраций, динамических нагрузок и частых спусков в скважины.
Кабели и провода для геофизических работ применяются при исследовании скважин, бурящихся на нефть, газ, уголь, руду и другие ископаемые, а также при проведении полевых геофизических работ различными методами. Их можно подразделить на две группы: кабели грузонесущие для работы в глубоких скважинах и кабели и провода для полевых геофизических работ.
Особенностью грузонесущих кабелей является их работа в скважинах на значительной глубине в различных буровых растворах при повышенных температурах и давлениях, которые к тому же растут по мере углубления скважины. Эти кабели должны выдерживать значительные разрывные нагрузки под действием собственной массы и массы приборов, подвешиваемых на их конце, а также резких толчков и других механических воздействий, возникающих при спуске и подъеме кабеля. Механическую прочность таким кабелям придают использованием брони в виде двух повивов высокопрочной стальной оцинкованной проволоки диаметром 0,8... 1,3 мм, а также использованием сталемедных токопроводящих жил. В зависимости от требуемой нагревостойкости в качестве материалов для изоляции используются резины, полиэтилен или плавкие фторопласты, а для оболочки — нефтемаслостойкие и теплостойкие резины или нагревостойкие пластмассы, например плавкие фторопласты. Особенностями этих кабелей является также то, что они должны выпускаться большой строительной длиной, соответствующей глубине скважин, и обладать способностью передавать информационные сигналы от аппаратуры в скважине, что определяет специальные требования по высокочастотным свойствам к жилам и изоляции.
Кабели и провода для геофизических исследований в полевых условиях работают при температурах окружающей среды от -50 до +50 °C, их токопроводящие жилы выполняются из сталемедной про
25
волоки или из стальных и медных проволок, изоляция — из полиэтилена, оболочка — из ПВХ пластиката.
Кабели и провода для авиационной и космической техники обеспечивают монтаж бортовой сети, различной радиоэлектронной аппаратуры и приборов, а также систем зажигания и запуска само-летов, ракет и космических аппаратов. Основными специальными требованиями к этим кабельным изделиям являются малая масса, негорючесть, стойкость к воздействию глубокого вакуума, циклическим изменениям температуры, ионизирующим излучениям, вибрациям, ударам, а также высокие нагревостойкость, морозостойкость и повышенная надежность. Миниатюризация конструкций кабелей и проводов, т. е. уменьшение их размеров (и прежде всего, площади сечения токопроводящих жил), неизбежно вызывает требование обеспечения повышенной нагревостойкости изоляции, поэтому в этих изделиях широко применяются различные фторопласты и теплостойкие резины (на основе кремнийоргани-ческих каучуков и фторкаучуков). Также используются жилы упрочненные и имеющие защитные покрытия (луженые или посеребренные).
Судовые кабели и провода предназначены для цепей силового питания, контроля, освещения, сигнализации и связи на судах морского и речного флота, а также на береговых и плавучих сооружениях. К ним предъявляются особые требования, вызванные спецификой их работы: прокладка в ограниченном пространстве, в пучках, часто проходящих через водонепроницаемые перегородки, разделяющие отсеки в трюмах. По этой причине от них требуются повышенная нагревостойкость, негорючесть, стойкость к действию морской воды, нефти, различных масел, радиальная и продольная герметичность, пожаростойкость и повышенная надежность. Для таких кабельных изделий используются различные резины, облученный полиэтилен, специальные ПВХ пластикаты, минеральная изоляция, а для продольной герметизации применяются термопластичные и термореактивные эластомеры.
Подводные кабели предназначены для сооружения магистральных линий связи, пересекающих большие водные пространства. Эти кабели должны обладать высокой прочностью к растягивающим нагрузкам, возникающим под действием собственной массы при прокладке их с кабелеукладочного судна, стойкостью к морской воде, способностью работать при высоком гидростатическом давлении (до 70 МПа на глубинах 6...7 км). Кроме того, подводные кабели должны выпускаться большой строительной длины и иметь встроенные промежуточные усилители. Ранее для этих целей использовались коаксиальные кабели большого размера со сплошной полиэтиленовой изоляцией и броней из круглых проволок, наложенных поверх наружного проводника, или со стальным тросом внутри трубчатого внутреннего проводника
26
для обеспечения необходимой разрывной прочности. В последнее время широко используются оптические кабели связи для подводной прокладки, которые имеют значительно большие пропускную способность и расстояние между встроенными регенераторами.
Кабели для систем кабельного телевидения обеспечивают передачу телевизионного сигнала от передающего центра непосредственно до телевизионного приемника по материальной среде двухпроводной (коаксиальной) цепи. По конструкции это коаксиальные радиочастотные кабели, но условия их работы отличаются от обычных для этих кабелей. Во-первых, длина их может достигать сотен и тысяч метров, что отвечает особенностям использования кабелей дальней связи. Во-вторых, они прокладываются в телефонной кабельной канализации, как и городские телефонные кабели, а по диапазону частот (сотни мегагерц) соответствуют обычным радиочастотным кабелям.
Нагревательные кабели, провода и шнуры используются для обогрева производственных, сельскохозяйственных, жилых помещений, гражданских объектов (крыш и карнизов зданий, тротуаров и т.п.), промышленных объектов (трубопроводов), а также для нагрева различных промышленных агрегатов и в бытовых нагревательных устройствах. Они представляют собой распределенные по длине нагреватели, которые могут быть проложены под полами, внутри стен, чехлов и т.п.
Особенностью этих кабельных изделий является схема включения, в которой обычно начало и конец одной токопроводящей жилы подключается к питающему напряжению и ток определяется сопротивлением этой жилы. Длина таких кабелей может быть от одного до сотен метров, токопроводящие жилы могут быть медными, стальными или из сплавов с высоким сопротивлением, а изоляция — обычной теплостойкости (полиэтилен) или нагревостойкой (фторопласты, кремнийорганические резины или неорганические минеральные материалы).
Перечисленные группы кабельных изделий не охватывают все разнообразие выпускаемой кабельной продукции. Ввиду ограниченности объема данной книги не представляется возможным рассмотреть особенности многих других типов кабелей и проводов, поэтому можно объединить их все в одну общую группу — специальные кабели и провода для различных отраслей техники. Сюда можно отнести кабели рентгеновские для электронных микроскопов, излучающие радиочастотные, аэродромные и прожекторные, для электросварки, питания осветительных приборов студий телецентров, а также протяженные кабели — датчики температуры для использования в системах противопожарной сигнализации, термопарные кабели, медицинские кабели и провода, в том числе вживляемые в человеческий организм, и др.
27
2.2.	Характеристики некоторых групп кабельных изделий
2.2.1.	Кабели и провода энергетического назначения
К кабелям и проводам энергетического назначения относятся силовые кабели, неизолированные провода для воздушных линий электропередачи, изолированные самонесущие провода, контрольные кабели и различные типы силовых проводов.
Провода для воздушных линий электропередачи. Для передачи энергии, производимой с высоким напряжением, на дальние расстояния предпочтительно использование воздушных линий электропередачи, так как кабельные линии в большинстве случаев значительно дороже.
Для воздушных линий электропередачи, а также для соединений на подстанциях и электроснабжения электрифицированного транспорта используют неизолированные провода. Провода для воздушных линий изготавливаются из алюминия (провода марки А с сечением 10... 1500 мм2), реже из меди (провода марки М с сечением 4...400 мм2). Широко используются также усиленные сталеалюминиевые провода марки АС с сечением 10... 1250 мм2. Сталеалюминиевые провода имеют большую механическую прочность в продольном направлении по сравнению с алюминиевыми за счет наличия стального сердечника.
Алюминиевые и (в большей степени) сталеалюминиевые провода имеют меньшую коррозионную стойкость, чем медные, особенно при воздействии агрессивных сред (например, вблизи морских побережий). В этом случае используются провода аналогичной конструкции, покрытые слоем антикоррозионного защитного смазочного материала. Медные провода для воздушных линий электропередачи из-за их дефицитности и большей стоимости используются только там, где их невозможно заменить алюминиевыми и сталеалюминиевыми. Так как передача электрической энергии по воздушным ЛЭП на большие расстояния по экономическим причинам предпочтительнее передачи энергии по кабельным линиям, неизолированные сталеалюминиевые провода в настоящее время выпускаются и используются в энергетике в больших объемах.
Силовые кабели с бумажной пропитанной изоляцией на напряжения 1...35 кВ. Эти кабели предназначены для передачи и распределения электрической энергии в стационарных установках на номинальные напряжения от 1 до 35 кВ с частотой 50 Гц в сетях с изолированной нейтралью, а также в сетях с заземленной нейтралью и сетях постоянного напряжения. Силовые кабели выпускаются одно-, двух-, трех- или четырехжильными. Жилы могут быть медными или алюминиевыми, круглой, секторной или сегмент
28
ной формы. Кабели на напряжения 1... 10 кВ имеют, как правило, трехфазное исполнение. Использование двух- и четырехжильных кабелей возможно только на напряжение 1 кВ.
Кабели с бумажной пропитанной изоляцией могут быть одно-, трех- и четырехжильными, причем одно- и четырехжильные кабели изготавливают только на напряжение 1 кВ, а трехжильные могут быть на 1; 3; 6 и 10 кВ. Основными особенностями кабелей на напряжения 1... 10 кВ является отсутствие экранов на изоляции и применение секторных токопроводящих жил, что позволяет уменьшить их наружный диаметр на 15... 25 %, а также массу и стоимость.
На напряжения 20 и 35 кВ используются конструкции кабелей с отдельно экранированными жилами и радиальным электрическим полем. В отечественной практике используются кабели с отдельно освинцованными жилами.
Определить, к какой группе и какому типу относится данный кабель или провод можно по его марке, которая представляет собой некоторый набор букв и цифр. Буквы обычно указывают основные конструктивные особенности кабеля или (иногда) его назначение. Цифры могут указывать (например, для силового кабеля) число и площадь сечения фаз кабеля или класс напряжения, для которого этот кабель предназначен.
Для силовых кабелей с бумажной пропитанной изоляцией на напряжения 1; 3; 6; 10; 20 и 35 кВ буква «А» в начале марки означает, что их жила изготовлена из алюминия, если же эта буква отсутствует, это означает, что в качестве материала жилы использовалась медь. Для увеличения гибкости жилы большого сечения изготавливаются многопроволочными, т. е. из нескольких десятков отдельных проволок, которые скручиваются вокруг центрального сердечника для придания большей геометрической устойчивости конструкции. Это также снижает электрическое сопротивление жилы за счет уменьшения поверхностного эффекта и эффекта близости от токов в соседних кабелях (которые особенно проявляются на высоких частотах). Жилы для увеличения коэффициента заполнения (отношение площади сечения жилы по меди к геометрической площади ее поперечного сечения) могут выполняться уплотненными. Для этого после скрутки их подвергают воздействию сжимающих усилий в радиальном направлении. Характеристики различных типов токопроводящих жил представлены в табл. 2.1.
Требуемые сечения жил в основном определяются током, на который рассчитан кабель, его конструкцией и способом прокладки.
Изоляция силовых кабелей состоит из лент кабельной бумаги,, пропитанной маслоканифольным составом. Каждая фаза кабеля сначала изолируется отдельно, а затем поверх скрученных изолированных жил накладывается общая поясная изоляция. Промежутки между изолированными жилами заполняются жгутами из бума-
29
Таблица 2.1
Характеристики различных типов токопроводящих жил
Тип жилы	Номинальное сечение жилы, мм2			
	круглой		фасонной	
	медной	алюминиевой	медной	алюминиевой
Однопроволочная	1...50	25...240	25...50	25 ...240
Многопроволочная	16... 240	25...240	25... 240	25...240
ги. Электрическое поле в кабелях с поясной изоляцией имеет сложный вид. Так как силовые линии в некоторых областях сечения кабеля не перпендикулярны слоям бумаги, в изоляции появляется тангенциальная составляющая напряженности электрического поля. Если учесть, что электрическая прочность изоляции в направлении, перпендикулярном слоям бумажной изоляции, в 8—10 раз больше, чем вдоль этих слоев, становится очевидным, что наиболее опасным местом в изоляции являются межфазные заполнения. Таким образом, толщина изоляции между фазами должна быть приблизительно на 36 % больше толщины изоляции между жилами и оболочкой. Так, для кабелей на напряжение 6 кВ толщина фазной изоляции составляет 2 мм, а поясной — 0,95 мм; для кабелей на напряжение 10 кВ — соответственно 2,75 и 1,25 мм.
Материал изоляции в маркировке кабеля с изоляцией из кабельной бумаги не указывается, но может указываться состав, пропитывающий бумагу. Дело в том, что используемая в качестве изоляции специальная кабельная бумага, изготовляемая из сульфатной целлюлозы, в сухом виде имеет недостаточно высокую электрическую прочность из-за большого количества пор, заполненных воздухом (до половины объема бумаги). Это объясняет развитие ионизационных процессов и при низких напряжениях. В случае удаления воздуха, например, посредством пропитки бумаги специальными вязкими масло-канифольными составами, ее электрическая прочность увеличивается в несколько (до 10) раз. Однако такие кабели нельзя прокладывать на трассах с разностью уровней более 15 м из-за того, что на нижних участках трассы, куда будет стекать пропитывающий состав, резко возрастает давление масла. Это может привести к разрыву металлической оболочки. Стекание состава происходит в основном по промежуткам между проволоками в скрученных многопроволочных жилах и по зазорам между металлической оболочкой и изоляцией, а также (в меньшей степени) внутри бумажной изоляции. При этом в верхних участках трассы будет уменьшаться электрическая прочность кабеля вследствие возникновения воздушных зазоров в изоляции. Уменьшить стекание пропиточного состава можно применением стопорных
30
муфт при соединении строительных длин кабеля, уменьшением объема пропитывающего состава и увеличением его вязкости. Стопорные муфты, ограничивающие перемещение пропитывающего состава из одной секции кабельной линии в другую, позволяют увеличить разность уровней прокладки кабелей. Однако для крутонаклонных и вертикальных трасс их применение не всегда эффективно. Значительно увеличивает допустимое значение разности уровней прокладки использование кабелей с обедненной пропитанной изоляцией. Электрическая прочность таких кабелей ниже, чем кабелей обычной конструкции, поэтому они выпускаются на напряжения не выше 6 кВ.
Для прокладки на вертикальных и крутонаклонных трассах без ограничения разности уровней существует специальная группа кабелей с бумажной изоляцией, пропитанной нестекающим составом. Этот пропиточный состав имеет большую вязкость, что практически исключает его перемещение вдоль кабеля. Кабели с изоляцией, пропитанной нестекающим составом, выпускаются на напряжения 6, 10 и 35 кВ в одножильном и трехжильном исполнении, причем их конструкции практически не отличаются от конструкций обычных кабелей. Марка таких кабелей начинается с буквы «Ц». В обозначении кабелей с обедненно-пропитанной изоляцией добавляется через дефис буква «В». Толщина изоляции определяется классом напряжения, на которое рассчитан кабель. Также она зависит от наружного диаметра жилы (ее сечения), что объясняется обратно пропорциональной зависимостью напряженности электрического поля в изоляции у поверхности жилы от ее диаметра.
Буква «С» в обозначении кабеля указывает на наличие свинцовой оболочки. Материалом для таких оболочек может служить либо свинец, либо свинцово-сурьмянистые сплавы, которые имеют повышенные механическую прочность и вибростойкость по сравнению с чистым свинцом.
В кабелях с бумажной пропитанной изоляцией используется только металлическая герметичная оболочка. Использование полиэтилена, поливинилхлорида или других полимеров несмотря на их сравнительно низкую стоимость невозможно, так как через такую оболочку влага со временем будет диффундировать в изоляцию, что может привести к пробою кабеля.
В качестве материала оболочки может использоваться также и алюминий, который не такой дефицитный и тяжелый, как свинец. В этом случае в обозначение кабеля будет входить будет входить буква «А». Однако так как алюминий имеет меньшую стойкость к электрохимической коррозии, такую оболочку необходимо защищать полимерным покровом; атак как алюминиевая оболочка имеет повышенную жесткость, для кабелей больших сечений ее необходимо гофрировать, чтобы повысить гибкость и обеспечить прокладку, исключив возможные повреждения при изгибах.
31
Кроме того, алюминиевые оболочки в 2—2,5 раза прочнее свинцовых и более стойкие к вибрационным воздействиям. Так, при повышенных температурах и под воздействием вибрационных нагрузок наблюдается самопроизвольный рост кристаллов свинца, что ведет к ухудшению его механических свойств и образованию трещин. При длительном приложении растягивающих усилий прочность свинцовой оболочки снижается и она вытягивается. Из-за этого на нижних участках вертикальных и крутонаклонных трасс наблюдаются необратимые процессы растяжения свинцовых оболочек маслонаполненных кабелей, которые могут привести к их разрыву.
Высокая электропроводность алюминия дает возможность использовать оболочки из него в качестве экрана для зашиты кабеля от внешних электрических воздействий, особенно при высоких частотах или в случае использования оболочки в качестве нулевой жилы.
Металлические оболочки достаточно герметичны, но не всегда могут обеспечить необходимую защиту от механических воздействий. Так, при прокладке в земле на кабель могут оказываться значительные радиальные воздействия. В этом случае обычно поверх оболочки с небольшим шагом накладывают броню из двух стальных лент толщиной 0,3...0,8 мм. Чтобы броня не повреждала свинцовую или алюминиевую оболочку, ее укладывают на подушку, которая представляет собой чередующиеся слои кабельной пряжи и кабельной бумаги, пропитанные битумным составом. Для предотвращения коррозии стальных лент поверх брони накладывают наружный покров. Такой тип защитных покровов маркируется буквой «Б», которая в зависимости от типов подушки и наружного покрова может иметь соответствующий индекс.
Если при прокладке на кабель действуют значительные растягивающие усилия, от которых броня из стальных лент, наложенных с небольшим шагом, защитить не может, используют стальные оцинкованные проволоки диаметром 4 или 6 мм. Проволочную броню накладывают с небольшим шагом сплошным пови-вом, и она способна выдержать значительные растягивающие усилия. В этой конструкции также предусматриваются подушка под броню и наружный покров. Маркируется такой защитный покров буквой «К» с индексом, указывающим особенности конструкции подушки под броню и наружного покрова.
Наружный покров кабелей может изготавливаться из волокнистых материалов или пластмассы. Волокнистый наружный покров состоит из слоя битумного состава, пропитанной кабельной пряжи, еще одного слоя битумного состава и мела (или дробленой слюды), предотвращающего слипание витков кабеля на барабане. Пластмассовый наружный покров кабелей состоит из слоя битумного состава, полимерных лент и полиэтиленового (ПЭ) или ПВХ
32
шланга. ПВХ шланги, наложенные поверх брони силовых кабелей, обеспечивают их негорючесть. ПЭ шланги, обладающие большей влагостойкостью и меньшей водопроницаемостью, используют для защиты алюминиевых оболочек от коррозии.
В случае прокладки кабеля в воздухе необходимость его защиты от механических воздействий отпадает, но в этом случае металлическая оболочка должна быть защищена от атмосферных воздействий. Соответствующий защитный покров обозначается буквой «Г». Благодаря большей механической прочности кабели с алюминиевыми оболочками могут выполняться небронированными.
Приведем несколько примеров маркировки силовых кабелей с бумажной пропитанной изоляцией на напряжения 1... 10 кВ, конструкция которых представлена на рис. 2. Г.
СГ — кабель с медной жилой, свинцовой оболочкой, без защитного покрова;
АСГ — то же, но с алюминиевой жилой;
СКл — кабель с медной жилой и броней из круглых луженых проволок (используется для подводной прокладки);
ЦААБШв — кабель с изоляцией, пропитанной нестекаюшим составом, алюминиевой жилой и оболочкой, а также с броней из двух стальных лент, покрытой шлангом из ПВХ пластиката (используется для прокладки в земле);
СБл-В — кабель с медными жилами, броней из двух луженых стальных лент и обедненно-пропитанной изоляцией (используется для прокладки в земле при больших перепадах высоты на трассе).
Силовые кабели на напряжения 20 и 35 кВ поверх изоляции каждой жилы имеют проводящий экран и металлическую оболочку. Кабели на напряжение 20 кВ изготавливают одножильными с сечениями 25... 400 мм2 и трехжильными (в отдельных металлических оболочках) с сечениями 25... 185 мм2. Кабели на напряжение 35 кВ изготавливают одножильными с сечениями 120... 300 мм2 и трехжильными (в отдельных металлических оболочках) с сечениями 120 и 150 мм2, а кабели с броней из круглых проволок — с сечением 150 мм2.
Рис. 2.1. Конструкция трехжильного кабеля с поясной изоляцией:
1 — токопроводящая жила; 2 — жильная изоляция; 3 — поясная изоляция;
4 — межфазные заполнения; 5 — свинцовая или алюминиевая оболочка; 6 — подушка под броню; 7— броня из двух стальных лент; 8 — наружный защитный покров
2 Пешков
33
Рис. 2.2. Конструкция трехжильного кабеля с отдельно освинцованными жилами для подводной прокладки:
1 — токопроводящая жила; 2, 4— экран из полупроводящей бумаги; 3 — пропитанная бумажная изоляция; 5— свинцовая оболочка; 6 — заполнение из пропитанной кабельной пряжи; 7— проволочная броня; 8— наружный защитный покров
В кабелях на напряжение 35 кВ не используют жилы с небольшими сечениями, так как в этом случае толщина изоляции получается неоправданно большой, т.е. применение таких кабелей становится неэкономичным. Поверх круглых медных или алюминиевых жил в этих кабелях накладывают экран из полупроводящих лент, затем бумажную пропитанную изоляцию, снова экран и свинцовую оболочку. Конструкция кабеля для подводной прокладки представлена на рис. 2.2.
Толщина изоляции в кабелях на 20 кВ составляет 6... 7 мм в зависимости от сечения жилы, а в кабелях на 35 кВ — не превышает 9 мм. Толщина свинцовой оболочки этих кабелей зависит от сечения жилы и составляет 1,4...2,8 мм. (Алюминиевые оболочки для та-
ких кабелей из-за своей жесткости применения не нашли.) От-
дельно освинцованные жилы скручивают с заполнением проме-
жутков между ними пропитанной кабельной пряжей или стекло-пряжей. Снаружи на скрученные фазы с заполнением накладывают тканевую ленту или кабельную пряжу, а затем защитные по

кровы.
Приведем примеры маркировки силовых кабелей на напряжения 20 и 35 кВ:
ОСБ — силовой кабель с тремя отдельно изолированными и освинцованными медными жилами и ленточной броней;
АОСК — силовой кабель с тремя отдельно изолированными и освинцованными алюминиевыми токопроводящими жилами и броней из круглых проволок.
За рубежом большое распространение получили так называемые Я-кабели, в которых три изолированные и экранированные жилы скручивают вместе и помещают в общую свинцовую или гофрированную алюминиевую оболочку. Радиальное поле в них обеспечивает экран из медных лент, накладываемый поверх изоляции каждой жилы. В последнее время нашли распространение Я-кабели с секторными жилами.
На изготовление Я-кабелей, имеющих несколько меньшую площадь поперечного сечения, требуется меньше материалов, однако кабели с отдельно освинцованными жилами более гибкие, содер
34

жат меньшее количество пропитывающего состава и обеспечива
ют лучшие условия теплоотвода.
Маслонаполненные кабели низкого и высокого давления. Маслонаполненные кабели с бумажной пропитанной изоляцией на
высокое напряжение изготавливаются только с медными жилами и свинцовыми или алюминиевыми оболочками. Такие кабели находят применение при подводной прокладке, в системах электроснабжения крупных городов, для вывода мощности и схемных соединений на электростанциях и т.п.
Для повышения электрической прочности изоляцию пропитывают маловязким маслом под давлением, что препятствует образованию воздушных включений в газовых пленках, увеличивая давление в них. По избыточному давлению масла в изоляции различают маслонаполненные кабели низкого и высокого давления. В кабелях низкого давления со свинцовой оболочкой избыточное давление составляет 0,025...0,3 МПа, а с алюминиевой гофрированной оболочкой — 0,025...0,5 МПа. В кабелях высокого давления оно равно 0,11 ...0,16 МПа. В отечественной практике кабели низкого давления с сечениями жил 120...800 мм2 используют в трехфазных цепях с номинальным напряжением ПО...220 кВ. Кабели высокого давления с жилами тех же сечений рассчитаны на напряжения ПО... 500 кВ.
Кабели низкого давления имеют однофазную конструкцию с масляным каналом в центре круглой жилы, изготовленной из медных отожженных луженых проволок. Если изоляция кабеля пропитывается синтетическим маслом, допускается использование жилы
Рис. 2.3. Поперечное сечение токопроводящей жилы с внутренним повивом из Z-образных проволок
из нелуженых проволок.
Жила сечением 120 мм2 должна иметь в центре канал диаметром 9 мм, сечениями 150...625 мм2 — 12 мм, а сечением 800 мм2 — не менее 14 мм. Масло под давлением из этого канала может проникать в бумажную изоляцию. Чтобы обеспечить достаточную жесткость и геометрическую стабильность формы, жилы маслонаполненных кабелей низкого давления изготавливают преимущественно из луженых Z-образных проволок, образующих канал необходимого размера, и одного или двух пови-вов сегментных проволок в зависимости от требуемого сечения жилы (рис. 2.3).
Для обеспечения свободного проникновения масла из внутреннего канала в изоляцию на поверхности проволок, образующих этот санал, наносят специальные насечки. Поверх килы накладывают электрический экран из «скольких лент полупроводящей бумаги и 1золяцию из высоковольтной кабельной бумаги. Слой изоляции, прилегающий к экрану
35
по жиле, изготавливают из высоковольтной кабельной уплотненной бумаги толщиной 0,08 мм, остальную часть изоляции — из высоковольтной кабельной неуплотненной бумаги толщиной 0,12 и 0,17 мм. При намотке изоляции не допустимо совпадение лент в соседних слоях. Толщина изоляции зависит от сечения токопроводящей жилы и класса напряжения, на которое рассчитан кабель: 9,6...11 мм — для напряжения НО кВ; 18 — 20,8 мм— для напряжения 220 кВ. Маслонаполненные кабели низкого давления пропитывают маловязким нефтяным кабельным маслом марки МН-4.
Поверх изоляции кабеля низкого давления накладывают экран, несколько отличный от экрана на жиле. Наружная электропроводящая лента такого экрана должна быть металлизированной и перфорированной и накладывают ее металлизированной поверхностью к оболочке. Оболочку такого кабеля изготавливают из свинца с присадками меди (0,03...0,05 %) и сурьмы (0,15...0,3 %) или меди (до 0,05%), сурьмы (0,15 — 0,3%), олова (0,35 — 0,5%) и теллура (до 0,005 %), и в зависимости от диаметра самого кабеля она имеет толщину 3... 3,6 мм. Поверх свинцовой оболочки накладывают упрочняющий покров из двух лент немагнитного материала.
Алюминиевые оболочки маслонаполненных кабелей имеют номинальную толщину 2,5 мм при любом сечении токопроводящей жилы. Алюминиевую оболочку кабелей диаметром до 45 мм выполняют гладкой, а более 45 мм — обязательно гофрируют.
Так как маслонаполненные кабели низкого давления одножильные, то три таких кабеля при прокладке образуют трехфазную высоковольтную кабельную линию.
Конструкция высоковольтного кабеля низкого давления представлена на рис. 2.4.
Маслонаполненные кабели низкого давления с бумажной пропитанной изоляцией имеют следующую маркировку:
МНСА — маслонаполненный, низкого давления, в свинцовой оболочке, с упрочняющим защитным покровом и защитным покровом из слоев битумного состава, полимерных лент и пропитанной кабельной пряжи. Предназначен для прокладки в земле, не рассчитан на значительные растягивающие усилия, защищен от механических воздействий;
МНСК — маслонаполненный, низкого давления, в свинцовой оболочке, с упрочняющим покровом из подушки и брони из круглых стальных оцинкованных проволок и наружным покровом из битумного состава, полимерных лент и пропитанной кабельной пряжи. Предназначен для прокладки под водой, т.е. рассчитан на значительные растягивающие усилия. Кроме того, проволочная броня защищает кабель от повреждений трапами судов;
МНАШв — маслонаполненный кабель низкого давления с алюминиевой оболочкой в шланге из ПВХ пластиката. Предназначен
36
1
Рис. 2.4. Конструкция маслонаполненного кабеля низкого давления марки МНСА:
1 — токопроводящая полая жила; 2 — экраны из полупроводящей бумаги; 3 — бумажная изоляция; 4 — свинцовая оболочка; 5— наружный покров
Рис. 2.5. Конструкция маслонаполненного кабеля высокого давления марки МВДТ: 1 — изолированная фаза кабеля; 2 — масло; 3 — стальная труба; 4 — антикоррозионный покров
для прокладки в зданиях и туннелях, т. е. рассчитан на атмосферные и значительные механические воздействия.
Конструкция маслонаполненных кабелей высокого давления изображена на рис. 2.5. Жилы таких кабелей, имеющие номинальные сечения от 120 до 700 мм2, изготавливают круглой формы и для повышения гибкости скручивают из медных луженых проволок диаметром 3 мм. Уплотняют жилу путем обжатия во вращающихся вальцах. Уплотнение жилы позволяет уменьшить наружные размеры кабеля (при этом экономия на материалах составляет около 5 %) и количество пропитывающего состава в изоляции, а также ограничивает его перемещение при наклонной или вертикальной прокладке. Если сечение жилы равно или более 625 мм2, ее разбивают на четыре или шесть секторов, которые изолируют друг от друга несколькими слоями полупроводящих бумажных лент. Поверх жилы накладывают экран из полупроводящих лент толщиной 0,30...0,45 мм. При этом масляные пленки, находящиеся между жилой и изоляцией и обладающие меньшей электрической прочностью по сравнению с пропитанной маслом бумагой, оказываются в зоне с нулевой напряженностью электрического поля, что позволяет значительно улучшить электрические параметры кабеля. Кроме того, электрическая прочность изоляции возрастает благодаря сглаживанию поверхности жилы слоями электропроводящей бумаги. Для экранирования обычно применяют специальную двухцветную бумагу с полупроводящей поверхностью одной из сторон, которой ее и накладывают на жилу.
Толщина изоляции из бумажных лент, пропитанных изоляционным маслом повышенной вязкости (обычно градированная
37
Таблица 2.2
Толщина изоляции маслонаполненных кабелей в зависимости от номинального напряжения
1/н, кВ	ПО	220	380	500
И, мм	9,6... 12,4	17,5...20,7	25...28	30... 31
в два слоя), в зависимости от номинального напряжения кабеля показана в табл. 2.2.
Трубопровод заполняется тем же маслом, которым пропитывается изоляция. Поверх изоляции кабеля накладывают комбинированный экран из полупроводящей бумаги и перфорированных медных лент, назначение которых — создание равномерного радиального электрического поля в изоляции. Для уменьшения электрических потерь от продольных токов металлический экран выполняют из двух перфорированных лент, разделенных полупроводящей бумагой. Электрическое сопротивление такой конструкции будет значительно больше, чем электрическое сопротивление сплошного цилиндра соответствующих размеров.
Для облегчения затягивания изолированных жил кабеля в трубопровод и предохранения их от механических повреждений поверх медных перфорированных лент накладывают (диаметрально противоположно) две медные полукруглые проволоки скольжения с шагом 250... 300 мм. Затягивание кабеля в трубопровод происходит после его прокладки по трассе линии. Оптимальный внутренний диаметр трубопровода обычно составляет 2,7...2,8 диаметра кабеля. Для сооружения кабельных линий в России в основном применяются стальные катаные трубы с наружным диаметром 219 или 273 мм и толщиной стенки 10 мм. На место монтажа отдельные жилы кабеля доставляют либо в специальных герметичных контейнерах, заполненных маслом под небольшим избыточным давлением, либо во временной свинцовой оболочке, которую снимают с фазы непосредственно перед прокладкой. Трубы на месте соединяют посредством сварки, а их внутреннюю поверхность тщательно (до блеска) очищают. Затем кабели затягивают в трубопровод.
Компенсация изменения объема масла в кабельной линии при нагревании и охлаждении, а также поддержание давления в линии в определенных пределах осуществляется с помощью автоматического подпитывающего устройства, расположенного на одном из ее концов.
Кабели высокого давления имеют ряд преимуществ перед кабелями низкого давления. Они более надежны в эксплуатации, так как стальная труба с толщиной стенки 10 мм обеспечивает лучшую механическую защиту по сравнению со свинцовой или алюминиевой оболочкой кабелей низкого давления. Изоляция этих ка-
38
белей находится под более высоким давлением и, следовательно, имеет более высокую электрическую прочность. Масло, которое используется для пропитки таких кабелей, более вязкое, что повышает стабильность свойств изоляции и ее импульсную прочность, однако монтаж кабельных линий высокого давления несколько сложнее и стоимость выше.
Маслонаполненные кабели высокого давления имеют маркировку МВДТ — маслонаполненный, высокого давления, в стальной трубе.
Силовые кабели с пропитанной маслом бумажной изоляцией, обладая высокими электрическими характеристиками и большой надежностью в эксплуатации, тем не менее не лишены ряда существенных недостатков. Технологический процесс их изготовления сложен и малопроизводителен. Кабели изготавливают только с металлической оболочкой, так как пропитанная бумага не влагостойкая, что значительно повышает их стоимость и утяжеляет конструкцию. Из-за стекания пропиточного состава имеются ограничения при вертикальных прокладках этих кабелей.
Силовые кабели высокого напряжения с пластмассовой изоляцией. Применение пластмасс для изоляции силовых кабелей позволяет значительно упростить технологию их изготовления. Пластмассовая изоляция накладывается методом экструзии на червячных прессах. Этот процесс более производителен, чем изолирование кабеля методом обмотки лентами. Кроме того, при этом отпадает необходимость сушки и пропитки изоляции. Применение пластмасс позволяет облегчить конструкцию кабелей, упростить их прокладку и монтаж, а также использовать на трассах с неограниченной разностью уровней.
Во всем мире наблюдается тенденция увеличения объема выпуска и прокладки силовых кабелей с полиэтиленовой изоляцией и в результате они должны полностью заменить кабели с бумажной пропитанной изоляцией на напряжение 1...220 кВ.
Основным материалом, применяемым для замены пропитанной маслом бумажной изоляции, является сшитый полиэтилен, имеющий пространственную структуру, что обеспечивает такой изоляции целый ряд преимуществ. Электрические свойства сшитого полиэтилена такие же, как и у термопластичного, а его нагревостойкость выше (табл. 2.3). Последнее особенно важно, если сечение кабеля выбирается с учетом последствий короткого замыкания. В этом случае кабели с изоляцией из термопластичного полиэтилена следует выбирать большего сечения, чем кабели с бумажной изоляцией, которые допускают кратковременный перегрев до 200 °C. Сшитый полиэтилен в этом отношении имеет преимущества и перед бумажной изоляцией.
В России силовые кабели с пластмассовой изоляцией на напряжения 1...6 кВ, предназначенные для передачи и распределения
39
Таблица 2.3
Нагревостойкость полиэтиленовой изоляции
Материал изоляции	Длительная предельно допустимая температура, °C	Температура при токах короткого замыкания, °C
Полиэтилен	70	150
Сшитый полиэтилен	90	250
энергии в стационарных установках, выпускаются с медными и алюминиевыми жилами с сечениями 1,5... 240 мм2. Жилы этих кабелей могут быть круглыми или секторными. В качестве изоляции используют ПВХ пластикат, а также самозатухающий и вулканизированный полиэтилен. Толщина изоляции в зависимости от сечения жил составляет до 3,4 мм. В качестве межфазного заполнителя обычно используют материал изоляции. В трехжильных кабелях на напряжение 6 кВ поверх поясной изоляции методом экструзии или обмотки лентами накладывается экран из электропроводящего материала, соответствующего материалу изоляции, толщиной не менее 0,2 мм. В большинстве конструкций кабелей этого класса напряжения поверх электропроводящего экрана накладывается также металлический экран из медных или алюминиевых лент либо фольги в комбинации с обмоткой лентами из полиэтилентерефталатной или ПВХ пленки. Для защиты кабелей от влаги и механических повреждений используют пластмассовую или свинцовую оболочку.
Силовые кабели на напряжения 10...35 кВ выпускаются, как правило, с изоляцией из сшитого полиэтилена одножильными и трехжильными. Наиболее часто используются одножильные кабели, которые поставляются большой строительной длины, т.е. они более просты в монтаже и эксплуатации (ремонте).
В России одножильные кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 10 кВ выпускаются с алюминиевыми токопроводящими жилами с сечениями 70... 240 мм2. Оболочка таких кабелей толщиной 1,9...2,1 мм может быть изготовлена из ПВХ пластиката или светостабилизированного самозатухающего полиэтилена. Номинальная толщина их изоляции — 4 мм. Электропроводящие экраны по жиле и изоляции должны иметь номинальную толщину 0,7 мм. Поверх экрана по изоляции может быть наложен экран из медной ленты, гофрированной в поперечном направлении.
Аналогичную конструкцию имеют и отечественные кабели на напряжение 35 кВ. В качестве их изоляции используется сшитый полиэтилен, а в качестве оболочки — полиэтилен, самозатухающий полиэтилен или ПВХ пластикат. При наличии значительных растягивающих усилий, действующих на кабель в процессе эксп-
40
луатации, может применяться броня из круглых стальных оцинкованных проволок. Токопроводящие жилы таких кабелей — медные и алюминиевые с сечениями 0,95...240 мм2, толщина изоляции — 7 мм, толщина токопроводящего экрана по жиле — 1 мм, номинальная толщина оболочки — 2,3...2,5 мм.
Первые кабели с изоляцией из термопластичного полиэтилена на напряжения НО...220 кВ появились в конце 60-х годов XX в. Затем начинает использоваться изоляция из сшитого (вулканизованного) полиэтилена, и, наконец, в начале 1980-х годов кабели такого типа становятся основными, успешно заменив маслонаполненные кабели.
В 1986—1988 годах были изготовлены первые образцы кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжения 400 и 500 кВ.
В России на напряжения ПО...220 кВ используются конструкции кабелей с алюминиевыми токопроводящими жилами с сечениями до 625 мм2 и изоляцией из сшитого полиэтилена. При этом токопроводящие жилы могут быть однопроволочными (с сечениями до 500 мм2) и комбинированными, состоящими из многопроволочного сердечника и прессованной алюминиевой оболочки. Выбор токопроводящих жил кабелей таких конструкций обусловлен необходимостью обеспечения продольной герметизации этих жил и исключения эффекта проволочности. Данные кабели имеют следующие особенности, обеспечивающие существенное повышение их технико-экономических и эксплутационных показателей:
в качестве электрической изоляции применяется сшитый полиэтилен, предварительно очищенный методом фильтрации от посторонних примесей размером более 50 мкм;
наложение изоляции и электропроводящих экранов производится методом экструзии за один проход с последующей их вулканизацией в бес паровой среде (сухим методом), что обеспечивает отсутствие в них влаги и газовых включений.
Для кабелей с пластмассовой изоляцией длительно допустимые рабочие напряженности электрического поля составляют 8,8... 9,5 МВ/м. В результате для напряжения 110 кВ удается обеспечить радиальную толщину изоляции, равную 12 мм, для напряжения 220 кВ — 23 мм. Длительная рабочая температура на жиле такого кабеля не должна превышать 90 °C, допустимая температура при перегрузках — 130 °C. В режиме короткого замыкания допустимая температура составляет 250 °C. Толщина электропроводящего экрана из сшитого полиэтилена — 1,15... 1,25 мм. Поверх электропроводящего экрана по изоляции накладывается экран из гофрированной медной ленты толщиной 0,25 мм. Наружная оболочка толщиной 2,8 мм может быть выполнена из полиэтилена, самоза-тухающего полиэтилена или ПВХ пластиката.
Все конструкции кабелей на напряжения 110 и 220 кВ должны Иметь элементы продольной и радиальной герметизации, так как
41
проникновение влаги в кабель сокращает срок его службы. Герметичность высоковольтных кабелей обеспечивается использованием:
пластмассовой оболочки из полиэтилена;
многослойной оболочки, состоящей из металлических или металлопластмассовых лент, имеющих достаточно хорошую взаимную адгезию;
сплошной металлической оболочки.
Если радиальный барьер поврежден, то особое значение приобретает продольная герметизация кабеля, которая может быть как непрерывной, так и дискретной. Продольная герметизация по жиле обеспечивается прежде всего конструкцией, т.е. использованием либо сплошной алюминиевой жилы, либо комбинированной со сплошной оболочкой поверх скрученного сердечника. Возможно заполнение межпроволочного пространства жилы массой, препятствующей продольному распространению воды в случае ее попадания в кабель.
Продольная герметизация под наружной оболочкой осуществляется следующим образом. Поверх электропроводящего покрытия по изоляции наносится слой пудры, набухающий при увлажнении и препятствующий продольному распространению воды. В пространство между электропроводящим экраном и металлическим экраном кабеля по изоляции также могут вводиться гигроскопичные ленты. При попадании воды под оболочку кабеля такие ленты набухают, значительно увеличиваясь в объеме, и создают преграду для распространения влаги вдоль кабеля.
Конструкция кабеля с полиэтиленовой изоляцией представлена на рис. 2.6.
Маркируются кабели с пластмассовой изоляцией следующим образом:
ПвВ — кабель с медными жилами, изоляцией из вулканизованного полиэтилена и оболочкой из ПВХ пластиката. Используется
Рис. 2.6. Конструкция высоковольтного кабеля с полиэтиленовой изоляцией:
1 — токопроводящая медная жила; 2— полупроводящий слой по жиле; 3 — изоляция; 4 — полу проводящий слой по изоляции; 5 — водонабухающая по-лупроводяшая лента; 6 — экран из медных проволок; 7 — медная лента; 8 — водонабухающая лента; 9 — оболочка из полиэтилена
42
для прокладки в производственных помещениях, кабельных сооружениях и сухих грунтах. В случае прокладки в грунте с повышенной влажностью или в сырых помещениях герметизируется;
ПвПг — кабель с медными жилами, изоляцией из вулканизованного полиэтилена, с полиэтиленовой оболочкой и продольной герметизацией экрана водонабухающими лентами;
АПвПу — кабель с алюминиевыми токопроводящими жилами, полиэтиленовой изоляцией и оболочкой, усиленной ребрами жесткости. Используется при прокладке на сложных участках трасс.
Силовые кабели низкого и среднего напряжений с резиновой изоляцией. Силовые кабели с резиновой изоляцией предназначены для стационарной прокладки в электрических сетях, а также для передачи и распределения электрической энергии на трассах с неограниченной разностью уровней прокладки при переменном напряжении 660 В или постоянном напряжении 1000 В и при переменном и постоянном напряжениях 3, 6 и 10 кВ.
Такие кабели могут быть с медными или алюминиевыми жилами. На их токопроводящие жилы накладывают резиновую изоляцию и скручивают. Для защиты резиновой изоляции от влаги, света, химически активных сред и механических воздействий поверх скрученных жил накладывают оболочку из свинца (кабели типов СРВ и СРГ), ПВХ пластиката (кабели типов АВРБ и ВРГ) или резины на основе полихлоропренового каучука (кабели типов АНРГ.и НРБ).
По физико-механическим и электроизоляционным свойствам резины существенно уступают пластмассам. Кроме того, у изоляционных резин с течением времени наблюдается значительное снижение эластичности и других физико-механических и электроизоляционных свойств. Старение резиновой изоляции происходит под воздействием повышенной температуры, света, озона, агрессивных сред и является следствием окислительной деструкции содержащегося в резине каучука, а также миграции из изоляции отдельных ингредиентов резиновой смеси. Улучшить характеристики кабельных резин можно, применяя комбинации каучуков различных видов и добавляя в резиновую смесь противостарители, мягчители, наполнители и др. Несмотря на указанные недостатки резина широко используется в кабельной промышленности, вследствие ее хорошей гибкости и способности выдерживать повышенные температуры.
Резина в качестве изоляции и оболочек кроме силовых кабелей применяется также в кабелях для геофизических работ, в рентгеновских, шахтных, судовых, установочных проводах и шнурах, в проводах и шнурах погружных насосов, в гибких кабелях различных типов и т. д.
Высоковольтные монтажные кабели и провода с резиновой изоляцией предназначены для монтажа высоковольтных цепей радиоэлектронной аппаратуры. Так как ток, передаваемый по таким ка
43
белям и проводам, как правило, невелик, то сечения жил выбирают из соображений механической прочности либо по допустимому падению напряжения.
2.2.2.	Кабели и провода низкого напряжения
Кабели и провода на напряжения до 1000 В предназначены для распределения электрической энергии в низковольтных цепях и монтажа низковольтных схем радиотехнической аппаратуры, а также для силового питания и дистанционного управления системами контроля и автоматики. Кабели и провода низкого напряжения являются одной из самых распространенных групп кабельных изделий. Характерная особенность таких кабелей и проводов — незначительный пропускаемый по ним ток.
Групповое силовое питание приборов и аппаратов можно осуществить с помощью жгута из проводов питания (например, установочных) или многожильного контрольного кабеля. Последний способ упрощает монтажные работы и снижает расход различных монтажных материалов. Как правило, контрольные кабели предназначены для стационарной прокладки, поэтому токопроводящие жилы для них рекомендуются однопроволочные. Диапазон сечений этих жил от 0,75 до 10 мм2. В кабелях с бумажной пропитанной изоляцией и металлической оболочкой в качестве материала жилы используется только медь. В кабелях с пластмассовыми изоляцией и оболочкой применяются медные и алюминиевые жилы. Перспективна изоляция из сшитого полиэтилена, которая, сохраняя все преимущества этого материала (высокие скорости процесса изолирования, минимальную толщину изоляции, повышенные электрические и механические характеристики), в данных кабельных изделиях обладает высокой стойкостью к кратковременным перегревам.
В настоящее время контрольные кабели выпускаются с числом изолированных жил от 4 до 37. Сердечники этих кабелей имеют круглую форму, а изолированные жилы скручивают концентрическими повивами по системе нормальной правильной скрутки. Поверх скрученных жил в них обычно используется покрытие в виде спиральной обмотки из лент или пленок. Конструкции защитных оболочек и броневых покровов контрольных кабелей аналогичны конструкциям этих элементов для силовых кабелей.
Внутриблочный и межблочный монтаж различной электрической аппаратуры производится с помощью отдельных монтажных проводов или наборных жгутов из этих проводов. Когда жгуты не имеют большого числа разветвлений, их целесообразно заменять монтажными кабелями. Кабели управления предназначены для многоточечного дистанционного управления различными автоматическими процессами.
44
Принципиальные отличия монтажных кабелей от кабелей управления следующие:
монтажные кабели используют короткими отрезками, а кабели управления могут быть довольно большой длины;
условия монтажа и эксплуатации монтажных кабелей, как правило, менее жесткие, чем кабелей управления.
Токопроводящие жилы монтажных кабелей и проводов выполняют из медных проволок, защищенных оловом или серебром, а жилы кабелей управления скручивают из незащищенных медных проволок. Сердечники кабелей управления и монтажных кабелей могут быть круглыми, плоскими и ленточными. В качестве изоляции в них используют резину, ПВХ пластикат или полиэтилен.
В настоящее время большинство кабелей управления и монтажных кабелей имеют круглое сечение и могут быть однородными (состоящими из экранированных изолированных жил одного и того же сечения), неоднородными (из изолированных жил разных сечений) и комбинированными (с частично экранированными изолированными жилами). Кроме того, они могут иметь общий экран или не иметь его.
Примеры маркировки кабелей и проводов низкого напряжения:
КВВГ — контрольный кабель с медными жилами, ПВХ изоляцией и ПВХ оболочкой. Предназначен для прокладки в помещениях и блоках, т.е. не рассчитан на механические воздействия;
КП В — кабель управления с медными жилами, полиэтиленовой изоляцией и ПВХ оболочкой.
2.2.3.	Кабели связи
Классификация кабелей связи. В зависимости от назначения различают кабели дальней связи, городские телефонные кабели, кабели зоновой и сельской связи.
В зависимости от области применения различают кабели для подземной и подводной прокладки, воздушной подвески, для прокладки в телефонной канализации (трубах, коллекторах) и внутри помещений.
В зависимости от диапазона передаваемых частот различают кабели низко- и высокочастотные. К низкочастотным относятся кабели местной связи (городские, пригородные, внутрирайонные, служебные и т.п.). К высокочастотным относятся кабели дальней и зоновой связи.
В зависимости от материала передающей среды различают кабели связи с медными проводниками (в публикациях часто применяют не очень удачный термин «медные кабели» — практически дословный перевод английского copper cable) и оптические кабели (ОК).
45
. В зависимости от расположения проводников цепи кабели с медными проводниками подразделяются на симметричные и коаксиальные.
В зависимости от материала влагозащитной оболочки различают кабели с металлической (свинцовой, алюминие-вой, стальной гофрированной), пластмассовой (полиэтиленовой и из ПВХ пластиката) и комбинированной (металло-пластмассовой) оболочками.
В зависимости от типа защитной брони, предохраняющей кабель от механических воздействий при прокладке в грунте или воде, различают кабели со стальной ленточной, проволочной круглой или плоской броней.
Особенности конструкций и применение городских телефонных кабелей. Городские телефонные кабели (ГТК) применяются в качестве линий городской телефонной сети, при помощи которых автоматические телефонные станции (АТС) соединяются с абонентами (абонентские линии) и между собой (соединительные линии). ГТК обычно низкочастотные, следовательно, каждому абоненту должна быть предоставлена отдельная двухпроводная цепь и в таких кабелях число пар может быть от десятков до нескольких тысяч.
ГТК прокладываются в основном в кабельной канализации и, следовательно, не имеют защитных покровов поверх влагозащитной оболочки. Ряд конструктивных особенностей отличает их от кабелей дальней связи. Это, во-первых, малые диаметры токопроводящих жил (0,32...0,5 мм), что объясняется небольшой длиной абонентских линий и стремлением разместить в одном кабеле возможно большее число цепей, во-вторых, большое число физических цепей, а в-третьих, кратность числа цепей в кабелях 10 или 100, что обусловлено стандартной емкостью распределительных устройств (10-парные распределительные коробки на этажах и 100-парные щитки в распределительных шкафах).
Изоляция ГТК может быть воздушно-бумажной или сплошной полиэтиленовой. Причем для последней может применяться пластмассовая влагозащитная оболочка, тогда как воздушно-бумажная требует применения металлической оболочки.
Основу маркировки ГТК составляет буква «Т» (телефонный). Для воздушно-бумажной изоляции и свинцовой оболочки специальные буквы в маркировке не применяются, т.е. такие кабели без защитного покрова имеют обозначение ТГ. Полиэтиленовая изоляция и оболочка обозначаются двумя буквами «П». При использовании ленточной стальной брони (для прокладки в грунте) в конце буквенного обозначения ГТК появляется буква «Б», а при применении более мощной брони из повива круглых стальных проволок (для прокладки по дну водоема) — буква «К». Кроме букв в марке кабелей указывается ряд цифр, обозначающих число це-
46
Рис. 2.7. Городской телефонный кабель типа ТПП с пучковой скруткой пар изолированных жил и полиэтиленовой изоляцией:
1 — скрученные пары жил; 2 — пучки пар жил; 3 — скрепляющие ленты; 4 — алюминиевый экран; 5 — полиэтиленовая влагозащитная оболочка
пей, систему скрутки изолированных жил (парами или четверками), а также диаметр токопроводящей жилы. Например: ТГ 600x2x0,5; ТБ 300x2x0,5; ТПП 300x4x0,4 и т.д.
Конструкция ГТК типа ТПП показана на рис. 2.7.
Особенности конструкций и применение кабелей дальней связи с медными проводниками. По области применения кабели дальней связи (КДС) можно подразделить на междугородные магистральные, низкочастотные (применяющиеся для соединительных линий и кабельных вставок в воздушных линиях связи), внутриобластной (зоновой) и внутрирайонной (сельской) связи.
В симметричных междугородных кабелях медные проводники большего диаметра, чем в ГТК (обычно 1,2 мм). Это связано с необходимостью уменьшения затухания сигнала в линии при организации дальней высокочастотной связи, что позволит обеспечить увеличение расстояний между усилительными пунктами по длине магистрали. Наиболее распространена система высокочастотного уплотнения К-60 (12... 252 кГц). Скрутка изолированных проводников в четверку обеспечивает их защиту от взаимных влияний. Таких четверок в КДС может быть 4 или 7. Влагозащитная оболочка может быть свинцовой, алюминиевой или стальной гофрированной. Для КДС, прокладываемых в грунте, применяется броня типа Б, а для прокладываемых под водой — типа К. Наиболее распространена кордельно-полистирольная изоляция.
Приведем примеры марок КДС: МКСБ 7х4х1,2; МКСАШ 7х4х1,2; МКСС4х4х1,2.
Рис. 2.8. Симметричный одночетверочный кабель зоновой связи ЗКП 1x4 (а) и однопарный кабель сельской связи ПРППМ (б):
1 — токопроводящая жила; 2, 3 — соответственно полиэтиленовые изоляция и заполнение; 4 — экран (алюминий); 5 — полиэтиленовая оболочка
47
Рис. 2.9. Однокоаксиальный кабель зоновой связи:
а — для подземной прокладки ВКПАШп; б—для воздушной подвески ВКПАШпт; 1 — внутренний медный проводник; 2 — пористая полиэтиленовая изоляция; 3— алюминиевый внешний проводник; 4 — полиэтиленовая оболочка;
5 — стальной трос
Кабели зоновой и сельской связи предназначены для передачи меньшего объема информации по сравнению с КДС, поэтому они работают при более низких частотах, но общая протяженность таких линий велика, т. е. кабелей требуется очень много и конструкция их должна быть технологичной. Симметричные кабели (рис. 2.8) выпускаются одночетверочными (например, марки ЗКП 1x4) или однопарными (марки ПРППМ 1x2).
Коаксиальные кабели могут содержать четыре или две малогабаритные коаксиальные пары с соотношением диаметров проводников 1,2/4,6 (кабели типа МКТП-4, МКТП-2) или могут быть однопарными (ВКПАШп, ВКПАШпт) (рис. 2.9).
Оптические кабели связи. По своему назначению оптические кабели подразделяются на междугородные, городские, объектовые и монтажные.
Междугородные ОК предназначены для передачи значительного объема информации на большие расстояния и поэтому должны обеспечивать малое затухание сигнала, иметь малую дисперсию и быть широкополосносными. Этого можно достигнуть за счет применения градиентных или одномодовых оптических волокон (см. гл. 15).
Городские ОК используются в качестве соединительных линий между городскими АТС и узлами связи. Они, как правило, рассчитаны на работу без промежуточных линейных регенераторов, т. е. на короткие расстояния (5... 10 км), и относительно небольшое число каналов. В этих кабелях могут применяться многомодовые ступенчатые или градиентные оптические волокна (ОВ).
Объектовые ОК служат для передачи различной информации внутри объекта. К ним относятся кабели для информационных систем отдельных объектов (самолетов, кораблей и др.) и кабели для организации различных видов связи в учреждениях. Кабели для этих линий имеют относительно упрощенную конструкцию, т. е. легкий защитный покров, так как прокладываются они внутри помещений. Их оболочка обычно выполняется из материала, не поддерживающего горение (ПВХ пластиката).
Монтажные ОК предназначены для внутри- и межблочного монтажа аппаратуры.
В зависимости от условий прокладки и эксплуатации ОК подразделяются на подземные (для прокладки в грунте или телефон
48
ной кабельной канализации), подводные (для организации связи через большие водные преграды) и полевые (для прокладки непосредственно по поверхности земли).
Отличительной особенностью ОК является высокая чувствительность основного их функционального элемента — оптического волокна — к механическим и другим воздействиям окружающей среды, а основной конструктивный элемент — оптический модуль (ОМ), т.е. оптическое волокно с наложенным на него плотным или трубчатым полимерным защитным покрытием.
В последнее время более широкое распространение получили модули в виде трубки диаметром около 2 мм, внутри которой с некоторым запасом по длине (т. е. с избыточной длиной) расположено одно или несколько оптических волокон. Внутрь такого модуля обычно вводится герметизирующий состав и упрочняющие высокопрочные полимерные нити. Наиболее распространенной является так называемая модульная конструкция ОК, в которой несколько модулей скручены вокруг центрального силового элемента, и поверх такого сердечника наложены демпфирующие элементы, влагозащитные оболочки и бронепокровы (в зависимости от условий прокладки кабеля).
Типовые конструкции ОК представлены на рис. 2.10.
Рис. 2.10. Типовые конструкции оптических кабелей:
а — с сердечником в виде повива оптических модулей; б — ленточная; в — с профильным сердечником; г — с центральной трубкой; 1 — оптическое волокно; 2 — оптический модуль; 3 — упрочняющий элемент; 4 — наружная защитная полимерная оболочка; 5 — профильный сердечник
49
Следует иметь в виду, что, так как ОК имеют целый ряд существенных преимуществ перед традиционными кабелями связи с медными проводниками, они практически вытесняют последние из линий связи. Так, во вновь строящихся линиях дальней, зоновой связи и в соединительных линиях городских телефонных сетей .^спользуются исключительно ОК. Традиционные кабели связи используются в городских абонентских линиях и линиях сельской связи. Выпуск симметричных кабелей дальней и зоновой связи с медными проводниками ограничен в настоящее время потребностью в них для ремонта ранее построенных и эксплуатирующихся линий. Кроме того, кабели зоновой связи с медными проводниками используются для ранее разработанных проектов специальных линий.
2.2.4.	Радиочастотные кабели
Радиочастотные кабели (РЧК) предназначены для выполнения соединений приемно-передающей радиоаппаратуры с антеннами, межблочных и внутриблочных соединений в радиостанциях и радиорелейных станциях, телевидении, радиолокации, электронно-вычислительных машинах (ЭВМ) и т.д.
Наиболее распространенные гибкие РЧК используются для соединения частей радиоаппаратуры, перемещающихся друг относительно друга: в качающихся антеннах, измерительных головках, выдвижных блоках и т. п.
Можно назвать три направления, в которых наиболее широко используются РЧК:
в радиотехнических устройствах;
системах коллективного приема телевидения (СКПТ);
ЭВМ (для внутри- и межблочного монтажа, связи с удаленными терминалами, построения локальных сетей ЭВМ).
Отличительные особенности РЧК по сравнению с другими кабелями связи следующие:
использование в диапазоне ультравысоких и сверхвысоких частот (от единиц мегагерц до 40 ГГц);
длина линий на их основе может составить от одного до десятков метров;
наличие одной двухпроводной цепи;
как правило, обладание повышенной гибкостью;
частая передача электромагнитных сигналов большой мощности требует теплового расчета.
По расположению и конструкции проводников различают РЧК коаксиальные, симметричные, полосковые и со спиральным внутренним проводником (рис. 2.11).
Коаксиальные кабели. Наиболее широко распространены коаксиальные РЧК (см. рис. 2.1 Г, а), в которых наружный проводник, 50
Рис. 2.11. Радиочастотные кабели:
а — коаксиальный; б — симметричный (неэкранированный); в — симметричный экранированный; г — симметричный с общим и индивидуальными экранами изолированных жил; д — полосковый; е — со спиральным внутренним проводником; 1 — внутренний проводник; 2 — изоляция; 3 — внешний проводник; 4 — оболочка; 5 — экран; б — диэлектрический (магнитодиэлектрический) стержень
чаще всего выполняемый в виде оплетки из медных проволок, контактирует с заземленным корпусом прибора.
Изоляция коаксиальных РЧК может быть сплошной и воздушно-пластмассовой. Поверх наружного проводника накладывается защитная оболочка из светостабилизированного (с добавкой около 3 % сажи) полиэтилена или ПВХ пластиката.
В кабелях с фторопластовой изоляцией для защитных покровов применяются такие теплостойкие материалы, как кремнийорга-нические резины, плавкие фторопласты (фт-4МБ, фт-40Ш и др.), а также оплетка из стекловолокна, пропитанная кремнийоргани-ческим лаком. Напомним, что материал защитной оболочки не оказывает влияния на характеристики коаксиальных РЧК, так как его электромагнитное поле сосредоточено в пространстве между внутренним и наружным проводниками.
Пример маркировки коаксиального РЧК: РК-75-4-11. Здесь 75 — волновое сопротивление, 4 — округленный диаметр по изоляции, а в последнем числе первая цифра указывает материал и вид изоляции (1 — сплошная полиэтиленовая, 2 — сплошная из лент фторопласта-4 и т.д.), а вторая — номер разработки.
Кабели симметричные, полосковые и задержки. Симметричные РК применяются, когда аппаратура в импульсных или высокочастотных линиях передачи имеет симметричные (относительно земли) входы и выходы, т.е. в различных СВЧ устройствах, мостовых схемах, ответвителях, разветвителях, трансформаторах, линиях задержки в осциллографах и др.
51
Симметричные РЧК выпускаются трех модификаций (см. рис. 2.11, б... г):
неэкранированные;
с проводниками в общем экране;
с экранированными проводниками в общем экране (двухкоак-£иальные в общем экране).
Кабели с полиэтиленовой изоляцией представляют собой группу среднегабаритных (с диаметром по изоляции от 3,7 до 11 мм) экранированных и двухкоаксиальных, а с фторопластовой изоляцией — группу субминиатюрных и миниатюрных неэкранированных и в общем экране кабелей.
Полосковые РЧК предназначены для передачи высокочастотной (1,5...60 МГц) энергии в радиоаппаратуре (см. рис. 2.11, д). Проводниками в них являются две медные ленты толщиной около 0,15 мм, расположенные продольно. Ширина этихлент 3,4...7,5 мм. Изоляция выполняется из фторопластовой пленки толщиной 0,03 ...0,4 мм, ширина которой больше ширины медных лент на 0,1 мм. Вся конструкция имеет оболочку из светостабилизированного полиэтилена.
Волновое сопротивление полосковых РЧКсоставляет 3,2... 19 Ом.
Если емкость коаксиальных РЧК обычно составляет 50... 100 пФ/м, то емкость полосковых РЧК может доходить до 1500 пФ/м. Особенностью этих кабелей является также возможность их работы под напряжением от 20 до 150 В при частоте 1,76 МГц.
Кабели задержки отличаются от коаксиальных РЧК конструкцией внутреннего проводника, который выполняется в них в виде плотной изолированной проволочной спирали, наложенной на диэлектрической сердечник (см. рис. 2.11, е). Эти кабели обладают повышенной индуктивностью за счет сильного продольного магнитного поля внутри спирального проводника, что, в свою очередь, определяет большее волновое сопротивление (ZB = у]L/C) или меньшую скорость распространения электромагнитной волны (v = 1 /yjL/С ). Поэтому такие спиральные РЧК используют в качестве линий задержки или согласующих линий для аппаратуры с высокоомным входом и выходом в диапазоне частот менее 200...250 МГц.
Кабели для систем кабельного телевидения. В системах кабельного телевидения (КТВ) передаваемые телевизионные сигналы распространяются не в атмосфере от передающей станции к антенне на крыше дома, а по широкополосным линиям связи, основу которых составляют коаксиальные РЧК. Системы КТВ обеспечивают ряд преимуществ по сравнению с «атмосферными» системами передачи: улучшают качество изображения благодаря хорошей защищен ности линий от внешних помех;
осуществляют передачу телевизионных сигналов в районы раз ноэтажной застройки, где есть зоны частичного или полного «затемнения» от высотных зданий и зоны с интенсивными отражен-
52
ними сигналами, значительно ухудшающими качество изображения (в то время как телевизионные сигналы в атмосфере транслируются радиоволнами прямолинейно от антенны передающей станции в пределах прямой видимости);
увеличивают число телепрограмм до 20 и более;
увеличивают дальность передач с использованием спутников связи;
осуществляют двустороннюю связь передающий центр—абонент, что дает возможность организации набора совершенно новых услуг: просмотра телепрограмм по заявкам, получения необходимой информации по запросу из централизованных хранилищ, дистанционного считывания показаний различных приборов, работы различных систем защиты зданий и квартир; проведения опросов общественного мнения, референдумов и т. п.
В системах КТВ сигнал (посылаемый, например, со спутника связи) принимается антенной, расположенной в зоне уверенного приема, преобразуется в соответствии с требованиями действующего стандарта и через распределительную кабельную систему передается (из передающего центра) индивидуальным абонентам.
Распределительная система КТВ включает в себя магистральную, распределительную и абонентскую сети. Магистраль представляет собой кабельную линию, соединяющую приемный пункт (или телевизионную студию, где непосредственно создаются телепрограммы) с распределительными пунктами. Вдоль магистрали располагаются высококачественные трансляционные усилители. Длина магистрали в больших системах достигает 30 км и более. Распределительная сеть состоит из распределительных кабелей, усилителей и направленных ответвителей. Элементом распределительной сети является абонентская сеть, состоящая из гибких РК малого диаметра, согласующих трансформаторов и абонентских телеприемников. Длина распределительных линий в системе КТВ, как правило, не превышает нескольких километров, а длина абонентских линий — нескольких десятков метров.
Для передачи 12 телевизионных каналов требуется полоса частот до 230 МГц. Однако с учетом дополнительных услуг кабели для систем КТВ должны рассчитываться на использование в частотном диапазоне до 1000 МГц.
В системах КТВ используются три типа коаксиальных кабелей: магистральные, распределительные и абонентские. Магистральные и распределительные кабели для КТВ по диапазону частот близки к РЧК, по своему функциональному использованию — к кабелям дальней связи (при частотах в сотни мегагерц линия длиной в несколько километров является электрически длинной, так как затухание сигнала в ней весьма велико), а по условиям прокладки — к городским телефонным кабелям (так как для их прокладки используется городская телефонная канализация).
53
Кабели для систем КТВ должны иметь малый коэффициент затухания (не более 30 дБ/км — магистральные и не более 40 дБ/км — распределительные на частоте 230 МГц), однородные и стабильные электрические параметры в условиях эксплуатации и высокую степень защищенности от внешних ЭМ полей. Абонентские кабели используются для прокладки в коридорах, холлах этажей и квартирах, поэтому одним из важнейших требований к ним является повышенная гибкость.
Кабели для систем КТВ выпускают с волновым сопротивлением 75 Ом, их внутренний проводник — медная проволока, изоляция выполняется из полиэтилена низкой плотности (в некоторых конструкциях — из пористого полиэтилена). Для защитной оболочки используется светостабилизированный полиэтилен, а для абонентских кабелей чаще — негорючий поливинилхлоридный пластикат.
Диаметр по изоляции магистральных кабелей составляет 17,3...24мм, распределительных — 9,5... 10,5 мм, абонентских — 3,7... 7,3 мм.
Внешний проводник магистральных и распределительных кабелей изготавливается в виде гладких или гофрированных трубок из меди (или алюминия), а гибких абонентских кабелей — обычно в виде оплетки из медных проволок.
Кабели для структурированных кабельных сетей. С бурным развитием компьютерной техники в конце XX в. во все сферы деятельности предприятий и организаций быстрыми темпами стали внедряться локальные вычислительные сети (ЛВС). Это позволило резко увеличить объем информации, передаваемой внутри одного здания или комплекса зданий, расположенных на одной территории.
Особенностями кабелей для ЛВС являются: способность работы при высоких частотах (до 300 МГц и выше) и передачи информации с высокими скоростями (до 200 Мбит/с, в перспективе до 1000 Мбит/с), преимущественная работа внутри помещений и сравнительно небольшие (сотни метров) длины их участков — сегментов.
В 80-х годах XX в. в первых разрабатываемых ЛВС в качестве передающей среды использовали радиочастотные коаксиальные кабели как наиболее высокочастотные в то время. Например, самые распространенные сети Ethernet строили сначала на так называемом толстом коаксиале — кабеле, обеспечивающем темп передачи — 10 Мбит/с, с длиной участка цепи до 500 м, при наличии на участке до 100 устройств — компьютеров, приемопередатчиков и т.п.— и на тонком коаксиале — кабеле типа RG-58, который легче и дешевле, передачу может осуществлять с той же скоростью, но длина сегмента сети из него меньше — до 185 м, и можно подключить к нему только до 30 устройств. Подключение устройств
54
сети к коаксиальным кабелям осуществляется при помощи специальных съемников, врезаемых снаружи.
В настоящее время коаксиальные кабели в компьютерных сетях практически вытеснены оптическими кабелями и высокочастотными симметричными кабелями на основе так называемых витых пар.
Совсем недавно считалось, что использовать симметричные кабели связи на частотах свыше 250 кГц невозможно из-за очень сильных электромагнитных помех, оказываемых симметричными цепями друг на друга. Однако были разработаны симметричные кабели для работы на частотах до 100 МГц и выше, чему способствовали следующие обстоятельства. Во-первых, в ЛВС используется цифровая передача данных, а импульсные системы передачи, как известно, значительно менее подвержены мешающим электромагнитным влияниям по сравнению с аналоговыми. Во-вторых, в этих кабелях использован весьма эффективный способ защиты симметричных цепей от взаимных влияний — специально подобраны разные шаги скрутки изолированных жил в пары, что наряду с тщательным соблюдением технологии производства (минимальных допусков на размеры жил, изоляции и т.п.) обеспечивает допустимое электромагнитное влияние при таких высоких рабочих частотах. В-третьих, длины кабельных линий в ЛВС сравнительно невелики.
В последнее время при построении компьютерных сетей принята концепция создания так называемых структурированных кабельных систем (СКС), т.е. систем более высокого порядка, чем ЛВС.
Особенностью СКС является то, что они строятся без привязки к конкретным видам кабелей, коммутационного оборудования и оборудования рабочих мест. При их проектировании задаются определенные технические требования, которые могут быть реализованы не какой-то определенной, а любой (оптической, электрической) технологией передачи сигналов. При этом число и расположение информационных розеток для подключения рабочих мест определяется не планами размещения сотрудников и офисной мебели, а площадью и расположением рабочих помещений, что позволяет оперативно развивать и видоизменять систему (перемещать рабочие места и оборудование, создавать новые рабочие места и т.п.) Существенной особенностью СКС является их структуризация, т. е. разбиение кабельной сети на отдельные части или подсистемы, в состав которых обязательно включаются средства переключения, позволяющие создавать легко и быстро меняющиеся конфигурации сетей.
Обычно СКС содержат следующие подсистемы: горизонтальную — компьютерная сеть на этаже, вертикальную — межэтажная сеть и внешнюю — для соединения с другими зданиями или внешними сетями. Имеются также подсистемы управления и рабочих мест.
В СКС в соответствии с международным стандартом допускается использование следующих кабелей:
55
симметричных электрических на основе витых пар с волновым сопротивлением 100, 120 и 150 Ом в экранированном и неэкранированном исполнении (рис. 2.12);
оптических на основе одномодовых и многомодовых волокон.
В горизонтальных и вертикальных подсистемах СКС применяется преимущественно неэкранированные четырехпарные или экранированные двухпарные симметричные кабели на основе витых пар, а также оптические кабели. Во внешних проводках в основном применяются ОК на основе одномодовых волокон, а во внутренних (горизонтальной, вертикальной) — ОК на основе многомодовых волокон. Конструкции ОК для СКС аналогичны конструкциям объектовых ОК.
Конструктивные размеры кабелей на основе витой пары следующие: диаметр медного проводника — 0,5 мм; диаметр изолированной жилы — 0,9... 1 мм; наружный диаметр — 5... 5,3 мм; шаги
Рис. 2.12. Конструкции симметричных кабелей для структурированных кабельных сетей:
а — кабель из неэкранированных витых пар и без общего экрана вокруг сердечника (UTR); б — кабель с общим внешним экраном вокруг неэкранированных витых пар (S/UTR); в — кабель из витых пар с индивидуальной экранировкой каждой из них (STR); г — кабель из витых пар с индивидуальной экранировкой каждой из них и общим экраном (S/STR); 1 — витая пара; 2 — оболочка; 3 — общий экран; 4 — дренажный проводник (для обеспечения «продольной электрической целостности» экрана, выполняемого из металлизированных полимерных лент); 5 — экран витой пары
скрутки пар — 14... 32 мм. Материал изоляции — сплошной или вспененный полиэтилен. Цвета изоляции, рекомендуемые стандартом для четырех пар, — синий, оранжевый, зеленый и коричневый. Оболочка — из ПВХ пластиката (обычно серого цвета) либо негорючих или не содержащих галогены компаундов. При использовании этого типа кабелей для внешней прокладки применяется более влагостойкая полиэтиленовая оболочка.
Электрические кабели используются в основном для создания горизонтальной разводки. По ним передаются как телефонные сигналы и низкоскоростные данные, так и данные высокоскоростных приложений. Оптические кабели в горизонтальных подсистемах в настоящее время применяются достаточно редко, хотя их доля растет очень быстрыми темпами (на основании решений в рамках концепции fibre to the desk). В подсистемах внутренних магистралей электрические и оптические кабели применяются одинаково
56
часто. При этом электрические кабели предназначаются для передачи главным образом телефонных сигналов и данных с тактовыми частотами до 1 МГц, тогда как оптические обеспечивают передачу данных высокоскоростных приложений. На внешних магистралях ОК играют доминирующую роль. Прямое использование волоконно-оптического кабеля для передачи телефонных сигналов и низкоскоростных данных экономически нецелесообразно и применяется крайне редко, т.е. в тех ситуациях, когда другие решения невозможны или при особых требованиях в отношении защиты информации от несанкционированного доступа.
Для построения горизонтальной подсистемы СКС стандартами допускается применение экранированного и неэкранированного кабелей. Экранированный симметричный кабель потенциально обладает лучшими электрическими (а в некоторых случаях и прочностными) характеристиками по сравнению с неэкранированным. Однако этот кабель требует очень высокого качества выполнения монтажа и заземления, имеет большую стоимость и худшие массогабаритные показатели по сравнению с неэкранированным, поэтому пока для передачи электрических сигналов по СКС (по крайней мере, в России) в основном используются кабели на основе неэкранированных витых пар с волновым сопротивлением 100, 120 и 150 Ом.
Многомодовые ОК, как правило, являются основными в подсистеме внутренних магистралей. Одномодовые ОК рекомендуется применять только для построения длинных внешних магистралей. Коаксиальные кабели не входят в число разрешенных к применению в новых стандартах и исключены в последних изданиях старых. Это объясняется низкой надежностью сетей, построенных на их основе, невысокой технологичностью и более высокой стоимостью по сравнению с кабелями на основе витых пар. Для обеспечения возможности работы в СКС сетевой аппаратуры с коаксиальным и триаксиальным интерфейсом используется широкая номенклатура адаптеров различных видов.
2.2.5.	Обмоточные провода
Обмоточными являются провода, применяемые для изготовления обмоток электрических машин, аппаратов и приборов. По применяемым проводниковым материалам обмоточные провода делятся на медные, алюминиевые и из сплавов низкого сопротивления. Незначительная часть проводов выпускается с проводниками из биметаллов, драгоценных металлов и специальных сплавов, в частности сверхпроводящих. По видам изоляции обмоточные провода классифицируются следующим образом:
с эмалевой изоляцией, или эмалированные провода;
с волокнистой или комбинированной эмалево-волокнистой изоляцией, в том числе со стекловолокнистой и бумажной;
57
с пластмассовой изоляцией, в том числе с пленочной;
специального назначения с керамической и стеклоэмалевой изоляцией.
Основную часть выпускаемых обмоточных проводов составляют эмалированные провода, которые имеют малую толщину изоляции и постепенно вытесняют другие типы обмоточных проводов. Использование эмалированных проводов позволяет увеличить коэффициент использования паза в электрических машинах и аппаратах, а следовательно, либо повысить их мощность в прежних габаритных размерах, либо снизить их габаритные размеры с сохранением существующих параметров. К тому же производительность труда при изготовлении эмалированных проводов выше, чем при производстве проводов с волокнистой изоляцией.
Важное место в данной группе занимают провода с пленочной полимидно-фторопластовой изоляцией, применяемые для намотки электродвигателей погружных насосов при добыче нефти. После нанесения обмотки пленочную изоляцию герметизируют нагреванием.
Одной из важнейших характеристик обмоточных проводов является нагревостойкость, хотя их работоспособность зависит не только от температуры, но и от целого ряда факторов, определяющих условия эксплуатации. В мировой и отечественной практике соответственно используется классификация обмоточных проводов по нагревостойкости, под которой понимается способность любой конструкции выполнять свои функции при воздействии на каждый материал, входящий в нее, рабочей температуры в течение времени, сравнимого с расчетным сроком эксплуатации, при определенных значениях остальных эксплуатационных факторов. Нагревостойкость обмоточных проводов оценивается по температурному индексу, численно равному температуре, при которой в течение 20 000 ч пробивное напряжение (или другой важный параметр) сохраняется выше заданного уровня.
По значению температурного индекса обмоточные провода можно классифицировать следующим образом:
105 — провода с поливинилацеталевой изоляцией и изоляцией на основе масляных лаков, пропитанного натурального шелка, бумаги;
120 — провода с полиуретановой изоляцией, изоляцией из волокна лавсан и т.д.;
130 — провода с немодифицированной полиэфирной изоляцией;
155 — провода с полиэфиримидной изоляцией, стекловолокнистой изоляцией, пропитанной глифталевыми лаками;
180 — провода со стекловолокнистой изоляцией, пропитанной кремнийорганическими лаками и некоторыми модифицированными полиэфиримидными лаками;
58
200 — провода с полиамидной изоляцией;
220...	240 — провода с полиимидной изоляцией.
Работоспособность обмоточных проводов в составе изделий во многом определяется правильностью их выбора с точки зрения условий и режимов эксплуатации, конструкции и технологии изготовления самого изделия. Срок службы одного и того же провода в составе различных изделий может отличаться в несколько раз, даже при близких температурах эксплуатации.
Контрольные вопросы
1.	По каким признакам классифицируют кабельные изделия?
2.	Что представляют собой кабель, провод и шнур?
3.	Чем отличается классификация кабельных изделий по назначению от классификации по области применения?
4.	В чем состоит основное отличие конструкций силовых кабелей на напряжения 1...10 кВ, 20 и 35 кВ, ПО кВ и выше?
5.	Чем отличаются конструкции городских телефонных кабелей, кабелей дальней, зоновой и сельской связи с медными проводниками?
6.	Каковы перспективы использования кабелей связи с медными проводниками и оптических кабелей?
7.	Каковы особенности работы и конструкций радиочастотных кабелей и кабелей, используемых для систем кабельного телевидения?
8.	Каковы виды и особенности конструкций кабелей, используемых для структурированных кабельных сетей?
Глава 3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА КАБЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ
3.1. Особенности производства кабельных изделий и классификация технологических процессов
Длина кабелей (проводов, шнуров) во много раз превышает их наружный диаметр или площадь поперечных сечений. Вследствие этого большинство технологических процессов и операций по изготовлению кабеля (провода, шнура) выполняется при поступательном (осевом) перемещении заготовки через машину или агрегат. Благодаря одинаковому диаметру или сечению токопроводящей жилы по длине имеется возможность непрерывного наложения на нее изоляции заданной толщины. Скрученные из изолированных жил кабели (провода) также имеют постоянный по длине диаметр или площадь поперечного сечения, и на них также могут непрерывно накладываться оболочка и защитные покровы. Для обеспечения возможности перемещения по цеху в целях выполнения последующих технологических процессов полуфабрикаты кабелей (проводов, шнуров) принимают на барабаны, катушки, в контейнеры или бухты.
Определенная последовательность технологических процессов и операций кабельного производства должна обеспечивать получение кабеля или провода заданной конструкции, с заданными электрическими и физико-механическими свойствами, нормированной строительной длины и гарантированной надежности. Различие конструкций кабельных изделий обусловливает разную последовательность технологических процессов и операций. Общим для всех кабельных изделий является наличие металлических (обычно медных или алюминиевых) токопроводящих жил, исключение составляют оптические кабели, в которых используются оптические волокна различных типов.
Жилы силовых кабелей как для стационарной прокладки, так и для передвижных механизмов, а также силовых, осветительных, бортовых, монтажных и других проводов иногда изготовляют однопроволочными, но чаще многопроволочными, при этом и те и другие могут быть круглыми или фасонными (секторными, сегментными). Жилы гибких проводов и шнуров всегда многопроволочные; жилы кабелей связи и обмоточных проводов, наоборот, в подавляющем большинстве случаев однопроволочные; жилы кон
60
трольных и сигнально-блокировочных кабелей только однопроволочные. Внутренний проводник коаксиальных радиочастотных кабелей может быть однопроволочным и многопроволочным.
В зависимости от конструкции токопроводящих жил процессы изготовления кабелей и проводов начинаются либо со скрутки жил с последующим их изолированием, либо непосредственно с изолирования жил. При изготовлении некоторых типов обмоточных и монтажных проводов изолирование является единственным технологическим процессом.
В зависимости от назначения различают следующие технологические процессы и операции кабельного производства: скрутку (проволок в токопроводящие жилы и изолированных жил в кабель); изолирование (токопроводящих жил и сердечника наложением на него поясной изоляции); экранирование (жил, групп, кабелей); сушку и пропитку (изоляции кабелей); наложение оболочки (металлической, пластмассовой, резиновой); наложение защитных покровов, в том числе брони.
Скрутка может быть однонаправленная и разнонаправленная, повивная и пучковая.
Изолирование может производиться:
методом обмотки лентами (бумажными, пластмассовыми, синтетическими) и (или) нитями (из бумаги, натурального или искусственного волокна);
методом экструзии, т. е. выпрессования (пластмассы или резины);
методом наложения лака из раствора или расплава, а также бумажной массы из водной суспензии волокон целлюлозы.
Экранирование выполняется либо методом обмотки металлическими или металлизированными лентами, либо методом оплетки прядями из проволок.
Сушку изоляции производят методом нагрева при атмосферном давлении или в сочетании с вакуумированием.
Пропитка осуществляется либо путем простого контакта заготовки с пропиточным компаундом, либо путем ввода последнего в заготовку под давлением.
Наложение оболочки возможно тремя методами: экструзии (пластмассы, резины); прессования (свинца, алюминия); сварки (алюминиевой и стальной ленты).
Процессы наложения защитных покровов, как и сами покровы, разнообразны. При этом используются многие из уже перечисленных методов: обмотка бронелентами, крепированной бумагой, кабельной пряжей, стекловолокном; оплетка волокнистыми материалами; пропитка методом поливки компаундами. Смешанный обмоточно-крутильный процесс используется для наложения брони из стальных круглых или фасонных проволок. Применяется также экструдирование защитного пластмассового шланга или покрытия на основе резиновой смеси.
61
Нетиповыми операциями кабельного производства можно считать формирование изоляции из полиэтиленовых шайб на внутреннем проводнике коаксиального кабеля связи методами насадки или отливки, изготовление жаростойких кабелей с минеральной изоляцией, а также изолирование жил городских телефонных ^сабелей пористой бумажной массой.
По характеру воздействия на заготовку часть технологических процессов кабельного производства относится к механической обработке — это обмотка, оплетка, скрутка. К тепловой обработке относятся операции сушки, отжига, спекания. Сочетания механической и тепловой обработок представляют собой: процесс экст-рудирования пластмассовой и резиновой изоляции, в том числе с вулканизацией последней; процесс экструдирования неметаллической и прессование металлической оболочки; процесс наложения стекловолокнистой изоляции. Процессы эмалирования и изолирования бумажной массой сочетают в себе осаждение изоляции с тепловым воздействием на нее (и механическим — в случае использования бумажной массы).
Подавляющее большинство технологических операций непрерывны в том смысле, что они осуществляются последовательно по мере прохождения через машину изготавливаемого изделия установленной строительной длины (кратковременные остановки — периодические для смены заготовки и случайные для устранения возникших дефектов — принципиально характер процесса не изменяют). К циклическим операциям относятся отжиг проволоки в печах периодического действия, сушка и пропитка кабеля в котлах.
3.2. Технологические процессы с применением термообработки изоляции кабелей и проводов
Изоляцию наносят на жилу в виде лент или волокон, а также в расплавленном (термопластичном, вязкотекучем) состоянии или в виде раствора полимеров. В дальнейшем ее подвергают термообработке. При этом из лаков удаляются растворители, а термопластичные полимеры в результате дополнительной поликонденсации переходят в неплавкое и нерастворимое состояние, что существенно улучшает эксплуатационные качества кабелей и проводов. После термообработки ленты изоляции сваривают между собой с образованием монолитной и герметичной изоляции.
Перечислим технологические процессы с применением термообработки: вулканизация резины и других полимеров, эмалирование проводов, пропитка и подклейка стекловолокнистой изоляции, лакировка оплетки, сварка лент при изготовлении ленточных монтажных проводов.
62
В нагретом состоянии производятся сушка и пропитка бумажной ленточной изоляции. После наложения изоляции на червячных прессах и после вулканизации изделие подвергается интенсивному охлаждению в воде, что также связано с технологической термообработкой.
Вулканизация кабелей с резиновой изоляцией в основном производится в среде насыщенного пара или инертного сухого газа.
Нагревание всех витков кабеля на барабане происходит одновременно, так как пар конденсируется сразу на всех витках и отдает им свое тепло. Повышенное давление при вулканизации препятствует образованию газовых включений в изоляции. Однако нагревание витков кабеля на барабане в начальный период, когда изоляция еще не успела вулканизироваться, приводит к ее размягчению и деформации при механическом воздействии витков друг на друга, поэтому этот способ вулканизации устарел.
Термообработка резиновых покрытий производится на кабельных линиях непрерывной вулканизации (ЛКНВ). После наложения изоляции кабель поступает в вулканизационную трубу, где вулканизация производится в среде насыщенного пара при температуре 180...200 °C под давлением 1,2... 1,6 МПа или в атмосфере азота. Время вулканизации 1... 5 мин. Вулканизационная труба переходит затем в секцию охлаждения, где изоляция под давлением охлаждается приблизительно до 100 °C, а затем происходит окончательное ее охлаждение проточной водой в желобе без повышенного давления. Длина вулканизационной трубы достигает 100... 120 м.
Вулканизации подвергается полиэтилен и другие полимеры, применяемые для изоляции кабелей повышенного напряжения. Из насыщенного пара под давлением влага диффундирует в наружные слои изоляции, в которых и при эксплуатации кабелей со временем образуются так называемые водные триинги, поэтому вулканизацию этой изоляции производят либо в среде азота под давлением 2 МПа, либо в среде жидких теплоносителей (например, диэтиленгликоля).
Полиэтиленовая изоляция кабелей высокого напряжения имеет большую толщину, и при нагревании в начальный период вулканизации она может деформироваться даже под действием собственного веса, поэтому при производстве таких кабелей используются вертикальные или наклонные агрегаты вулканизации, в которых наклон трубы (цепная линия) рассчитывается исходя из стрелы прогиба движущегося кабеля. При вулканизации в среде жидкого теплоносителя вулканизационная труба имеет внутренний диаметр, близкий к наружному диаметру изоляции, и теплоноситель под давлением нагнетается в зазор между изоляцией и вулканизационной трубой.
Для улучшения качества изоляции при ее наложении методом экструзии иногда применяют вибрационные воздействия, напри
63
мер, для создания вибрации дорна в червячном прессе используют ультразвук. Низкочастотные колебания дорна получают, сообщая ему вращательные колебания. Такая технология опробована, однако широкого распространения пока не получила. Вибровоздействия позволяют получить более гомогенную изоляцию, а в резиновой изоляции происходит лучшее диспергирование наполнителей. Кроме того, заметно улучшается качество поверхности изоляции. В результате дополнительных сдвиговых перемещений изоляция нагревается в процессе ее наложения на жилу, что уменьшает время, необходимое для термообработки в вулканизационной трубе.
Эмалирование проводов выполняют следующим образом: один слой покрытия из эмаль-лака накладывается за один проход, а нанесение общего слоя эмали осуществляется за 7... 12 проходов. Чем больше диаметр провода, тем толще изоляция и меньше скорость эмалирования. Скорость движения провода изменяется в пределах от 5 до 400 м/мин, а длина печи — от 2 до 8 м. При эмалировании проводов большого сечения агрегаты имеют вертикальное расположение, а при эмалировании проводов малого диаметра — горизонтальное. При вертикальном расположении агрегатов необходимо строить высокое здание цеха, а горизонтальные агрегаты занимают большую производственную площадь.
В современных эмаль-агрегатах применяют каталитическое дожигание паров растворителей. Это позволяет уменьшить загрязнение окружающей среды парами токсичных растворителей. Часть горячих газов после дожигания паров растворителя может снова быть использована в печи агрегата, тем самым осуществляется рекуперация тепла и снижение расхода электроэнергии при эмалировании.
Тепло, выделяющееся в процессе окисления паров растворителя, большей частью используется для поддержания необходимой температуры печи. Увеличение интенсивности теплообмена между горячим газом и проводом приводит к увеличению скорости эмалирования, что возможно только с одновременным уменьшением толщины эмаль-слоя, наносимого за один проход.
При повышенных скоростях эмалирования не всегда в необходимой степени осуществляется отжиг проволоки, поэтому перед эмалированием провод пропускают через печь отжига с инертной атмосферой (парами воды).
Существует также технология эмалирования проводов из расплава смолы. В этом случае в лаконаносящем узле производится нанесение слоя смолы в расплавленном состоянии. Отсутствие растворителя снижает затраты на изготовление провода, не происходит загрязнения окружающей среды, улучшается атмосфера в цехе. В этом случае существенно изменяется режим работы эмаль-печи, так как отсутствует выделение тепла при сжигании паров растворителя.
64
Наибольший объем (из всех эмаль-проводов) занимает производство проводов на основе нагревостойких полиэфирных и полиэфиримидных лаков. В будущем применение проводов повышенной нагревостойкости с изоляцией на основе модифицированных цолиимидов (полиэфиримидов, полиамидимидов и др.) будет увеличиваться. Существует тенденция разработки эмалированных проводов с двухслойным покрытием. Например, первый слой покрытия имеет улучшенные электроизоляционные свойства, а второй — высокие механические характеристики. Применяют также провода с дополнительным подклеивающим термопластичным и термореактивным слоем.
При изготовлении обмоточных проводов со стекловолокнистой изоляцией необходимо производить ее пропитку и подклейку для увеличения механической и электрической прочности. После обмотки стекловолокном провод пропускают через ванну с лаком. Затем провод поступает в печь, где происходит удаление растворителя из лака и дополнительная поликонденсация его полимерной основы (как при эмалировании проводов). Для этой цели применяют глифталевый и кремнийорганический лаки. Подклейку волокон стекла можно производить и без лаков. С этой целью при обмотке волокном в провод добавляют нити из лавсана, а затем его нагревают. Нити из лавсана плавятся и подклеивают стеклянные волокна.
У некоторых нагревостойких проводов изоляция состоит из лент фторопласта или так называемых дублированных лент (полиимид-ных лент, покрытых слоем фторопласта). В процессе термообработки ленты сваривают с образованием монолитной герметичной изоляции. Для получения необходимой степени сварки изоляцию нагревают до определенной температуры, а ленты сжимают с определенным давлением. Давление обеспечивают заданным натяжением при намотке лент.
При сварке фторопласта необходимо выдерживать узкий температурный интервал (около 370 °C). Для ускорения нагревания проводов с большим сечением жил на начальной стадии процесса используют высокочастотные индукторы. После достижения заданной температуры ее поддерживают с помощью обычной печи с электронагревателями.
В заключение заметим, что пространственную структуру полимерной изоляции можно получить и без термообработки. Так, при обработке полимеров после их наложения на жилу ускоренными электронами в их структуре образуются дополнительные химические связи, и изоляция переходит в неплавкое и нерастворимое состояние. Одновременно происходит частичная деструкция полимера под воздействием ионизирующего излучения. Подбор оптимальной дозы облучения и ввод в полимер специальных добавок обеспечивает наилучшее качество изоляции. В кабельной технике
3 Пешков
65
для серийного производства проводов используют специально сконструированные электронные ускорители. Свойства изоляции получаемых таким образом проводов приблизительно соответствуют свойствам изоляции, получаемой при химическом способе образования ее пространственной структуры.
Контрольные вопросы
1.	Какими методами производится изолирование жил кабелей и проводов?
2.	Какие технологические операции можно отнести к типовым в кабельном производстве?
3.	В чем состоят особенности технологических операций, связанных с применением термообработки в кабельном производстве?
4.	Каковы особенности наложения полиэтиленовой изоляции на жилы высоковольтных кабелей?
5.	В чем заключается сущность принципа изолирования проводов с эмалевой изоляцией?
6.	Каковы особенности технологии изготовления обмоточных проводов с фторопластовой изоляцией?
Глава 4
ОСНОВЫ ТЕОРИИ СКРУТКИ, ОБМОТКИ И ОПЛЕТКИ
4.1.	Скрутка
4.1.1.	Основы теории скрутки
Скрутка — это процесс объединения отдельных элементов (про
волок, стренг, изолированных жил, в том числе в виде групп и пучков), при котором каждый из них располагается по винтовой линии вокруг центральных (одного или нескольких) элементов.
Скрутка является одним из основных технологических процессов кабельного производства. В результате скрутки кабельное изделие приобретает устойчивую форму. Кручение элементов изделия происходит за счет совместного действия двух движений — прямолинейного (поступательного) и вращательного. Вращение элементов может производиться в одном направлении. В этом случае имеет место однонаправленная скрутка, причем вращение может производиться как по часовой стрелке, так и против, т.е. скрутка может быть и правой, и левой. При правой скрутке элемент скручиваемого изделия, если смотреть на него по направлению оси, поднимается слева направо; при левой скрутке, наоборот, — справа налево (рис. 4.1).
При производстве многопроволочных токопроводящих жил используются два типа однонаправленной скрутки: повивная и пучковая. При повивной системе скрутки поверх одной или нескольких проволок либо изолированных жил, скрученных вместе, накладывают один или несколько коаксиальных повивов, причем
каждый последующий повив накладывают в направлении, противоположном предыдущему. При пучковой скрутке элементы кабельного изделия скручиваются все вместе в одну сторону. Пучковая скрутка применяется также при скрутке элементарных пучков изолированных жил телефонных кабелей в сердечник или главный пучок.
Скрутка может быть разнонаправленной. В этом случае направление кручения периодически
Рис. 4.1. Схемы скруток: а — левая скрутка; б — правая скрутка
67
• изменяется, т. е. каждый последующий участок скручивается в сторону, противоположную той, в которую был скручен предыдущий участок.
Технологическими параметрами процесса скрутки (рис. 4.2) являются шаг, угол и модуль скрутки.
Шаг скрутки — это расстояние по длине скручиваемого кабельного изделия или его полуфабриката, которое соответствует одному обороту вокруг него любого из подвергающихся скрутке элементов данного повива. Шаг скрутки в кабельной технике обычно обозначается Н и выражается в миллиметрах. Однако сам по себе шаг скрутки характеризует степень скрутки (крутизну) в недостаточной степени, так как диаметры скручиваемых изделий различны, и один и тот же шаг скрутки при различных диаметрах скручиваемого изделия лает различную крутизну скрутки. По этой причине на практике при расчете и конструировании кабельных изделий удобнее пользоваться так называемой кратностью шага скрутки — безразмерным отношением шага скрутки к диаметру окружности скручиваемого повива: т = Н/D. Если шаг скрутки отнести к диаметру окружности (Z)o), проходящей по центрам образующих повив элементов с диаметром d, то получим теоретическую крат-
Рис. 4.2. Схемы для определения технологических параметров процесса скрутки:
а — расположение витка одной из проволок (жил) в повиве на длине шага скрутки; б — развертка на плоскости одного витка проволоки (жилы)
68
ность шага скрутки тт. На практике обычно используют так называемую практическую кратность шага скрутки тпр, т.е. относят шаг скрутки не к диаметру Do, а к наружному диаметру повива D, который легче измерить. Следовательно, можно записать:

(4.1)
Угол скрутки а — это угол между нормалью к оси скручиваемого изделия и осью развертки на плоскость элемента скрутки, т. е.
tga =
И
(4.2)
л '
Модуль скрутки, обычно обозначаемый как М, представляет собой отношение числа оборотов крутильного устройства икруг к линейной скорости прохождения кабельного изделия или его полуфабриката vn:
jyy - Цуруу
(4.3)
Фактически величина М— это число круток на единицу длины изделия. Нетрудно увидеть, что модуль скрутки — величина, обратная шагу скрутки. Однако шаг скрутки обычно измеряется в мм, а модуль — в м“‘, поэтому зависимость между ними может быть выражена как

1000 И
„ 1000 или Н------.
м
(4-4)
4.1.2.	Однонаправленная скрутка
Для получения однонаправленного кручения изделие необходимо вращать либо со стороны одного из его концов, сохраняя второй неподвижным, либо с обоих концов, но в разные стороны, поэтому в каждой крутильной машине должен быть по крайней мере один узел, вращающийся относительно оси скрутки. В соответствии с этим различают следующие базовые типы машин однонаправленной скрутки: с крутильно-отдающим устройством; Крутильно-приемным устройством; крутильным узлом (рамкой), вращающимся вокруг отдающего устройства; крутильным узлом, вращающимся вокруг приемного устройства.
При скрутке скручивающиеся между собой проволоки или другие элементы конструкции кабеля подвергаются закрутке вокруг собственной оси. Например, если отдающие катушки жестко связны с крутильным устройством и вращаются вместе с ним, то за каждый оборот крутильного устройства вместе с катушками в на
69
правлении вращения закручиваются вокруг своих осей скручиваемые проволоки или другие элементы конструкции. Степень этого кручения Т зависит от угла скрутки а:
Т = sin а,
где Т выражается в долях оборота (1/об) на длине шага скрутки.
Если степень кручения выражается в градусах на один оборот, то Т = sin а 360. В этом случае скручиваемые проволоки или элементы конструкции кабеля подвергаются не только деформации кручения, но и деформации изгиба, которая может привести к вспучиванию повива и петлеобразованию. Для предотвращения подобных явлений используется скрутка с откруткой, при которой отдающие катушки с проволокой или элементами конструкции кабеля вращаются вокруг собственной оси в направлении, совпадающем с направлениям скрутки изделия, т.е. отдающие катушки сохраняют в пространстве неизменное положение относительно оси скрутки, как это показано на рис. 4.3. Открутка отдающих катушек может осуществляться с помощью различных механизмов.
Рассмотрим основные типы крутильных машин, на которых осуществляется однонаправленная скрутка. Это прежде всего кле-тьевые (или фонарные) машины (рис. 4.4), у которых крутильная клеть состоит из нескольких параллельных металлических колец или дисков, жестко закрепленных на полом валу, расположенном в их центре. Между этими кольцами или дисками установлены люльки для отдающих катушек, число которых может достигать нескольких десятков в зависимости от назначения машины. Крутильных клетей (тоже в зависимости от назначения машины) может быть несколько. Клетьевые крутильные машины снабжаются устройствами для открутки (кривошипно-эксцентриковыми или
Рис. 4.3. Положения (I... VI) отдающих катушек при скрутке без открутки (а) и при скрутке с откруткой (б):
1 — центральная жила; 2 — отдающий барабан
70
Рис. 4.4. Схема клетьевой крутильной машины:
/ — отдающее устройство; 2 — коробка скоростей; 3 — крутильная клеть с откруткой; 4 — барабан; 5 — люлька; 6 — вал крутильной клети; 7 — распределительная розетка; 8 — скручивающий калибр; 9 — тяговое устройство; 10 — приемное устройство; 11 — опора
планетарными механизмами), позволяющими изменять положение отдающих катушек при вращении крутильных клетей. Частота вращения крутильных клетей от 36 до 250 об/мин. Повышение частоты вращения ограничивается большими вращающимися массами, трудностью их центровки, необходимостью балансировки, в том числе в процессе производства.
На рис. 4.5 показана крутильная клеть с кривошипно-эксцентриковой откруткой.
Одним из типов крутильных клетьевых машин являются жесткорамные машины, не имеющие механизма откругки (рис. 4.6). У этих машин люльки жестко связаны с крутильной клетью, причем сами катушки располагаются как можно ближе к оси вращения клети, что позволяет увеличить частоту вращения, так как возникающие при вращении центробежные силы снижаются. Частота вращения клетей у жесткорамных машин выше, чем у фонарных, и составляет 120...350 об/мин.
У дисковых крутильных машин, являющихся разновидностью клетьевых жесткорамных машин, крутильный диск насажен на полый вал с приводной шестерней на входном конце и распредели-
Рис. 4.5. Схема крутильной клети с кривошипно-эксцентриковой откруткой: 1 — эксцентриковое кольцо; 2 — ось кривошипа; 3 — кривошип; 4 — барабан; 5 — люлька; б — полый вал; 7 — роликовая опора
71
Рис. 4.6. Схема жесткорамной крутильной машины:
1 — отдатчик; 2 — клеть; 3 — распределительная розетка; 4 — скручивающий калибр; 5 — счетчик метража; 6 — тяговое устройство; 7 — скрученная многопроволочная жила; 8 — приемное устройство
тельной розеткой на выходном. В отличие от большинства клеть-евых машин отдающие катушки в них жестко связаны с несущими дисками, которых также может быть несколько в зависимости от назначения машины. Частота вращения дисков несколько меньше, чем частоты вращения клетей жесткорамных машин, так как отдающие катушки располагаются на периферии диска, а следовательно, больше вращающиеся массы. Практически частота вращения дисков такая же, как и клетей в фонарных машинах.
На клетьевых крутильных машинах могут скручиваться 19-про-волочные алюминиевые и сталеалюминевые неизолированные провода для воздушных линий электропередачи, причем повивы проволок накладывают в разные стороны. Клетьевые крутильные машины используются для скрутки проводов с сечениями 125... 185 мм2 и выше, а также для токопроводящих жил кабелей сечением 95... 1000 мм2.
Клетьевые крутильные машины применяются также для скрутки различных кабельных изделий, особенно в тех случаях, когда требуется обеспечить стабильность и устойчивость конструкции жилы (например, для геофизических кабелей, транспонированных проводов, кабелей дальней связи и т.д.).
Дисковые крутильные машины в основном применяются для скрутки жил силовых кабелей, прежде всего секторных. В последнем случае три барабана располагаются в люльках между двумя дисками, образующими крутильно-отдающее устройство. Если кабель четырехжильный, то четвертый барабан устанавливается за пределами машины в неподвижной люльке.
Значительное повышение частоты вращения крутильной рамки и связанной с этим производительности достигается при использовании рамочных машин, у которых отсутствуют тяжелые вращающиеся узлы. За счет конструктивной прочности и балансировки крутильной рамки частота ее вращения достигает нескольких тысяч оборотов в минуту. Кроме того, если направления поступательного движения скручиваемого изделия реверсируются, то при условии, что эти направления при входе на крутильную рамку и сходе с нее взаимно противоположны, за один оборот крутильной рамки производится двойная скрутка.
72
Крутильные машины с узкой, длинной, обтекаемой формы рамкой, вращающейся вокруг отдающего устройства, называются сигарными. Схема крутильной машины сигарного типа показана на рис. 4.7. Крутильную рамку такой машины выполняют в виде литого или сварного полого цилиндра, обычно составленного из нескольких последовательно и шарнирно соединенных секций, с вырезами для установки отдающих катушек. Эта рамка, часто называемая ротором, на концах имеет конусы, придающие машине сигарообразный вид. Выполнение ротора из составных секций облегчает его балансировку и позволяет достигать (на крутильных машинах с малым диаметром отдающих катушек) частоты вращения до 3000 об/мин. При вращении ротора отдающие катушки остаются неподвижными в пространстве, только слегка покачиваются. Однако они вращаются вокруг своей оси, отдавая проволоку, образующую скручиваемую жилу.
В машинах сигарного типа для снижения шума часто используют ротор на воздушной подушке, т. е. в нескольких местах по длине такого ротора имеются манжеты, в которые из отверстий, расположенных по его окружности под давлением 0,7 МПа подается сжатый воздух, образующий воздушную подушку. При снижении давления воздуха ниже рабочего машина автоматически останавливается. Такие крутильные машины могут иметь модификации, рассчитанные на 6, 12, 18 и более отдающих катушек. Эти машины позволяют накладывать повив на центральную заготовку любого размера, располагаемую на отдельном отдающем устройстве, расположенном вне пределов крутильной рамки.
Диаметр отдающих катушек, расположенных внутри ротора, может составлять 100... 1000 мм. В зависимости от этого диаметра машины сигарного типа могут использоваться для скрутки токопроводящих жил различного сечения, например, для скрутки семипроволочных алюминиевых проводов с сечениями 16...95 мм2. Для скрутки 19-проволочных алюминиевых проводов можно использовать две машины сигарного типа с 6 и 12 отдающими ка-
Рис. 4.7. Схема крутильной машины сигарного типа:
1 — привод; 2 — крутильная рамка (ротор); 3 — люлька с барабаном; 4 — проволока; 5 — направляющий ролик; 6 — распределительная розетка; 7 — скручивающий калибр; 8 — тяговое устройство; 9 — приемное устройство; 10 — опорный ролик
73
тушками, установленные в тандем, или же выполнять скрутку в два прохода, если эти машины установлены раздельно. Для скрутки проводов больших сечений (для воздушных линий электропередачи) может использоваться также комбинация машин сигарного типа и клетьевых крутильных машин.
Семипроволочные медные и алюминиевые жилы кабелей и проводов с сечениями 10...70 мм2 и семистренговые жилы с сечениями 6...25мм2 скручивают также на машинах сигарного типа. Эти машины позволяют скручивать и 19-стренговые жилы с сечениями 120... 400 мм2 (последние либо за два прохода, либо на двух машинах, установленных в тандем). Как и при скрутке проводов для линий электропередачи, в этом случае возможно комбинированное использование машин сигарного типа и клетьевых.
В машинах рамочного типа крутильная рамка состоит из сплошных или полых трубчатых стержней — двух или нескольких, равномерно распределенных по окружности и жестко связанных между собой. В последних конструкциях машин такого типа крутильная рамка состоит, как правило, из спрессованных углеродных волокон. Машины с вращающейся рамкой различают одинарной скрутки (с откруткой или без нее) и двойной скрутки (без от-крутки) (рис. 4.8).
В машинах одинарной скрутки рамка вращается только вокруг приемного устройства, причем оси вращения рамки и приемного барабана совпадают. Направляющие рамки установлены в крутильной рамке. Вращающийся конец скручиваемого изделия совершает за один оборот крутильного узла одно кручение. При этом тяговое устройство жестко связано с крутильной рамкой. Если обозначить линейную скорость движения кабельного изделия при одинарной скрутке влЬ частоту вращения крутильного узла щ, модуль скрутки Mt и шаг скрутки то можно записать:
=	(4.5)
В машинах одинарной скрутки частота вращения рамки достигает 3250 об/мин.
В машинах двойной скрутки рамка вращается вокруг как приемного, так и отдающего устройства. Поэтому в машинах двойной скрутки пучок проволок, сходящих с отдающих катушек, совершает два оборота: перед выходом на рамку и при сходе с нее. Следовательно, за каждый оборот крутильного узла скручиваемое изделие совершает два кручения вокруг оси скрутки, т. е.
(4.6)
^л2
Индексом 2 обозначают параметры, относящиеся к машине двойной скрутки.
74
Рис. 4.8. Схемы рамочных крутильных машин:
а ~ одинарной скрутки; б — двойной скрутки; I — отдающее устройство; 2 — скручивающий калибр; 3— направляющая трубка; 4 — привод; 5 — крутильная рамка; 6 — барабан; 7 — направляющие ролики; 8 — привод раскладки; 9 — привод корпуса приемного барабана; 10— распределительная розетка; 11 — счетчик метража; 12 — люлька; 13 — тяговое колесо
Так как шаг скрутки задается технологически исходя из конструкции кабельного изделия, то Н = Нх - Н2. В этом случае при равенстве числа оборотов рамок машин одинарной и двойной скрутки получим
пл2 = 2л2Я2 = 2^1^ = 2пл1.	(4.7)
Следовательно, машина двойной скрутки по сравнению с машиной одинарной скрутки позволяет повысить линейную скорость Движения изделия и производительность вдвое. В частности, при частоте вращения рамки 3250 об/мин число скруток равно 6500 1/мин. При работе крутильной машины с большим числом оборотов, т.е.
75
при скрутке жил из тонкой проволоки, важную роль играет стабильность работы отдающих устройств (исключение обрывности проволоки). Отдающие катушки в этом случае устанавливаются вертикально, а отдача проволоки осуществляется с помощью приводных вращающихся флайеров. На машинах рамочного типа скручивают как 7- и 19-проволочные медные жилы с сечениями 0,05 ...4 мм2, так и жилы больших сечений — до 25 мм2. Эти же машины широко применяются для скрутки стренг из 7...49 проволок, которые затем используются для скрутки токопроводящих жил на машинах сигарного типа или клетьевых. Существуют машины рамочного типа, позволяющие скручивать пучок из 144 проволок в жилу сечением до 50 мм2. Машины рамочного типа используются также для скрутки изолированных жил различных типов кабелей с пластмассовой и резиновой изоляцией, в том числе городских телефонных, дальней связи и силовых.
Известны также машины четверной скрутки, которые имеют две рамки, вращающиеся навстречу друг другу, а пучок проволок, проходящий по этим рамкам, претерпевает четыре изгиба. При этом за один оборот каждой рамки достигается двойная (а за один проход жилы — четверная) скрутка. Естественно, что конструкция машины такого типа и условия ее эксплуатации несколько усложняются.
Как указывалось ранее, при скрутке заготовок кабельных изделий или токопроводящих жил скручиваемые элементы подвергаются закрутке вокруг собственной оси, причем степень кручения может достигать почти полного оборота. Направление закручивания заготовок в каждом случае соответствует направлению скрутки изделия, поэтому на машинах с крутильно-отдающим и крутильно-приемным устройствами направления закручивания противоположны. В частности, в клетьевых машинах люльки с отдающими катушками при скрутке с откруткой поворачиваются в сторону, противоположную направлению вращения клети, а в машинах с вращающимся приемным устройством — в ту же сторону, что и само крутильно-приемное устройство.
Для скрутки проводов и кабелей широкой номенклатуры используются машины с крутильно-приемным устройством, в которых скрутка осуществляется за счет вращения тягового и приемного устройств вокруг оси скручиваемого изделия. Такие машины называют универсальными крутильными (за рубежом — Drum Twister).
Схема действия универсальной крутильной машины показана на рис. 4.9. Опорный каркас тягового устройства в такой машине обычно механически связан с каркасом вращающегося приемного устройства и располагается либо отдельно, либо внутри каркаса приемного устройства. Основное преимущество универсальных крутильных машин — неподвижные отдающие устройства, что обеспечивает быструю смену отдающей тары, возможность регулиро-
76
Рис. 4.9. Схема универсальной крутильной машины:
1 — стационарное отдающее устройство; 2 — барабан; 3 — распределительная розетка; 4 — скручивающий калибр; 5— привод тягового и приемного устройств;
6 — вращающееся тяговое ленточное устройство; 7 — вращающееся приемное устройство; 8 — приемный барабан
вания натяжения неизолированных или изолированных жил, расположенных на отдающих катушках, и расширение использования одной и той же крутильной части машины за счет смены отдающих устройств. Такие машины отличаются высокой производительностью. Их отдающие устройства могут быть оборудованы устройствами для открутки. Недостатками универсальных крутильных машин являются относительная сложность перезаправки и ограниченные размеры приемной тары.
В крутильных машинах используют два типа механизмов для открутки: кривошипно-эксцентриковые и планетарные с зубчатыми колесами. Известны также механизмы открутки с помощью индивидуальных электродвигателей.
4.1.3.	Разнонаправленная скрутка
В отличие от однонаправленной (классической) скрутки (рис. 4.10, а) при разнонаправленной скрутке последовательно расположенные участки скручиваемого изделия имеют попеременно левую и правую скрутку (рис. 4.10, б). Эта система скрутки получила название S/Z-скрутки (где S и Z — условные графические обозначения левой и правой скруток). При разнонаправленной скрутке как приемные, так и отдающие устройства остаются неподвижными в пространстве, т. е. не вращаются вокруг своей оси. Какие-либо вращающиеся рамки также отсутствуют. Скрутка осуществляется с помощью реверсируемых крутильных розеток или накопителей, вращающихся попеременно в разные стороны.
Применение разнонаправленной скрутки позволяет осуществить ее непрерывность, а следовательно, создает возможность объединения в один технологический процесс нескольких операций (например, скрутки изолированных жил и наложения оболочки на скрученный сердечник). В результате потери времени на ряде про-
77
x\\\\\\\\\\\\\\\\v
a
S	Z
X\\\\V//////A\\\VZ
6
Рис. 4.10. Схемы скруток жил:
а — однонаправленная; б — разнонаправленная (S/Z-скрутка)
межуточных операций резко сокращаются и производительность труда заметно повышается. Кроме того, в этом случае высвобождаются производственные площади. Разнонаправленная скрутка, при которой участки переменного направления коротки и не имеют законченных витков с установившимся шагом, называется волновой. Эта скрутка получила такое название в связи с тем, что укладка витков имеет характер периодически повторяющейся волны. Волновая скрутка, как правило, осуществляется с помощью крутильных розеток, имеющих периферийные отверстия, через которые и проходят скручиваемые изолированные жилы. Скручиваемые жилы перемещаются в продольном направлении равномерно, а вращение крутильной розетки периодически реверсируется. Розетки поочередно делают неполные обороты (180... 270°) в разные стороны, в результате чего происходит не полная скрутка, а спиралеобразная укладка изолированных жил или пучков, т. е. законченные витки в этом случае отсутствуют.
Параметры, характеризующие волновую скрутку, несколько отличаются от параметров классической однонаправленной скрутки. Так, вместо шага скрутки появляется понятие шага укладки, или шага волновой скрутки, определяемого расстоянием между двумя одинаковыми положениями скручиваемого элемента после совершения им полного периода закрутки, измеренным вдоль оси скручиваемого изделия. При этом шаг волновой скрутки (Я„) больше шага классической скрутки (/4):
(4.8)
Нк 180’
где а3 — угол закрутки, равный углу между лучами, проведенными из центра пучка через точки начального положения скручиваемого элемента и его наибольшего смещения.
Так, если а3 = 270°, то = 1,5; если а3 = 240, то = 1,66, Н НК	Нк
ит.д. Величина —- называется коэффициентом волновой скрутки и обычно обозначается как Кв. Кроме того, при анализе процессов волновой скрутки используются понятия кратности шага укладки —
78
отношения шага укладки к диаметру скрученного пучка — и коэффициента укрутки — отношения длины скручиваемого элемента, приходящейся на один шаг укладки, к шагу укладки.
Если обозначить число двойных колебаний вращающейся розетки «2аз, а число однопарных колебаний ла3, то линейную скорость крутильной машины можно записать в виде
ул = НъП2о.з = ^в2лаз-	(4.9)
Если скручиваемые элементы закручиваются поочередно в каждом направлении на один неполный виток, то волновая скрутка называется одновитковой. Если на длине скрутки в одном направлении располагаются несколько витков, то волновая скрутка называется многовитковой.
Производительность машин S/Z-скрутки с вращающимися реверсируемыми розетками тем выше, чем выше частота вращения розеток. Однако повышение частоты вращения розеток создает трудности в работе реверсивного механизма, требует использования сложного электропривода и, следовательно, ограничивается. Кроме того, часто требуются более длинные участки однонаправленной скрутки, чем те, которые можно получить при использовании машин с крутильными реверсируемыми розетками, поэтому волновая скрутка в настоящее время практически не применяется.
Недостатки, присущие методу волновой скрутки, отсутствуют у крутильных машин разнонаправленной многовитковой скрутки с наполнителями, поочередно вращающимися в разные стороны. Такие машины часто называют машинами циклической разнонаправленной скрутки, или машинами собственно S/Z-скрутки, что на самом деле неточно, так как это оборудование является лишь одним из вариантов машин S/Z-скрутки. Крутильные машины с вращающимися накопителями не требуют высокой частоты реверсирования и позволяют получать длинные участки однонаправленной скрутки.
В основном применяются два способа скрутки с использованием вращающихся накопителей:
накопители вращаются с постоянной скоростью, а направление вращения поочередно меняется, при этом линейная скорость движения скручиваемых жил постоянна;
накопители нереверсируемые и вращаются с постоянной скоростью, при этом линейная скорость скручиваемых жил на отдельных участках крутильного устройства периодически изменяется, а на выходном участке сохраняется постоянная скорость скручиваемого изделия.
Схема скрутки с помощью вращающегося реверсируемого накопителя показана на рис. 4.11. Принцип работы накопителя такого типа заключается в следующем. Скручиваемые жилы поступают
79
1	2
3
±«„ 4 3
2
Рис. 4.11. Схема S/Z-скрутки с помощью вращающегося реверсируемого накопителя:
1 — неподвижный ниппель; 2 — направляющий ролик; 3 — ролики накопителя;
4 — накопитель
с отдающих устройств в неподвижный ниппель и через направляющий ролик на ролики накопителя. После того как скручиваемые жилы сделают несколько витков вокруг роликов, они поступают во второй неподвижный ниппель, а затем на тяговое и приемное устройства. Наполнитель вращается вокруг своей продольной оси, и пучок проводов при этом скручивается с шагом Н= v/nw где v — линейная скорость скручиваемого изделия, а лн — частота вращения накопителя.
Как только пучок скручиваемых жил заполнит всю емкость накопителя, происходит реверсирование его вращения. В результате скручиваемый пучок получает дополнительную крутку, число круток на единицу длины удваивается, а на тяговое устройство поступает пучок жил с шагом крутки, обратной направлению первоначальной. Одновременно с реверсированием вращения накопителя происходит раскрутка участка пучка, ранее скрученного, например правой круткой с указанным шагом, и начинается закрутка его с шагом левой скрутки, равным Н= v/(2nK). При этом на скручиваемом пучке появляется переходный участок, на котором шаг скрутки искажен и не соответствует расчетному.
Следовательно, в процессе данной скрутки получают пучок жил с чередующимися участками правой и левой (или левой и правой — в зависимости от направления вращения накопителя) крутки и переходными участками от одного направления к другому. Общая длина переходного участка возрастает с увеличением продолжительности реверсирования вращения накопителя и длины участков между неподвижными ниппелями и накопителем. Следует отметить, что если при отсутствии реверсирования вращения накопителя на участке между накопителем и выходным подвижным ниппелем произойдет полное раскручивание пучка жил, то соответственно на тяговое и приемное устройства будет поступать заготовка в виде нескрученного пучка жил.
При использовании крутильных машин с вращающимся реверсивным накопителем справедливо соотношение линейной скорости, частоты вращения и шага скрутки, характерное для рамочных машин двойной однонаправленной скрутки v= 2пнН. Поэтому эти
80
машины, с одной стороны, имеют высокую производительность, а с другой — в отличие от рамочных машин обеспечивают непрерывную скрутку без остановок для смены приемного барабана. К недостаткам машин S/Z-скрутки с вращающимся реверсируемым накопителем следует отнести сложность выполнения достаточно частого реверсирования вращения накопителя и наличие переходного участка на скручиваемой заготовке, что для ряда кабельных изделий может означать снижение отдельных характеристик или затруднение их достижения при скрутке жил.
Однако получить равнонаправленную скрутку можно и при наличии накопителя, вращающегося в одну сторону с постоянной частотой, изменяя линейную скорость скручиваемого пучка жил, т. е. при постоянной частоте вращения накопителя пн и периодически скачкообразно изменяющейся линейной скорости v. В этом случае скручиваемые жилы поступают в накопитель с линейной скоростью Vi в первый период цикла в течение времени tx и со скоростью v2 — в течение времени t2. Процесс скрутки происходит примерно так же, как и в крутильной машине с вращающимся реверсируемым наполнителем, однако в момент tx происходит изменение скорости Vj на v2. В результате по мере заполнения накопителя и изменения линейной скорости пучок скручиваемых жил на выходе из накопителя получит скрутку обратного по сравнению с первоначальным направления. Входящий в накопитель новый участок пучка в течение времени t2 будет скручиваться уже с другим шагом. В результате, как и в рассмотренной ранее крутильной машине, из накопителя на тяговое устройство будет поступать пучок жил (заготовка кабеля) со скрученными в противоположных направлениях, но с одинаковыми шагами скрутки участками и переходными участками между участками скрутки. Обозначив отношение линейных скоростей как т = vx/v2, получим основные параметрические соотношения для S/Z-скрутки такого типа.
Итоговое число круток на выходе из наполнителя
Кн= — = -—,	(4.10)
vx mv2
где п — частота вращения накопителя.
Итоговый шаг скрутки пучка на выходе из накопителя
Я = А = _^.	(4.11)
2п 2п
Для определения линейной скорости крутильной машины, обозначив емкость накопителя как I и учитывая, что vxtx = vfa = I, можно воспользоваться следующим выражением:
6+^2 tx+mtx tx(i. + m)'
81
Из (4.12) видно, что если принять т = 3, то v= 1/(2 + 1), т.е. по сравнению с крутильной машиной с вращающимися реверсируемыми накопителями для сохранения одного и того же шага скрутки придется линейную скорость данной машины снизить вдвое, а следовательно, снизится и ее производительность. Однако крутильные машины такого типа продолжают применяться, так как имеют некоторые конструктивные и эксплуатационные преимущества, и прежде всего то, что в них не используется реверс накопителя.
Каким же образом можно изменять линейную скорость? Простейший способ — изменение скорости тягового устройства — практически неприемлем, так как требует периодических остановок и других узлов линии для изготовления кабеля и фактически исключает возможность автоматизации производства. При этом могут наблюдаться рывки скручиваемых жил, которые могут привести к их вытягиванию или даже обрывам. Поэтому на практике применяют другие методы S/Z-скрутки с использованием вращающегося нереверсируемого накопителя. Основной является скрутка с помощью двух накопителей, в пределах которых линейная скорость скручиваемого пучка изменяется, оставаясь постоянной на тяговом устройстве.
В этом случае используются машины двух типов:
с одним вращающимся нереверсивным накопителем и одним невращающимся накопителем переменной емкости (полиспастом);
двумя вращающимися накопителями.
Схема S/Z-скрутки с одним вращающимся и одним невращающимся накопителем приведена на рис. 4.12. Здесь между выходом из вращающегося накопителя и тяговым устройством имеется промежуточное звено — невращающийся накопитель-полиспаст, фактически играющий роль компенсатора. Емкость этого полиспаста периодически изменяется, причем верхняя ось полиспаста закреплена неподвижно, а нижняя ось (в отличие от обычного компенсатора) имеет принудительный привод, позволяющий периодически изменять скорость (значение и знак) вертикального перемещения. Тяговое устройство работает с постоянной скоростью, однако скорость на участках между первым неподвижным ниппелем и входом во вращающийся накопитель, а также скорость между вторым неподвижным ниппелем и входом в полиспаст будут складываться с общей линейной скоростью, задаваемой тяговым устройством. В результате при постоянной линейной скорости движения скручиваемого пучка на тяговом устройстве движение этого пучка от отдающих устройств до полиспаста происходит с переменной скоростью. Все параметрические соотношения для S/Z-скрутки с нереверсируемым вращающимся накопителем и невращающимся накопителем-полиспастом переменной емкости остаются, естественно, теми же, что и для нереверсируемого вращающегося накопителя с переменной линейной скоростью изделия.
82
1	2
3	4
3
2
Рис. 4.12. Схема S/Z-скрутки с вращающимся нереверсируемым накопителем и невращаю-щимся накопителем-полиспастом переменной емкости:
1 — неподвижный ниппель; 2 — направляющие ролики; 3 — ролики накопителя; 4 — накопитель;
5 — верхняя ось накопителя-полиспаста; 6 — накопитель-полиспаст; 7 — нижняя ось накопителя-полиспаста
Однако следует отметить, что скорость скручиваемых жил на входе в крутильную машину непостоянна, а движущаяся в машину жила подвергается периодическим рывкам, что является недостатком машин данного типа.
Схема S/Z-скрутки с двумя вращающимися в противоположные стороны накопителями-полиспастами показана на рис. 4.13. По существу, это схема конструктивного объединения вращающе-
Рис. 4.13. Схема S/Z-скрутки с двумя вращающимися в противоположные стороны накопителями-полиспастами переменной емкости:
I — первый полиспаст; 2 — неподвижный ролик первого полиспаста; 3 — подвижный ролик первого полиспаста; 4 — второй полиспаст; 5 — подвижный ролик второго полиспаста; 6 — неподвижный ролик второго полиспаста; 7 — направляющие ролики
83
гося накопителя постоянной емкости и невращающегося наполнителя-полиспаста переменной емкости в один вращающийся накопитель-полиспаст переменной емкости. Линейная скорость v0 жил на входе в крутильную машину и скрученного пучка на выходе из нее одинакова. Принцип S/Z-скрутки с двумя вращающимися в противоположные стороны накопителями-полиспастами сводится к следующему. Длины участков пучков, накопленные в каждом из накопителей, периодически меняются, однако их сумма (х + у) остается постоянной. Если расстояние между осями блоков первого накопителя-полиспаста уменьшается, то расстояние между осями блоков второго наполнителя-полиспаста увеличивается. В результате общая длина жилы, которая проходит через оба накопителя-полиспаста, остается постоянной, так как постоянна сумма межосевых расстояний обоих накопителей.
Скручиваемый пучок, поступающий через калибр на тяговое устройство, имеет попеременную правую или левую (или наоборот) крутку с шагом Н= v^/n. Если обозначить частоту вращения первого накопителя-полиспаста пх, а второго — п2, то при nt ф п2 или пх = кп2 справедливо следующее параметрическое соотношение:
vn=(k + \)n2H^,	(4.13)
р + 2
где ил — линейная скорость скрутки; р= vx/vi, vt, v2 — скорости движения жилы соответственно в первом и втором накопителях полиспастах.
При пх = п2 = п имеем
v = 2л№—(4.14) р + 1	v ’
Последняя схема S/Z-скрутки является наиболее совершенной: скорость скручиваемых жил и скрученного пучка постоянна как на входе в машину, так и на выходе из нее, т.е. не требуется реверса накопителей.
Методы S/Z-скрутки постоянно совершенствуются. Уже используются методы S/Z-скрутки с применением вместо накопителей двух крутильных головок, вращающихся в противоположные стороны с периодически изменяющейся частотой вращения; с гусеничными тягами; с осями, перекручивающимися под острым, периодически изменяющимся углом; с вращающимися реверсируемыми накопителями с периодически изменяющейся частотой вращения и т.д.
В частности, на практике широкое распространение получил метод S/Z-скрутки с использованием крутильных головок и линейного накопителя. В этом случае, например, узел скрутки двух жил состоит из двух скручивающих калибров и двух крутильных
84
головок, имеющих электроприводы постоянного тока. Крутильная головка может представлять собой легкую крутильную рамку, соединенную с валом электродвигателя. Крутильные головки вращаются синхронно. При этом на участке между входным скручивающим калибром и первой крутильной головкой жилы скручиваются в направлении S, а на участке между второй крутильной головкой и входным калибром — в направлении Z. При синхронном изменении направления вращения крутильных головок или изменении частоты их вращения направление скрутки меняется на противоположное. Длина линейного накопителя в такой схеме определяет длину однонаправленного скрученного отрезка пары в направлении S или Z. Если используются быстродействующие электродвигатели, а крутильная рамка максимально облегчена, то при изменении направления скрутки с S на Z, т.е. слева направо, длина образующегося переходного участка минимальна. При S/Z-скрут-ке нескольких пар жил каждая пара крутильных головок должна иметь различные скорости вращения, что обеспечит разный шаг скрутки в каждой паре. Исключить совпадение переходных участков при изменении направления скрутки пар можно, в частности, установкой блока направляющих роликов, обеспечивающих прохождение разными скрученными парами разного пути. В результате переходные участки пар жил в пучке разносятся по длине заготовки.
Линия для S/Z-скрутки 10-парного пучка телефонного кабеля позволяет осуществить скрутку 10 пар или 5 четверток, скрутку 10-парного пучка, обмотку пучка нитью или узкой лентой, прием готового пучка на барабан. Перед узлом скрутки пар устанавливаются компенсаторы натяжения, смягчающие возможные колебания натяжения в процессе вымотки жил из контейнеров и обеспечивающие подачу сигнала при запутывании их в контейнере или обрыве. Линейный накопитель образуется между корпусами крутильных головок, расположенных на расстоянии 4...7 м друг от друга. Скрутка пучка осуществляется аналогично скрутке пар, принцип которой был изложен ранее.
Для S/Z-скрутки 100-парного сердечника широко используется метод розеточной скрутки с трубчатым накопителем. Схема линии для скрутки пучка телефонных кабелей с числом пар жил от 10 до 100 показана на рис. 4.14. На данной линии скрутка осуществляется в два повива: в первом повиве скручиваются три десятипарных пучка, во втором — еще семь. Узел скрутки состоит из стационарной распределительной и крутильной розеток. Между стационарной и крутильной розетками устанавливается труба, которая и является собственно накопителем. Внутри трубы для второго повива свободно проходит скрученный сердечник первого повива, причем внутренняя поверхность трубы износоустойчива и имеет малый коэффициент трения. Масса самой трубы должна быть невелика. S/Z-скрутка осуществляется на участке между крутильной ро-
85
Рис. 4.14. Линия S/Z-скрутки сердечника с числом пар жил до 100:
1 — отдающее устройство; 2 — компенсатор; 3 — распределительная стойка; 4 — поворотная стойка; 5 — узел S/Z-скрутки 30-парного пучка; 6 — калибр; 7 — нитеобмотчик; 8 — узел S/Z-скрутки 100-парного сердечника; 9 — тяговое устройство; 10 — компенсатор; 11 — приемное устройство
зеткой и стационарным калибром, установленным за ней. Вращение крутильной розетки реверсивное. При вращении крутильной розетки пучки на участке между ней и стационарной розеткой периодически обвивают трубу-накопитель с переменным шагом. Число оборотов крутильной розетки в одном направлении обычно 6... 10. Длина отрезка сердечника, скрученного в направлении S или Z, равна произведению шага скрутки пучков данного повива и числа оборотов розетки в одном направлении. Частота вращения крутильной розетки в каждом узле скрутки различна и должна соответствовать шагу, не превышающему 75 диаметров скрученного сердечника.
В целом базовые принципы разнонаправленной S/Z-скрутки сохраняются, а области использования этого метода в кабельной промышленности непрерывно расширяются.
4.2.	Обмотка
4.2.1.	Основы теории обмотки
Обмотка — это технологический процесс спирального наложения на токопроводящую жилу или заготовку кабеля лент, нитей или проволок. Спиральная обмотка может быть наложена тремя способами: встык, с перекрытием и с зазором.
При обмотке встык края соседних витков лент, нитей или проволок соприкасаются между собой. Однако этот способ в кабельной технике используется достаточно редко, так как при изгибах обмоточные жилы или заготовки части витков, расположенные с внутренней стороны, могут выпучиваться, а с наружной — расходиться. Таким способом обычно накладывается на проволоку волокнистая изоляция при производстве обмоточных проводов. Для того чтобы исключить указанный недостаток, необходимо подклеивать наносимые ленты или волокна к проволоке или склеивать ленты между собой, как это делается, например, при наложении изоляции из сырой (каландрированной) фторопластовой пленки.
об
При обмотке с перекрытием каждый виток ленты перекрывает часть предыдущего витка. Если число накладываемых слоев велико, то такая обмотка становится недостаточно гибкой. Более того, при изгибах кабеля или провода могут наблюдаться надрывы лент. Наложение обмотки с перекрытием используется чаще всего для повышения электрической прочности изоляции. Кроме того, наружные слои лент всегда накладываются с перекрытием, что обеспечивает гладкость поверхности изоляции.
При обмотке с зазором между соседними витками одной и той же ленты имеется небольшой (по сравнению с шириной ленты) зазор. Часто в отличие от обмотки с перекрытием (положительным) обмотку с зазором называют обмоткой с отрицательным перекрытием. Обмотка с зазором наиболее часто используется при наложении изоляции из бумажных лент в производстве силовых кабелей. При наложении обмотки с зазором особое внимание необходимо уделять тому, чтобы зазоры в двух и более слоях изоля-
ции не совпадали, так как это приводит к снижению электрической прочности изоляции. Если зазор между соседними витками ленты, нити или проволоки много больше их ширины или диаметра, то это обмотка открытой спиралью, представляющая собой частный случай обмотки с зазором. Обмотка открытой спиралью
применяется при наложении скрепляющих или опознавательных
нитей или проволок и т.п.
Основные технологические параметры обмотки:
шаг h обмотки, равный расстоянию между двумя точками, соответствующими одному полному обороту элемента обмотки (ленты, нити или пряди нитей), измеренному вдоль оси обматываемой проволоки, токопроводящей жилы или заготовки кабеля;
ширина b элемента обмотки;
угол а наложения обмотки, соответствующий углу, образованному направлениями элемента обмотки и перпендикуляром, восстановленным к оси обматываемого изделия;
перекрытие е одного витка ленты соседним, измеренное вдоль линии, параллельной оси обматываемого изделия (аксиальное перекрытие).
Соотношения между технологическими параметрами обмотки могут быть получены из анализа раз-
вертки на плоскость одного полно- Рис. 4.15. Развертка на плоскость го витка ее элемента, показанной одного полного витка элемента на рис. 4.15.	обмотки
87
Диаметр жилы, мм
Рис. 4.16. Номограммы для определения параметров наложения ленточной изоляции методом обмотки на токопроводящую жилу диаметром 4... 50 мм
88
Так как треугольники АВС и ADE подобны, то
+ S)	/4 15)
Л ± е фг2 +	+ 5)2 ’
где b — ширина элемента обмотки; h — шаг обмотки; е — перекрытие одного элемента обмотки другим; d — диаметр обматываемого изделия; б — толщина элемента обмотки.
Знак «+» в знаменателе левой части уравнения обозначает перекрытие, знак «-» — зазор, или отрицательное перекрытие. В случае если обмотка производится встык, то величина е равна нулю.
При обмотке лентами, толщина которых много меньше диаметра обматываемого изделия, значением б можно пренебречь, и тогда выражение (4.13) можно записать в следующем виде:
— = 	(4.16)
h + e Jh2+n2d2
Однако для расчета режимов обмотки проволоки малого диаметра волокнистыми материалами следует применять выражение (4.13), чтобы погрешности расчета не выходили за допустимые.
Перекрытие е обычно выражается в долях шага обмотки или процентах от него, т. е. е = kh. Тогда после несложных преобразований можно получить следующее выражение:
(1±£)2 1 1
b2	n2d2 + И2'
&АТ)
Выражение (4.17) представляет собой уравнение окружности. Если по оси ординат откладывать /г1, а по оси абсцисс (га/)-1, то величина (1 ± к)/b будет выражать радиус одной из концентрических окружностей. Так как h = n(d + 5) tg а, то на диаграмму, построенную в виде зависимости h от (d + 5) с пересечением концентрическими окружностями, могут быть нанесены прямые линии под различными углами наклона а, поэтому основные параметрические соотношения обмотки можно представить графически в форме номограмм. В результате, задаваясь диаметром обматываемой проволоки и толщиной изоляции, можно определить шаг обмотки и требуемую ширину прядки из волокнистых нитей и т. д. Номограмма для определения параметров наложения ленточной изоляции методом обмотки на токопроводящую жилу приведена на рис. 4.16. При проведении расчетов необходимо учитывать, что на номограмме под шириной бумажной ленты понимается не непосредственная ширина Ь, а ширина ленты при обмотке встык Ь' = Ь/(1 ± к). Следует отметить, что формулы для расчета ширины ленты Ь, шага обмотки h и угла обмотки а при всех способах наложения обмотки (встык, с зазором и перекрытием) приведены в специальной литературе по технологии кабельного производства.
89
4.4.2.	Типы обмотчиков, применяемых для наложения волокнистой, ленточной изоляции и проволок
Принцип действия обмоточных машин прост: токопроводящая жила или проволока с отдатчика через протиры поступает в устройства, где происходит наложение волокон в виде прядей или лент методом обмотки — обмотчики, а затем через тяговые устройства колесного или гусеничного типа — на приемные барабаны или катушки. В ряде случаев обмоточные машины снабжаются печами для тепловой обработки накладываемой изоляции (например, стеклообмоточные машины). Обмоточные машины могут быть и вертикального, и горизонтального типа.
Важнейшей частью обмоточных машин являются обмотчики, различающиеся между собой по расположению ролика ленты, бобины с нитью (прядями) или катушки с проволокой по отношению к оси обматываемой проволоки, токопроводящей жилы или заготовке кабеля. Все обмотчики делятся на центровые и эксцентричные.
В центровых обмотчиках (рис. 4.17) ось ролика или бобины с лентами, прядями волокон или проволокой совпадает с осью обматываемого изделия. Такие обмотчики хорошо уравновешены и допускают большие частоты вращения (до 1000 об/мин), однако для обеспечения непрерывности процесса и исключения необходимости разрезать обматываемое изделие приходится устанавливать друг над другом сразу несколько роликов или бобин, что вызывает увеличение габаритных размеров обмоточной машины. Кроме того, центровой обмотчик практически неприменим, если необходимо накладывать изоляцию из большого количества лент (в частности, в производстве силовых кабелей), однако при наложении волокнистой изоляции в производстве обмоточных и монтажных проводов центровой обмотчик является основным.
Рис. 4.17. Центровой обмотчик:
1 — обматываемое изделие; 2 — ролик ленты или барабана с нитью (проволокой); 3 — диск обмотчика; 4 — направляющие пальцы
90
Рис. 4.18. Типы эксцентричных обмотчиков:
а — простой; б — плоский; в — тангенциальный; г — полутангенциальный; 1 — обматываемое изделие; 2 — ролик ленты или бобина с нитью (проволокой); 3 — направляющие пальцы
В эксцентричных обмотчиках ось ролика или бобины не совпадает с осью обматываемого изделия. Эксцентричные обмотчики подразделяются на простые, плоские, тангенциальные и полутанген-циальные (рис. 4.18).
В простом обмотчике плоскость ролика или бобины расположена под некоторым углом к оси обматываемого изделия. Очевидно, что с уменьшением диаметра ролика по мере схода с него ленты положение ленты на обматываемом изделии меняется и стабилизировать его (например, с помощью направляющих пальцев) не удается. Следовательно, изменяются размер и расположение зазоров между лентами, что в ряде случаев (в частности, при изолировании силовых высоковольтных кабелей с бумажной изоляцией) недопустимо.
В плоском обмотчике ось ролика параллельна оси обматываемого изделия. Требуемое направление лент достигается с помощью направляющих пальцев. Такие обмотчики применяются в производстве силовых кабелей с бумажной изоляцией на напряжения до 10 кВ. Частота вращения — до 350 об/мин.
В полутангенциальном обмотчике средняя плоскость ролика не является касательной к поверхности обматываемого изделия, хотя плоскость эта и параллельна оси жилы. В результате появляется возможность более компактно расположить ролики с лентой и повысить частоту вращения, например, до 750 об/мин, т. е. приблизиться к частоте вращения, характерной для центрового обмотчика.
91
Необходимая плотность наложения лент или нитей определяется постоянством их натяжения при обмотке, поэтому обмоточные машины снабжаются устройствами различных конструкций, обеспечивающими поддержание натяжения в заданных пределах. Кроме того, обмоточные машины имеют автоматические приспо-собления, реагирующие на обрыв ленты или нити и останавливающие при этом обмоточную машину.
4.3.	Оплетка
4.3.1.	Основы теории оплетки
Оплетка — это покрытие кабельного изделия прядями (пасмами) проволоки или волокон в двух направлениях, т.е. покрытие при котором пряди, накладываемые в одном направлении, переплетаются с прядями, накладываемыми в противоположном направлении.
Основными технологическими параметрами оплетки являются шаг оплетки h, угол наложения оплетки а и поверхностная плотность оплетки Н. Основные параметрические соотношения оплетки можно получить из анализа ее развертки на плоскость, показанной на рис. 4.19. Если считать, что нити оплетки несжимаемы (например, в случае использования металлической проволоки), то шаг оплетки можно определить следующим образом:
h = ~, nD- ,	(4.18)
ГтШ Г _
Ч «8 J
где D =	+ 2d', D.ar — диаметр оплетаемого кабельного изделия.
d — диаметр проволок (нитей) оплетки; а — число прядей, идущих в одном направлении; 5 — ширина пряди.
Рис. 4.19. Развертка оплетки на плоскость
92
Если проволоки (нити) переплетаются без местных утолщений й практически несжимаемы, то расстояние между прядями
K = j4d2-d2-d~0,73d.
При К < 0,73d в местах переплетения появляются утолщения и обмотка выглядит неравномерной. При К> 0,73d в оплетке появляются просветы. Если учесть расстояние между прядями и обозначить число проволок (нитей) в пряди через п, то выражение (4.18) можно представить в следующем виде:
jtT)
й = -----я— Ч—.	(4.19)
TiD	J
ad(« + 0,73) J
Используя (4.19), можно построить зависимости величины 8' (л+ 0,73)	-
— =  -----—- от л при различных углах а, что облегчит расчеты в
d cos а производственных условиях. Так, например, выбирают число проволок (нитей) в пряди и угол оплетки при заданном числе прядей, шаге оплетки и диаметре оплетаемой заготовки. Если нити в местах переплетения сплющиваются (сжимаются), как это происходит в случае оплетки волокнистыми материалами, например хлопчатобумажной пряжей, то К ~ 0,6d, что и необходимо учитывать при проведении расчетов.
При оплетке проволокой допустимые углы оплетки 35...65°, так как при выходе за эти пределы проволока подвергается заметным деформациям, что может привести либо к выпучиванию проволок, либо неплотному прилеганию прядей к поверхности оплетаемого сердечника. Для прочных и эластичных нитей углы оплетки не ограничиваются, но практически находятся в пределах 20... 75°.
Основным критерием качества оплетки в кабельной технике является ее поверхностная плотность, представляющая собой отношение площади поверхности, покрытой оплетающим материалом, к площади всей поверхности, на которую наложена оплетка.
В случае выполнения оплетки несжимаемыми нитями (в частности, проволокой) поверхностная плотность оплетки
( о 73 V
= <4М>
При увеличении числа проволок п в пряли поверхностная плотность оплетки возрастает, а при уменьшении — снижается, однако при этом достигается заметная экономия оплетающего материала.
Накладываемые на сердечник пасмы могут состоять из различного числа проволок, например л1 и п2. Если обозначить не по
93
крытый проволокой промежуток, приходящийся на одну прядь, как К, то значения К для прядей с различным числом проволок в нашем случае будут равны соответственно Кх и К2. Тогда в общем случае при наложении прядей с различным числом проволок
JJ _ 1______________________
пов (nxd + Kx){n2d + К2)‘
(4.21)
Выражение (4.21) может быть использовано и для расчета оплетки, выполняемой проволоками различного диаметра. Величины К{ и К2 можно измерить непосредственно, но если это затруднительно, можно определить их расчетным путем:
К = — cos а - nd.	(4.22)
а
Поверхностную плотность оплетки можно вычислить также по формуле вида
Япов = 2Р- Р2 = 1 -(1 -.	(4.23)
Acosa j
Здесь Р — линейная плотность оплетки, представляющая собой отношение площади поверхности, закрытой прядями одного направления, к полной площади поверхности оплетаемого сердечника:
nda
Acosa’
При оплетке сплющивающимися волокнами
ТТ — 1 —
27 пов 1
0,68 V п + 0,68 I
(4.24)
а при оплетке конкретно хлопчатобумажной пряжей
' 0,60 у Л2 + 0, 60 J
(4.25)
При оплетке проволокой в кабельной технике обычно используются значения поверхностной плотности оплетки 70, 80, 90 и 96 %, при оплетке волокнами (нитями) — 90 и 96 %. При плотности оплетки выше 96 % отдельные проволоки или нити выпучиваются, а пряди неплотно прилегают к поверхности оплетаемого изделия. Как следствие, увеличивается радиальная толщина оплет
ки, а значит, и расход материала.
В производственных условиях для расчета оплетки удобно использовать номограммы, представляющие собой зависимости шага оплетки от диаметра оплетаемого изделия при заданных значениях
94
ширины пряди и угла оплетки. Однако каждая такая номограмма может быть использована только для расчета оплетки с определенной поверхностной плотностью. Тем не менее комплект таких номограмм позволяет на практике сократить выбор технологического режима оплетки.
4.3.2.	Типы оплеточных машин
Все оплеточные машины, применяемые в кабельной промышленности, подразделяются на два типа: коклюшечные (челночные) и карусельные (катушечные).
Коклюшечные машины, как правило, многоходовые, причем каждый ход такой машины состоит из металлического вращающегося стола, в котором в двух направлениях сделаны волнообразные замкнутые прорези. В этих прорезях движутся челноки, на которые надеты шпули с оплетающим материалом. При работе машины часть челноков движется по волновой замкнутой кривой в направлении по часовой стрелке, а другая часть — в противоположном направлении, в результате чего и происходит переплетение нитей, т.е. образуется покрытие поверхности оплетаемого изделия в виде оплетки. Общий вид оплеточной машины коклюшечного типа показан на рис. 4.20. Натяжение оплетающей пряди в процессе вращения стола меняется, что объясняется следующим образом. Пряди, сходящие с бобин, образуют при движении как бы волнообразные конические поверхности с вершиной в месте переплетения. Естественно, что при волнообразном движении челнока длина пряди за время одного полного его оборота изменяется, причем в доволь-
Рис. 4.20. Общий вид оплеточной машины коклюшечнего типа
95
Рис. 4.21. Общий вид оплеточной машины карусельного типа
но широких пределах, что и приводит к изменению натяжения. На одном основании располагается несколько (обычно 25) столов, хотя машины коклюшечного типа для оплетки проволокой обычно одноходовые. В целях снижения уровня шума в производственном помещении столы оплеточных машин такого типа могут быть изготовлены из прессованных материалов или наполненных пластмасс. Считается, что коклюшечные оплеточные машины более просты и легче в эксплуатации по сравнению с карусельными, хотя и имеют меньшую производительность.
У карусельных оплеточных машин корпус стола выполнен в форме кольца с двумя бортами. На столе в два ряда расположены катушкодержатели (один над другим), которые с помощью специального механизма получают вращение. При этом
одна половина катушек или шпуль с прядями движется по часовой стрелке, а другая — в противоположном направлении, в результате чего и происходит переплетение прядей. Общий вид карусельной оплеточной машины показан на рис. 4.21.
Несмотря на то что длина оплетающей пряди в процессе оплетки на машине карусельного типа, как и в коклюшечных оплето
чных машинах, изменяется, наложение направляющих конструктивно выбирается таким, чтобы изменение длины пряди до места переплетения не превышало 65 %. Карусельные оплеточные машины более быстроходны по сравнению с коклюшечными, но создают повышенный уровень шума и более сложны в эксплуатации.
Контрольные вопросы
1.	Каковы технологические параметры скрутки элементов и заготовок кабельных изделий?
2.	Какие базовые типы машин однонаправленной скрутки вы знаете?
3.	Что представляет собой скрутка с закруткой?
4.	Какие два способа скрутки с использованием вращающихся накопителей применяют в кабельном производстве?
96
5.	Можно ли осуществить S/Z-скрутку с использованием одного вращающегося и одного невращающегося накопителей? Если можно, то как это происходит?
6.	Каковы технологические параметры обмотки?
7.	Какие типы обмотчиков, применяемых в кабельном производстве, вы знаете?
8.	Каковы технологические параметры оплетки?
9.	Что такое поверхностная и линейная плотность оплетки?
4 Пешков
Глава 5
СУШКА И ПРОПИТКА БУМАЖНОЙ ИЗОЛЯЦИИ СИЛОВЫХ КАБЕЛЕЙ
5.1.	Состав, структура и свойства бумаги и пропитывающих составов. Стадии сушки и пропитки
Поскольку силовые кабели с бумажной изоляцией работают при повышенном напряжении, то пропитанная бумага должна обладать большой электрической прочностью, малыми диэлектрическими потерями, высоким электрическим сопротивлением и высокой механической прочностью для обеспечения необходимого технологического натяжения бумажных лент и надежности при эксплуатации кабеля.
Повышение нагревостойкости пропитанной изоляции позволяет увеличить допустимый ток нагрузки по жилам. По области применения и уровню технологии изготовления кабельные бумаги, пропитывающие составы и технологические режимы можно разделить на два класса: для кабелей на напряжения до 35 и более 35 кВ.
Выполнение высоких требований к характеристикам кабельной бумаги обеспечивается повышением чистоты бумаги, для изготовления которой применяют сульфатную целлюлозу, деионизированную воду и специальное оборудование. Обработка целлюлозы углекислым магнием позволяет получить бумагу более высокого качества. Сульфатная целлюлоза представляет собой высокомолекулярное соединение, в структуре которого имеется много гидроксильных групп, что обусловливает высокую гигроскопичность бумаги.
Большинство свойств бумаги существенно зависит от ее влаго-содержания. При обычной влажности воздуха (70 %) бумага по массе содержит 7... 9,5 % воды. Для получения высоких электроизоляционных свойств необходимо снизить влагосодержание бумаги до 0,3 % и менее, а затем пропитать ее сухим дегазированным пропитывающим составом, изготовленным на основе минеральных масел. Следовательно, сушка и пропитка бумаги — важнейшие технологические операции, обеспечивающие высокие электроизоляционные свойства.
Отдельные волокна в бумажных лентах имеют длину 0,1... 3 мм, толщину 0,01 ...0,04 мм и состоят из фибрилл — тонких нитей длиной 10... 90 мкм и толщиной в несколько десятых долей микрометра.
98
Такое строение обеспечивает гетерокапиллярную структуру бумаги. Диаметр капилляров может изменяться от 10“5 до 10~8 м. Большая часть волокон расположена вдоль бумажной ленты, поэтому тонкие внутренние капилляры направлены в основном вдоль бумажного листа, а более толстые внешние капилляры пронизывают толщину бумажного листа в виде извилистых каналов. Общий относительный объем капилляров 0,3...0,5.
Диэлектрическая проницаемость целлюлозы Е = 6,6... 7, а ее tg 5 = = 0,006. ..0,01. Сухая бумага имеет е = 1,5...2,5. При заполнении пор пропитывающим составом с Е = 2,2...2,3 диэлектрическая проницаемость бумаги достигает 3,3...4,2 (в зависимости от плотности). Основные характеристики кабельных бумаг некоторых марок, применяемых для изолирования силовых кабелей, приведены в табл. 5.1, а зависимости tg 8 бумаги с различным содержанием влаги W от температуры показаны на рис. 5.1.
Таблица 5.1
Основные характеристики кабельных бумаг различных марок
Характеристика	К-120	КМ-120	КВМ-120	КВМСУ-080	КВМС-120	КВМС-170
Плотность, кг - м3	760 + 60	760 + 60	760 + 60	1100 + 50	700 + 50	700 + 40
Разрушающее усилие в продольном направлении, Н/см	127,5	142,2	142,2	117,6	107,8	147
Разрушающее усилие в поперечном направлении, Н/см	58,9	63,8	63,8	51,9	49	68,6
Воздухопроницаемость, мл/мин	40	40	25	10	30	35
tgS сухой бумаги	—	—	0,0023	0,0024	0,0019	0,0019
tgS пропитанной бумаги	—	—	0,0030	—	—	—
99
Рис. 5.1. Зависимость tg8 непропитанной бумаги с различным содержанием влаги от температуры
Из рис. 5.1 видно, что при влагосо-держании 0,3 % и менее tgS слабо зависит от температуры, а при снижении вла-госодержания от 0,3 до 0,1 % значение tg 8 уменьшается с 0,004 до 0,002. Из этого следует, что для кабелей на напряжения более 110 кВ необходимо в процессе сушки снизить влагосодержание бумаги до значения менее 0,1 %.
Зависимости диэлектрической проницаемости Е и усадки А/ от содержания влаги 1Ив исходной бумаге и относитель-
ной влажности воздуха ф приведены на рис. 5.2. Для получения изоляции необходимой плотности изолирование кабелей высокого напряжения производят предварительно подсушенной бумагой с
заданным натяжением лент и в кондиционированных условиях. Мак-
симальная разрывная прочность бумаги соответствует содержанию в ней влаги при относительной влажности воздуха 40 %.
При испарении жидкости со свободной поверхности часть молекул, обладающих большей энергией, чем энергия отрыва, переходит в парообразную фазу. Одновременно часть молекул поглощается жидкостью из пара обратно. С течением времени в замкну
том объеме устанавливается динамическое равновесие, при кото-
ром давление пара над поверхностью жидкости называют давлением насыщенных паров.
Давление насыщенных паров увеличивается с повышением температуры приблизительно по экспоненте. Так, при 20 °C давление паров воды составляет 2,28 • 103 Па, а при 100 °C — около 98 • 103 Па. Давление смеси газов можно представить как сумму давлений молекул отдельных ее компонентов, которые называют парциальными давлениями. Если испарение происходит в воздушную среду, то парциальное давление паров воды устанавливается равным давлению насыщенных паров.
Рис. 5.2. Влияние содержания влаги на диэлектрическую проницаемость (а), усадку по длине (б) бумаги КМ-120 и зависимость ее усадки по толщине от относительной влажности воздуха (в)
100
Рис. 5.3. Изотермы двух марок кабельных бумаг при атмосферном давлении:
1 — для бумаги КВ-125 при Т = 20 °C; 2—5 — для бумаги К-120 соответственно при температуре 20, 40, 60, 80°С
Так как при поглощении влаги гигроскопичным материалом выделяется определенная дополнительная энергия, то для удаления влаги из материала требуется большая энергия отрыва, чем при испарении ее со свободной поверхности воды, поэтому давление насыщенных паров над материалом будет ниже. Выделяемую дополнительную энергию, отнесенную к 1 кг воды, назовем дополнительной дифференциальной теплотой испарения. Если предположить, что в небольшом интервале изменения температуры дополнительная дифференциальная теплота испарения Q' постоянна, то справедлива формула
Pw =РнехР| --(5.1) \ *** /
где pw и рн — давления насыщенного пара соответственно над материалом с заданным влагосодержанием и над свободной поверхностью; R — газовая постоянная; Т — абсолютная температура.
Дифференциальная энергия связи заметно возрастает с уменьшением влагосодержания, при этом давление pw убывает. При давлении насыщенных паров над материалом, равным парциальному давлению пара в окружающем воздухе, сушка прекратится. Зависимость давления насыщенных паров (или относительной влажности воздуха) от влагосодержания материала при постоянной температуре называют изотермой. Изотермы для двух марок кабельной бумаги приведены на рис. 5.3. Под влагосодержанием (И7) понимают массу воды, содержащуюся в 1 кг сухой бумаги. Относительная влажность воздуха (р = р/рн, где р — парциальное давление пара в воздухе.
На рис. 5.4 приведены изотермы кабельной бумаги при повышенной температуре и пониженном давлении пара. Из рисунка видно, что для уменьшения влагосодержания до 0,1 % при температуре 120 °C необходимо снизить давление пара над поверхностью бумаги до 10 Па (около 10-2 мм рт. ст.). Подробнее эти зависимости рассматриваются в гл. 12.
Примерные режимы сушки и пропитки бумажных кабелей на различные напряжения приведены в табл. 5.2.
Температура сушки во избежание заметной деструкции бумаги не должна превышать 130 °C.
101
Рис. 5.4. Изотермы для кабельной бумаги при повышенной температуре и пониженном давлении пара
Для пропитки изоляции кабелей на напряжения 1... 35 кВ применяются электроизоляционные пропитывающие составы на основе минерального масла, в которое для повышения вязкости добавляют загустители.
С одной стороны, для ускорения пропитки бумаги необходима низкая вязкость пропитывающих составов при температуре 130 °C. С другой стороны, при температуре около 70 °C происходит эксплуатация изоляции и для уменьшения стекания пропитывающего состава вдоль кабеля его вязкость должна быть большой. Удельное объемное сопротивление любых пропитывающих составов при температуре 100 °C должно быть больше 1,5 • 10*1 Ом • см, tg 8 — меньше 0,05, а электрическая прочность — больше 12 МВ/м.
Для пропитки кабелей на напряжения 110...500 кВ используют минеральные масла повышенного качества, подвергнутые специальной очистке. Кабели марки МВДТ заполняют маслом С-220, обладающим повышенной вязкостью, что увеличивает импульсную прочность изоляции. Для улучшения подпитки в процессе эксплуатации для маслонаполненных кабелей с центральным масляным каналом применяют маловязкое масло МН-4. Высокими электроизоляционными характеристиками обладает синтетическое масло из алкилбензолов. Параметры некоторых кабельных масел приведены в табл. 5.3.
Дополнительную очистку масла производят специальными адсорбентами (зикеевской землей).
Для дегазации составов используют дегазационные котлы, в которых при температуре 125 °C создается остаточное давление не более 2,6 • 103 Па для кабелей на напряжения до 10 кВ и не более 1,3 • 103 Па для кабелей на 20 и 35 кВ. При дегазации масла, пред-
102
Примерные режимы сушки и пропитки бумажной изоляции силовых кабелей
см <с>
КЗ Я
S ч ю с!
Напряжение, на которое рассчитан кабель, кВ	00S	© © ' о _ О : о о	: о	gq g • о m	.	Tt	* си	।	о 2 §	§	Д S ®	°	©
	220	о	-	s 'Т S Й - о 8 й 1	;	1	1	• я § S	£ S © *	Т—1
	ПО	20 1 400 15 30 110...115 45... 60 МН-4 0,001
	«С>	-> £ ° 2 £ S S3 S3 § СС § ©
	О	2 2 Я Хг S3 2 Й 3 С С § ©
	О	m	_ °	тГ	—< С4 гч Т © - <ч :	©	ЁЁ | □-	s
	40	о	—Г сп Г4 СчТспчо-1 <Q <4	©	$ ЁС 1
	I (3)	и -	«п	S' о 7 2 . SJ	” О 2 о ~ S С С I £	S3
Параметр		Время нагревания tt током до температуры 90... 120°C, ч Плотность тока j, А/мм2 Остаточное давление р^, Па Время /2 сушки при р^, ч Общее время сушки t3, ч Время /4 впуска пропитывающего состава ПОД Рост, ч Температура пропитывающего состава ТП1С, °C Время пропитки под атмосферным давлением ?5, ч Время охлаждения и подпитки t6, ч Температура, до которой производится охлаждение Тох, °C Марка пропитывающего состава Остаточное влагосодсржание
103
Таблица 5.3
Параметры некоторых кабельных масел
Параметр	МНК-2	МН-4	С-220
Плотность при 20 °C р, кг/м3	860	890	892
Кинетическая вязкость V при 20 °C, м2/с	8	27	800
Температура застывания Т3, с	-60	-45	-30
tg8H при 100 °C и 50 Гц после изготовления кабеля в течение 300 ч в присутствии меди	0,0015	0,0030	0,0020
tg8c при 100 °C и 50 Гц после старения в течение 300 ч в присутствии меди	0,0030	0,25	0,12
Электрическая прочность при 20 °C и 50 Гц Епр, мВ/м	20	18	21
назначенного для кабелей на напряжения ПО кВ и более, применяют способ капельного распыления в дегазационный котел или более прогрессивный способ поверхностного растекания (масло протекает через вещество с развитой поверхностью). Давление при дегазации поддерживается на уровне 1... 10 Па. Процесс дегазации длится от нескольких сотен до нескольких десятков часов. Растворимость газов, не имеющих дополнительной энергии связи с молекулами пропитывающего состава, может быть выражена соотношением Кг = арУж, где Vr — объем растворенного газа при заданных давлении и температуре; ар — коэффициент растворимости;
— объем пропитывающего состава.
Средние значения коэффициента растворимости газов в пропитывающих составах следующие:
Воздух
N2
q,...........0,13
0,22	0,125
СО2 Н2
2,2	0,065
Зависимость влажности пропитывающего маслоканифольного состава иы (%) от давления в котле для дегазации р (Па) можно представить в виде следующей экспериментальной формулы: им = 5,33- 106р (при температуре 130 °C).
При заполнении пор высушенной бумаги пропитывающим составом часть влаги может переходить из бумаги в состав, и наоборот. В равновесном состоянии содержание влаги в компонентах состава устанавливается таким, что давление пара над бумагой и составом становится одинаковым, поэтому, если пропитывать бумагу хорошо просушенным составом, возможна дополнительная сушка бумаги при пропитке. Если состав был недостаточно сухим, то при пропитке часть влаги перейдет в бумагу и в целом tg8 пропитанной бумаги увеличится, а ру уменьшится.
104
5.2.	Практическая технология сушки и пропитки
Кабель поступает в сушильно-пропиточное отделение уложенным в металлическую корзину. По две такие корзины загружаются в вакуумный сушильно-пропиточный котел. Минимальное давление при сушке — 66 Па. Котел позволяет создавать рабочее давление 0,3 МПа. Каждый котел включен в систему цеховых массопроводов для подачи в него пропитывающего состава. В систему вакуумопро-водов входят вакуумные насосы и конденсационные колонки.
В прогрессивном технологическом оборудовании имеются также циркуляционные насосы и теплообменники для пропитки и охлаждения кабелей ускоренным методом с применением повышенного давления до 0,3 МПа, а сушку можно производить при давлении 1... 2 Па. Такое оборудование позволяет сушить и пропитывать кабели на напряжения до 500 кВ.
Технология сушки и пропитки кабеля предусматривает следующие режимы (см. табл. 5.2):
нагревание до 90... 120 °C при атмосферном давлении пропусканием электрического тока по жилам кабеля (время нахождения в нагретом котле /0;
сушка при пониженном давлении до остаточного влагосодер-жания И4сТ при температуре Тс ~ 120 °C (время /2, 6 = 6 + ЬУ>
впуск пропитывающего состава при давлении в котле ржт (время /4);
пропитка изоляции при атмосферном давлении пропитывающим составом с температурой 7'11С (время /5);
охлаждение кабелей с пропитанной изоляцией до температуры Тт (время г6).
Плотность тока по мере нагревания кабеля постепенно снижают приблизительно до 70% от исходного значения, так как по мере нагревания электрическое сопротивление жил возрастает. Кроме того, с уменьшением влагосодержания необходима все меньшая энергия для удаления влаги. В прогрессивных технологических системах при использовании соответствующих вакуумных насосов применяется откачка воздуха уже на первом этапе. Это сокращает время, необходимое для снижения давления в котле и достижения необходимого остаточного давления при сушке.
Совершенствование технологии сушки-пропитки бумажной изоляции происходит по следующим направлениям:
применение более мощных источников постоянного тока и увеличение плотности тока при нагревании кабелей (особенно рассчитанных на напряжения НО кВ и более);
использование более совершенных вакуумных насосов, позволяющих быстрее получить пониженное остаточное давление при сушке;
105
повышение давления при пропитке и охлаждении с одновременным искусственным охлаждением пропитывающего состава с использованием теплообменников и циркуляционной системы.
Сушка и пропитка изоляции кабелей на напряжения 110 кВ и более имеет свои особенности. Так, после сушки изоляции маслонаполненного кабеля его охлаждают до 45...60°C (при этом в котел подается осушенный газ СО2), а затем накладывают свинцовую оболочку. Далее производят вторую сушку, при которой при температуре 100 °C откачивают газы до остаточного давления 20... 30 Па и выдерживают при этом давлении 12... 18 ч. Далее изоляцию кабеля через маслопроводящий канал заполняют дегазированным маслом, двукратно промывают и охлаждают до окружающей температуры. Пропитка изоляции кабелей высокого давления (типа МВДТ) производится при избыточном давлении сухого азота над поверхностью масла 0,01 ...0,02 МПа. Охлаждение производится также под давлением азота.
Контрольные вопросы
1.	Какими свойствами должна обладать бумажная изоляция маслонаполненных кабелей?
2.	Для чего производят сушку и пропитку бумажных лент, используемых для изолирования жил силовых кабелей?
3.	Какова физика процесса сушки бумажной изоляции?
4.	В чем заключаются различия пропитывающих составов для кабелей с бумажной пропитанной изоляцией и маслонаполненных кабелей?
5.	Каковы основные этапы сушки бумажной изоляции силовых кабелей? 6. Каковы особенности сушки кабелей на напряжения 110 кВ и выше?
Глава 6
ТЕОРИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ НАЛОЖЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ИЗ ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ ПОЛИМЕРОВ И РЕЗИН
6.1.	Основы теории экструдирования и расчета экструдеров
6.1.1.	Принцип действия экструдера
Наложение полимерных покрытий на экструзионных линиях — наиболее распространенный способ при производстве кабельных изделий. В основе этого метода лежит способность термопластичных полимеров в расплавленном состоянии протекать через узкие отверстия под действием выдавливающего усилия. Этот процесс переработки, называемый экструзией, широко применяется для таких «хорошо текучих» материалов, как полиэтилен, полипропилен, полиамиды, поливинилхлоридные пластикаты, некоторые виды фторопластов, а также для различных резиновых смесей.
Экструзия обеспечивает высокую производительность и непрерывность процесса, что дает возможность выпускать продукцию большой длины, совмещать изолирование или наложение оболочки с другими технологическими операциями (например, волочением и отжигом проволоки для токопроводящей жилы, контролем изолированной жилы, скруткой изолированных жил и др.), а также открывает широкие возможности для автоматизации и создания поточных линий совмещенных процессов.
Основным рабочим узлом экструзионной линии является экструдер, в котором осуществляется непосредственное наложение изоляции или оболочки.
На рис. 6.1 приведена принципиальная схема экструдера. Основной его частью является рабочий цилиндр 5, внутри которого размещается втулка 4, выполненная из специальных износоустойчивых легированных сталей, которая плотно запрессована в цилиндр и имеет обогрев при помощи нагревателей 6 электрического или индукционного типа. Предусматривается также внешнее охлаждение 75 цилиндра воздухом от вентилятора 16 или водой 19.
Основным рабочим инструментом эктрудера является червяк (или шнек) 3, который расположен внутри втулки цилиндра и закреплен консольно, имея опоры в подшипниках 20 и 21, рассчитанных на большие осевые нагрузки. Червяк приводится во вращение электродвигателем 77через редуктор 18. Он имеет спиральную винтовую нарезку, которая расположена на рабочей части, занимающей значительную длину. В зависимости от типа экструде-
107
a
б
Рис. 6.1. Внешний вид (а) и схема {б) экструдера: .
1 — перерабатываемый материал; 2 — загрузочная воронка экструдера; 3 — червяк; 4 — втулка; 5 — рабочий цилиндр; 6 — нагреватель; 7 — насадка червяка; 8— расплав; 9 — головка экструдера; 10 — дорн; 11 — матрица; 12 — заданный слой изоляции; 13 — токопроводящая жила; 14 — решетка; 15 — внешнее охлаждение цилиндра; 16 — вентилятор; 17 — электродвигатель; 18 — редуктор; 19 — охлаждающая вода; 20, 21 — подшипники
ра и вида перерабатываемого материала рабочая длина червяка в 4—25 раз превышает его диаметр.
Перерабатываемый материал 1 в виде гранул периодически подается в загрузочную воронку 2 экструдера. Вращающийся червяк захватывает подаваемый материал, который нагревается, уплотняется, расплавляется, гомогенизируется и, продвигаясь по винтовой нарезке червяка, поступает в головку 9 экструдера, где расположен формующий инструмент — дорн 10 и матрица 77, — который обеспечивает наложение заданного слоя 72 изоляции (или оболочки) на токопроводящую жилу 13 (или сердечник кабеля).
108
Для уплотнения материала объем витка нарезки червяка на выходе делается меньше, чем на входе. Отношение этих объемов называется компрессией (степенью сжатия), которая равна отношению плотности расплава 8 (на выходе из цилиндра) к так называемому насыпному весу гранулированного материала (на входе в цилиндр). Для переработки пластмасс компрессия обычно осуществляется за счет уменьшения глубины нарезки червяка при постоянном шаге. Это уменьшение происходит в зоне II экструдера, которая и называется зоной сжатия, тогда как зона I — это загрузочная зона, а зона III — дозирующая, или зона выдавливания.
Длина зон и температура в различных зонах экструдера разные,
а также разные состояние материала, механизмы его перемещения и происходящие физико-механические процессы, поэтому для объяснения причин перемещения перерабатываемого материала в цилиндре экструдера используются различные физические модели.
Перемещение материала в загрузочной зоне экструдера. В загрузочной зоне происходит перемещение сыпучего и частично уже
расплавленного полимера, заполняющего винтовую нарезку вращающегося червяка. Для объяснения механизма этого перемещения можно провести его сравнение с перемещающейся по вращающемуся винту гайкой, которая внешним усилием удерживается от вращения вместе с ним. Действительно, если закрепить винт в неподвижных опорах, позволяющих ему вращаться без осевого перемещения, то при этом находящаяся на нем гайка будет перемещаться вдоль его оси. Это будет происходить при условии, что она
удерживается от вращения вместе с винтом внешним усилием, например направляющими. Если убрать направляющие, то за счет трения нарезок гайки и винта гайка будет вращаться вместе с вин-
том и осевого ее перемещения не будет.
Материал 2, заполняющий спиральный канал нарезки червяка 7 в загрузочной зоне (рис. 6.2), с определенным приближением
аналогичен гайке, расположенной на винте. Чтобы этот материал перемещался (на рис. 6.2 влево) при вращении червяка (по стрел-
ке), необходимо, чтобы червяк проскальзывал относительно этого материала, а стенки цилиндра 3 удерживали материал от вращения вместе с червяком. Данное условие можно реализовать, учитывая тот факт, что трение полимера по стали существенно зависит от температуры (рис. 6.3).
Если, например, охлаждать
7777777777777777777777777777777777,
Рис. 6.2. Схема заполнения перера-
батываемым материалом спиральной нарезки червяка:
1 — червяк; 2 — материал; 3 — цилиндр
червяк и нагревать стенку цилиндра, то можно получить минимальный коэффициент тре-
109
Рис. 6.3. Зависимость коэффициента трения полимеров по стали от температуры:
1 — полиэтилен низкой плотности; 2— полиэтилен высокой плотности;
3 — поливинилхлоридный пластикат шем) гомогенизации расплава,
ния между полимером и червяком (см. рис. 6.2, точка Я) и максимальный — между полимером и стенкой цилиндра (точка Б). Гранулированный сыпучий материал 2, заполняющий спиральный канал нарезки червяка, испытывает давление со стороны боковой поверхности спиральной нарезки (рис. 6.4). При этом на частицы этого материала действуют как окружные (Р')> так и осевые (Р") усилия. Первые вызывают срезающие деформации, способствующие перемешиванию частиц материала и (в далъней-вторые обусловливают осевое пе
ремещение материала по длине червяка к головке экструдера.
Таким образом, в загрузочной зоне происходит захватывание материала вращающимся червяком, частичное перемешивание его и перемещение по направлению к головке. Одновременно из-за принудительного нагрева и сил внутреннего трения материал постепенно переходит в состояние расплава.
Из рис. 6.4 видно, в какую сторону перемещает материал червяк. Так как точки Си Л вращаются в плоскостях 2—2' и 1—1', то при вращении червяка в направлении, указанном стрелкой, линия CD (боковая стена нарезки) занимает положение C'D', т.е. перемешает материал влево.
В зоне сжатия происходит уплотнение материала с окончательным заполнением всего объема нарезки расплавленным полимером, который затем поступает в дозирующую зону. В этой зоне перемещение расплава подчиняется уже другим закономерностям:
Рис. 6.4. Силы, действующие на полимер в спиральном канале разгрузочной зоны
ПО
происходит вынужденное течение вязкой жидкости в спиральном канале червяка под действием выдавливающего усилия, создаваемого в зонах загрузки и сжатия.
Реологические свойства расплавов полимеров. Одной из важных в технологическом отношении особенностей полимеров является их способность в расплавленном состоянии протекать через каналы и выдавливаться через малые отверстия. Реология (или наука о течении) изучает, в частности, закономерности протекания вязких жидкостей в каналах различной формы.
Рассматривая особенности реологии расплавов полимеров следует иметь в виду, что их поведение существенно зависит от молекулярной структуры полимера и сил межмолекулярного взаимодействия. При увеличении температуры сверх температуры текучести силы межмолекулярного взаимодействия ослабляются и под действием приложенного выдавливающего усилия молекулы перемещаются относительно друг друга; деформации носят при этом необратимый характер, т. е. полимер переходит в состояние пластического течения. Чем больше силы межмолекулярного взаимодействия, тем выше вязкость и тем большие усилия необходимо приложить для выдавливания полимера либо следует повысить температуру переработки. Поэтому такие нагревостойкие полимеры, как, например, плавкие фторопласты, фторкаучуки, у которых силы межмолекулярного взаимодействия велики, имеют и высокую температуру переработки, близкую к температуре разложения, что создает большие трудности при их экструзии.
Рассмотрим течение вязкой жидкости (расплава полимера) под действием выдавливающего усилия Р через канал прямоугольной формы (рис. 6.5, а). Слои жидкости в нем движутся с разными скоростями: в центре канала скорости выше, а вследствие соприкосновения жидкости с неподвижными стенками канала скорость ее у стенки можно считать равной нулю (условие «прилипания»). Этора распределения скоростей при вынужденном течении жидкости в канале в плоскости ух представлена на рис. 6.5, б.
Рис. 6.5. Вынужденное протекание вязкой жидкости в канале прямоугольной формы (а) и эпюра распределения ее скоростей в плоскости ух (б)
111
Внешняя сила Р, обеспечивающая приведенное распределение скоростей слоев жидкости по сечению, равна и противоположна по знаку силе внутреннего трения между ее слоями. Изменение скорости перемещения слоев жидкости v в направлении, перпендикулярном ее течению, называется градиентом скорости, или ско-t, ростью сдвига, и обозначается, например, для случая, изображенного на рис. 6.5, через dv/dy = v.
Сила Р связана со скоростью сдвига уравнением Ньютона:
dy
(6-1)
где ц — коэффициент пропорциональности (динамическая вязкость жидкости); S — площадь поверхности соприкосновения слоев жидкости.
Коэффициент ц численно равен силе внутреннего трения между двумя слоями жидкости с площадью, равной единице, при скорости сдвига, равной единице.
Уравнение Ньютона можно записать также в виде dr т = м-г> dy
где т — напряжение сдвига, равное силе Р, отнесенной к единице площади, т.е.
(6.2)
Т S'
(6.3)
Уравнение Ньютона в виде (6.1) или (6.2) справедливо для ламинарного течения вязких несжимаемых жидкостей, вязкость которых не зависит от скорости и напряжения сдвига, а зависит только от температуры. Такие жидкости называются ньютоновскими. Большинство расплавов полимеров, используемых в кабельном производстве, не являются ньютоновскими жидкостями: их вязкость сложным образом зависит от скорости, напряжения сдвига, ориентации молекул и времени действия сдвигающих усилий.
При низких скоростях сдвига ориентация молекул мала, тепловое хаотическое движение превалирует, вязкость полимера высока и расплав ведет себя как ньютоновская жидкость. При высоких скоростях сдвига определяющим фактором является ориентация молекул за счет сдвигающих усилий, а влиянием хаотического теплового движения можно пренебречь. Дальнейшее увеличение скорости сдвига в этом случае заметно уже не влияет на ориентацию молекул, выпрямленных в направлении течения, и расплав по свойствам также близок к ньютоновской жидкости.
В широкой области средних значений скорости сдвига расплавы полимеров являются неньютоновскими жидкостями и для характеристики их свойств вводят понятия эффективной вязкости Цэф и
112
Рис. 6.6. Зависимость вязкости полиэтилена низкой плотности от скорости сдвига при разных температурах:
а — при показателе текучести расплава 0,2 г/10 мин; б — при показателе текучести расплава 2,1 г/10 мин
Рис. 6.7. Зависимость вязкости полиэтилена высокой плотности (960 кг/м3) от скорости сдвига при разных температурах и показателе текучести расплава 0,9 г/10 мин
Рис. 6.8. Зависимость вязкости поливинилхлоридного пластиката от скорости сдвига при разных температурах:
о — при плотности 1340 кг/м3 и показателе текучести расплава 0,07 г/10 мин; б — при плотности 1370 кг/м3 и показателе текучести расплава 4,59 г/10 мин
113
эффективной скорости сдвига, которые определяются экспериментально.
На рис. 6.6... 6.8 приведены зависимости эффективной вязкости полиэтилена разной плотности и поливинилхлоридного пластиката от эффективной скорости сдвига при разных температурах.
При протекании расплава полимера по каналам разной формы он испытывает различное сопротивление течению. Если обозначить через Q объемный расход полимера (т.е. объем материала, прошедшего через поперечное сечение канала в единицу времени) при протекании через канал с сопротивлением Лк, его величину можно определить следующим образом:
РЛ’
(6-4)
где Др — падение давления по пути протекания полимера; ц — эффективная вязкость.
Вместо R* чаще используют обратную величину К = 1/Ак. Эта величина, называемая константой сопротивления канала, характеризует пропускную способность (проводимость) канала и зависит от его размеров и профиля отверстия. Тогда формула (6.4) примет следующий вид:
Др Ц
(6.5)
Скорости сдвига расплава, протекающего в каналах разной формы, зависят также и от абсолютных скоростей отдельных слоев потока. Из рис. 6.5 видно, что чем выше скорости движения центрального слоя расплава, тем больше отличаются скорости разных слоев, т.е. тем выше скорость сдвига. Следовательно, скорости сдвига зависят от объемного расхода Q: чем он больше, тем выше скорости сдвига.
В табл. 6.1 приведены формулы для определения значений Л'и скоростей сдвига v для каналов различной формы. Геометрические размеры каналов указаны на рисунках в таблице. Если размеры каналов взять в метрах, a Q — в м3/с, то единицей измерения К будет м3, а скорости сдвига — с-1. Эффективная динамическая вязкость расплава имеет размерность Н  с/м2 или Па • с.
При высоких (критических) скоростях сдвига поток расплава может потерять стабильность, поверхность выпрессованного материала при этом станет шероховатой, неровной и даже могут наблюдаться разрывы сплошного покрытия. Это явление, которое называется разрывом, или изломом расплава, может наступить при экструди-ровании с большими скоростями через отверстия малых размеров высоковязких полимеров (например, плавких фторопластов). Во избежание разрыва (излома) расплава следует проводить процесс экструзии с меньшими скоростями и увеличивать сечения каналов.
114
Таблица 6.1
Текучесть полимеров количественно определяется показателем текучести расплава (ПТР), который иногда называют индексом расплава. Этот показатель характеризуется массой полимера, выдавленной за определенное время при установленной температуре через стандартное цилиндрическое отверстие под действием определенного груза: чем больше масса выдавленного материала, тем выше ПТР и лучше текучесть расплава полимера.
При одинаковом химическом строении полимеры с большей молекулярной массой и большей плотностью, имеют, как правило, меньший ПТР. Такие материалы имеют повышенные механические характеристики и обладают стойкостью к растрескиванию.
Течение расплава полимера в дозирующей зоне экструдера. Перемещаясь внутри цилиндра по направлению к головке, расплав полимера испытывает сопротивление как в результате трения о стен-
115
Рис. 6.9. Кривые распределения давления вдоль зон I... III червяка: 1, 2 — возможные реальные; 3 — принятая для расчета
тате между концом цилиндра
ки спирального канала, образуемого поверхностями червяка и втулки цилиндра, так и из-за противодействия, оказываемого различными участками головки (сетками, решеткой, кольцевым каналом в формующем инструменте и др.). Эго приводит к воз-
растанию давления внутри экструдера (рис. 6.9), которое становится максимальным примерно в конце дозирующей зоны (III), перед входом в головку. В резуль-;е давление максимально) и его
началом (где давление атмосферное) имеется разность давлений, которая обычно называется противодавлением, и в несколько десятков раз превышает атмосферное давление.
Из-за наличия противодавления уменьшается количество ма-
териала, поступающего в головку, т.е. происходит уменьшение объемной производительности экструдера. Однако противодавление необходимо, так как оно способствует уплотнению материала, созданию в конечном итоге монолитного, гомогенного, полимерного покрытия без воздушных включений, что определяет высокое качество экструдируемой изоляции или оболочки. Поэтому часто применяют специальные меры для увеличения противодавления (или, как часто говорят, просто давления) в экструдере, используя дополнительные сетки, специальные решетки (см. рис. 6.1, б, поз. 14) и др.
Рассматривая вынужденное течение расплава полимера в спиральном канале нарезки червяка в дозирующей зоне, необходимо учитывать, что сам канал перемещается в пространстве относительно неподвижной стенки втулки цилиндра за счет вращения
червяка.
Относительное перемещение червяка, материала в червяке и цилиндра не изменится, если для удобства рассмотрения процессов условно принять, что червяк неподвижен, а цилиндр вращается вокруг него с той же окружной скоростью, но в сторону, противоположную направлению реального вращения червяка. В этом случае рассматривается (рис. 6.10) вынужденное течение полимера в прямоугольном канале, дно и боковые стенки которого 1, образованные поверхностью спиральной нарезки червяка, неподвижны, а верхняя стенка 2 канала, образованная внутренней поверхностью втулки цилиндра, перемещается со скоростью г2, м/с, зависящей от окружной скорости вращения цилиндра v = nDn (где D — диаметр червяка по нарезке, м; п — частота вращения цилиндра, об/с).
116
'Рис. 6.10. Схема для определения количества расплава Q, поступающего из дозирующей зоны червяка:
1 — дно и боковые стенки канала; 2 — верхняя стенка канала
С учетом наличия противодавления общий поток полимера (?ч, перемещающийся по каналу червяка, обычно представляют в виде .суммы трех составляющих:
еч=епР-бобр-бут.	(6.6)
В уравнении (6.6) основная часть потока, который называют [прямым, обозначена 0пр. Прямой поток обусловлен выдавливающим ^действием червяка и протекает по каналу по направлению скорости v2 (см. рис. 6.10 и рис. 6.11). Обратный поток Qo6p направлен навстречу прямому и обусловлен противодавлением в экструдере. । Поток утечки также обусловлен противодавлением и суще-:ствованием небольшого зазора 8 между гребнем нарезки червяка и стенкой цилиндра. Этот зазор весьма невелик и необходим для свободного вращения червяка внутри цилиндра.
Следует учитывать, что в действительности имеется один поток расплава в червяке Q4, движущийся по каналу в направлении
Рис. 6.11. Течение расплава в канале дозирующей зоны червяка: а — скорости, направления потоков и геометрические размеры канала; б — развертка витка нарезки червяка
t
117
 головки, а потоки 0обр и лишь уменьшают значение основного прямого потока Qnp. Представление общего потока в виде суммы трех его составляющих более удобно для качественного и количественного анализа работы экструдера.
Течение жидкости в общем случае описывается линейным дифференциальным уравнением Навье—Стокса, которое связывает скорость потока с градиентом давления:
gradp = цДг,	(6.7)
где р — локальное давление; ц — вязкость, зависящая только от температуры; Д — оператор Лапласа; у — вектор локальной скорости расплавленного материала.
Применив формулу (6.7) для описания ламинарного течения несжимаемой изотропной жидкости вдоль канала червяка по оси х получим
др _ (д2ух d2vx dvx Эр dvx Эр
дх dz2 ду2 + dz dz + ду ду'
(6-8)
Так как в (6.8) вязкость ц может зависеть от положения элемента жидкости в канале и определяться температурой и градиентом скорости в этой точке, то это уравнение не требует, чтобы жидкость обладала ньютоновскими свойствами и процесс был изотермичным.
Обычно вязкость расплава очень мало меняется вдоль оси z в поперечном сечении канала. Поэтому можно считать, что = О, и тогда уравнение (6.8) примет следующий вид:
др =ЦГ d2vx d2vx А [ dvx Эр
Эх [ dz2 ду2 J ду ду'
(6-9)
Решение уравнения (6.9) весьма сложное, поэтому ограничиваются некоторыми частными случаями, которые применяются на практике.
Например, приняв, что вязкость расплава постоянна по всей
Эр л _
площади поперечного сечения канала, имеем = 0. Это допуще-Эу
ние предполагает изотермический режим работы, т. е. что температура расплава по всей плошали сечения канала постоянна и второе слагаемое в правой части уравнения (6.9) равно нулю.
Для червяков с малым отношением глубины h канала к его ширине b можно пренебречь изменением скорости ух по оси z. В этом случае —= 0 и уравнение (6.9) принимает следующий вид: dz2
дх ду2
d2vx 1 др или Т2~ = ~Т~ ду2 ц Эх
(6.10)
118
Рис. 6.12. Схема двухпластинчатой модели канала (а), распределение скоростей прямого и обратного потоков (б) и результирующая эпюра скоростей (в):
1, 2 — соответственно неподвижная и перемещающаяся пластины; 3 — вязкая жидкость
Уравнение (6.10) описывает одномерное течение ньютоновской жидкости в канале червяка, которое соответствует наиболее простому случаю — поведению вязкой жидкости, расположенной между двумя пластинами, одна из которых неподвижна («дно» канала червяка), а вторая — перемещается со скоростью (рис. 6.12). При этом предполагается, что вязкость и скорость сдвига постоянны по всему объему между пластинами.
Граничные условия для решения дифференциального уравнения (6.10) вытекают из предположения, что жидкость 3 смачивает поверхности движущейся 2 и неподвижной 1 пластин, а следовательно, имеет в точках соприкосновения такие же скорости, как и сами пластины, т.е.
их = 0; v2 = v cos(p = TiDn cos(p,	(6.11)
где v — скорость перемещения движущейся пластины (линейная скорость вращения цилиндра).
Если расстояние между двумя пластинами (глубина канала, соответствующая высоте нарезки червяка) равно Л, то путем двукратного интегрирования уравнения (6.10) по переменной у с учетом граничных условий уравнения (6.11), предположив, что ~ = = const, получаем	°х
Vx"^h~~ ИУ2\1 М = Vnp ~ Vo6p'	(6’12)
Здесь первый член уравнения характеризует скорости прямого Потока, а второй — обратного.
Уравнение (6.12) получено в предположении, что величина .. др dp
М = — = — = const, т. е. давление по длине дозирующей зоны ка-дх dx
Нала изменяется (увеличивается) линейно и все противодавление Приходится на эту зону. Этому случаю соответствует пунктирная кривая 3 на рис. 6.9. В реальных условиях давление распределяется
119
несколько иначе (кривые 1 и 2), причем кривая 1, например, соответствует случаю повышенного сопротивления головки течению расплава полимера, а следовательно, повышенному давлению в экструдере.
6.1.2.	Расчет процесса экструзии
Расчет количества полимера, поступающего в головку из цилиндра. Для определения количества расплава А С, проходящего через элементарную площадку, следует умножить скорость прохода расплава vx через данную площадку (см. рис. 6.10) на ее площадь ДА, т. е. Д(? = vxAS= vxbLy. Так как скорости слоев различны по высоте канала и определяются уравнением (6.12), то общее количество расплава, подаваемого из дозирующей зоны червяком в головку экструдера в единицу времени (объемная производительность «червяка» — (?ч), определяется суммированием элементарных количеств материала Д0 по сечению всего канала нарезки червяка, т. е. следующим интегралом:
г	rfv2y hy-y2	vybh bh3 dp ~	~
Q4 = bxMy=j	M bdy=-±-———=Cnp-Co6p- (6.13)
J	h 2ц J 2	12ц dx p
Выразим величины v2, b и dx, входящие в уравнение (6.13), через параметры экструдера — частоту вращения п, диаметр червяка Р и длину дозирующей зоны Дд.
В соответствии с рис. 6.10 и 6.11
v2 = rcostp = 7lZ>«COS(p;
b = (/-e)cos<p;
^ = 7iZ)tg(p;	(6-14)
. d/
dx =-----,
sintp
где dl — расстояние, на которое переместится расплав по оси червяка при прохождении участка dx по оси канала х.
При условии, что е «: t, можно записать:
b = /cosф = 7iZ>tg(pcos(p = 7iZ)sintp. *	(6.15)
Подставив (6.14) и (6.15) в формулу (6.13), получим
q _ пРп cos qmPh sin <p _ nPh3 sin (p dp	_
4	2	12ц dl
_ n2P2hcos(p sinф	nPh3 sin2 ф dp	, м
"	2 П 12ц	d7‘	‘
120
Уравнение (6.16) не учитывает поток утечки расплава по оси z через зазор между гребнем нарезки червяка и стенкой цилиндра. Этот канал шириной /ср = nP/cos <р имеет длину е cos ф и высоту 5 (см. рис. 6.11). Поток утечки через этот канал
7i2P253tg9dp
Vyr 12це d/’	°
Величину dp/d/ можно определить с учетом принятого линейного увеличения давления (см. прямую 3 на рис. 6.9) от р\ (атмосферного) в начале дозирующей зоны до максимального р2 в конце дозирующей зоны в виде
&Р _ Рг~ Pi &Рч d/ Ln La ’
(6.18)
где Арч — противодавление в червяке; £д — длина дозирующей зоны.
В окончательном виде уравнение для расчета количества расплава, подаваемого червяком из дозирующей зоны в головку экструдера, имеет следующий вид:
£?ч ’ Спр Собр Сут ~
л2Р2йсо8ф sin9 „ nDh3 sin2 ф Арч
2 П 12ц Z7
л2Р28Чёф^ = л + 12це £д	Ц.,
где ц, — эффективная динамическая вязкость в канале червяка.
Коэффициенты А, В, С, характеризующие соответственно потоки прямой, обратный и утечки, зависят только от геометрических размеров червяка и цилиндра:
_ n2D2hcosф sin ф о _ nDh3 sin2 ф. г _ л2Р253 tgф ., 2	’	12£д	’	“	12е£д	’ ( ‘ '
Если в уравнениях (6.19) и (6.20) геометрические размеры выразить в метрах, п — в об/с, цч — в Па • с, а Ар — в Па, то размерность Q4 , будет м3/с.
Расчет общей объемной производительности экструдера. Из цилиндра расплав поступает в головку экструдера (рис. 6.13), которая оказывает ему определенное сопротивление и от значения которого зависит общая (рабочая) производительность экструдера и рабочее давление в нем.
Для оценки влияния сопротивления головки на работу экстру-Дера рассмотрим два теоретических случая: когда головка отсутствует, т.е. выход из цилиндра полностью открыт, и когда выход из цилиндра полностью закрыт.
121
Рис. 6.13. Головка экструдера для наложения полиэтиленовой изоляции или оболочки:
1 — матрица; 2 — матрицедержатель; 3 — дорн; 4 — корпус; 5 — дорнодержатель; 6 — нагреватели; 7 — гайка; 8 — гайка специальная; 9 — насадка; 10 — патрубок (к вакуум-насосу); 11 — вкладыш; 12 — гайка; 13 — кронштейн; 14 — сетка; 15 — насадка к червяку; 16 — решетка; 17 — червяк; 18 — цилиндр
В первом случае внутри цилиндра нет сопротивления протеканию расплава, так как сопротивление, оказываемое стенками канала червяка, намного меньше, чем сопротивление, оказываемое элементами головки, а следовательно, давление в экструдере практически равно нулю и отсутствуют потоки обратный и утечки, т. е.
Др = 0, Собр = Сут = 0,
(O.Z1) Сч = Спр = Qh max =
В этом случае производительность экструдера теоретически максимальна, но качество неуплотненного материала, выходящего из цилиндра, неудовлетворительное.
122
Второй теоретический случай, соответствующий полному закрытию цилиндра, характеризуется тем, что выхода из него нет, т.е. Сч = 0, и прямой поток равен сумме потоков обратного и утечки, т. е. Спр = Собр + Сут-
Для этого случая из (6.19) можно найти давление в конце цилиндра, которое будет максимально возможным при заданных значениях А, В, С, пулц:
Лд = (5 + С)^; ДРтах=-^..	(6.22)
Давление Дртах следует учитывать при расчете крепежных устройств, соединяющих головку с цилиндром экструдера.
Реальному случаю работы экструдера с конкретной конструкцией головки и формующего инструмента (дорна и матрицы) для наложения изоляции или оболочки будут соответствовать рабочая производительность экструдера Qp и рабочее давление (противодавление) Дрр, значения которых соответственно меньше, чем значения Q,mx и Дртах, определяемые по формулам (6.21) и (6.22).
Для определения Qp и Дрр необходимо совместно решить уравнения, определяющие количества материала, проходящего через дозирующую зону ((2ч) и каналы головки (Qr) экструдера. Величину Q, можно найти по уравнению (6.19), a QT в соответствии с (6.5) можно записать в виде
QT = Kr^,	(6.23)
Цг
где Кг — константа (или пропускная способность) головки; Дрг — перепад давлений в головке; цг — вязкость расплава при температуре головки.
Очевидно, что все количество материала, поступающее из цилиндра в головку экструдера, проходит через нее и накладывается на заготовку, т.е. Q4 = Qr = Qp, а также с определенным приближением можно записать, что Дрч в уравнении (6.19) равно Дрг в уравнении (6.23). Решив с учетом этого положения уравнения (6.19) и (6.23) относительно Qp, получим
Ли
= <6-24*
цч
Решив эти же уравнения относительно Дрр, получим
Д/,р=Х ~В + С'	<6’25>
— +------
Рг Рч
123
Рис. 6.14. Характеристики червяка (У; Г) и головки экструдера (2; 2')
Выражения (6.24) и (6.25) определяют рабочие производительность и давление в экструдере.
Эти величины можно найти также путем совместного графического решения уравнений (6.19) и (6.23). Если построить зависимости Q4 от Др по уравнению (6.19) и Qr от Др по уравнению (6.23), то им будут соответствовать прямые 1 (характеристика червяка) и 2 (характе
ристика головки) на рис. 6.14. Пересечение характеристик червяка и головки (точка А) определяет Qp и Дрр.
Меняя значения величин, входящих в уравнения (6.19) и (6.23),
можно менять наклон прямых 7 и 2 и регулировать таким образом Qp и Дрр. Например, характеристика червяка Г, изображенная на рис. 6.14 пунктирной линией, соответствует меньшей температуре
расплава в дозирующей зоне, а следовательно, большему значению вязкости цч и согласно уравнению (6.19) — меньшим значениям 6обр и бут. Поэтому эта прямая имеет меньший наклон к оси Др, и рабочие значения Qp и Дрр (при той же характеристике головки — прямая 2), соответствующие точке А', будут выше, чем для точки А. Если же, например, увеличить константу головки Кг без изменения остальных параметров экструдера, то это увеличит наклон характеристики головки (пунктирная линия 2') и сместит рабочую точку в положение В, что обеспечит большую производительность Qp, но меньшее значение давления Дрр.
В ряде технологических случаев производства кабельных изделий
выгоднее повысить производительность экструдера, а в некоторых случаях предпочтительнее получить более пологие характеристики червяка и головки, которые обеспечивают большую стабильность выхода расплава и давления в головке, хотя и при меньшей производительности. При этом получают более стабильные размеры вып-рессовываемого изделия, что, например, при изолировании кабелей связи (особенно кабелей для структурированных кабельных систем и радиочастотных кабелей, оптических модулей и др.) является решающим требованием к процессу экструдирования.
Рассмотрим влияние конструктивных особенностей головки экструдера на ее пропускную способность, т. е. методы расчета константы Кг.
Поступающий из цилиндра расплав последовательно проходит в головке экструдера через несколько разных участков, из которых наибольшее сопротивление его протеканию оказывают следующие: решетки и фильтрующие сетки, расположенные на входе в голов-
124
Рис. 6.15. Схема расположения формующего инструмента в головке экструдера
ку; конический кольцевой переход между дорном и матрицей и цилиндрический кольцевой зазор между матрицей и токопроводящей жилой (при наложении изоляции) или сердечником кабеля (при наложении оболочки). Отметим, что именно последний участок оказывает, как правило, наибольшее сопротивление потоку, а поэтому имеет наименьшую пропускную способность (К3).
Пропускная способность решетки 16 (см. рис. 6.13 и табл. 6.1) с числом отверстий т, диаметром d и толщиной Zi определяется по формуле
. _ nmdA
1 " 128Д ’
(6.26)
Пропускная способность конического перехода с геометрическими размерами, указанными на рис. 6.15, определяется как
Константа К3 калибрирующей части матрицы на длине формирующей матрицы £м:
х, = ^?г--	<6-28*
Результирующая константа головки
*г=Л------j----Г.	(6.29)
125
Если геометрические размеры в формулах (6.26) ...(6.29) выразить в метрах, то размерность А"г будет в м3.
Напомним, что уравнения (6.24) и (6.25) получены при следующих допущениях: расплав полимера является ньютоновской жидкостью; давление линейно возрастает от начала к концу дозиру-лрщей зоны; тормозящее влияние боковых стенок нарезки червяка (—= 0) не учитывается; температура (а следовательно, и вяз-dz \
кость цч) постоянна по всему сечению канала червяка; ширина гребня нарезки червяка много меньше ширины канала (е «: Ь).
Таким образом, уравнения (6.24) и (6.25) являются упрощенными для расчета процесса экструзии.
В ряде конкретных случаев указанные выше допущения не могут считаться справедливыми, поэтому существуют уточненные методы расчета параметров экструзии.
6.1.3.	Уточненные методы расчета экструзии
Уточненные методы расчета далеко не всегда целесообразно применять, т.е. часто возможно использование приближенного метода расчета, изложенного ранее. Однако в некоторых случаях необходим учет определенных факторов, опущенных при получении выражений (6.24) и (6.25).
Если шириной е гребня нарезки нельзя пренебречь по сравнению с шагом t (см. рис. 6.11), величины А и В определяются следующими выражениями:
,	.	nDh? 1-- sinI 2<p
А = 7i2D2h( 1 -уJsinфcostp; В =--- 12Z -----’ ^О)
Учет изменения вязкости расплава по высоте нарезки червяка необходим при неодинаковой температуре расплава по высоте канала, что наблюдается в случае относительно большой глубины канала h и когда тело червяка искусственно охлаждают при нагревающемся цилиндре. Поэтому, даже считая расплав ньютоновской жидкостью, следует учитывать, что вязкость расплава по высоте нарезки будет различной.
Будем считать, что вязкость линейно изменяется по оси у от значения щ, определяемого при температуре поверхности червяка, до значения цц, определяемого температурой стенки цилиндра в дозирующей зоне. Для этого случая уравнения (6.24) и (6.25) примут следующий вид:
I	F'An
” ! , ВД + О Цг ’ К? Нср
(6.31)
126
(6J2)
Вг Цср
В этих выражениях Ft и Т-j' учитывают влияние изменения вязкости по высоте канала червяка соответственно на прямой и обратный потоки. Эти коэффициенты можно определить по кривым, приведенным на рис. 6.16, в зависимости от величины у = = Цц/Мч-
В этом случае средняя вязкость в канале червяка определяется выражением
^=^4^- (б-зз>
Для учета влияния скорости
Рис. 6.16. Кривые для определения поправочных коэффициентов, учитывающих влияние изменения вязкости по высоте канале червяка на прямой (Fi) и обратный (F{) по-
сдвига на вязкость расплава, т. е.	токи
того факта, что расплав полиме-
ра является неньютоновской жидкостью, необходимо знать значения скоростей сдвига в канале червяка и головке экструдера.
Распределение скоростей слоев и значения скоростей сдвига в канале червяка можно определить с помощью рис. 6.12, б. С некоторым приближением можно считать, что распределение скоростей определяется преимущественно прямым потоком, т. е. изменение скоростей по высоте нарезки от нулевой скорости до v2 линейное, а значит, скорость сдвига
_ v2-Vi _ £2 _ nZtocoscp h h h ’	(	’
где D, h — м; п — об/с; v — с-1.
То, что скорости обратного потока и потока утечки не учитываются, практически не влияет на v4, потому что потоки и значительно меньше, чем Спр.
Определение скоростей сдвига в каналах головки экструдера значительно сложнее. Дело в том, что для этих расчетов (в соответствии с табл. 6.1) нужно знать количество материала Q, прошедшего через эти каналы, т. е. ту величину, которая в конечном итоге составляет предмет расчета. В таких случаях расчет проводится методом последовательных приближений.
Предположим, что через каналы головки экструдера проходит поток Qp, рассчитанный в первом приближении без учета зависи
127
мости вязкости от скорости сдвига, например, по формуле (6.24) или (6.31). Теперь, зная Qp, можно уточнить перепад давлений Дд с учетом свойств неньютоновской жидкости.
Ранее отмечалось, что головка экструдера состоит из нескольких участков, соединенных последовательно, поэтому общий пе-репад давлений Дрг (т. е. разность давлений на входе в головку и выходе из матрицы) можно с учетом уравнения (6.5) выразить в виде
Ддг = Да + Др2 + Aft = Qp 77- + F’+ F"
I Л, Л2 Лз
(6.35)
где Ср — общий поток, который вследствие непрерывности течения расплава одинаковый для всех участков головки.
Значения Къ К2, К3 определяются по формулам (6.26)...(6.28) и табл. 6.1.
Значения скоростей сдвига (см. рис. 6.13) в решетке 16 (участок 7), конусном переходе между дорном 3 и матрицей 7 (участок 2) и в формующей полости на длине цилиндрической части матрицы I определяются следующим образом.
На участке 7
V1
32QP mndi ’
(6.36)
где т — число отверстий в решетке; — диаметр отверстия.
На участке 2 (см. рис. 6.15)
v _____________24Qp___________
.вх + ^ср.вых )(^ВХ "* ^вых)
где Д.р вх, Лер вых — радиусы средней окружности на входе и выходе конусной кольцевой щели; 5ВХ, 5ВЫХ — радиальные размеры кольцевой щели на входе и выходе конусного перехода.
На участке 3, определяемом длиной £м цилиндрической части матрицы
V, =-----—----
Д2(л4р + Д)’
(6.38)
где dcp — средний диаметр кольцевого отверстия между жилой и матрицей; Д — радиальная величина кольцевого отверстия (определяет толщину изоляции или оболочки).
По рассчитанным значениям vb v2, v3 при известных температурах в головке экструдера и матрице определяются значения эффективной вязкости Ц], ц2, Нз Для расплава данного полимера (например, по графическим зависимостям, приведенным на рис. 6.6... 6.8). Если для данного расплава нет реологических данных, то
128
можно воспользоваться зависимостью для полимера с аналогичными химическим составом и показателем текучести.
Определив значения Кь К2, К3 и Ць Ра, Цз> рассчитывают уточненное значение рабочей объемной производительности экструдера по формуле, получаемой при совместном решении (6.19) и (6.35) относительно Qp:
Рис. 6.17. Определение коэффициентов F2 и F2
Qp =-------------------------г •	(6-39)
1	, Из
Цср к2 к3
Если полученное по (6.39) значение Qp будет отличаться от первоначально вычисленного по (6.24) или (6.31) значения Qp, то следует провести уточнение расчета. Для этого полученное по (6.39) значение Qp используют для уточнения скоростей сдвига на всех участках головки экструдера, т. е. подставляют в формулы (6.36)... (6.38) для получения Vp.-Уз и затем ц^.-Цз- После чего вновь вычисляют по формуле (6.39) расход Qp и сравнивают его с полученным на предыдущем этапе значением. Расчеты следует продолжать до тех пор, пока расхождение рассчитанных значений Qp на двух последовательных этапах будет не выше заданного по условиям точности.
Тормозящее влияние боковых стенок канала червяка (см. рис. 6.10, 6.11) можно определить с помощью коэффициентов F2 и F2, учитывающих влияние изменения скорости в канале по оси z соответственно на прямой и обратный потоки:
Ср =----р7 ,2------------------Г.	(6.40)
।	+ Q Ц. t М-2 , М-з
Цср	К2 J
Коэффициенты F2 и F2 зависят от отношения высоты h к ширине b канала червяка и определяются по кривым, приведенным на рис. 6.17.
При больших скоростях движения через головку экструдера жила уносит с собой определенное количество расплава. Поправка расчетной рабочей производительности экструдера Qp определяется выражением
Ttvdl (Дм/^ж)2~1
4	21п(Лм/б?ж)
(6.41)
где б/ж, DK — диаметры жилы и цилиндрической части матрицы.
5 Пешков
129
6.1.4.	Особенности экструдеров для переработки резиновых смесей
Экструдеры для наложения резиновой изоляции или оболочки имеют ряд существенных особенностей, отличающих их от экструдеров для переработки термопластичных полимеров. Эти особенности характерны как для конструкций элементов экструдера и режимов его работы, так и для методов расчета производительности.
В этих экструдерах перерабатывают невулканизованные резины, представляющие собой сложные многокомпонентные смеси различных каучуков с другими ингредиентами. Каучуки относятся к так называемым эластомерам — веществам, в которых преобладают высокоэластические деформации, характеризуемые определенным временем релаксации, т. е. восстановления прежнего состояния тела (например, размеров) после снятия деформирующих усилий.
Высокоэластическое состояние, присущее только высокомолекулярным полимерам, является промежуточным между стеклообразным фазовым (твердым) и вязкотекучим состояниями. Соответственно первое состояние характеризуется упругими деформациями, а второе — пластическими (необратимыми). Пребывание полимера в том или ином состоянии зависит от его химического строения и температуры.
Для переработки в экструдерах полимер должен быть переведен в вязкотекучее состояние, а каучуки в обычных условиях находятся в высокоэластическом состоянии, поэтому для переработки их смешивают с пластификаторами, которые увеличивают пластичность резиновой смеси, т. е. приближают ее к вязкотекучему состоянию.
Следует иметь в виду, что в состав резиновой смеси, перерабатываемой на экструдерах, входят вулканизаторы — вещества, способствующие под действием определенной температуры образованию определенного числа поперечных химических связей между длинными молекулами каучука. Эти связи и определяют присущие резинам известные свойства эластических деформаций. Процесс образования таких связей (вулканизация резиновой смеси) происходит тем интенсивнее, чем выше температура, и для многих каучуков он начинается при температуре 115... 130 °C.
Вулканизация проводится для уже сформировавшегося слоя изоляции или оболочки, т. е. после выхода невулканизованного резинового покрытия из головки экструдера, поэтому температура внутри экструдеров для переработки резиновых смесей существенно ниже, чем для переработки термопластов, и обычно не превышает 50... 90 °C во избежание вулканизации смеси внутри экструдера. Часто резиновую смесь предварительно подогревают при подаче в загрузочное отверстие экструдера (от 20 до 40...70 °C).
130
Для переработки резиновых смесей применяют более короткие и часто многозаходные червяки. Длина их колеблется обычно в пределах (4... 12)/?, в то время как длина червяков для переработки пластмасс составляет (15...30)D.
Таким образом, резиновые смеси, обладающие по сравнению с пластмассами меньшей пластичностью и большими эластическими деформациями, перерабатывают при сравнительно низких температурах и на экструдерах с относительно короткими червяками. Все это позволяет считать, что для объяснения механизма перемещения резиновой смеси в цилиндре экструдера можно использовать положения, приведенные при рассмотрении процессов, происходящих в загрузочной зоне экструдера для переработки пластмасс.
С учетом изложенного производительность экструдера при переработке резиновых смесей определяют количеством смеси, заполняющей объем нарезки червяка на длине одного шага, а также числом нарезок червяка, частотой его вращения и плотностью смеси.
Если нарезка однозаходная, то за один оборот червяка (при условии полного заполнения смесью всей нарезки) в головку экструдера поступает объем смеси V, равный объему витка нарезки на длине /q, одного шага t. В соответствии с рис. 6.10 и 6.11 запишем:
cosip cosip
(6.42) cosip
При заданных частоте вращения червяка п, об/с, геометрических размерах, м, и числе заходов нарезки червяка i объем материала, подаваемый в головку экструдера в одну секунду, составит, м3/с:
Qi = 7i(Z? + tyh(t - e)in.	(6.43)
Если плотность смеси равна у, кг/м3, то производительность, кг/с, определяется следующим выражением:
Qi = it(D + h)h(t - e)iyn.	(6.44)
Выражение (6.44) определяет максимально возможное количество смеси, подаваемое червяком в головку экструдера. В действительности реальная производительность будет существенно меньше. Это обусловлено такими факторами, как наличие противодавления, неполное заполнение нарезки червяка резиновой смесью, а также тем, что имеются окружные и осевые смешения отдельных участков смеси, заполняющей нарезку червяка, вызванные силами Р' и Р" (см. рис. 6.4).
131
По этой причине нельзя считать, что за один оборот червяка полностью выдавливается объем витка на длине одного шага, как было бы в идеальном процессе, описываемом моделью перемещающейся по винту гайки. Указанные факторы, снижающие производительность экструдера, можно учесть некоторым коэффициентом а, фактически представляющим собой КПД экструдера:
Qi=an(D + h)h(t-e)iyn.	(6.45)
Значение а может колебаться довольно значительно: в пределах 0,1...0,3.
Пример 6.1. Рассчитать производительность экструдера для изолирования радиочастотного кабеля типа РК-75-17-12 при следующих исходных данных: диаметр червяка — 120 мм; материал изоляции — полиэтилен низкой плотности; показатель текучести расплава — 1,5 г / 10 мин; диаметр внутреннего проводника — 2,63 мм; диаметр по изоляции — 17,3 мм.
1.	В соответствии с техническими характеристиками экструдера и рекомендациями по выбору технологических параметров и режимов зададимся следующими величинами: число оборотов червяка — 60 об/мин; длина дозирующей зоны La — 720 мм; средняя глубина нарезки в дозируюшей зоне h — 7 мм; шаг нарезки t — 120 мм; ширина гребня нарезки е — 10 мм; зазор между гребнем червяка и втулкой цилиндра 5 — 0,2 мм; угол нарезки <р — 20°; температурный режим по зонам цилиндра, °C: зона I — 140, зона II — 150, зона III — 180, головка экструдера — 190.
2.	Выберем рабочий инструмент. Обычно при наложении изоляции большой радиальной толщины применяют поочередное опрессовывание за два прохода. Для изолирования рассматриваемого кабеля разработана технология изолирования за один проход с применением специальной двухконусной удлиненной матрицы с экспериментально подобранными размерами. Для упрошения расчета будем считать, что применяется обычная цилиндрическая матрица. Размеры ее, а также размеры дорна и конусного перехода (см. рис. 6.15) выбраны следующими:
dcp = 9,51 мм; DM = 16,4 мм; LM = 164 мм; dD = 2,7 мм;
7?HiCp = 23 мм, /?В-Ср — 7,87 мм, Дср,вх= 22 мм, Дер.вых= 9,25 мм,
5ВХ = 17 мм; 5ВЫХ = 14 мм; Д = 6,88 мм; L2 = 32 мм.
В конце дозирующей зоны перед входом в головку экструдера помещается решетка с 498 отверстиями диаметром 2 мм; толщина решетки Ц = 13 мм.
3.	Рассчитаем производительности экструдера. По формулам (6.20) определим коэффициенты Л, В, С:
А = (3,14)2 • (120  10-3)2  7 • 10-3  0,342  0,94 = 1Д1.1()^м3.
2
В = 3,14-12О1О-3-(7 -1О-3)3 -(О,342)2 =	м3.
12 720-10“3
C = (3»14)2<120'10~3)2' (0.2  10-y • 0,364 = 4>8.10_12m3
12 10 10~3-720 10-3
132
По формулам (6.26)...(6.29) вычислим значения констант на различных участках головки экструдера.
Решетка-.
_ 498-3,14-(2-10-3)< _151.1О-8мз.
К'~	128-13-10-3	-1’51 10 М’
Кольцевой конический переход:
„ 3’14
2 8-32-10-3

In 23 /7,87
= 8,73 -10-’ м3.
Цилиндрический зазор между дорном и матрицей:
^ = 3’14-9^?;Г?У-,810~3)3 = 4,96 • Ю'9 м3.
12-164- IO*3
Общее значение константы головки экструдера:
1
Скорость сдвига в канале червяка по (6.34):
3,14-120-1	.
v4 = —— ------- = 54 с-1.
7
Считая в первом приближении скорости сдвига в канале червяка и головке экструдера равными, определим значения вязкости при температуре червяка в дозирующей зоне 180 °C и температуре головки 190 °C по кривым на рис. 6.6, б: рч 180 = 1,2 • 10"3 МПа • с; рг 190 = 1,0 • 10“3 МПа  с.
Производительность определяем по формуле (6.24):
1,11-10^-1
Ql 1 + 1,67-10-9+4,8-10-|21,0-10-3 8>07’10’5м3/с-
3,71 Ю-9	1,2-10-3
Зная производительность, можно определить значения скоростей сдвига и вязкости на разных участках головки экструдера [формулы (6.36)... (6.38)].
Решетка:
32-8,07-Ю-5
V| ~ 498 • 3,14  (2 • 10-3)3 = 207 с '•
Для /г = 190 °C и Vj = 207 с*1 по рис. 6.6, б найдем щ = 4,5 • 10-4 Мпа  с.
Тогда по формуле (6. 35) определим:
Да = =efsViol =3 •104 Q МПа-Л ]	1, • 1U
Кольцевой конический переход по формуле (6.37):
24-8,07-Ю"5
V = ________~	~	~.
2 3,14(22-10-3+9,25-10“3)(17-10~3+14-10"3)2	’	’
133
Для tT = 190 °C и v2 = 20,8 с 1 по рис. 6.7 найдем Ц2 = 2 • 10-3 МПа • с. Тогда
7 • 10'3
Ар2=О-±-^—=2,3-103(2МПа.
о,/j • 1U
Цилиндрический зазор между дорном и матрицей.
=____________6-8,07 10~5_________ =
Уз (6,88-10~3)2(3,14-9,51 • 10“3+ 6,88 • 10~3) С ‘
Для = 190 °C и v3 = 269 с'1 по рис. 6.6 найдем ц2 = 4 • 10-4 МПа • с. Тогда
4.10-4 Ай"0дао5=8’11<ИОМПа-
Общий перепад давлений в головке экструдера:
Арг = Ал + Ар2 + Ар3 = (3 • Ю4+ 2,3 • 103+ 8,1 • 104)Q = 1,13 • 105Q МПа.
По формуле (6.39) найдем уточненное значение производительности без учета коэффициентов Ц и F{:
п _ IJl lO-4 !
i+1671?; 1,13-цр
1,2 IO’3
= 9,6 • 10~5 м3/с.
Значение 02 отличается от значения Qt, полученного по упрощенной формуле (6.24). Поэтому проведем второе уточнение расчета скоростей сдвига и вязкостей в головке экструдера, используя значение Q2 = 9,6- 10~5м3/с.
Решетка'.
,	32-9,6-Ю-5	„„
V| 498-3,14-(2-10-3)3 - 246с •
Для tf = 190 °C и vf = 246 с-1 по рис. 6.6 найдем |Д = 4 • 10-4 МПа  с. Тогда
Д/i = 02151П0~-8 = 2’ 67'10402 МПа-
Кольцевой конический переход'.
v'  __________________—0?___________________ = 24 7 с-1
2 3,14(22-10‘3 +9,25 10 3)(17-10“3+14 10-3)2
Для tt = 190 °C и v2 = 24,7 с"1 по рис. 6.7 найдем ц2 = 1,3  10“3 МПа • с. Тогда
АД2 = 02 g<10^ = 1,62  103С2 МПа.
Цилиндрический зазор между дорном и матрицей'.
м' ___________________^Qi_______________ _ Jon c-i
3 (6,88-10“3)2(3,14-9,51-10"3 + 6,88-10*3)
134
Для tT = 190 °C и V3 = 320 с_| по рис. 6.7 найдем р2 = 3,4 • 10-4 МПа • с. Тогда
3 4 • 10-4
Д/з = & д ок 1П-9 = 6’85 • 104& МПа.
4, У о -10
Общий перепад давлений в головке экструдера:
Др, = Ар[ +Ар2 +Ар3'= £)2(2,67-104+1,62-103+ 6,85-104) = 9,68-104£?2 МПа.
Уточненное значение производительности:
0> = .ет'щТ'1-----------=9,8 10' м»/с.
Значение производительности Q3 практически совпадает с предыдущим значением Q2 и поэтому принимается за окончательный результат расчета.
Зная объемную производительность экструдера Q3 и поперечное сечение накладываемого слоя изоляции 5, легко определить линейную скорость изолирования:
v„ = Q = 9’8 10 = 4 26 • ГО4 м/с = 25,6 м/мин,
S 2,3-Ю-4
где
5 = J(^ j [(17,3 • КГ3)2 - (2,63 • IO 3)2] = 2,3 • 10-4 м2.
6.2.	Влияние технологических параметров и режимов на работу экструзионных линий и качество изготавливаемых кабельных изделий
6.2.1.	Влияние формующего инструмента
На производительность экструзионного агрегата и качество выпускаемой кабельной продукции существенное влияние оказывает формующий инструмент (дорн, матрица), в котором происходит непосредственное формирование расплава полимера в цилиндрический слой изоляции или оболочки. Кроме того, большое значение имеют такие технологические параметры, как геометрические размеры червяка и цилиндра, частота вращения червяка, температурный режим в цилиндре и головке, скорость прохождения заготовки через головку экструдера.
От взаимного расположения дорна и матрицы (рис. 6.18) зависит плотность наложения изоляции на токопроводящую жилу или, как обычно говорят, степень обжатия, а также производительность экструдера. Наиболее часто используется расположение форму-
135
Рис. 6.18. Схемы взаимного расположения дорна и матрицы: а — плотное наложение изоляции (с обжатием); б — свободное наложение изоляции (трубкой); в — наложение изоляции с малым обжатием
ющего инструмента, представленное на рис. 6.18, а, при котором обеспечивается наиболее плотное наложение изоляции. При расположении, соответствующем рис. 6.18, б, наоборот, происходит свободное выпрессовывание слоя полимера, который накладывается на жилу или сердечник кабеля свободно, без обжатия в виде трубки. Расположение инструмента в соответствии со схемой, показанной на рис. 6.18, в, обеспечивает промежуточный результат, т. е. наложение полимера в этом случае происходит с малым обжатием.
Высокая степень обжатия применяется обычно при изготовлении кабельных изделий высокого напряжения, для которых недопустимо наличие воздушных включений у поверхности жилы. При наложении изоляции кабелей и проводов, работающих при низком напряжении, когда наличие воздушных включений не опасно, так как мала напряженность электрического поля в изоляции, возможно расположение формующего инструмента по схеме, обеспечивающей изолирование с малым обжатием. Свободное наложение слоя полимера обычно применяется в следующих случаях: наложение пластмассовых оболочек на сердечник кабеля; наложение изоляции на жилу некруглой формы (например, секторную) с использованием вакуумирования дорна; наложение изоляции с вытяжкой.
Свободное наложение оболочек используется для обеспечения целости их при изгибах кабеля. При намотке (например, на барабан) элементы кабеля, расположенные около центральной продольной оси, находятся в ненагруженном состоянии, в то время как из-за разного радиуса изгиба наружные слои растягиваются, а внутренние — сжимаются. При «жестком» сцеплении оболочки с внутрилежащими элементами кабеля (при наложении оболочки с обжатием) возможны ее деформации и разрывы.
При изолировании жил некруглой формы выходящая свободно без обжатия трубка за счет разрежения во внутреннем отверстии
136
дорна (куда подключен вакуум-насос через патрубок 10, см. рис. 6.13) плотно облегает жилу.
Наложение изоляции с вытяжкой происходит в том случае, когда жила движется через головку экструдера быстрее, чем выпрессо-вывается слой полимера. При этом происходит вытягивание полимера движущейся жилой и уменьшение радиальной толщины изоляции. Для получения нужной толщины изоляции при наложении ее с вытяжкой следует увеличить зазор между дорном и цилиндрической частью матрицы. Степень вытяжки характеризуется коэффициентом вытяжки кв, который равен отношению площади сечения потока расплава полимера в зазоре между дорном и матрицей к площади сечения слоя, полученного при вытяжке изоляции, т.е. = 5Р/5И3. Чем выше кв, тем выше линейная скорость изолирования и меньше скорость сдвига в формующей части матрицы.
Наложение изоляции с вытяжкой применяют для полимеров с низкими значениями критической скорости сдвига vKp и для получения тонких слоев изоляции с большими скоростями, когда имеется опасность достижения vKp и возможен «разрыв расплава».
Ряд полимеров (полиамиды, поликарбонат, плавкие фторопласты — Ф-4МБ, Ф-2М и др.) допускает высокую степень вытяжки, их кв может достигать 50... 250, в то время как у других полимеров допустимая степень вытяжки существенно меньше: у полиэтилена низкой плотности кв - 5...20, а у ПВХ пластикатов — 2...6.
Следует иметь в виду, что при вытяжке происходит продольная ориентация полимерных молекул, и после охлаждения такая структура фиксируется. В результате появляются внутренние напряжения в полученном полимерном покрытии, которые при последующей работе изделия могут привести к релаксационным изменениям его размеров. Это происходит потому, что «обычная» структура полимеров имеет хаотическое (неупорядоченное) расположение длинных полимерных молекул. Ориентированная структура, полученная при вытяжке, сохраняется в результате увеличенных сил межмолекулярного взаимодействия, вызванных охлаждением расплава, поэтому и говорят об образовании при экструзии с вытяжкой так называемых замороженных внутренних напряжений. Если эти напряжения велики, то при механических деформациях полимера они могут привести к его растрескиванию. В этом случае для уменьшения внутренних напряжений рекомендуется работа при минимальных степенях вытяжки с применением больших кв, только если это дает определенные преимущества: при наложении очень тонких полимерных покрытий или для полимеров с низкой критической скоростью сдвига vKp (например, для плавких фторопластов).
Расстояние между концом дорна и началом цилиндрической части матрицы а (рис. 6.19) влияет как на степень обжатия, так и на производительность экструдера. При увеличении расстояния а уве-
137
Рис. 6.19. Схема расположения дорна и матрицы
личивается конусный кольцевой зазор между дорном и матрицей, а следовательно, пропускная способность головки К2. Слишком большое расстояние между дорном и матрицей может привести к обрыву токопроводящей жилы и нарушению ее центровки жилы в цилиндрической части матрицы. Обычно расстояние а при плотном наложении изоляции принимается не менее удвоенной радиальной толщины накладываемого слоя изоляции.
Угол между образующими конусных поверхностей дорна и матрицы (Р - С0/2 влияет на производительность, так как определяет пропускную способность данного участка
головки экструдера К2. С увеличением этого угла производитель-
ность увеличивается, однако с точки зрения лучшего прогрева слоя полимера за счет нагретых поверхностей дорна и матрицы этот угол целесообразно выбирать небольшим (0... 10°).
Диаметр цилиндрической части матрицы DM определяет наружный диаметр Лиз выпрессованного слоя полимера, поэтому (если только прессование не ведется с вытяжкой) DM ~ Dm. Однако следует учитывать, что ряд полимеров после выхода из головки экструдера и последующего охлаждения меняет свои размеры. Так как полиэтиленовая изоляция из-за сравнительно большого температурного коэффициента расширения в процессе охлаждения имеет заметную усадку, то DM для нее принимают примерно на 10 % больше, чем требуемый диаметр Dm. В то же время изоляция из пористого полиэтилена или невулканизованной резиновой смеси после выхода из головки экструдера несколько увеличивает свои размеры, что связано с наличием пузырьков газа под давлением и высокоэластических деформаций, поэтому £>м для этих материалов выбирают несколько меньшим, чем требуемый диаметр Dm.
При эктрудировании поливинилхлоридного пластиката Dw принимают равным диаметру изготавливаемого изделия.
Длина цилиндрической части матрицы Lu оказывает весьма существенное влияние как на производительность экструдера, так и на качество накладываемого полимерного покрытия. На этом участке происходит формирование слоя изоляции, поэтому увеличение его длины способствует более стабильному течению потока расплава в этой зоне, а следовательно, и получению более качественной и однородной изоляции. Однако с увеличением LM пропорционально увеличивается сопротивление, оказываемое потоку
138
расплава этим участком, т. е. уменьшается пропускная способность Кз, а именно эта величина оказывает решающее влияние на общую пропускную способность головки Кг и в конечном счете на производительность экструдера.
На практике Ьы принимают обычно не более диаметра матрицы DM, а при наложении полиэтиленовой или поливинилхлоридной изоляции — в пределах 1 ...8 мм.
В ряде случаев применяют так называемые двухконусные матрицы, которые имеют значительно большую длину по сравнению с обычными. Угол у выходного конуса в них обычно небольшой (несколько градусов), угол 0 второго конуса в них значительно больше. Применение таких матриц обеспечивает уплотнение и большую стабильность изоляции. Их применяют в ряде случаев при наложении изоляции большой радиальной толщины за один проход, а также при наложении изоляции из полимеров с большой вязкостью расплава (например, некоторых плавких фторопластов) и при наложении тонкослойной изоляции. В последнем случае в результате увеличения длины матрицы увеличивается сопротивление головки экструдера, что соответствует повышению стабильности процесса изолирования, так как характеристика (2(Др) на рис. 6.14 более пологая.
Внутренний выходной диаметр дорна дл приблизительно равен диаметру токопроводящей жилы (больше на 0,05... 0,5 мм для обеспечения свободного прохождения жилы). При заметном увеличении зазора между жилой и внутренней поверхностью выходного отверстия дорна жила может оборваться из-за проникновения в этот зазор полимера, находящегося под избыточным давлением.
Кроме формующего инструмента на производительность технологических линий и качество изготавливаемых на экструдерах кабельных изделий существенное влияние оказывают размеры и форма червяка и температурные режимы в зонах цилиндра, головки и охлаждающих устройствах.
6.2.2.	Влияние размеров червяка и температур в экструдере
Форма и размеры червяка зависят от типа экструдера и вида перерабатываемого полимера (рис. 6.20). Основным параметром червяка является диаметр D. Остальные размеры обычно выражаются относительно диаметра. Для таких широко применяемых полимеров, как полиэтилен и поливинилхлоридные пластикаты, применяют червяки с большой длиной L, достигающей (20... 25)2) и выше, и относительно небольшой глубиной нарезки.
Глубину нарезки в дозирующей зоне ha для пластмасс обычно выбирают в пределах (0,05... 0,15)2), а степень сжатия (компрессия), Равная отношению глубины нарезки в зоне загрузки й3 и зоне дозирования йд, в зависимости от вида перерабатываемого матери-
139
I Зона дозирования Переходная зона (9...8)Р	(3...7)Р
б
Рис. 6.20. Червяки разных конструкций: а — для полиэтилена; б — для поливинилхлоридного пластиката
ала составляет 2,0...4,5. Чем меньше Лд, тем более равномерно расплав прогревается, а следовательно, обеспечиваются более стабильные вязкость в канале червяка и соответственно однородность изоляции.
Чем больше длина зоны дозирования La, тем выше стабильность работы экструдера, так как при этом больше выравнивается температура, а значит, и вязкость расплава в этой зоне. Кроме того, при увеличении £д, как следует из формулы (6.19), уменьшаются Сут и Собр, чем обеспечивается более пологая характеристика червяка, что также способствует большей стабильности Qp, поэтому обычно длину зоны дозирования берут не меньше 4£), а в ряде случаев — до 12D. Длина переходной зоны или зоны сжатия обычно бывает небольшой (0,5... 1 )D.
Шаг нарезки 7 для большинства червяков, используемых для переработки пластмасс, постоянен по всей длине червяка и обычно равен диаметру червяка по нарезке D.
Угол нарезки <р червяка определяют при известных шаге t и диаметре D из соотношения tg ф = //(л£>).
Ширина гребня нарезки е червяка обычно составляет (0,1... 0,15)£>.
Зазор 5 между гребнем нарезки и стенкой цилиндра должен быть как можно меньше и составлять (0,001... 0,002)£). В процессе работы допускается некоторое увеличение зазора 5 до 0,004£).
Температура в зонах цилиндра, головки экструдера и охлаждающем устройстве оказывает большое влияние на качество изоляции и производительность экструдера.
В зоне загрузки, как отмечалось ранее, температуры стенки цилиндра t ц и поверхности червяка /ч выбирают такими, чтобы обеспечивался наибольший коэффициент трения между полимером и стенкой цилиндра и наименьший — между полимером и поверхностью червяка (см. рис. 6.3),
140
В дозирующей зоне важно иметь равномерный нагрев по всему объему нарезки червяка, что обеспечивает однородность расплава и соответственно однородность свойств по толщине слоя изоляции, т. е. ее высокое качество.
Наибольшая производительность экструдера обеспечивается при максимально высокой температуре червяка. В этом случае вязкость расплава у его поверхности цч существенно снижается, увеличивается величина у = Цц/Цч и в соответствии с рис. 6.16 коэффициент Ft стремится к своему предельному значению, равному 2. Однако следует иметь в виду, что при этом из-за разной температуры по высоте канала ухудшается гомогенность расплава, а также имеется опасность чрезмерного перегрева полимера и его разложения.
Уменьшение температуры как цилиндра, так и червяка из-за увеличения вязкости расплава ведет в целом к уменьшению производительности экструдера. Однако при этом уменьшаются обратный поток и поток утечки, что обеспечивает более пологую характеристику червяка (см. рис. 6.14), а значит, и более стабильную работу экструдера, т.е. меньшие колебания его производительности Ср, а следовательно, и размеров кабельного изделия при отклонении от нормы технологических параметров (при колебаниях напряжения сети, однородности загружаемого полимера и др.).
По этой причине, в случаях когда обеспечение стабильности размеров изготавливаемого кабельного изделия имеет большое значение, применяют охлаждение червяка и особенно его дозирующей зоны. Прежде всего это эффективно для червяков с глубокой нарезкой.
Температуру в головке экструдера выбирают, как правило, выше, чем в дозирующей зоне, на 10...40°C (в зависимости от перерабатываемого материала), а температура матрицы, в свою очередь, должна быть несколько выше, чем температура головки.
Поступающую в головку экструдера токопроводящую жилу или кабельную заготовку необходимо подогревать. Это нужно, во-первых, для удаления имеющихся на поверхности заготовки следов влаги и загрязнений, которые при соприкосновении с расплавом полимера в головке, испаряясь, могут образовать газовые пузырьки, а также уменьшить адгезию полимера к заготовке. Во-вторых, подогрев предотвращает уменьшение температуры расплава в головке из-за «отвода» тепла в заготовку (особенно это существенно для металлической токопроводящей жилы). Такое уменьшение температуры может привести к появлению внутренних механических напряжений в наложенном слое полимера (в этом случае говорят о появлении замороженных внутренних напряжений), которые при эксплуатации могут привести к его растрескиванию.
141
6.2.3.	Типовые температурные режимы наложения покрытий из полимерных материалов
Типовые температурные режимы наложения покрытий из полимерных материалов в отечественной практике унифицированы, хотя это не означает, что производство кабелей и проводов не может осуществляться с отклонениями от регламентируемых температур расплава и линейных скоростей, тем более с учетом появления на кабельных заводах новых современных экструзионных линий. Примерные температурные режимы экструдера при наложении покрытий из полиэтилена низкой и высокой плотности и ПВХ пластикате® приведены в табл. 6.2.
При наложении покрытий из полиэтилена необходимо поддерживать высокую стабильность температуры. Современные системы регулирования температуры обеспечивают точность в пределах +1 °C. Следует учитывать, что стабильность температуры расплава, как и его давления, зависит не только от температуры цилиндра, но и от профиля распределения температуры по зонам экструдера, конструкции червяка, его охлаждения и т.д. В современных экструдерах колебания температуры и давления минимальны.
При наложении покрытий из полиэтилена и поливинилхлоридного пластиката важным фактором температурного режима является подогрев токопроводящей жилы или заготовки кабеля перед входом в головку экструдера до температуры 90... 150 °C.
При переработке ПВХ пластиката температура в экструдере несколько ниже, чем при переработке полиэтилена (см. табл. 6.2).
Таблица 6.2
Температурные режимы переработки кабельных полиэтиленовых композиций и ПВХ пластикатов
Тип полиэтилена	Температура нагрева, °C				
	Зоны цилиндра			Головка экструдера	Матрица
	I	II	III		
Полиэтилен низкой плотности: при радиальной толщине покрытия < 0,8 мм при радиальной толщине покрытия > 0,8 мм	130... 150 160... 180	160... 180 160... 180	180...210 170... 190	200... 230 180... 200	220... 240 190... 200
Полиэтилен высокой плотности	200...220	230... 250	240...260	250... 270	260... 280
ПВХ пластикат	135	145... 150	150... 165	165	175
142
Перед пуском в переработку ПВХ пластикат рекомендуется не только выдерживать в производственном помещении до 12 ч, но и подвергать сушке в отдельных печах или загрузочном бункере экструдера. Это особенно важно, когда пластикат с завода-изготовителя транспортируется на большие расстояния и при этом увлажняется. При переработке вулканизирующегося (сшиваемого) полиэтилена температура расплава должна быть ниже, чем при переработке стандартных полиэтиленовых композиций во избежание преждевременной (хотя бы и частичной) вулканизации материала в экструдере, поэтому обычно температура в цилиндре экструдера составляет 100... 120 °C, а в головке — 120... 130°C.
При переработке вспенивающегося полиэтилена температура по зонам цилиндра экструдера также должна быть несколько ниже, чем при переработке обычных полиэтиленовых композиций. Особенно это важно для химического метода вспенивания. Так как для вспенивания применяются порообразующие вещества (порофоры), температура разложения которых 120... 140 °C, во избежание преждевременного порообразования необходимо по зонам цилиндра поддерживать температуру в пределах НО... 140 °C, при этом в матрице, когда выделяющийся азот образует ячеистую структуру с мелкими замкнутыми порами, она уже может достигать 200 °C. Точность поддержания температуры должна быть также достаточно высокой, т.е. в пределах ±1 °C. Особенно важен предварительный подогрев токопроводящей жилы при наложении вспенивающейся изоляции. Если жила не подогрета до нужной температуры, то вокруг нее может образоваться невспененный монолитный слой; и наоборот, если жила имеет слишком высокую температуру, то могут образоваться крупные ячейки, и кабельное изделие не будет отвечать заданным техническим требованиям.
Температурные режимы переработки термопластичных фторполимеров (табл. 6.3) имеют свои особенности. При переработке этих материалов практически всегда необходимо применять предварительный подогрев токопроводящей жилы до температуры 150... 180 °C.
Все термопластичные фторопласты имеют высокую вязкость расплава при низких критических скоростях сдвига, поэтому приходится не только конструировать головки экструдера и инструмента, но и применять экструдеры с небольшим диаметром червяка (в основном до 45 мм) и небольшой частотой вращения (до 30 об/мин).
При температурах переработки, приведенных в табл. 6.3, происходит выделение агрессивных летучих продуктов, оказывающих вредное воздействие как на технологическое оборудование, так и на обслуживающий персонал, и которые должны немедленно удаляться из производственного помещения с помощью усиленных систем вентиляции.
143
Таблица 6.3
Температурные режимы переработки термопластичных фторполимеров
Тип фторполимера	Температура нагрева, °C				
	Зоны цилиндра			Головка экструдера	Матрица
	I	[I	III		
Фторированный эти-ленпропилен Ф-4МБ	260...310	280... 320	320... 340	340... 380	330... 370
Сополимер этилена и тетрафторэтилена Ф-40Ш	260... 280	280...310	330... 340	340... 350	310...330
Поливинилиденфторид Ф-2М	180...210	220... 240	250... 270	270... 290	260... 270
Температурные режимы экструдера при переработке термопластичных фторопластов должны быть исключительно стабильны, ввиду возможного разложения материала при температурах переработки, превышающих допустимые. Даже местное охлаждение расплава приводит к резкому увеличению его вязкости и торможению потока, что может привести к разложению фторполимера или образованию в покрытии участков с повышенными внутренними напряжениями, увеличивающими склонность покрытия к растрескиванию.
Наложение покрытий из резиновых смесей представляет собой более простой процесс по сравнению с переработкой пластмасс, так как резиновая смесь не переходит в состояние расплава. Однако при перемещении резиновой смеси в цилиндре экструдера необходимо принять меры для исключения задержки потока смеси и ее местных перегревов. В противном случае может начаться преждевременная вулканизация, исключающая получение качественной продукции. Температура при экструдировании резиновых смесей в зоне I цилиндра — 30...60°C, в зоне II (часто для переработки резины используют только две зоны нагрева цилиндра) — 30...80°C, а температура в головке экструдера — 55...90°C. Естественно, что конкретная температура нагрева определяется типом применяемой резиновой смеси.
6.2.4.	Влияние охлаждения после экструдирования и расчет режимов охлаждения
Влияние охлаждения. Условия охлаждения после экструдирования являются одним из основных факторов, определяющих как качество наложенного полимерного покрытия, так и линейную скорость изолирования или ошлангования. Полимерное покрытие
144
после экструдирования необходимо охладить до температуры, при которой оно не будет деформироваться или повреждаться на приемном барабане. Эти температуры достаточно высоки: для полиэтилена низкой плотности — 60...80°C, для ПВХ пластиката — 60...90 °C, для фторопластов — 110...200 °C и т.д. Однако в реальных условиях экструдированное покрытие охлаждают до температур 40...50°C, что отвечает требованиям техники безопасности.
При резком охлаждении полимерных покрытий могут происходить изменения структуры и некоторых физических свойств материала. Так как в этом случае релаксационные процессы не успевают завершиться и образуется неравновесная структура материала, в которой преобладает аморфная фаза. Плотность такой структуры ниже, чем у неравновесной, возникающей при медленном охлаждении кабельного изделия. В результате внутренние напряжения, связанные с разбуханием и ориентацией расплава, замораживаются. В процессе эксплуатации (особенно при повышенных температурах) структура будет стремиться прийти в равновесное состояние, что приведет к перераспределению напряжений и ее усадке, которые могут вызвать появление трещин при тепловом старении и снижение морозостойкости. Причем трещины как раз и появляются в местах концентрации механических напряжений.
Следствием быстрого охлаждения является также образование внутренних пустот в покрытии. Особенно это касается переработки полиэтилена, объем расплава которого при температуре 200 °C примерно на 25 % выше, чем при 20° С, причем резкое изменение объема происходит вблизи его температуры плавления. В охлаждающей ванне понижение температуры начинается с поверхности изделия. Поверхностный слой, охлаждаясь, стремится сократить свой объем, а внутренние, еще не остывшие слои препятствуют этому сокращению. При этом поверхностный слой затвердевает под воздействием радиального давления и находится в растянутом состоянии с замороженными внутренними напряжениями. При последующем охлаждении внутренних слоев их объем сокращается, но это происходит в условиях, когда наружные слои уже затвердели. Сокращение объема может проходить не равномерно, а по наиболее механически слабым местам, т.е. там, где покрытие охлаждается в последнюю очередь, поэтому внутри покрытия могут образоваться пузыри и пустоты, в основном у жилы. Чем ближе температура охлаждающей среды к температуре плавления полимерного материала, тем меньше вероятность образования пустот в покрытии. Поэтому теоретически идеально охлаждение покрытия при температуре охлаждающей среды, равной температуре плавления материала покрытия (что, однако, практически невозможно).
Известно, что пустоты в полиэтиленовом покрытии не образуются, если охлаждение начинать с температуры порядка 80...90° С.
145
В то же время при повышении температуры охлаждающей среды линейная скорость изолирования может снизиться на 10... 15 %. Следовательно, охлаждение покрытий из полиэтилена следует производить ступенчато. Чаще всего используют трехсекционные ванны. Температура воды в первой секции должна составлять 80... 90 °C, во второй — 50...70 °C, а в третьей секции используется холодная водопроводная вода. Перепад температур в покрытии малой толщины (менее 0,7 мм) невелик, поэтому такое покрытие можно охлаждать холодной водопроводной водой.
Поливинилхлоридный пластикат имеет небольшой температурный коэффициент объемного расширения. Кроме того, плотность его вблизи температуры плавления резко не изменяется, и, следовательно, склонность к образованию пустот у него значительно ниже. По этой причине допускается охлаждение покрытий из ПВХ пластиката в водопроводной воде.
Холодную воду используют также для охлаждения резиновых покрытий.
Неравномерность охлаждения возрастает с увеличением не только толщины покрытия, но и его температуры при выходе из экструдера. Более того, у ряда термопластичных фторопластов при резком охлаждении расплава образуется структура с меньшей степенью кристалличности, поэтому покрытия из этих фторопластов толщиной, превышающей 0,5 ...0,8 мм, сначала до входа в ванну с охлаждающей водой охлаждают в воздушной среде либо воду вообще не применяют.
Расчет режима охлаждения экструдированных покрытий производится двумя методами. Первый — используется для кабельных изделий с тонкослойной изоляцией (толщиной в пределе 0,8... 1,0 мм), а второй — при необходимости учета перепада температур по толщине изоляции. В основу расчета в обоих случаях положен конвективный теплообмен между охлаждаемым кабельным изделием и охлаждающей средой.
Расчет режима охлаждения кабельных изделий с тонкослойным покрытием. Расчет производят на основе уравнения теплового баланса количества теплоты, поступившего с жилой или заготовкой с наложенным тонкослойным покрытием, и количества теплоты, отводимого в окружающую охлаждающую среду. Перепад температур по толщине покрытия не учитывают.
Количество теплоты, поступившее с кабельным изделием,
Q, =Ск(Ог-0охл),	(6.46)
где Ск — теплоемкость кабельного изделия на единицу длины; Ог — температура изделия на входе в охлаждающую ванну, принимаемая равной температуре головки экструдера; Оохл — температура, до которой охлаждается кабельное изделие (обычно 40... 50 °C).
146
Теплоемкость кабельного изделия:
Ск = C|W| + с2т2 + ... + спт„,	(6.47)
где с2,	с„~ теплоемкости элементов конструкции кабельного
изделия; 1щ, т2, ..., т„ — массы элементов конструкции кабельного изделия.
Масса кабельного изделия
т = vyF,	(6.48)
где v — скорость движения изделия через охлаждающую ванну; у — плотность материала элемента конструкции кабельного изделия; F— площадь поперечного сечения элемента конструкции кабельного изделия.
Если кабельное изделие имеет п элементов конструкции,
Qi = (ti^iYi + c2F2y2 +... + c„F„y„)v(О, -Оохл). (6.49)
При охлаждении кабельное изделие отдает с поверхности количество теплоты
□2=сот</£(Оср-О0),	(6.50)
где а — коэффициент теплоотдачи; d — диаметр изделия по покрытию; L — длина охлаждающей ванны экструзионной линии; $ср — средняя температура охлаждаемого изделия; О0 — температура охлаждающей среды.
При определении Оср считают, что температура изделия по длине охлаждающей ванны меняется линейно от Ог до Оохл. Тогда
Л -4-эЯ —	' °охл
аср	2
Очевидно, что количество теплоты, поступившее с жилой или заготовкой с наложенным покрытием, и количество теплоты, отводимого в окружающую среду, равны, т. е. Qt = Q2. Тогда
(ci^Yi + c2F2y2 +... + cnFnyn)v($r-&охл) = anJZ(dcp -O0). (6.51)
Следовательно, если задана длина охлаждающей ванны, что очевидно при решении практических задач в цехе кабельного завода, то можно определить необходимую для охлаждения скорость движения кабельного изделия через эту ванну:
v =___________а^£(Оср -О0)___________
(cil^Yi +c2F2y2 + ... + c„F„y„)(&,. -Оохл)‘
Как правило, скорость движения кабельного изделия на экструзионной линии лимитируется производительностью экструдера, поэтому очевидно, что значение v, рассчитанное по (6.52), не должно превышать значение v, полученное при расчете производительности экструдера.
147
. Наоборот, если задана скорость движения кабельного изделия через охлаждающую ванну, то длину ванны, необходимую для охлаждения этого изделия до требуемой температуры, можно определить следующим образом:
т _ (ci^iYi +	+ - + c„F„y„)v (flr Фрхл) /Г ст\
ал</(Яср-Я0)		* • 7
Если охлаждающая ванна состоит из нескольких секций с различной температурой охлаждающей воды, то длину каждой секции рассчитывают по (6.53) и полученные значения длин секции суммируют.
Расчет режима охлаждения кабельных изделий с учетом изменения температуры по толщине покрытия. Расчет в этом случае проводят на основе теории нестационарной теплопроводности с использованием графических зависимостей безразмерных температур от критериев Фурье и Био. Основное допущение при проведении этого расчета заключается в том, что охлаждаемое изделие рассматривается как однородный цилиндр, хотя в принципе наличие токопроводящей жилы изменяет характер теплоотвода. В основе расчета лежит решение уравнения Фурье, которое определяет условия распространения тепла в твердом теле:
V2t = -—,	(6.54)
a dt
где V2 — оператор Лапласа; v — температура; а — коэффициент теплопроводности; t — время.
Уравнение (6.54) может быть записано в цилиндрических или радиальных координатах и сведено с учетом ряда допущений к следующей форме в радиальных координатах:
026(г,т) 1 £Ю(г,т) _ 1 0О(Г,Т)
—^“5 +------------------’	(6.55)
Эг2 г dr a dt
где О(г,т) — разность температур в рассматриваемой точке экструдированного покрытия и окружающей среды; г— радиус жилы или заготовки в рассматриваемой точке.
В то же время известно, что а = Х/(су), где X — коэффициент теплопроводности покрытия; с — удельная теплоемкость покрытия; у — плотность покрытия.
Для аналитического решения уравнения (6.55) необходимо знать начальное распределение температуры в покрытии и условия теплообмена с окружающей средой на поверхности тела. Последние могут быть заданы, например, в виде граничных условий III рода, когда известны температура окружающей среды О0 и коэффициент теплоотдачи а:
Эй _ а drr=i~ х
(6.56)
148
где ЭО/Эг — производная от температуры по нормали к поверхности (в данном случае по радиусу); © — разность температур поверхности покрытия и охлаждающей среды.
Граничное условие III рода по существу показывает, что количество тепла, подводимое от внутренней части жилы или заготовки с наложенным покрытием к его поверхности, равно количеству тепла, отводимого с поверхности изделия в окружающую среду. Начальные условия при решении уравнения (6.55) сводятся к следующему: 0(г,О) = ©0(г). Решение уравнения (6.55) получают в виде рядов Фурье, но это решение и его использование на практике достаточно сложны.
Однако решения для температур в отдельных точках покрытия можно сгруппировать в безразмерные комплексы-критерии, позволяющие произвести расчет по известным критериям Bi (Био) и Fo (Фурье). Критерий Bi = а7?/Хс (или критерий краевого подобия) характеризует связь между полем температур в покрытии и условиями теплоотдачи на его поверхности. Критерий Fo = at/R1 характеризует связь между скоростью изменения температурного поля, физическими характеристиками и размерами тела. Решение можно представить в следующей форме:
0 = -^-=^- = /(Bi,Fo),	(6.57)
где 0 — некоторая безразмерная величина, характеризующая температуру; Он — температура покрытия в начальной момент времени; & — температура тела в любой текущий момент времени.
Решение (6.57) может быть представлено в виде графиков, показанных на рис. 6.21. Здесь ©w — безразмерная величина, характеризующая температуру на наружной поверхности покрытия; а — безразмерная величина, характеризующая температуру на поверхности покрытия, примыкающего к токопроводящей жиле (или наружной поверхности кабельной заготовки (при наложении оболочки).
Исходные данные для расчета: 0н — начальная температура покрытия, принимаемая равной температуре головки экструдера Фг; — температура окружающей среды; R — радиус жилы или заготовки кабеля по поверхности покрытия; Д — толщина экструдированного покрытия.
Расчет производят в следующем порядке.
1.	Определяют теплофизические параметры, характеризующие материал покрытия (Хпокр, спокр, упокр, «покр) и охлаждающую среду (Л, V, с, у, Р)- В дополнение к ранее введенным обозначениям следует отметить, что V — коэффициент кинематической вязкости, а Р — коэффициент объемного расширения.
Параметры покрытия определяют при его средней температуре Фср = (Фг + ^охл)/2, а параметры окружающей среды — при температуре пограничного слоя:
149
_ flCp+flo _ (ег +еохл)/2+е0 Оср 2	2
2.	Зная теплофизические параметры покрытия и охлаждающей среды можно вычислить критерии Рейнольдса (Re), Прандтля (Рг) и Грассгофа (Gr). Как известно, критерий Рейнольдса характеризует гидродинамический режим потока: Re = vl/v (где I— определяющий размер; в рассматриваемом случае наружный диаметр жилы или заготовки с покрытием D). Критерий Прандтля Рг = v/a является мерой подобия температурных и скоростных полей. Критерий Грассгофа характеризует взаимодействие сил молекулярного трения и подъемной силы, обусловленной различием плотностей в я/3
отдельных точках неизотермического потока: Gr = Д-у- ВДО (где g — v2
ускорение свободного падения; / — определяющий размер, в рассматриваемом случае это D; Л& — температурный напор, или разность температур).
3.	Далее по критериальным уравнениям вычисляют критерий Нуссельта: Nu = а//А, в котором / = D. Критериальные уравнения, определяемые из теории подобия, представляют собой зависимости Nu от тех или иных определяющих параметров, характеризу-
Рис. 6.21. Зависимости между температурами в покрытии кабельного изделия и критериями Bi и Fo:
а — на наружной поверхности покрытия; б — на оси кабельного изделия
150
ющих рассматриваемый процесс. В общем виде эти уравнения могут быть выражены как Nu = /(Re, Pr, Gr). Конкретный вид критериального уравнения зависит от Re, расчитываемого, как указано ранее. Зная Nu, определяют величину а = NuX/D.
4.	По величине а рассчитывается критерий Bi = а7?/Хпокр (где R — радиус жилы или заготовки с покрытием).
5.	Затем по графическим зависимостям, приведенным на рис. 6.21, определяют критерий Fo = ат/ R2 (где t — время движения жилы или изделия в охлаждающей ванне). При этом учитывается, что безразмерные температуры, приведенные на рисунке (оси ор-
динат), вычисляют следующим образом:
гл — СР °охл w~ & -& г ^охл
(на на-
ружной поверхности покрытия) и
0	_ СР °охл
00 ~ А — А
wr мохл
(на внутрен-
ней поверхности покрытия изделия — по оси). Очевидно, что, зная 0W/0O, ®ос/®о и Bi, по графикам можно определить Fo.
6.	По критерию Fo вычисляется время движения изделия в охлаждающей ванне t= Fo7?2/a (в рассматриваемом случае а = апокр).
7.	Длина охлаждающей ванны L = vt.
Следовательно, можно определить, достаточна ли длина ванны для охлаждения как наружной поверхности охлаждаемого изделия, так и любого его элемента (например, внутренней поверхности экструдированного покрытия).
6.3. Экструзионные агрегаты и поточные кабельные линии на их основе
Как уже указывалось, экструдер является основным элементом экструзионной линии. Схема экструзионной линии для наложения покрытий из пластмасс показана на рис. 6.22. Принцип действия линии заключается в следующем.
Токопроводящая жила или кабельная заготовка с отдающего устройства поступает на компенсатор, обеспечивающий постоянство натяжения изделия, на которое накладывается покрытие. В настоящее время, как правило, используют отдающие устройства сдвоенного типа, обеспечивающие непрерывность процесса. Различают отдающие устройства осевого, пинольного и безинерци-онного типа. Пинольные полуоси могут перемещаться в вертикальном и горизонтальном направлениях, что позволяет легко устанавливать отдающие барабаны, проволока с которых сходит с помощью сменных приводных флайеров.
Компенсатор представляет собой систему подвижных и неподвижных роликов и обеспечивает постоянство натяжения токопро-
151
1 2 3	4 5	6 7	8 9 10	1112 13	14 15 16
Рис. 6.22. Схема экструзионной линии:
1 — отдающее устройство; 2 — токопроводящая жила или кабельная заготовка; 3, 15 — компенсаторы; 4 — протирочное устройство; 5 — прямильное устройство; 6 — устройство подогрева токопроводящей жилы; 7 — экструдер; 8 — токопроводящая жила или заготовка с наложенным покрытием; 9 — бесконтактный измеритель диаметра; 10 — охлаждающее устройство; 11 — устройство для удаления влаги с поверхности; 12 — контактный измеритель диаметра; 13 — тяговое устройство; 14 — измеритель длины; 16 — приемное устройство
водящей жилы или заготовки, поступающей с отдающего устройства. При ослаблении натяжения подвижный ролик опускается вниз, при увеличении натяжения — поднимается вверх. Это перемещение используется для передачи движения на тормозное устройство отдающего барабана. Далее по ходу движения изделия, на которое накладывается покрытие, располагаются протирочное и прямильное устройства (для однопроволочных токопроводящих жил). Ролики прямильного устройства неприводные (приводимые во вращение за счет движения жилы) располагаются попарно со смешением по отношению друг к другу.
Подогрев токопроводящей жилы производят для обеспечения лучшей адгезии изоляции к ней и во избежание охлаждения расплава полимера в головке экструдера. При наложении изоляции из полиэтилена и поливинилхлоридного пластиката температура подогрева должна составлять 100... 150 °C. Устройство для подогрева представляет собой систему контактных (обычно латунных) роликов, через которые и подводится ток к участку жилы, огибающей эти ролики.
После выхода из экструдера токопроводящая жила или кабельная заготовка с экструдированным покрытием поступает в охлаждающую ванну, наполненную циркулирующей водой. Обычно ванна секционирована, что позволяет обеспечивать ступенчатое (более равномерное) охлаждение. Длина ванны и температура охлаждающей воды зависят от размеров жилы или заготовки, линейной скорости изолируемого изделия и материала покрытия.
Ванна охлаждения каждой секции, как правило, представляет собой два желоба, вставленных один в другой. По внутреннему желобу в потоке воды проходит охлаждаемое изделие, а наружный желоб используется для транспортировки воды, поступающей из внутреннего желоба. Применяемые системы охлаждения можно подразделить на открытые, замкнутые и полузамкнутые. Для открытой системы воду забирают из общезаводской системы охлаждения и
152
после нагрева ее в результате охлаждения покрываемого изделия снова возвращают в эту систему. При замкнутой системе резервуар для воды, теплообменник и охлаждающая система связаны между собой таким образом, что находящаяся в резервуаре вода насосами подается к ванне и затем снова возвращается в резервуар. В полузамкнутой системе резервуар для воды, теплообменник и охлаждающая система соединены с наружной водопроводной сетью. При повышении в результате охлаждения изделия температуры воды выше определенного значения, т. е. когда мощность теплообменника уже недостаточна для охлаждения, автоматически начинается отвод нагретой воды и подвод воды из внешней сети.
После охлаждающей ванны размещают обдувочное устройство для удаления влаги с поверхности изолируемого изделия струей воздуха под давлением 0,2 МПа.	(
В экструзионных линиях используют тяговые устройства колесного и гусеничного типа. Колесное тяговое устройство состоит из двух шкивов, которые несколько раз огибаются изделием с уже наложенным покрытием. Кроме того, такое тяговое устройство может иметь шкивы с трапецеидальным желобом, в который укладывается кабельное изделие, и клиновидные (по форме желоба) ремни, прижимающие это изделие к поверхности желоба. Положение прижимных ремней может изменяться в зависимости от диаметра изделия с наложенным покрытием. Гусеничные тяговые устройства имеют две или три гусеницы, расположенные в вертикальной или горизонтальной плоскости и движущиеся в противоположных направлениях.
Поверх ремней или цепей гусениц имеются резиновые накладки с желобообразным профилем, в котором и размещается изделие с экструдированным покрытием. Гусеничные тяговые устройства используются при производстве кабелей больших диаметров или с большой толщиной изоляции, а также при наложении покрытия из материала с высокой пластичностью. После тягового устройства располагается компенсатор, обеспечивающий равномерное натяжение движущегося изделия путем регулирования его линейной скорости, изменяющейся по мере увеличения диаметра по намотке на приемном барабане.
Экструзионные линии оборудуют различной контрольно-измерительной аппаратурой. На линиях могут устанавливаться бесконтактные и контактные измерители диаметра. Бесконтактные датчики располагают непосредственно после экструдера. Принцип их действия следующий: фотоэлектрический луч лазера сканируется на поверхность изделия и фокусируется в фотощели. Полученную информацию анализируют и передают на компьютер, где воспроизводится форма или размер измеряемого изделия. Контактные измерители диаметра несколько проще. Обычно они состоят из двух роликов, между которыми проходит измеряемое изделие. Такие
153
измерители размещают непосредственно после охлаждающей ванны. В случае отклонения размера изделия от заданного один из роликов (подвижный) перемещается, а затем это перемещение преобразуется в электрический сигнал, обычно изменяющий частоту вращения тягового механизма. Следует отметить, что при использовании контактных измерителей диаметра (при высоких линейных скоростях и охлаждающих ваннах значительной длины) большие участки готовой продукции могут выходить за пределы установленных параметров изделия.
Измеритель длины в принципе представляет собой ролик, огибаемый движущимся изделием. При вращении такого ролика подсчитывается количество электрических импульсов, поступающих от концевого выключателя, хотя конструкции измерителей длины могут быть различными.
Экструзионные линии оснащают приборами (как контактного, так и бесконтактного типа) для контроля покрытия электрическим напряжением, а также приборами для измерения емкости изделия, эксцентриситета покрытия и т.д.
На экструзионных линиях в основном используют автоматические приемные устройства сдвоенного типа, обеспечивающие непрерывность работы линии. При заполнении одного из приемных барабанов кабельное изделие переводится на соседний пустой барабан, а заполненный барабан снимается с отдающего устройства, причем загрузка и съем барабанов на современных линиях автоматизированы. В ряде случаев используют приемные устройства контейнерного типа. В контейнеры кабельное изделие принимается по спирали. При этом в приемное устройство встраивают компенсатор, обеспечивающий заполнение контейнера без снижения рабочей скорости. Используют также бухтоприемные устройства, на которых увязка, съем и упаковка бухт производятся автоматически.
Экструзионные линии классифицируют по диаметру червяка экструдера: 20, 32, 45, 63, 90, 125, 160, 200 мм. Однако не исключается наличие сравнительно небольшого количества линий с диаметрами червяка, отличающимися от указанных (по требованию потребителей или из-за характеристик перерабатываемого материала).
Параметры экструзионных линий, наиболее широко применяемых в отечественной практике, приведены в табл. 6.4. Данные этой таблицы относятся к основной массе экструзионных линий, которыми оснашены кабельные заводы. Однако в настоящее время на ряде кабельных заводов СНГ уже эксплуатируют линии, которые по своим характеристикам превосходят указанные.
Технологический процесс экструдирования в принципе позволяет совмещать несколько технологических операций изготовления кабельной продукции в одну последовательную цепочку. При таком совмещении достигается повышение производительности линии за счет исключения ряда промежуточных операций, эконо-
154
Таблица 6.4
Параметры экструзионных линий, применяемых в отечественной практике
Параметр	Диаметр червяка, мм					
	30	45	60	90	120	160
Частота вращения червяка, об/мин	7...261	14... 142	15... 150	6... 120	10... 100	10...90
Максимальная линейная скорость, м/мин	300	390	700	600	200	70
Производительность, кг/ч	30	45	90	200	300	500
Диаметр кабельного изделия по изоляции, мм	0,4... 3	0,4...3	0,8 ...4	1...10	5... 30	20... 60
Диаметр кабельного изделия по оболочке, мм	До 3,9	До 4	До 4	До 10	До 30	До 60
мии производственных площадей и сокращения количества обслуживающего персонала. Кроме того, создаются возможности для более широкой и комплексной автоматизации производства.
Поточные линии, совмещающие несколько технологических процессов, широко используются для производства изолированных жил городских телефонных, сигнально-блокировочных и силовых кабелей, установочных и монтажных проводов и т.д.
Принцип действия поточных линий можно пояснить на примере линии по производству изолированных жил городских телефонных кабелей (рис. 6.23), которая была первой поточной линией, используемой в кабельной технике. Эта линия обеспечивает
Рис. 6.23. Схема поточной линии для производства изолированных жил городских телефонных кабелей;
1 — рабочая площадка с подвижным приемником и стационарными контейнерами; 2 — волочильная машина; 3 — установка непрерывного отжига; 4 — компенсатор; 5 — измеритель температуры; 6 — экструдер (один или несколько); 7 — фотоэлектрический измеритель диаметра; 8 — ванна охлаждения; 9 — высокочастотный аппарат сухого испытания; 10 — приемное устройство (на конусы)
155
10
Рис. 6.24. Горизонтальная кабельная линия 1 — экструдер; 2, 13 — тяговые устройства; 3 — талькирующее устройство; 4 — 7— контроль уровня воды; 8— охлаждающая камера; 9 — концевой затвор; 10 — сухого испытания;
изготовление изолированных полиэтиленом жил городских телефонных кабелей диаметром 0,32...0,9 мм со скоростью 2400...2500 м/мин и совмещает в себе следующие технологические операции: волочение медной заготовки диаметром 2,5... 3 мм до требуемого размера;
отжиг нагартованной в процессе волочения проволоки;
наложение сплошной или пленкопористой полиэтиленовой изоляции;
охлаждение изолированной жилы;
контроль геометрических размеров и электрических параметров изолированной жилы;
прием изолированной жилы (на конусы, в контейнеры или на барабаны).
Поточные автоматические линии снабжены компьютерным управлением.
Несколько технологических операций совмещают также в агрегатах непрерывной вулканизации резиновых покрытий и покрытий из сшитого полиэтилена — так называемых кабельных линиях непрерывной вулканизации (ЛКНВ). На этих линиях процесс эк-струдирования покрытия совмещается с его вулканизацией.
В состав ЛКНВ входят следующие основные узлы: отдающее устройство; компенсатор; экструдер; заправочная камера; вулканизационная камера; охлаждающее, тяговое и приемное устройства. Линии оснащены также вспомогательным оборудованием (аппаратами сухого испытания, устройствами для измерения диаметра и эксцентриситета, маркирующими устройствами и др.). По расположению вулканизационных камер ЛКНВ можно разделить на горизонтальные, наклонные и вертикальные.
Горизонтальные ЛКНВ (рис. 6.24) используют, как правило, для производства кабельных изделий с наружным диаметром до 25 мм. При вулканизации изоляции и оболочек кабелей большего диаметра провисание кабельного изделия за счет собственной массы может достигать таких значений, что поверхность вулканизируе-
156
непрерывной вулканизации типа:
отдающее устройство; 5 — заправочная камера; б — вулканизационная камера; охлаждающий желоб; 11 — устройство для измерения диаметра; 12 — аппарат 14 — приемное устройство
мого покрытия будет соприкасаться с внутренней поверхностью вулканизационной трубы, образуя поверхностные дефекты (так называемые зализы). При наложении резинового покрытия также может наблюдаться его эксцентричность. Указанные недостатки отсутствуют у наклонных ЛКНВ (рис. 6.25), в которых вулканизационная камера имеет форму цепной линии, по которой внутри трубы кабельное изделие располагается под действием собственной массы. Причем при производстве кабелей с наружным диаметром до 100 мм контакт поверхности покрытия с внутренней поверхностью трубы практически исключается. Тем не менее в наклонных ЛКНВ масса кабеля, приходящаяся на единицу его длины, ограничивается допустимым натяжением кабеля в наклонной вулканизационной камере.
Радикальным решением является использование вертикальных ЛКНВ (рис. 6.26), в которых эксцентриситет даже толстостенной изоляции или оболочки и соприкосновение поверхности покрытия с внутренней поверхностью вулканизационной трубы исключаются. Однако капитальные затраты в этом случае заметно возра-
Рис. 6.25. Наклонная кабельная линия непрерывной вулканизации:
1 — отдающее устройство; 2, 8 — тяговые устройства; 3 — талькирующее устройство; 4 — экструдер; 5 — заправочная камера; 6 — приемное устройство; 7 — вулканизационная камера; 9 — аппарат сухого испытания; 10 — устройство для измерения диаметра; 11 — контроль уровня воды; 12 — охлаждающая камера;
13 — охлаждающий желоб; 14 — концевой затвор
157
Рис. 6.26. Вертикальная кабельная линия непрерывной вулканизации:
1 — отдающее устройство; 2 — поворотный ролик; 3 — устройство для предварительного подогрева заготовки кабеля; 4 — талькирующее устройство; 5, 14 — тяговые устройства; 6 — экструдер; 7 — заправочный затвор; 8 — вулканизационная камера; 9 — контроль уровня воды; 10 — концевой затвор; 11 — водяная камера; 12 — прибор для измерения эксцентриситета; 13 — аппарат сухого испытания; 75 — приемное устройство
стают, так как для установки ЛКНВ приходится сооружать здание башенного типа. Кроме того, высота башни имеет свои пределы, что приводит к снижению линейной скорости движения кабельного изделия с вулканизируемым покрытием. Тем не менее на вертикальных ЛКНВ можно изготавливать кабели практически любого диаметра с идеально наложенным изоляционным или шланговым покрытием.
Для одновременного наложения на жилу провода или кабеля изоляции и на заготовку кабеля оболочки могут использовать ЛКНВ с несколькими экструдерами. Если экструдеры сдвоенные, то они могут быть размещены под углом -45° (V-образное расположение) или встык, навстречу друг другу (Т-образное расположение). Для наложения двух электропроводящих слоев и изоляции применяются строенные экструдеры, причем, как и в случае сдвоенных экструдеров, каждый их цилиндр используется для переработки различных материалов.
Технические данные наиболее широко применяемых в отечественной практике ЛКНВ приведены в табл. 6.5. Буква «И» в марке ЛКНВ обозначает предназначение для наложения изоляционного покрытия, а буква «Ш» — шлангового. Обозначения 63x63,160x160, 9x90 характеризуют сдвоенные агрегаты, причем на этих агрегатах может накладываться как однослойное, так и двухслойное покрытие.
158
Таблица 6.5
Технические данные ЛКНВ, применяемых в отечественной практике
Параметр	ЛКНВ-125И	ЛКНВ-125Ш	ЛКНВ-бЗхбЗ	ЛКНВ-160х160	ЛКНВ-160	ЛКНВ-9х90
Диаметр червяка экструдера, мм	125	125	63	160	160	90
Скорость опрессо-вания, м/мин	25...300	15... 150	15...300	0,5-20	5-80	20... 200
Диаметр токопроводящих жил или заготовок кабелей до опрессования, мм	0,97 — 3,0 (в два ручья), 0,97-4,9 (в один ручей)	4,5-15	0,65-4,0	30...90	9,05-30	2,8-15,5
Диаметр кабельного изделия после опрессования, мм	2,17-5,0 (в два ручья), 2,17-10,9 (в два ручья)	6,7-21	1,8-7	35...100	12...35	4,4-19 (с одним слоем), 5,4-20 (с двумя слоями)
Длина вулканизационной камеры, м	75	• 75	70	36	90	66
Длина охлаждающей камеры, м	24	24	10	24	20	10
Фактические скорости наложения покрытия зависят от температуры и давления вулканизационной среды, толщины покрытия и наружного диаметра токопроводящей жилы или сердечника кабеля, на которые накладывается покрытие. Для изоляционных покрытий линейные скорости движения кабельного изделия обычно не превышают 190... 200 м/мин, а для шланговых — 60... 80 м/мин. При этом наложение покрытий на заготовки большего диаметра или наложение покрытий большой толщины может производиться с небольшими скоростями, начиная с 2...3 м/мин.
Контрольные вопросы
1.	Чем отличаются процессы перемещения полимера в загрузочной, переходной и дозирующей зонах экструдера?
2.	В чем состоят особенности течения расплава полимера?
3.	Что представляют собой скорость и напряжение сдвига при течении расплава полимера?
4.	Как влияет противодавление на работу экструдера и от чего оно зависит?
5.	Что представляют собой потоки прямой, обратный и утечки и от чего они зависят?
6.	Какие допущения были приняты при выводе упрощенных уравнений для расчета рабочей производительности и рабочего давления в экструдере?
7.	Как влияют форма и расположение формующего инструмента на условия экструдирования?
8.	Как осуществляется и что дает экструдирование с вытяжкой?
9.	В чем состоят особенности работы экструдеров для переработки резиновых смесей?
10.	Для чего рекомендуется подогревать токопроводящую жилу или кабельную заготовку перед входом в головку экструдера?
11.	Какие особенности характерны для температурных режимов переработки термопластичных фторполимеров?
12.	Почему покрытия из полиэтилена не рекомендуется быстро охлаждать после экструдирования?
13.	Каковы этапы расчета длины охлаждающей ванны экструзионной линии с учетом изменения температуры по толщине изоляции?
14.	По какому параметру классифицируются экструдеры?
15.	Почему нельзя использовать горизонтальные линии непрерывной вулканизации для производства кабелей больших диаметров?
Глава 7
ВЛАГОЗАЩИТНЫЕ ОБОЛОЧКИ И ЗАЩИТНЫЕ ПОКРОВЫ
7.1.	Металлические оболочки. Назначение и свойства
Металлические оболочки применяются в основном в конструкциях силовых кабелей и кабелей связи и предназначаются для защиты изоляции кабелей от влаги, газов, механических воздействий, а также (для отдельных типов кабелей) от электромагнитных влияний. Металлические оболочки представляют собой гладкую или гофрированную трубу из свинца или алюминия. Применяются также стальные гофрированные оболочки. Как правило, металлические оболочки имеют дополнительное поверхностное покрытие для защиты от коррозии. Отдельные специальные типы кабелей могут иметь сварную гофрированную оболочку, свариваемую из медной ленты.
Толщина свинцовых оболочек для кабелей связи составляет 0,95... 2,9 мм и 0,9... 2,71 мм (в зависимости от диаметра кабеля); толщина оболочек из свинцовых сплавов для силовых кабелей составляет 1... 2,45 мм. Толщина алюминиевых оболочек находится в пределах 0,65... 1,7 мм, причем она зависит не только от диаметра кабеля, но и от способа наложения оболочки на сердечник кабеля. Толщина стальных оболочек, свариваемых из лент, — 0,3...0,5 мм. Толщина металлических оболочек определяется значением напряжений, возникающих при изгибе кабеля, а для силовых высоковольтных кабелей также и внутренним давлением изоляционного масла. Напряжения, возникающие в оболочке при изгибе, прямо пропорциональны модулю упругости металла оболочки и отношению диаметра кабеля к радиусу его изгиба при монтаже или эксплуатации.
Для определения примерной толщины оболочки используется следующее выражение:
Доб = K+fdK,	(7.1)
где К и f -— коэффициенты, зависящие от материала оболочки; с?к — диаметр заготовки кабеля под оболочкой.
Толщина алюминиевых гладких оболочек 0,775 + 0,0225dK, а гофрированных — 0,65 + 0,02cfK.
Толщина свинцовых оболочек силовых кабелей на напряжения до 10 кВ составляет 0,825 + 0,0265с?к, а для кабелей на напряжения выше 10 кВ — 0,8 + 0,02JK.
6 Пешков
161
Свинцовые оболочки силовых кабелей изготавливают из свинца или свинцово-сурьмянистых сплавов, однако они могут содержать присадки различных металлов (до 0,8 %), теллура (до 0,05 %) и меди (до 0,05 %).
Силовые кабели со свинцовыми оболочками применяют в тех случаях, когда при прокладке в грунтах возможно воздействие на них агрессивных сред, так как свинец сам по себе обладает высокой коррозионной стойкостью. Свинец и его сплавы очень пластичны, поэтому оболочки кабелей из этих материалов легко вып-рессовываются при сравнительно невысоких давлении и температуре.
В состав свинцово-сурьмянистых сплавов, применяемых для оболочек силовых кабелей, могут входить также олово и теллур, что повышает прочностные характеристики оболочки при растяжении, ползучести и усталостном нагружении, хотя такой сплав обладает по сравнению со свинцом несколько меньшей пластичностью. Оболочки из свинца имеют недостаточно высокие механические характеристики, так что в ряде случаев приходится вводить в конструкцию силовых кабелей усиливающие элементы из проволоки или ленты, наложенные на оболочку по спирали (броню). Свинцовые оболочки кабелей связи изготавливаются из сплавов свинца и сурьмы. Если кабели связи предназначены для эксплуатации в условиях повышенных вибрационных нагрузок, содержание сурьмы должно составлять 0,6... 0,8 %. В противном случае в оболочках кабелей, например проложенных в туннелях метрополитена, могут возникать поперечные трещины.
Алюминиевые оболочки силовых кабелей и кабелей связи должны изготавливаться из алюминия повышенной чистоты. Если в конструкции кабелей применяется гофрированная алюминиевая оболочка, то форма гофра может быть синусоидальной, S-образной или синусоидальной с цилиндрической впадиной (рис. 7.1). Шаг гофра, т.е. расстояние между выступами оболочки, составляет 0,3...0,5 от наружного диаметра выступов. Степень гофрирования, представляющая собой отношение диаметра оболочки по ее выступам к диаметру по впадинам, находится в пределах 1,10... 1,25. Алюминиевые оболочки по сравнению со свинцовыми обладают лучшими прочностными характеристиками, повышенной вибро-
Рис. 7.1. Профили гофрированных оболочек кабелей:
а — S-образный; б — синусоидальный; в — синусоидальный с цилиндрической впадиной
162
стойкостью, меньшей массой и более низкой стоимостью. Они не требуют применения бронепокровов, однако, как указывалось ранее, коррозионная стойкость алюминия невысока, и поэтому алюминиевые оболочки должны иметь усиленную коррозионную защиту. Коррозия алюминиевых оболочек заметно ускоряется под действием блуждающих токов.
Ко всем металлическим оболочкам предъявляется ряд общих требований. Прежде всего оболочки должны быть герметичными. В основном оболочки силовых кабелей не подвергаются проверке на герметичность, которая обеспечивается соблюдением установленных технологических режимов. В особо ответственных случаях (например, при производстве высоковольтных маслонаполненных кабелей) проверку оболочек на герметичность производят с помощью повышенного давления масла при пропитке или сжатого воздуха до пропитки.
Герметичность оболочек кабелей связи, конструкция которых позволяет производить подачу газа под оболочку, проверяется после подачи сухого азота (или сухого воздуха) через один конец кабеля с установкой на другом конце манометра. Такие кабели сейчас выпускаются в основном для ремонтных целей, так как в эксплуатации их находится многие десятки тысяч километров.
На оболочках недопустимо наличие рисок, вмятин, раковин и посторонних включений, после зачистки которых толщина оболочки выходит за пределы минимальной. Дефекты свинцовых и алюминиевых оболочек могут быть запаяны, однако место пайки должно быть ровным и гладким, а число таких паек на строительной длине кабеля не должно быть более трех.
Оболочка кабелей из свинцовых сплавов и алюминиевая оболочка с внутренним диаметром более 10 мм должны без разрыва выдерживать испытание на растяжение до 1,3-кратного первоначального внутреннего диаметра, а оболочка из свинца — до 1,5-кратного первоначального внутреннего диаметра.
Оболочки силовых кабелей и алюминиевые оболочки кабелей связи должны выдерживать испытания на изгиб, причем для испытаний берется образец силового кабеля с защитным покровом, а образец кабеля связи — без защитного покрова. Испытания проводятся намоткой образца кабеля связи на цилиндр диаметром, кратным 15...40 наружным диаметрам (D) гладкой оболочки или наружным диаметрам выступов гофрированной оболочки (в зависимости от диаметра кабеля). Диаметр цилиндра для намотки силовых кабелей составляет 15...25(Z)+d), где d — диаметр круглой токопроводящей жилы кабеля или диаметр жилы круглой формы, эквивалентной по площади поперечного сечения секторной или сегментной жиле. Намотка образца на цилиндр двойная, т. е. это намотка, смотка, выпрямление и снова намотка со смещением образующей поверхности, соприкасающейся с поверхностью об
163
разца, на 180°. На оболочке образцов после испытаний не должно быть трещин. Кроме того, образец кабеля связи должен выдержать испытание избыточным давлением, а образец силового кабеля — электрическим напряжением.
Что касается сварных алюминиевых оболочек, то они должны выдержать испытания на сплющивание без появления дефектов. При проведении этого испытания образец должен сжиматься до высоты не более трех толщин оболочки.
7.2.	Способы наложения металлических оболочек и применяемое оборудование
Металлическая оболочка на сердечники кабелей накладывается
методами прессования и сварки.
Прессование оболочки — это выдавливание металла в виде оболочки через кольцевой зазор на непрерывно движущийся сердечник кабеля. Прессованием обеспечивается получение пластичной оболочки с высокой герметичностью.
Для наложения оболочек из свинца и свинцовых сплавов в кабельной технике используется гидравлическое прессование периодического действия и механи-
Рис. 7.2. Схема гидравлического пресса для наложения оболочек из свинца и свинцовых сплавов:
1 — расплавленный свинец; 2 — ванна с расплавом свинца; 3 — пресс-штемпель; 4 — контейнер; 5 — прессовая головка; 6 — свинцовая оболочка; 7 — матрица; 8 — дорн; 9 — дорнодержа-тель; 10 — заготовка кабеля
ческое (червячное) прессование непрерывного действия.
Принцип действия гидравлического пресса поясняет схема, показанная на рис. 7.2. Расплавленный свинец или свинцовый сплав (далее — свинец) поступает из ванны в предварительно подогретый контейнер. В контейнере свинец охлаждается и кристаллизуется, а затем поршень с пресс-штемпелем под давлением продавливает свинец в кольцевой зазор между дорном и матрицей, образуя вокруг заготовки кабеля оболочку. Давление воды, приводящее в движение поршень с пресс-штемпелем, создается гидравлическими насосами и составляет до 40 МПа.
После выдавливания порции свинца из контейнера поршень и пресс-штемпель возвращаются в исходное положение, и в
164
контейнер заливают новую порцию свинца, которая приваривается к части свинца, оставшейся в контейнере (пресс-остатку) и снова кристаллизуется. Затем процесс повторяется. В промежутке времени между движениями поршня и пресс-штемпеля заготовка кабеля остается в прессовой головке. Таким образом, прессование оболочки происходит циклично, однако опрессованная оболочка кабеля может иметь неограниченную длину.
Обычно гидравлические прессы для наложения оболочек из свинца и свинцовых сплавов вертикальные. Центральный узел таких прессов состоит из контейнера и прессовой головки. Контейнер представляет собой толстостенный полый цилиндр из легированной температуростойкой стали, который имеет каналы для нагрева и охлаждения с помощью воды, пара или масла.
Прессовую головку изготавливают также из легированной стали и устанавливают под контейнером. Нагрев головки до рабочих температур электрический, с помощью нагревателей. Поток свинца, выходящий из контейнера сверху вниз, делится в головке на два потока и, поворачиваясь на 90°, выдавливается через инструмент в виде оболочки. Полости и каналы внутри прессовой заготовки имеют сложную форму для обеспечения максимальной равномерности толщины оболочки.
Прессы периодического действия еще эксплуатируются на ряде кабельных заводов, однако на смену им уже пришли более производительные механические (червячные) прессы непрерывного действия (рис. 7.3). Здесь, как и в гидравлических прессах периодического действия, расплавленный свинец с температурой 380.„420 °C из ванны поступает в контейнер. Однако в контейнере располагается червяк, перемещающий расплав, который по мере движения постепенно кристаллизуется и затем подается в прессовую головку, где и происходит образование оболочки кабеля. Перед пуском головку червячного пресса подогревают до температуры 295... 305 °C. Важное значение имеет температурный режим нагрева свинца на пути от плавильной ванны до матрицы головки. Понижение температуры контейнера приводит к перегрузке электродвигателя, повышение температуры за счет расширения области жидкого металла — к уменьшению давления, развиваемого шнеком, а значит, и к уменьшению производительности. Остановка пресса нарушает температурный режим, который затем очень трудно восстанавливать, поэтому, например, при смене отдающего или приемного барабана процесс прессования не прекращают, а выпрес-совываемую свинцовую трубку направляют обратно в плавильную ванну.
Наибольшее распространение получили прессы непрерывного действия с вертикальным расположением червяка, при котором поток свинца изменяет направление движения на 90°, т. е. ось заготовки кабеля перпендикулярна оси потока свинца.
165
Рис. 7.3. Схема червячного пресса непрерывного действия для наложения оболочек из свинца и свинцовых сплавов:
1 — расплавленный свинец; 2 — ванна с расплавом свинца; 3 — свинцепровод; 4 — контейнер; 5 — червяк; 6 — дорнодержатель; 7 — заготовка кабеля; 8 — дорн; 9 — головка пресса; 10 — матрица; 11 — свинцовая оболочка; 12 — электродвигатель; 13 — редуктор
На кабельных заводах имеются также непрерывные прессы с горизонтальным расположением червяка, которые несколько сложнее в эксплуатации.
При наложении оболочек из сплавов свинца производительность червячных прессов снижается в 1,5—2 раза, так как при этом требуются повышенные усилия прессования. Необходимо также учитывать в этом случае возможную неоднородность химического состава оболочки по длине, в первую очередь концентрацию основной добавки к свинцу — сурьмы.
На червячных свинцовых прессах можно накладывать оболочки диаметром 6... 115 мм. Вместимость плавильных ванн 4,3... 10 т свинца. Производительность прессов на чистом свинце 23... 55 кг/мин.
Алюминиевые оболочки накладывают на заготовку кабеля методом прессования на гидравлических прессах. При прессовании предварительно нагретый до 450... 500 °C алюминий выдавливается в виде сплошной оболочки на непрерывно движущуюся заготовку. Поскольку температура плавления алюминия 658 °C (т. е. значительно выше, чем свинца), заливка расплавленного алюминия в контейнер пресса невозможна, так как в этом случае заготовка кабеля, рабочий цилиндр и прессовая головка с инструментом были бы повреждены, поэтому вместо расплава металла в контейнер алюминиевого пресса загружают предварительно нагретые алюминиевые слитки.
166
Основным типом гидравлических прессов для наложения алюминиевых оболочек являются горизонтальные прессы с двумя рабочими цилиндрами (контейнерами), расположенными симметрично относительно его головки (рис. 7.4). Использование двух контейнеров позволяет снизить усилия прессования, так как необходимое давление прикладывается с двух сторон. При использовании двухконтейнерного прессования алюминиевая оболочка имеет два продольных шва.
Нагрев алюминиевых слитков осуществляется в индукционных электрических печах и может быть равномерным или градиентным. При равномерном нагреве весь слиток имеет равномерную температуру; при градиентном — часть слитка, примыкающая к головке, имеет температуру на 80... 100°C выше, чем остальная часть. Преимущество градиентного нагрева перед равномерным заключается в том, что слиток выпрессовывается от более нагретой (а следовательно, и более пластичной) передней части к менее нагретой задней, и в результате воздух постепенно удаляется из контейнера. В случае равномерного нагрева во избежание образования воздушных пузырей приходится производить предварительное вакуумирование контейнера.
Рис. 7.4. Схема горизонтального гидравлического пресса для наложения алюминиевых оболочек:
1 — отдающее устройство; 2 — направляющее устройство; 3 — механизм резки заготовки кабеля; 4 — индукционная печь; 5 — слитки алюминия; б — маслоохладитель; 7 — пресс; 8 — устройство для охлаждения кабеля; 9 — счетчик Длины и указатель скорости кабеля; 10 — пульт управления; 11 — регулятор скорости приемного устройства; 12 — приемное устройство; 13 — гидравлический привод
167
Процесс прессования алюминиевых оболочек цикличный. После прессования первой пары слитков пресс-штемпели, соединенные с плунжером гидравлического пресса, возвращаются в исходное положение, а в контейнеры подается новая пара слитков, которые привариваются в контейнерах к пресс-остатку, и цикл по-4, вторяется снова. В момент смены слитков процесс прессования прерывается, а при возобновлении процесса на алюминиевой оболочке образуется так называемое бамбуковое кольцо, представляющее собой участок с резко неравномерной толщиной, являющийся ослабленным местом оболочки. Для исключения появления бамбукового кольца или его сглаживания на современных прессах при начале прессования автоматически изменяется расстояние между дорном и матрицей, образующими технологический прессовый инструмент. Головка, контейнер и пресс-штемпель называются тяжелым прессовым инструментом.
Температура в головке при прессовании составляет примерно 500 °C, поэтому изоляция кабеля алюминиевой оболочки может повреждаться, если не принять специальные меры защиты от действия повышенной температуры. Для зашиты изоляции от перегрева между дорнодержателем и заготовкой кабеля со стороны дорна располагается специальное устройство, представляющее собой многостенную трубку, оканчивающуюся сменным инструментом — наконечником дорна, не позволяющим изоляции кабеля соприкасаться с горячим дорном. Внутри многостенной трубки циркулирует вода. Со стороны матрицы располагается душирующее устройство — двухстенная труба с дюзой, имеющей большое количество небольших отверстий, через которые на выпрессованную алюминиевую оболочку под давлением подается вода. Для получения (при наличии двух контейнеров) равностенной оболочки пресс-штемпели должны перемещаться синхронно и иметь равное расстояние от вертикальной оси головки, поэтому гидравлические алюминиевые прессы снабжают специальными системами синхронизации, обеспечивающими одинаковое давление в обоих контейнерах пресса и одинаковое перемещение пресс-штемпелей.
Важное значение при прессовании алюминиевых оболочек имеет чистота применяемого алюминия. Так, при содержании в алюминии примесей в количестве, превышающем 0,04...0,05 %, усилия прессования, а следовательно, нагрузки на привод, тяжелый прессовый и технологический инструмент резко возрастают. Кроме того, разброс толщины выпрессованной в этом случае алюминиевой оболочки достаточно велик, что приводит к необходимости увеличения средней толщины оболочки в целях гарантирования ее минимальной толщины. Поэтому в ряде случаев незаменимым является процесс наложения металлической оболочки из ленты с последующей сваркой ее кромок. Такие сварные оболочки могут быть алюминиевыми, стальными или медными. При этом в основном ис
168
пользуют два способа: дуговую сварку (в атмосфере аргона или смесей инертных газов) и высокочастотную сварку.
При аргонно-дуговой сварке нагрев и оплавление кромок ленты происходят за счет электрической дуги, образующейся между лентой и электродом. При сварке на воздухе из-за содержащихся в нем кислорода и азота в зоне сварного шва могут образовываться оксиды и нитриды, снижающие прочность шва. Именно для исключения этого явления сварку производят в атмосфере аргона либо других инертных газов (например, гелия или его смеси с аргоном).
Схема установки для аргонно-дуговой сварки кабельных оболочек показана на рис. 7.5. Принцип работы установки заключается в следующем. После обрезки кромок и очистки металлическая лента поступает в формующее устройство, куда одновременно поступает и заготовка кабеля. Затем лента формуется вокруг заготовки кабеля, и ее кромки свариваются в сварочной головке в атмосфере азота. Формующий инструмент чаще всего неприводной роликовый или фильерный. Качество сварного шва во многом определяется точностью формовки, которая производится в 3...5 ступеней. Так, алюминиевая оболочка последовательно формуется в трех ступенях: в цилиндрических направляющих, конусе и кольце. Конус и кольцо изготавливают из полиэтилена высокой плотности. При формовании стальной оболочки ступеней уже пять: три ступени — стальные цилиндрические валки, четвертая — стальной конус, пятая — кольцо из твердосплавного металла.
Рис. 7.5. Схема установки для аргонно-дуговой сварки:
1 — отдающее устройство для заготовки кабеля; 2 — отдающее устройство для ленты; 3 — устройство для обрезания кромок ленты; 4 — устройство для очистки ленты; 5 — стол для формования оболочки; 6 — узел сварки; 7 — тяговое устройство; 8 — гофрирующее устройство; 9 — приемное устройство
169
Сварочное устройство включает в себя сварочную горелку с охлаждением ее держателя водой, приспособление для подачи защитного газа и проекционный микроскоп, позволяющий наблюдать за положением дуги относительно кромок и соблюдением рас-, стояния между кромками. Сварочные электроды изготовлены из сплава вольфрама и тория. Как правило, сварочная головка имеет три электрода, что позволяет повысить скорость сварки.
После сварки оболочка имеет овальную форму, обеспечивающую более точное схождение кромок ленты, обрезаемых перпендикулярно ее поверхности. Затем оболочке с помощью калибрующих валков придают круглую форму. Перед гофрированием сварную оболочку охлаждают и смазывают эмульсией. Гофрирующие ролики приводят во вращение с помощью планетарной передачи. Крутящий момент, прикладываемый к оболочке в процессе гофрирования, гасят в гусеничном тяговом устройстве. Если гофрирования оболочки не требуется, то вместо гофрирующего устройства устанавливают калибрующее устройство валкового типа или волоки.
Серийные агрегаты позволяют обеспечить сварку оболочек диаметром от 1,2 до 315 мм. Толщина свариваемой стальной оболочки 0,1 ...2 мм, алюминиевой — 0,2...4 мм. Паспортная скорость сварки стальных оболочек 8... 15 м/мин, алюминиевых — 4... 30 м/мин. При аргонно-дуговой сварке длина изготавливаемого кабеля ограничивается не самим технологическим процессом, а длиной заготовки кабеля, на которой формуется оболочка. Преимуществом этого способа сварки является также практическое отсутствие грата на внутренней поверхности оболочки, что является обязательным в некоторых конструкциях кабелей (например, высокочастотных). Так как объем нагреваемого металла ограничен, то изоляция кабеля не подвергается большим тепловым воздействием. Основным недостатком дуговой сварки в атмосфере защитного газа является сравнительно невысокая производительность. Способ аргонно-дуговой сварки применяют не только при производстве кабельных оболочек, но и при изготовлении внутреннего и внешнего проводников радиочастотных кабелей, а также волноводов.
При высокочастотной сварке оболочек из металлической ленты ток высокой частоты протекает по одной из кромок ленты до места ее соприкосновения с другой и далее по второй кромке, нагревая и оплавляя их. Затем оплавленные кромки сжимают валками и сваривают, причем сформованная из ленты заготовка имеет шель V-образной формы. Чем выше частота тока, тем меньше глубина его проникновения в кромки и объем нагреваемого металла. При сварке часть расплавленного металла выдавливается наружу и внутрь образующейся оболочки. Если грат с наружной поверхности оболочки может быть удален, то с внутренней поверхности оболочки удалить его невозможно, что исключает при
170
менение такого способа сварки для некоторых конструкций кабельных изделий. Принципиальная схема установки для высокочастотной сварки оболочек такая же, как и установки для аргон-но-дуговой сварки, различаются только их узлы. Для обеспечения непрерывной работы установка имеет сдвоенные приемные и отдающие устройства для заготовки кабеля, сдвоенные отдающие устройства и накопитель для ленты, а также стыкосварочную машину. В накопителе автоматически поддерживается полное заполнение лентой.
Механизм формования ленты в заготовку включает в себя рабочие клети, систему вертикальных роликов и формующий конус. Верхний валок рабочей клети может перемещаться в вертикальном и горизонтальном направлениях, что позволяет производить регулировку в случае разной толщины сформованной заготовки в продольном и поперечном направлениях. Сварочное устройство состоит из сварочных валков, изготавливаемых из латуни или бронзы, которые связаны между собой синхронизирующими шестернями.
Для гофрирования сварной оболочки на установках высокочастотной сварки используется способ непрерывной продольной прокатки в профилированных валках, т.е. оболочка последовательно прокатывается через пять-шесть валковых зубчатых калибров, каждый из которых повернут относительно предыдущего на 60° и образован тремя зубчатыми валками. При этом каждая последующая группа валков углубляет кольцевые впадины, образованные предыдущими. Такой способ гофрирования практически исключает образование вращающегося момента, прикладываемого к оболочке, и, следовательно, ее возможное закручивание, которое на установках аргонно-дуговой сварки приходится устранять с помощью специальной конструкции тягового устройства. Способ гофрирования путем непрерывной продольной прокатки в профилированных валках практически не имеет ограничений по линейной скорости движения свариваемой заготовки, но более сложен с точки зрения перехода с одного размера заготовки на другой и изготовления гофрирующего инструмента.
Агрегаты высокочастотной сварки применяют для стальных и алюминиевых оболочек диаметром 10... 35 мм. Скорость наложения алюминиевых оболочек 20... 120 м/мин, стальных — 15 ...90 м/мин. Применение высокочастотной сварки оболочек эффективно при крупносерийном производстве ограниченного числа макроразмеров кабеля. В последнее время появились агрегаты сварки с помощью лазера, на которых изготавливаются трубки, образующие сердечник волоконно-оптического кабеля. Такие трубки из алюминиевой и стальной ленты имеют диаметр 1,5...3 мм. Внутри трубок размещаются продольно расположенные оптические волокна.
171
7.3.	Резиновые и пластмассовые оболочки
Резиновые и пластмассовые оболочки кабелей предназначены для защиты изоляции жил от воздействия света, влаги, различных химических веществ, а также механических воздействий. Хотя та-^ие оболочки уступают металлическим по влагопронипаемости, они имеют целый ряд других преимуществ и прежде всего лучшую гибкость и меньший вес. Поэтому, если изоляция достаточно влагостойка, применяют резиновые и пластмассовые оболочки.
В соответствии с ГОСТ 23286—78 оболочки кабельных изделий в зависимости от условий их эксплуатации подразделяют на следующие категории:
06-1 — для переносных кабельных изделий, работающих в тяжелых условиях (землеройных и им подобных машинах);
06-2 — для переносных кабельных изделий, работающих в средних условиях (все случаи применения, кроме предусмотренных для категорий 06-1 и Об-З) и для кабельных изделий, прокладываемых стационарно;
Об-З — для переносных кабельных изделий, работающих в легких условиях (бытовых электроприборах и токоприемниках, т.е. там, где отсутствуют механические нагрузки).
При обозначении категории оболочки также добавляют соответственно буквы «р» — для резины и букву «п» — для пластмассы (например, Обр-1). Номинальная толщина различных оболочек приведена в табл. 7.1.
При одновременном наложении изоляции и оболочки или двухслойной оболочки их толщина должна быть оговорена в соответствующей нормативно-технической документации на кабельные изделия. В технически обоснованных случаях допускается уменьшение толщины кабельных оболочек.
Предельное отклонение по толщине пластмассовой оболочки (кроме вулканизующегося полиэтилена) составляет минус 15 %, а для оболочек резиновой и из вулканизующегося полиэтилена — минус 20 %, если в нормативно-технической документации на кабельные изделия не установлены другие значения.
В технически обоснованных случаях допускается плюсовое отклонение, предельное значение которого должно быть оговорено в нормативно-технической документации на кабельные изделия.
Резиновые и пластмассовые оболочки в зависимости от назначения кабельных изделий могут испытываться переменным напряжением частотой 50 Гц без погружения в воду, с погружением в воду или после выдержки в ней (категория испытаний ЭИ-1), а также напряжением на проход (категория испытаний ЭИ-2).
Переменное испытательное напряжение С7исп, В, в зависимости от номинальной толщины оболочки а, мм, при стационарных испытаниях вычисляют следующим образом: С7исп = 1000с + 2000,
172
Таблица 7.1
Номинальная толщина резиновых и пластмассовых оболочек различных категорий, мм
Диаметр кабельного изделия под оболочкой, мм	Обр-1	Обп-1	Обр-2	Обп-2	Обр-3	Обп-3
До 6	1,5	1,2	1,5	1,2	1,0	0,8
Свыше 6 до 10	2,0	1,7	1,7	1,5	1,0	1,0
Свыше 10 до 15	2,5	1,7	2,0	1,5	1,2	1,2
Свыше 15 до 20	3,0	2,0	2,0	1,7	—-	—
Свыше 20 до 25	3,5	2,3	2,5	1,9	—	—
Свыше 25 до 30	4,5	2,5	3,0	1,9	—	—
Свыше 30 до 40	5,0	3,5	4,0	2,3	—	—
Свыше 40 до 50	5,0	4,0	4,5	2,5	—	—
Свыше 50 до 60	6,0	4,0	4,5	2,5	—	—
Свыше 60	6,0	—	—	3,0	—	—
с округлением до 500 В в сторону максимума. Если испытания проводят на проход, то для резиновых оболочек с номинальной толщиной 1...6 мм пиковое значение испытательного напряжения находится в пределах 9... 50 кВ, а для пластмассовых оболочек толщиной 0,8...3,9 мм — в пределах 12...45 кВ.
Резиновые оболочки применяют в основном для переносных кабелей и проводов с резиновой изоляцией, которые должны иметь максимальную гибкость. Это прежде всего кабели и провода общего применения, шахтные, экскаваторные, судовые кабели и т.д. Кроме того, резиновые оболочки используют и для отдельных типов кабелей стационарной прокладки (например, силовых кабелей с резиновой изоляцией).
Экскаваторные кабели, эксплуатируемые в тяжелых условиях, подвергаются повышенным механическим воздействиям (на них могут попадать куски добываемой породы, по ним могут проезжать автомобили), поэтому их защитные оболочки изготавливают из более механически прочных резин, содержащих 50 % каучуков. Оболочки кабелей, эксплуатируемых в средних и легких условиях, содержат 40...45 % каучуков. К резиновым оболочкам для ряда кабелей предъявляются также дополнительные требования по маслостойкости и нераспространению горения. Отдельные типы резиновых оболочек рассчитаны на эксплуатацию при температурах до -50 °C (в частности, в районах Сибири и Крайнего Севера).
173
Пластмассовые оболочки кабелей и проводов выполняют из шлангового поливинилхлоридного пластиката и полиэтилена. Шланговый ПВХ пластикат отличается от изоляционного повышенной светостойкостью и механической прочностью, что достигается соответствующим подбором наполнителей, пластификаторов и стабилизаторов. Диэлектрические характеристики шланговых пластикатов невысоки, однако это и не требуется для обеспечения надежной эксплуатации кабельных изделий. Важным преимуществом оболочек из ПВХ пластиката является их способность затухать при вынесении из пламени, что объясняется прежде всего наличием значительного количества атомов хлора в структурной цепи смолы. При возгорании ПВХ пластиката из смолы выделяется хлористый водород НС1, что и приводит к снижению температуры в зоне горения и самозатуханию пластиката при удалении источника пламени. Однако при расположении кабелей с оболочками из ПВХ пластиката в пучке при возгорании высокая температура в зоне его горения сохраняется и в отличие от возгорания одиночного кабеля самозатухания не происходит. В настоящее время для оболочек кабельных изделий все шире применяют специальные ПВХ пластиката с пониженным газо- и дымо-выделением, что достигается введением таких наполнителей, как гидроксид алюминия или магния, а также фосфатных пластификаторов и т. п.
Полиэтиленовые оболочки по сравнению с поливинилхлоридными обладают меньшей влагопроницаемостью и лучшими физико-механическими свойствами, что наиболее эффективно используется в конструкциях кабелей связи. Для увеличения светостойкости в состав шланговых полиэтиленовых композиций вводят до 2 % сажи. Однако следует отметить, что полиэтилен является горючим материалом, поэтому кабели с оболочками из полиэтилена прокладывают в земле и не рекомендуют для прокладки внутри помещений.
В процессе эксплуатации и старения кабельных изделий характеристики оболочек, особенно физико-механические, изменяются. Так, при эксплуатации ПВХ оболочек снижается их относительное удлинение при растяжении, повышаются разрывная прочность и температура хрупкости.
Это является прежде всего следствием снижения содержания пластификаторов из-за их миграции при повышенных температурах или вымывания в условиях влажных грунтов (например, в болотных) и воды. Аналогичные изменения происходят и при старении резиновых оболочек, что необходимо учитывать при оценке ресурса кабельных изделий. Наложение резиновых и пластмассовых оболочек на сердечник кабелей производят на стандартном кабельном оборудовании — кабельных линиях непрерывной вулканизации (см. гл. 6).
174
7.4.	Защитные кабельные покровы. Способы и оборудование для их наложения
Защитный кабельный покров — это элемент конструкции кабеля, наложенный на изоляцию, экран, оболочку или упрочняющий покров кабельного изделия и предназначенный для дополнительной защиты от внешних воздействий. Конструкции защитных кабельных покровов различны, они могут включать в себя броню или не иметь ее, ограничиваясь кабельной или стеклянной штапе-лированной пряжей, подклеенной и пропитанной битумными составами, или представлять собой пластмассовые оболочки с подслоем из битума и полимерной ленты.
Конструкции элементов защитных кабельных покровов приведены в табл. 7.2.
Броня представляет собой часть защитного покрова и состоит из металлических лент либо одного или нескольких повивов стальных или стальных оцинкованных проволок. Броня предназначена для защиты кабеля от внешних механических и электрических воздействий. Проволочная броня воспринимает растягивающие уси-
Таблица 7.2
Конструкции элементов защитных кабельных покровов и их обозначения в соответствии с ГОСТ 7006—72
	Конструкция элемента защитного покрова	Обозначение
Подушка		
1	Без подушки	б
2	а)	битумный состав или битум б)	крепированная или кабельная пропитанная бумага в)	битумный состав или битум г)	крепированная или кабельная пропитанная бумага д)	битумный состав или битум	Без обозначения
3	а)	битумный состав или битум б)	крепированная или кабельная пропитанная бумага в)	битумный состав или битум г)	крепированная или кабельная пропитанная бумага д)	битумный состав или битум	Без обозначения
4	а)	битумный состав или битум б)	ленты полиэтилентерефталатные в)	крепированная или кабельная пропитанная бумага г)	битумный состав или битум д)	крепированная или кабельная пропитанная бумага е) битумный состав или битум	Л
175
Продолжение табл. 7.2
	Конструкция элемента защитного покрова	Обозначение
5	а)	битумный состав или битум б)	ленты полиэтилентерефталатные в)	крепированная или кабельная пропитанная бумага г)	битумный состав или битум д)	пропитанная кабельная пряжа или стеклянная пряжа из штапелированного волокна е)	битумный состав или битум	Л
6	а)	битумный состав или битум б)	ленты полиэтилентерефталатные в)	крепированная или кабельная пропитанная бумага г)	битумный состав или битум д)	ленты полиэтилентерефталатные е)	крепированная или кабельная пропитанная бумага ж)	битумный состав или битум	2л
7	а)	битумный состав или битум б)	ленты полиэтилентерефталатные в)	крепированная или кабельная пропитанная бумага г)	битумный состав или битум д)	ленты полиэтилентерефталатные е)	пропитанная кабельная пряжа или стеклянная пряжа из штапелированного волокна ж)	битумный состав или битум	2л
7а	а)	битумный состав или битум б)	ленты полиэтилентерефталатные в)	лента поливинилхлоридная г)	стеклянная пряжа из штапелированного волокна или стеклолента	нл
8	а)	битумный состав, вязкий подклеивающий состав или битум б)	выпрессованный полиэтиленовый защитный шланг в) крепированная или кабельная пропитанная бумага г) битумный состав или битум д) крепированная или кабельная пропитанная бумага е) битумный состав или битум	П
9	а)	битумный состав, вязкий подклеивающий состав или битум б)	лента полиэтилентерефталатная в)	выпрессованный полиэтиленовый защитный шланг г) крепированная или кабельная пропитанная бумага д) битумный состав или битум е) крепированная или кабельная пропитанная бумага ж) битумный состав или битум	В
176
Окончание табл. 7.2
	Конструкция элемента защитного покрова	Обозначение
Броня		
10	Стальные оцинкованные ленты	Б
11	Стальные оцинкованные круглые проволоки	К
Наружный покров		
12	а)	битумный состав или битум, вязкий подклеивающий состав или битум б)	пропитанная кабельная пряжа или стеклянная пряжа из штапелированного волокна в)	битумный состав или битум г)	покрытие, предохраняющее витки кабеля от слипания	Без обозначения
13	а)	негорючий состав б)	стеклянная пряжа из штапелированного волокна в)	негорючий состав г)	покрытие, предохраняющее витки кабеля от слипания	н
14	а)	битумный состав, вязкий подклеивающий состав или битум б)	лента поливинилхлоридная, полиэтилентерефталатная или другая равноценная в)	выпрессованный полиэтиленовый защитный шланг	Шп
15	а)	битумный состав, вязкий подклеивающий состав или битум б)	лента полиэтилентерефталатная в)	выпрессованный полиэтиленовый защитный шланг	Шв
16	Без наружного покрова	Г
лия. Чтобы не повредить сердечник при наложении брони и защитить его от механических повреждений и коррозии непосредственно на сердечник кабеля или промежуточную оболочку под броней накладывается так называемая подушка. В конструкцию подушки, как следует из табл. 7.2, могут входить битумный состав, пропитанная или крепированная кабельная бумага, пропитанная кабельная хлопчатобумажная пряжа или стеклянная штапелированная пряжа, полиэтилентерефталатная или равноценная ей пластмассовая лента.
Типы защитных покровов для различных конструкций кабелей приведены в табл. 7.3 (с использованием обозначений из табл. 7.2).
Для брони применяются стальные ленты толщиной 0,3... 0,8 мм (в зависимости от диаметра кабеля по оболочке) и стальные или
177
стальные оцинкованные проволоки диаметром 1,4... 6,0 мм. Минимальная толщина подушки составляет 1,5...3,2 мм, а минимальная толщина защитного покрова — 1,6...3,1 мм. Пластмассовый защитный шланг (оболочка) из полиэтилена или ПВХ пластиката, накладываемый под броней или поверх брони или металлической оболочки, должен иметь номинальную толщину 1,4... 3,1 мм. Стальная бронелента должна быть оцинкованной. Допускается применение стальной неоцинкованной ленты, однако в этом случае ее поверхность должна быть битуминирована, а поверх брони требуется нанесение покрытия, предотвращающего слипание витков кабеля. Броню из двух стальных лент накладывают с перекрытием. Броню из одной стальной ленты можно профилировать и накладывать «в замок». Пластмассовые ленты, входящие в состав защитного покрова, также накладывают с перекрытием. Кабельную бумагу и пряжу пропитывают противогнилостным составом. Битум-
Таблица 7.3
Типы защитных покровов для различных конструкций кабелей в соответствии с ГОСТ 7006—72
Кабель, не подвергающийся значительным растягивающим усилиям					Кабель, подвергающийся значительным растягивающим усилиям		
Оболочка							
Свинцовая	Алюминиевая	Стальная гофрированная	Неметаллическая	Без оболочки	Свинцовая	Алюминиевая	Без оболочки
Б Бп Бл Б2л Б2лШп Б2лШв БШп БШв БГ БлГ Б2лГ Шв БлШв Бн Блн Б2лн БвГ Шп БпШп БпГ	Бл БлШп Шв Б2л Шп Бп Бв БлШв БпШп Б2лШв БвШв Б2лШп БлГ Блн Б2лГ БШп БпГ БвГ БнлГ	Шв Шп	БГ БбГ Бн Б БбШп БбШв	БбШв БбШп	к Кл К2л КГ Кн Клн К2лн КлГ К2лГ	КпШп Кп К2л Клн К2лн КлГ К2лГ	КбШв
178
ный состав, входящий в наружные покровы, в зависимости от типа этих покровов не должен вытекать при температурах 45, 50 или 70 °C. Наружные защитные покровы в зависимости от их конструкции могут не распространять горение. Кабели с отдельными типами защитных покровов должны проходить последовательно испытания на изгиб, истирание, циклический нагрев в солевой ванне и считаются выдержавшими эти испытания, если после их проведения имеют электрическое сопротивление не ниже регламентируемого в технической документации.
Пластмассовый защитный шланг, наложенный поверх металлической оболочки, брони или под броней, проверяют на герметичность. Проверку герметичности пластмассового шланга производят испытанием в воде (стационарно или на проход) и испытанием на проход электрическим напряжением.
Наружные защитные покровы отдельных конструкций испытываются также на хладоустойчивость: после выдержки образца кабеля в холодильной камере при температуре -40 °C его трехкратно подвергают ударной нагрузке. После такого испытания защитный покров не должен разрушаться, хотя допускается осыпание битума, битумного или негорючего состава в виде мелких частиц и пыли.
Технология наложения защитных покровов зависит от конструкции последних. Защитные покровы шлангового типа накладывают на стандартных экструзионных линиях, которые подробно описаны в гл. 6. Наложение слоистых защитных покровов производят на бронировочных машинах (бронемашинах), которые делятся на универсальные и лентобронировочные. Если универсальные машины позволяют накладывать как проволочную, так и ленточную броню, то лентобронировочные машины предназначены только для наложения ленточной брони.
Основные технологические параметры наложения ленточной брони: h — шаг наложения бронеленты; а — угол подъема броне-ленты; а — зазор между соседними витками бронеленты; 8 — толщина бронеленты; b — ширина бронеленты. Как правило, бронеленты накладывают в два слоя с 50 %-м положительным перекрытием. Соотношения между параметрами в этом случае можно представить в следующем виде:
. Ь\	Zb
h = а + —1— = а + —-—; cos ос. cos а2
1	2	(7.2)
tg81 = л(Л + 8); tg§2 = л(Л + 38)’
где D — диаметр сердечника кабеля; cq и bt — соответственно угол подъема и ширина первого слоя брони; а2 и Ь2 — соответственно угол подъема и ширина второго слоя брони.
179
. Практически геометрические соотношения между параметрами наложения ленточной брони те же, что и при изолировании токопроводящей жилы или проволоки бумажными лентами, однако необходимо учитывать, что бронеленту никогда не накладывают на заготовку кабеля с зазором.
Основные технологические параметры при наложении проволочной брони на сердечник кабеля диаметром D следующие: d — диаметр бронепроволоки; т — коэффициент скрутки; h — шаг скрутки; п — число бронепроволок в повиве; а — угол подъема проволоки. При наложении проволочной брони суммарный просвет между проволоками не должен превышать одного их диаметра. Соотношение между параметрами бронирования проволокой выглядит следующим образом:
n(£+J)
(7.3)
где К = -
„ If л У h
2\т J	D + d
Шаг наложения проволочной брони обычно составляет 8... 15 диаметров по подушке (заготовке кабеля). В состав стальной проволочной брони силовых одножильных кабелей входят также медные проволоки, разделяемые стальными проволоками. Медные проволоки (как известно, медь — немагнитный материал), входящие в состав брони, снижают электрические потери в броне.
Схема универсальной бронировочной машины показана на рис. 7.6. Из схемы очевидно, что на такой машине можно накладывать защитные покровы любой конструкции, включая как проволочную, так и ленточную броню.
Бумагообмотчики, как правило, полутангенциальные. На таких же обмотчиках накладывают и пластмассовые ленты. Обмотчики снабжены устройствами для регулирования натяжения лент в достаточно широких пределах.
Обмотчик для наложения пряжи представляет собой металлический диск, консольно закрепленный на подшипнике. Диск имеет стержни — оси, на которых и устанавливают бобины с пряжей.
Крутильная клеть для наложения проволочной брони имеет откручивающее устройство, и наложение круглой проволочной брони всегда производится с откруткой. В тяговой ванне на поверхность кабеля с защитными покровами наносят меловую суспензию или суспензию на основе смеси талька и частиц слюды, что предотвращает слипание витков кабеля между собой. Избыток суспензии снимают с поверхности кабеля либо калибром, либо жгутом из ткани. Битумная ванна имеет рубашку, чаще всего заполняемую маслом с повышенной температурой вспышки паров, внутри которой размещают электронагреватели закрытого типа. Битум
180
Рис. 7.6. Схема универсальной бронировочной машины:
1 — отдающее устройство; 2 — ванна для наложения битума; 3 — бумагообмот-чик; 4 — устройство для наложения проволочной брони; 5 — обмотчик для наложения ленточной брони; 6 — обмотчик для наложения пряжи; 7 — ванна для пропитки защитного покрова меловой суспензией; 8 — тяговое устройство; 9 — приемное устройство
подают в ванну в расправленном виде и наносят на поверхность кабеля методом полива, причем кабель проходит через специальный лоток. Непосредственно полив кабеля битумом в этом лотке осуществляется с помощью шнеков или роликов, расположенных в ванне и имеющих индивидуальный привод. Толщину накладываемого битумного слоя регулируют с помощью калибров, иногда регулируемых. Если накладываются негорючие защитные покровы, то битумные ванны заполняются не битумом, а специальным составом, например на основе каменноугольного пека и синтетического масла. Битум к бронировочным машинам подают из биту-мохранилищ, в которых обеспечивается его паровой разогрев с помощью змеевиков. Битум и добавки, если они применяются, из подземных хранилищ поступают сначала в цеховые вертикальные баки большой емкости, которые также оборудованы паровой ру-
Рис. 7.7. Профили гибкой ленточной брони круглого (а) и плоского (б) кабелей
181
башкой и мешалкой, обеспечивающей смешение компонентов состава.
В ряде случаев в конструкции кабелей используют профильную гибкую броню. Так, например, гибкая броня необходима для кабелей, предназначенных для питания электронасосов добычи нефти, многократно подвергаемых воздействию нагрузок, возникающих при подъемах и спусках их в скважину.
Так как кабели изготавливают как круглыми, так и плоскими, то и гибкая броня может быть двух профилей (рис. 7.7).
Бронеголовка для наложения гибкой профильной брони имеет диск-обмотчик с роликами, профилирующими стальную ленту S-образной формы.
Контрольные вопросы
1.	Каковы преимущества и недостатки свинцовых и алюминиевых оболочек кабелей?
2.	Каким образом защищают изоляцию кабеля от перегрева в головке пресса при наложении алюминиевых оболочек?
3.	Каковы преимущества и недостатки аргонно-дуговой и высокочастотной сварок кабельных оболочек?
4.	Каковы основные элементы конструкций защитных кабельных покровов?
5.	Назовите основные технологические параметры наложения ленточной и круглой брони на заготовку кабеля.
Глава 8
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ В КАБЕЛЬНОЙ ИЗОЛЯЦИИ
8.1.	Общие задачи и порядок расчета силовых кабелей
Основной задачей расчета силовых кабелей является создание конструкций, надежных в работе и экономичных по использованию материалов.
Для выполнения расчета кабеля должны быть заданы: передаваемая мощность и рабочее напряжение кабельной линии, режим изменения нагрузки в линии, значения и характер возможных перенапряжений и токов короткого замыкания, а также условия про- ; кладки кабеля по длине линии.
Современные изоляционные материалы обладают высокой электрической прочностью, поэтому толщину изоляции кабелей на напряжения ниже 6 кВ выбирают главным образом из соображений ее механической прочности. Для таких кабелей производят лишь поверочные расчеты электрической прочности изоляции.
В кабелях повышенного напряжения тепловые расчеты тесно связаны с электрическими, так как энергия электрического поля, частично рассеиваясь в диэлектрике, переходит в тепло и вызывает нагревание кабеля.
В свою очередь, нагревание снижает электрическую прочность и увеличивает tgS изоляции.
Порядок расчета кабеля следующий:
выбор сечения и конструкции жилы кабеля на основании имеющихся данных для подобных конструкций, предназначенных для заданной нагрузки и условий прокладки;
выбор допустимой рабочей напряженности электрического поля в изоляции и расчет ее толщины;
расчет допустимой нагрузки для выбранного сечения кабеля с учетом выделяемого тепла в жиле, изоляции, оболочках и броне при заданных условиях прокладки и режиме нагрузки во времени.
Далее производят корректировку сечения токопроводящей жилы (если это оказывается необходимым) и новый поверочный расчет.
Для кабелей высокого напряжения необходимо производить расчет условий, при которых в кабеле может возникнуть тепловой пробой.
183
8.2.	Уравнение электрического поля в кабеле
В общем случае при переменном токе должны рассматриваться электромагнитные процессы в изоляции кабеля. Из теории электротехники известно, что если длина волны в изоляции значительно больше диаметра кабеля, то электрическое и магнитное поля можно рассматривать отдельно. При этом для потенциала U электрического поля в изоляции применимо уравнение Пуассона:
V1 2t7 = -^-,	(8.1)
ЕЕ0
где V2 — оператор Лапласа; Q — заряд единицы объема изоляции, Кл/м3; в — относительная диэлектрическая проницаемость изоляции; Во = 8,85... 10“12 Ф/м — диэлектрическая проницаемость вакуума.
При расчете электрического поля в кабеле применяется в основном уравнение (8.1), которое справедливо при постоянных значениях £.
Оператор Лапласа в цилиндрических координатах, наиболее удобных при вычислении электрического поля в кабелях, имеет следующий вид:
V2L/ = lAfr^ rdr[ dr J
1 д21/ д2Ц г2 Э2ф d2z
(8-2)
В частном случае (для одножильных кабелей), потенциал зависит только от расстояния до центра кабеля и оператор Лапласа будет иметь следующий вид:
v2£/=l Э_Г„Э£/ г дг
(8.3)
Г дг
Если в изоляции нет объемных зарядов, то для электрического поля будет справедливо уравнение Лапласа
V2U = 0.
(8-4)
8.3.	Радиальное электрическое поле в одножильном кабеле
Распределение потенциала в электрическом поле можно получить при решении уравнения (8.4):
1 д ( dU} п
= 0.
dr J
184
Так как потенциал зависит только от радиуса, знак частной производной можно заменить знаком обычной производной. Интегрируя это уравнение, получим
ЭСЛ .	/о сч
г— = А, дг
где А — постоянная интегрирования.
При г = г0 полагаем U = Uo. Здесь г0 — радиус жилы, a Uq — потенциал жилы.
Если потенциал оболочки принять равным нулю, то после интегрирования уравнения (8.5) получим
л Uo
Л = ~1 zp/~7>	(8.6)
ln(A/r0)	v '
где R — радиус кабеля по изоляции.
Подставив выражение для А в (8.5) и учитывая, что Е = -получим
dU dr ’
U0 rln(R/r0)'
(8.7)
Уравнение (8.7) справедливо лишь при постоянных электрических параметрах среды. Если среда будет неоднородной, то для простейшего случая радиального поля можно не решать общие сложные уравнения, а получить расчетные формулы более простым способом.
Изоляционная среда характеризуется диэлектрической проницаемостью Е и удельным объемным сопротивлением рк= 1 /у (где у — удельная электрическая проводимость изоляции). В неоднородной среде в первый момент после включения постоянного напряжения напряженность поля распределяется в соответствии с диэлектрическими проницаемостями неоднородностей. С течением времени на границах неоднородностей появляются поверхностные заряды, процесс накопления которых вызывает ток абсорбции. В установившемся режиме напряженность постоянного электрического поля распределяется в соответствии с проводимостями неоднородностей.
Постоянная времени переходного процесса накопления зарядов внутри изоляции зависит главным образом от ее электрических свойств, а также от формы и размеров неоднородностей и по порядку значения совпадает с произведением ЕЕоркдля изоляции.
При переменном напряжении, если постоянная времени значительно больше полупериода ЕЕор^» 1/(2/), объемные заряды не успевают накапливаться и напряженность поля распределяется в соответствии с Е, а при ЕЕори «; 1/(2/) процесс накопления зарядов успевает завершиться полностью и напряженность поля распределяется в соответствии с проводимостями (при постоян
185
ном токе). Если £Еорк= 1 /(2/), необходимо исследовать неустано-вившийся режим накопления зарядов внутри диэлектрика, но такой случай в силовых кабелях (при промышленной частоте) может быть только в полупроводящей среде.
Таким образом, в первом случае справедливо соотношение
D = ее0Е = ее0	(8-8)
где D — электрическое смещение.
Во втором случае
j = Y£ = -Y^,	(8.9)
dr
где j — плотность тока в изоляции.
Очевидно, что
D~j', ее0 ~ у.	(8.10)
Соответственно для уравнений (8.8), (8.9) можно записать интегральные соотношения:
j>DdS = Q;	(8.11)
jjdS = I,	(8.12)
s
где S— площадь замкнутой поверхности; Q — заряд внутри поверхности 5; j — общее число зарядов, вытекающих из объема, ограниченного поверхностью 5 (общий ток утечки).
При решении уравнения (8.11) будем предполагать, что диэлектрик не имеет объемных зарядов.
Выберем поверхность S в виде концентрического цилиндра с образующей, равной единице длины кабеля. Если поле радиально, то на цилиндрической поверхности значения DmJ будут постоянными и могут быть вынесены за знак интеграла. При этом решения уравнений (8.11) и (8.12) с учетом соотношений (8.8)...(8.10) можно получить в следующем виде:
^ = £ = -е_; dr 2тггее0
(8.13)
dr 2лгу
(8.14)
где Q — линейная плотность заряда, Кл/м; I — линейная плотность общего тока утечки от жилы через изоляцию.
Уравнения для обоих рассматриваемых случаев одинаковы, поэтому с учетом (8.10) достаточно привести решение для одного из них.
186
Проинтегрируем уравнение (8.13), взяв в качестве пределов радиусы по жиле и изоляции. Получим соотношение между зарядом на жиле и ее потенциалом:
Qj dr
2л J
r0
(8.15)
Подставив выражение для Q из (8.15) в (8.13), получим

E = U0/ ге— . irE
(8.16)
Емкость кабеля найдем по формуле
Со /Г гdr 77 = 2л£0 / J — 6	' ГЕ
'Ь
При е = const емкость кабеля
2лее0 1п(А/г0)‘
(8.17)
(8.18)
Проинтегрировав (8.14), получим формулы для кабеля постоянного тока:
dr
’ yr r0 1
(8.19)
а при у = const сопротивление изоляции на единицу длины кабеля
Ян, =-Lin А	(8.21)
2лу г0
Таким образом, к (8.10) после сравнения уравнений (8.18) и (8.21) можно добавить соотношение
77-До.	(8.22)
Параметр 1п(Я/г0) можно рассматривать как геометрический коэффициент (фактор) G, который зависит только от конфигурации электродов.
Из теории поля известно, что если электрическое поле подчиняется уравнению Лапласа, то при любой конфигурации электродов в однородной изоляционной среде геометрический коэффи-
187
циент будет одинаковым для электрического смещения, проводимости и теплового поля.
При этом достаточно знать одну из величин уравнения (8.22), чтобы рассчитать другую.
Если изоляционная среда неоднородна, то геометрический фактор будет одинаковым при условии, что зависимость параметров среды от радиуса будет одинаковой.
8.4.	Градирование изоляции
В соответствии с (8.7) в однородной изоляции напряженность электрического поля максимальна у жилы и убывает по направлению к оболочке. При этом не полностью используется запас электрической прочности изоляции, что можно количественно оценить коэффициентом использования изоляции
. R	. R
roln—	In —
= = <8 23)
^max *' Го In — ~ 1
Го
где Еср — средняя напряженность поля в кабеле, которая имела бы место в конденсаторе с плоскопараллельными электродами и толщиной изоляции Д = R — г0.
В большинстве случаев толщина изоляции кабеля определяется максимально допустимой рабочей напряженностью поля £р. При этом значение R/r0 можно найти по формуле, которая следует из (8.7):
R U	,о ~
— = схр——.	(8.24)
го г0Ер
Из формул (8.16) и (8.19) видно, что при ег = const (переменное напряжение) или yr = const (постоянное напряжение) напряженность поля будет постоянной и равной Еср = U0/(R - г0). При этом толщина изоляции будет минимальной, а коэффициент использования равен 1.
Практически при переменном напряжении уменьшение Е с увеличением радиуса производится ступенями. Такая изоляция называется градированной. При двухслойном градировании интеграл из (8.16) можно разделить на два с пределами от г0 до г{ и от до R, в которых Ei и е2 будут постоянными. После интегрирования получим уравнение
_________U_________
1 . и 1 , Rt Y ЕГ —In —+ —In —
1ЧЕ1 Го Е2 И )
(8.25)
188
где Е, и е2 — относительные диэ-
лектрические проницаемости Рис. 8.1. Расположение слоев изопервого и второго слоев; Ех и лвдии при градировании Е2 — рабочие напряженности
изоляции первого и второго слоев; к = £]/е2; f = Ех/Е2.
Поставим и из (8.28) в (8.26). После алгебраических преобразований при решении этого уравнения получим
— = kf exp го
—1пЛ/
(8.29)
Для слоистой изоляции, состоящей из п слоев (рис. 8.1) с диэлектрическими проницаемостями соответственно Еь е2, ..., Е„, из (8.24) можно получить зависимости напряженности поля и емкости от радиуса изоляции:
Erf—- In—+ — In — +	1П——-
^61 Го Е2 Г] Ел Г„_|
Будем исходить из условия равнопрочности каждого слоя, причем электрическую прочность будем определять по максимальной напряженности поля, которая имеется в начале слоя.
189
Примем допустимые значения (расчетные) максимальной напряженности поля в каждом слое Ех, Е2, Eh Еп и введем следующие обозначения:
s	к,=-^~.	(8.32)
Д+1	£;+1
Так как выражение в круглых скобках уравнения (8.30) имеет постоянное значение, то можно записать:
Д _ Е/+10
Д+1 Е1г0 или
=	(8.33)
г, kifi
При этом на границе в начале каждого слоя будем иметь расчетную напряженность поля, соответствующую этому слою.
После подстановки формулы (8.33) в (8.30) и некоторых алгебраических преобразований получим
R I f 1 U , f,	. . fik2 i
—=knAfnA exp------тг-М*! ~кх
го	Д-11гоД	Ji^i
1ПАф±. /и-гД-2
.(8.34)
Из уравнения (8.33) очевидно, что градирование имеет смысл лишь при следующих условиях:
/Л>1; ^±L>1-	(8.35)
В отечественной практике кабели с пропитанной бумажной изоляцией градируются в два слоя, так как диапазон плотности бумаги находится в пределах 1200...850 кг/м3, а допуск на плотность бумаги составляет 50 кг/м3. При этом Е пропитанной бумаги с наибольшей плотностью составляет 4,3, а с наименьшей — 3,5.
Пример 8.1. Рассчитать радиус кабеля по изоляции, если радиус жилы г0 = 12,2 мм, допустимая рабочая напряженность поля Ер = 12,5 МВ/м и номинальное напряжение кабеля 220 кВ.
По (8.24) найдем радиус по изоляции:
R = гоехр—— = 12,2ехр-=------------= 28,1 мм.
г0Ер 73-12,2-12,5
Пример 8.2. Рассчитать радиус кабеля по изоляции, если она состоит из двух слоев. В первом слое E, = 4,3; Ех = 9,2 МВ/м, а во втором слое е2 = = 3,5, Е2 = 8,6 МВ/м. Радиус жилы г0 = 12,2 мм. Номинальное напряжение кабеля 220 кВ.
. тт -	, Е| 4,3 , г Ех 9,2
1. Найдем к = — =	= 1,23 и f = —!- = —— = 1,064.
е2 3,5	Е2 8,6
190
2. Из формулы (8.29)
Е, МВ/м
Я = 12,2-1,064-1,23ехрх
1 Г 220
1,23 [Л-12,2 -9,2
-In (1,23-1,064)
= 32,3.
Тогда толщина изоляции Д = R -- г0= 32,3 — 12,2 = 20,1 мм.
На рис. 8.2 приведены зависимости напряженности электрического поля от радиуса изоляции, рассчитанные по данным примера 8.1, из которых видно, что использование во втором слое бумаги с уменьшенной диэлектрической проницаемостью приводит к возрастанию электрического поля в этом слое. Площадь под кривой зависимости напряженно
10	20 г, мм
Рис. 8.2. Зависимости напряженности электрического поля от радиуса изоляции:
1, 2 — соответственно для неградированной и градированной изоляции; 3 — для идеального случая
сти поля от радиуса равна напря-
жению, приложенному к кабелю (220/л/З кВ), что видно из уравнения (8.16), поэтому при постоянной напряженности поля (прямая 3) толщина изоляции будет наименьшей. Градирование наиболее эффективно при большом значении соотношения Rfr^, так как при малом его значении неравномерность поля невелика, и выравнивание поля лишь незначительно сказывается на уменьшении толщины изоляции.
8.5. Приближенный расчет кабелей с нерадиальным электрическим полем
В трехжильных кабелях с неэкранированными изолированными жилами и в кабелях с жилой некруглой формы имеется нерадиальное электрическое поле, точный расчет которого очень сложен. Составляющая напряженности электрического поля, направленная вдоль бумажных лент (тангенциальная), способствует развитию скользящих разрядов. Допустимое значение тангенциальной составляющей напряженности поля в 8—10 раз меньше радиальной, поэтому в кабелях на напряжения 20 кВ и выше изолированные жилы экранируют, создавая радиальное поле. В то же время при напряжении ниже 6 кВ толщина изоляции определяется в основном ее механическими характеристиками, и напряженность поля в таких кабелях обычно ниже допустимой для данного типа изоляции. В этом
191
Рис. 8.3. Схема расчета максимальной напряженности электрического поля в трехжильных кабелях с круглыми жилами (1...3)
Рис. 8.4. Сечение кабеля с секторными жилами
случае производят лишь проверку электрической прочности по приближенным формулам.
В трехжильном кабеле с круглыми жилами и поясной изоляцией в момент, когда трехфазное напряжение между жилами 1 и 2 (рис. 8.3) равно линейному Un, наибольшая напряженность поля будет в точке а.
В момент, когда фазное напряжение (иф) на жиле 1 наибольшее, жилы 2 и 3 имеют потенциалы, равные -0,5 иф. В этом случае наибольшая напряженность поля будет в точке Ь.
Максимальную напряженность поля, МВ/м, можно рассчитать приближенно по формуле
р
^тах
ГТ (п 0,18 = U„ 0,5Д + —— го
(8.36)
где А = R - г0 — толщина жильной изоляции, мм; г0 — радиус жилы, мм.
Наибольшую напряженность поля в точке а можно вычислить по формуле из теории поля для параллельных цилиндров, пренебрегая влиянием оболочки кабеля:
Uj(N + V)/(N-V) 2roln(7V + V№-l)’
(8.37)
где N= R/r0.
Для N= 1,1 ...2,0 результаты, получаемые по (8.36), превышают результаты вычислений по (8.37) не более чем на 4%.
В трехжильных кабелях с секторными жилами поверочный расчет напряженности поля производят для трех характерных точек: а, си к (рис. 8.4).
192
Напряженность поля в точке а можно вычислить по формуле (8.7) для одножильного кабеля, взяв вместо радиуса жилы радиус закругления секторной жилы (радиус по скрутке) а вместо радиуса по жильной изоляции — радиус по поясной изоляции:
Е
/?ск1п7?ск + А+-1
СК
(8.38)
где Д1 — толщина поясной изоляции.
Напряженность поля у внутреннего ребра жилы в точке к также вычисляют по формуле (8.4), но вместо радиуса жилы в этом случае берут радиус закругления внутреннего (центрального) ребра сектора (гД а толщину изоляции принимают равной расстоянию от точки к до оси кабеля (на оси кабеля потенциал равен нулю):
к , rfc+l,155A‘ rfcln------------------
Гк
(8.39)
Приближенное значение напряженности поля между внешними ребрами двух жил (в точке с) находим при напряжении Un по формуле (8.37) для двух параллельных цилиндров, подставив в нее вместо г0 радиус гс, а вместо R — сумму гс + Д.
Для кабелей с отдельно экранированными секторными жилами напряженность поля в точке а вычисляют по формуле
Е -
°	_ . ДсК + Д
а в точках с и к — по формуле
F = тах , г + Д’ гт------------
г
(8.40)
(8.41)
где г — радиус закругления сектора в точках с или к.
У кабелей с жилами овальной формы наибольшая напряженность поля в точке А (рис. 8.5), вычисляется она по формуле
а
«I
—р<+А- <842>
Рл
где рл — радиус кривизны в точке Рис. 8.5. Сечение жилы оваль-
А, равный №/а.	ной формы
7 Пешков
193
До сих пор мы рассматривали электрическое поле для жилы с идеально гладкой поверхностью. Однако любая неровность поверхности жилы создает местные увеличения напряженности поля в самом ответственном месте изоляции. Для исключения таких искажений применяют полупроводящие экраны.
Если круглая жила не экранирована и скручена из круглых проволок, то местную максимальную напряженность поля можно вычислить по формуле
£ =------------------MnlgAo)------,	(8.43)
г01п(7?//-0) 1п(Х//и) + т \п(К/го)
, l + msin(7t/wi)
где Л =---:----!; т — число проволок во внешнем повиве жилы.
sin(7r//n)
Формула (8.43) справедлива, когда в наружном повиве имеется не менее 12 проволок.
Предельное увеличение напряженности поля за счет «проволочное™» жилы достегает 30 %.
8.6. Электрическое поле в неоднородной изоляции
Кабельная изоляция имеет следующие особенности:
неоднородность структуры (слоистость, волокнистость, зернистость);
наличие воздуха и влаги в виде мелких включений и пленок;
зависимость основных характеристик от температуры;
неизбежное старение диэлектрика (постепенное ухудшение основных свойств во времени).
Эти особенности влияют на распределение потенциала в изо
лирующем слое, его электрическую прочность и характер использования изолирующего материала в конструкциях кабелей высо
кого напряжения.
В силовых кабелях с пропитанной бумажной изоляцией наличие слоев бумаги и находящихся между ними прослоек масла со-
	s' <			ем
	и <		ев	
	\D <	Еб		
Рис. 8.6. Схема элементарного слоя бумажной изоляции, пропитанной маслом
здает неоднородность структуры изоляции и неравномерность распределения электрического поля по объему изоляции.
Наиболее опасны газовые включения, поэтому представляет интерес определение напряженности поля в воздушных включениях в зависимости от их размеров и электрических свойств соприкасающихся с ними слоев кабельной изоляции.
194
Предположим, что элементарный слой кабельной изоляции толщиной Дг (рис. 8.6) расположен на расстоянии г от центра одножильного кабеля и состоит из трех слоев: пропитанной бумаги (Дб), масла или пропиточного состава (Дм) и газа или воздуха (Дв).
Так как Дг«: г, то падение напряжения в электрическом поле элементарного слоя изоляции одножильного кабеля с учетом формулы (8.7) можно записать в виде
MJ = £ДГ
(8.44)
гВДАоЛ'
Слои бумаги, масла и воздуха могут рассматриваться как три последовательно соединенных конденсатора. Общую емкость С элементарного слоя толщиной Дг можно найти из выражения
1	1 ( Дб	Дм	Дв"|
С Inr EgEg ЕмЕ0 Eq J
(8.45)
Напряжение, приходящееся на слой воздуха, найдем из соотношения ДС7В/ДС/ = С/Св (где Св = Е0/Дв — емкость воздушного слоя), откуда
ДС7в=ДС7-г---------.	(8.46)
в Дб Дм А
—- + —^ + ДВ
Еб Ем
Подставив Д t/из (8.44) в (8.46) и учитывая, что Дг= Дв + Дм + Дб, получим выражение для напряженности поля в пленке воздуха:
1 I + ьив __Е Лв
Дв 1 , ебАм + емАб ЕбЕмДв
(8.47)
Отношение напряженности поля в слое воздуха к напряженности поля в данной точке однородной изоляции будет иметь вид
! , Лм+Л6
А =-----—А--------.	(8.48)
Е 1 + Дм + Дб
ДвЕм ДвЕб
Аналогичное отношение получим для напряженности поля в слое масла:
1 . лв+Д6
F	Л
-# = • де де—	(849>
£	1	+ ZA6)bM
Дм ДмЕб
195
Рассмотрим некоторые частные случаи применения полученных формул.
Кабельную бумагу наматывают на жилу кабеля с большой плотностью, поэтому слои воздуха и масла между лентами значительно тоньше слоя бумаги. Из формул (8.48) и (8.49) следует:
^ = е6;	(8-5°)
Однако бумажные ленты обычно накладывают с зазорами; эти зазоры, толщина которых примерно соответствует толщине ленты, обычно заполнены маслом (или пропиточным составом), но при неполной пропитке в них может находиться воздух.
Для случая, когда Лм = 0, напряженность поля в воздушном зазоре Ев можно определить по формуле
Ев _ 1 + п
Е 1 + П/Еб’
(8.51)
где и — число бумажных лент между зазорами (при условии, что зазоры целиком заполнены газом, что соответствует конструкции газонаполненного кабеля).
Если Дв = 0, то напряженность поля в масляном зазоре Еи можно определить по формуле
1 + п
Е 1 + пем/е6’
(8.52)
что соответствует конструкции маслонаполненного кабеля.
При относительном перекрытии, равном 50%, число бумажных лент п = 1, а при 33 %-м перекрытии п = 2.
Наконец, может иметь место случай, когда почти все зазоры ; заполнены пропиточным составом и лишь отдельные — воздухом. При этом можно приближенно считать, что Дв« Дб, Дв« Дм, Ag « иДм. Тогда из формулы (8.48) получим
Ев _	1 + п
Е 1/ги+п/гъ'
(8.53)
Диэлектрическая проницаемость масла равна примерно 2,2, а пропитанной бумаги — 3,5.„4,3 в зависимости от ее плотности, поэтому при переменном напряжении в пленках газа и масла происходит повышение напряженности поля, которое зависит от соотношения диэлектрических проницаемостей и относительных размеров слоев изоляции.
Из формул (8.51)... (8.53) следует, что с увеличением числа лент бумаги между двумя последовательными зазорами напряженность поля в масляном или воздушном зазоре возрастает, и при весьма большом числе бумажных лент повышение напряженности поля
196
будет равно отношению диэлектрических проницаемостей пропитанной бумаги и материала, заполняющего данный зазор.
Выведенные уравнения справедливы для переменного напряжения лишь при выполнении соотношения £Еори «с 1/(2/) для каждого слоя (см. подразд. 8.3).
Однако и при постоянном напряжении справедливо соотношение Е£оР|/«: 1/(2/), и тогда напряженность поля распределяется между отдельными слоями диэлектрика в соответствии с их проводимостями.
В этом случае проводимость элементарного слоя изоляции G при Лв = О можно найти из формулы
± = _L|4> + V|
(8-54)
Напряжение в масляном слое найдем из соотношения, аналогичного (8.46):
=G_ GM'
(8.55)
Сравнив пары соотношений (8.54), (8.55) и (8.45), (8.46), заключаем, что при постоянном токе в уравнении для Еы/Е вместо диэлектрической проницаемости необходимо подставить проводимость слоев у.
Проводимость масла больше, чем пропитанной бумаги, поэтому напряженность поля в масляных пленках будет меньше. Таким образом, при постоянном напряжении наибольшая напряженность поля приходится на слой пропитанной бумаги, которая имеет наиболее высокую электрическую прочность, в то время как при переменном напряжении большая напряженность поля имеет место в масляных пленках, обладающих меньшей электрической прочностью. Это обстоятельство является одной из причин, обусловливающих повышенную электрическую прочность кабельной изоляции при постоянном напряжении.
Если в зазорах вместо масла будут воздушные включения, проводимость которых очень мала, то все напряжение будет приложено к воздушным промежуткам, в этом случае Еъ/Е = (Дв + Дм + Дб) Дв.
Как будет показано далее, значительное увеличение напряженности поля в воздушных включениях при постоянном напряжении вызывает менее интенсивную ионизацию и оказывает менее существенное влияние на электрическую прочность изоляции, чем при переменном напряжении.
Полученные формулы являются приближенными и относятся к слоистому диэлектрику с правильным чередованием слоев для случая, когда можно пренебречь краевым эффектом — искажением электрического поля у краев включений.
197
Рис. 8.7. Схема расположения эллипсоидального включения в электрическом поле
В пластмассовой изоляции кабелей включения могут иметь произвольную форму, и расчет напряженности поля в них сложный. Если приближенно считать, что включение имеет форму эллипсоида вращения с направлением оси вращения х (рис. 8.7) вдоль направления однородного электрического поля Еср, то напряженность поля внутри такого включения Евк также будет однородной и может быть подсчитана (при переменном напряжении) следующим образом:
4Ч £
(4 + %)£1-Хб2 ‘
(8.56)
где Еср — напряженность однородного поля при отсутствии включения; Е! и е2 — соответственно диэлектрические проницаемости среды и включения.
Коэффициент % при различных значениях соотношения осей эллипсоида Ф = с1/а1 можно найти по следующим формулам:
при Ф < 1
2Ф С 1 , 1 + Л^Ф 1
-—2--Г- —In----т— - ;
1-ф V1 -Ф I + a/14-Ф
4.
3’
при Ф = 1 (сферическое включение) % = -
4Ф (	1	I--
при Ф > 1 % = —— 1 —y===arctgVO-l 1 - ФI	VI - Ф
Максимальная напряженность поля Етах в диэлектрике вне включения будет в точке А и ее можно получить из соотношения е2^вк = = ElAnax [ см. (8.56)]:
F =
^шах
_____4£2_____£
(4 + х)Е1-ХЕ2 ср’
(8.57)
При очень вытянутом (иглообразном) включении Ф -> 0 и % 0. При этом из формулы (8.56) следует, что Евк ~ Еср, а из формулы (8.57) — что Emia ~ E^/Ei).
При чечевицеобразном включении Ф —> »=, а %	-4 и соответ-
ственно (е2/е1)Еср ~ Еср, а Е^ = Еср.
При постоянном напряжении в уравнения (8.56), (8.57) следует вместо диэлектрических проницаемостей подставлять проводимости изоляции.
198
Очевидно, что наибольшая напряженность поля будет в чечевицеобразных воздушных включениях, а в изоляционной среде — в иглообразных включениях с большими диэлектрической проницаемостью и проводимостью (влага, полупроводящие или металлические нити). В последнем случае напряженность поля Етах в точке А (см. рис. 8.7) может во много раз превышать Еср, и эта точка будет слабым местом, в котором с наибольшей вероятностью начнется развитие пробоя в изоляции.
Контрольные вопросы
1.	Каково назначение и в чем состоит сущность принципа градирования электрической изоляции высоковольтных кабелей?
2.	Почему градирование электрической изоляции наиболее эффективно для кабелей на напряжения 220 кВ и выше?
3.	Почему в силовых кабелях на напряжения выше 10 кВ не используют секторные жилы?
4.	Что такое эффект «проволочности» и как его уменьшить?
5.	Почему в силовых кабелях опасно возникновение газовых включений?
6.	Как влияет форма инородных включений на напряженность электрического поля в изоляции силовых высоковольтных кабелей?
Глава 9
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ КАБЕЛЬНОЙ ИЗОЛЯЦИИ
9.1.	Пробои изоляции
Пробивное напряжение является сложной функцией физических свойств материала, размеров образца, условий окружающей среды и характера приложенного напряжения.
Различают два основных вида пробоя однородных диэлектриков: электрический и тепловой. Кроме того, существует еще ионизационный пробой, который является следствием ионизации газовых включений, содержащихся в твердом изолирующем материале.
Существенное влияние на механизм пробоя в слоистой изоляции оказывает развитие скользящих разрядов вдоль лент. Электрическая прочность применяемых на практике диэлектриков существенно зависит от неоднородности поля, а также от характера и интенсивности таких процессов в них, как ионизация газовых включений и химические изменения материала изоляции. Наличие слабых мест приводит к тому, что отдельные образцы одного и того же материала пробиваются при различном напряжении, т. е. к появлению разброса значений электрической прочности, который зависит от степени однородности диэлектрика.
Обычно пробивное напряжение оценивается средним значением многочисленных результатов испытаний отдельных образцов. Для кабельной изоляции вследствие большой протяженности кабеля необходимо определить главным образом минимальное значение пробивного напряжения, возможного при данной технологии производства.
В связи с целым рядом факторов, определяющих пробивное напряжение изоляции, выбор рабочей(напряженности электрического поля является сложной и ответственной частью расчета кабеля. Методы оценки пробивного напряжения и экспериментальные значения электрической прочности кабельной изоляции, а также методика выбора и расчета рабочей напряженности изоляции кабелей будут рассмотрены далее. При этом необходимо рассмотреть влияние тонких пленок газов и масел на пробой кабельной изоляции, разряды в воздушных включениях, зависимость электрической прочности от вида приложенного напряжения и длительности его действия.
200
9.2.	Влияние тонких пленок газов и масла на пробой кабельной изоляции
В подразд. 8.6 было показано, что напряженность поля в газовых (а при переменном напряжении — и в масляных) включениях будет выше, чем в однородной изоляции. Это приводит к уменьшению электрической прочности изоляции, так как эти включения в электрическом отношении представляют собой ее наиболее слабые места.
Как известно, электрическая прочность газа зависит от его природы и (согласно закону Пашена) является функцией произведения плотности (давления) и толщины слоя газа: Upp = f(p&).
Под электрической прочностью газовой пленки понимается напряженность электрического поля Ен, при которой начинаются разряды в газе.
Зависимость Unp = f(p&) имеет вид кривой с резко выраженным минимумом. Минимальное значение Unp для воздуха соответствует рД = 750 Па • мм и равно 327 В. Для меньших значений рД пробивное напряжение возрастает, потому что плотность воздуха (или толщина слоя Д) значительно уменьшается и ионизирующее столкновение в газовом промежутке Д становится все менее вероятным. Для рД > 750 Па • мм пробивное напряжение возрастает примерно по линейному закону, который нарушается лишь при абсолютном давлении более 2 МПа.
Закон Пашена в полном виде установлен для газовых промежутков между металлическими электродами. В изоляции кабелей газовые
включения располагаются или внутри изоляционного слоя, или между изоляционным слоем и металлической поверхностью жилы либо оболочки. В этом случае возможны отклонения от закона Пашена, особенно в области малых значений pD, так как возможно развитие разрядов по поверхности газовых включений.
Для воздушных прослоек, расположенных между стеклянными пластинами, С. М. Брагиным была получена зависимость Unp от рД при переменном напряжении, которую можно рекомендовать для приближенных расчетов в кабельной изоляции (рис. 9.1).
В табл. 9.1 приведены значения напряженности электрического поля, соответствующие однородному диэлектрику [для расчета по формуле
Рис. 9.1. Зависимость пробивного напряжения пленки газа от произведения рД
201
Таблица 9.1
Напряженность Е электрического поля в начале ионизации, МВ/м
Толщина воздушного зазора, мм	Е при р = 0,1 МПа		Е при рД = 0,001 МПа - мм	
	п= 1	л = 2	и= 1	п = 2
0,12	3,9	3,2	1,7	1,4
0,06	5,4	4,4	3,5	2,8
Примечание. Здесь п — отношение толщины слоев бумаги и воздуха Дб/Дв.
(8.24)],	при которых начинается ионизация в воздушных промежутках кабелей с вязкой пропиткой бумаги (е6 = 3,5), если считать, что зазоры заполнены воздухом [см. (8.29)] и толщина их равна толщине бумажной ленты. Из таблицы видно, насколько опасно появление в изоляции воздушных включений с пониженным давлением.
Электрическая прочность газовой пленки зависит также от природы самого газа. Для повышения электрической прочности газонаполненных кабелей применяют элегаз (SF6) и фреон (CC12F2). Электрическая прочность этих газов примерно в 2,2—2,5 раза выше электрической прочности воздуха.
Известно, что зависимость напряженности поля, соответствующей началу разрядов в масле, МВ/м, от толщины масляных пленок следует приближенным закономерностям вида
<91) л/Д
или
Еы = 31,1-Д~0>2085 ,
где Д — толщина масляной пленки, мм; а — коэффициент, зависящий от чистоты и природы масла и давления.
Зависимость (9.1) справедлива для пленки масла в зазоре, прилегающем к жиле. Электрическая прочность пленки толщиной 0,12 мм при кратковременном приложении напряжения промышленной частоты может быть принята равной примерно 60 МВ/м.
9.3.	Разряды в воздушных включениях при постоянном и переменном напряжении
При постоянном напряжении и высокой начальной напряженности поля Ек в газовом включении возникает ионизация, в результате которой на некоторое время (примерно на 10-7 с) газ становится проводником. При этом на поверхности включения образуется свободный поверхностный заряд. Плотность заряда рас-
202
Рис. 9.2. Напряженность элект-; рического поля при разрядах в воздушных включениях
пределяется таким образом, что напряженность поля этого заряда частично компенсирует внешнее приложенное поле и результирующее поле в газовом включении будет значительно уменьшается. Это приводит (при некоторой напряженности поля погасания Еп) к прекращению ионизации, и воздушное включение снова становится непроводником (рис. 9.2). Период существования ионизации на рисунке обозначен Д/ь
В дальнейшем свободные заряды стекают через диэлектрик, и напряженность поля во включении нара
стает по экспоненциальному закону с постоянной времени релаксации т = ееорг. Если бы не происходило ионизации, то напряженность поля достигла бы некоторого значения Ев, определяемого по (8.51) или (8.56), но при Е = Еи ионизация возникает снова и цикл повторяется. Время цикла определяется в основном периодом между погасанием и зажиганием Д/2, который зависит от постоянной времени релаксации т. Значение т для высококачественных диэлектриков находится обычно в пределах от нескольких секунд до десятков секунд (в полиэтилене — нескольких часов).
При переменном напряжении после ионизации в газовом включении также возникают поверхностные заряды, поле которых в один полупериод направлено против внешнего поля. Но в следующий полупериод внешнее поле изменяет направление, и поле зарядов уже не ослабляет его, а усиливает, что приводит к новой вспышке ионизации. В зависимости от внешнего напряжения частота этих вспышек может быть в два или более раз выше частоты напряжения, т. е. возможно возникновение интенсивной ионизации.
Таким образом, влияние ионизации на процесс старения изоляции при переменном напряжении будет значительно больше, чем при постоянном напряжении.
Наличие интенсивной ионизации при переменном напряжении является одним из основных факторов, ограничивающих рабочую напряженность поля в изоляции.
9.4.	Зависимость электрической прочности изоляции от вида приложенного напряжения и длительности его действия
При расчете изоляции кабеля необходимо учитывать, что кабельные линии во время эксплуатации помимо длительно прило
203
женного рабочего напряжения подвергаются воздействию внутренних и атмосферных перенапряжений, значение и длительность которых определяются параметрами сети и установленной защитной аппаратурой. Необходимо учитывать также неоднородность изоляции по длине кабеля вследствие различного взаимного расположения зазоров между бумажными лентами, наличия в них дефектов в виде морщин и вмятин, а также совпадений зазоров между лентами.
В связи с этим для выбора изоляции целесообразно установить два расчетных напряжения: промышленной частоты и импульсное. Конструирование изоляции должно производиться с учетом обоих напряжений.
Линейное напряжение сети, для которой предназначен проектируемый кабель, в основном определяет тип этого кабеля и вид изоляции. Надежность работы изоляции гарантируется совокупностью испытательных напряжений, которые кабель должен выдержать.
В настоящее время при выборе расчетных значений напряжений ориентируются на испытательные значения. Требования к кабельной изоляции должны быть установлены с учетом требований к изоляции электрооборудования, разработанных Международной электротехнической комиссией (МЭК).
В условиях эксплуатации кабельная линия, как и другое сетевое электрооборудование, может подвергаться следующим воздействиям: напряжению промышленной частоты, не превышающему максимальное рабочее напряжение;
грозовым перенапряжениям;
коммутационным перенапряжениям, вызванным коммутацией, повреждением или другой причиной.
Согласно рекомендациям МЭК для оценки стойкости изоляции к перенапряжениям электрооборудование можно подвергать следующим видам электрических испытаний: напряжением промышленной частоты в течение 24 ч; грозовым импульсом; коммутационным импульсом.
Однако, как правило, в диапазоне напряжений до 300 кВ стойкость изоляции электрооборудования по отношению к рабочему напряжению и коммутационным перенапряжениям проверяется кратковременным испытанием напряжением промышленной частоты, а стойкость к грозовым перенапряжениям — испытаниям полным грозовым импульсом. Для электрооборудования, рассчитанного на напряжение 300 кВ и выше, помимо испытаний грозовым импульсом вводится испытание коммутационным импульсом.
Требования МЭК к уровням испытательных напряжений различных классов приведены в табл. 9.2.
Испытательные напряжения, гарантирующие необходимый уровень изоляции кабеля, могут быть в каждом конкретном случае скор-
204
Таблица 9.2
Испытательные напряжения для изоляции кабелей, рассчитанных на напряжения 110 ...750 кВ
Номинальное напряжение системы, кВ	Переменное напряжение длительностью 24 ч, кВ	Максимальное значение грозового импульса, кВ	Максимальное значение коммутационного импульса, кВ
НО	159	±540	—
220	275	±995	—
330	400	±1335	—
380	460	±1537	850
500	607	±1734	1175
750	850	±2500	1550
ректированы в зависимости от способа заземления и места расположения кабельной линии (наличия или отсутствия непосредственной связи кабеля с воздушными линиями электропередачи и т.д.).
Однако для кабельных линий на напряжения 110 и 220 кВ распределительных городских сетей значения импульсных грозовых воздействий намного меньше приведенных в табл. 9.2, поэтому соответственно требования к уровню изоляции этих кабелей должны быть снижены.
Значения испытательных напряжений, приведенные в табл. 9.2, при соответствующей корреляции могут быть использованы для определения расчетных напряжений. При этом следует учитывать, что коммутационные перенапряжения, возникающие на кабельных линиях, не являются опасными для изоляции кабелей, так как их амплитуда быстро уменьшается по длине линии. Эти перенапряжения следует принимать во внимание при выборе изоляции концевых устройств (муфт, вводов в трансформатор и т. п.).
Значения переменного испытательного напряжения длительностью 24 ч выбираются для проверки способности изоляции работать в течение требуемого срока эксплуатации. Наиболее правильно эти значения могут быть выбраны после анализа «кривой жизни» кабельной изоляции. В настоящее время отсутствуют надежные экспериментальные данные, позволяющие уточнить эти значения именно для кабельной изоляции, поэтому испытательное переменное напряжение также не может иметь решающего значения для выбора толщины и структуры изоляции кабелей.
Для рабочего варианта конструкции изоляции маслонаполненного кабеля можно использовать испытательные импульсные напряжения.
Расчетное импульсное напряжение выбирается на 20 % больше значений грозового импульса, приведенных в табл. 9.2.
205
Расчетная импульсная напряженность принимается равной электрической прочности изоляции при многократном воздействии импульсов с отрицательной полярностью на жиле. Такой выбор значений расчетных напряженностей обеспечивает соответствующий запас электрической прочности кабеля.
Известно, что электрическая прочность пропитанной бумажной изоляции зависит от толщины бумажных лент; кроме того, при напряжении промышленной частоты наблюдается также зависимость электрической прочности от давления масла. В расчетах рекомендуется использовать ориентировочные значения электрической прочности бумажной изоляции в маслонаполненных кабелях, приведенные в табл. 9.3.
Электрическая прочность при импульсном воздействии не зависит от давления масла и близка к электрической прочности кабельной изоляции при постоянном напряжении.
При расчете толщины изоляции высоковольтных кабелей градирование по диэлектрической проницаемости обычно производится в два слоя. В каждом таком слое напряженность поля убывает с увеличением радиуса изоляции, поэтому толщина бумажных лент постепенно, ступенями, увеличивается таким образом, чтобы запас прочности по всей толщине изоляции оставался примерно одинаковым. Такая конструкция позволяет уменьшить число бумажных лент в изоляции, что облегчает ее наложение и позволяет повысить качество намотки.
Толщина изоляции рассчитывается с использованием формулы (8.29) по двум расчетным напряжениям: промышленной частоты Ui и импульсному U2. При этом выбирается большая толщина изоляции (например, по U2) и по формуле (8.28) производится расчет радиусов, при которых следует изменять диэлектрическую проницаемость и толщину бумажных лент.
Таблица 9.3
Электрическая прочность и относительная диэлектрическая проницаемость бумажной изоляции в маслонаполненных кабелях
Параметр	Толщина бумажных лент, мм						
	0,015	0,025	0,045	0,08	0,12	0,17	0,24
Электрическая прочность, МВ/м при импульсном воздействии при напряжении промышленной частоты и давлений масла 1,5 МПа	137 58,5	120 56,0	111 52,5	99 49,0	91 46,5	86 46,0	84 45,5
Относительная диэлектрическая проницаемость	4,3	4,3	4,3	3,7	3,3	3,3	3,3
206
Проверочные расчеты для выбранной структуры изоляции заключаются в определении максимальной рабочей напряженности, т. е. напряженности в слоях изоляции, прилегающих к жиле, при фазном напряжении. Эта проверка необходима потому, что расчет изоляции маслонаполненных кабелей на основании максимально возможных при эксплуатации напряженностей электрического поля не учитывает старения изоляции под действием теплового и электрического полей.
В процессе эксплуатации изоляция испытывает воздействие рабочих напряженностей поля, и именно под воздействием этих напряженностей и происходит ее старение. Следовательно, для обеспечения необходимого срока службы кабеля очень важно правильно выбрать значение рабочей напряженности, т.е. напряженности, возникающей в изоляции под действием номинального напряжения. К сожалению, опыт эксплуатации кабелей и данные экспериментов не могут пока установить однозначной связи между значением рабочей напряженности и сроком службы кабеля, поэтому для оценки надежности конструкции следует сравнивать полученные значения с напряженностью в известных конструкциях кабелей. Для определения максимальных рабочих напряженностей следует воспользоваться формулой (8.25), приняв в ней г=гои U= иф.
Полученные рабочие напряженности не должны слишком отличаться от рабочих напряженностей в кабелях ранее разработанных конструкций и зарекомендовавших себя безаварийной эксплуатацией. Например, кабели низкого давления на напряжения 110 и 220 кВ, находящиеся в эксплуатации, имеют максимальную рабочую напряженность соответственно 8,0 и 9,5 МВ/м, а кабели высокого давления — 8,0 и 9,8 МВ/м.
Серийно выпускаемые в настоящее время кабели низкого давления имеют максимальную рабочую напряженность 10 МВ/м, а кабели высокого давления — 15 МВ/м. Для опытно-промышленных партий соответственно рекомендуются значения рабочих напряженностей 12 и 18 МВ/м.
При выборе конструкции кабельной изоляции обычно рассматривают несколько вариантов. Окончательный выбор определяется с учетом как технических, так и экономических соображений (стоимости кабеля, потерь энергии в изоляции и др.).
При выборе структуры изоляции необходимо также делать проверочные расчеты напряженности поля в масляных пленках, которые можно проводить по упрощенной формуле:
~ £р(л + 1)
1 + ЛЕгм/Егб’
(9.2)
где Етах — максимальная напряженность в масляной пленке; Ер — рабочая напряженность в изоляции у жилы; п — число бумажных
207
лент, приходящихся на один масляный зазор (п = 2 при перекрытии 33 % и п = 1 при перекрытии 50 %); егм и егб — диэлектрические проницаемости соответственно масла и пропитанной бумаги.
В качестве проверки следует также рассчитать максимальную напряженность поля в изоляции кабеля, возникающую при испытаниях импульсами.
Рабочая напряженность поля в изоляции кабелей с вязкой пропиткой выбирается, исходя из электрической прочности при длительном приложении напряжения Е„ = 12 МВ/м.
Учитывая, что общий коэффициент запаса выбирается в пределах 3,6... 4,0, рабочая напряженность поля в кабелях типа ОСБ на 20 кВ берется в пределах 2,6... 2,8 МВ/м, в кабелях типа ОСБ на 35 кВ — 3,2...3,3 МВ/м.
Импульсная электрическая прочность изоляции кабеля с вязкой пропиткой значительно превышает £м, поэтому такие кабели имеют большой запас по импульсной прочности и соответствующие расчеты для них можно не производить.
Для кабелей с нерадиальным полем и секторными жилами на напряжения 6 и 10 кВ рабочую напряженность поля выбирают несколько меньшей, чем для кабелей с радиальным полем. При этом необходимо проверить максимальную напряженность поля около ребер секторной жилы по формулам (8.39)...(8.41).
В кабелях с пластмассовой изоляцией максимальное пробивное напряжение (около жилы) заметно зависит от радиуса жилы: с увеличением радиуса жилы оно уменьшается (что особенно заметно при небольших радиусах). В то же время среднее пробивное напряжение слабо зависит от радиуса жилы (при ступенчатом подъеме постоянного и переменного напряжения) и примерно соответствует электрической прочности изоляции в однородном поле (на пластинах).
Поэтому в отличие от кабелей с бумажной пропитанной изоляцией электрический расчет кабелей с полиэтиленовой изоляцией производится не по максимальной, а по средней напряженности поля. Толщину изоляции вычисляют по формуле Диз = £ф/£ср. Для стабилизированного полиэтилена, применяемого для изготовления силовых кабелей на напряжения переменного тока до 35 кВ, значение £ср принимают равным 2,5 МВ/м. В кабелях на напряжения 1... 6 кВ напряженность £ср значительно меньше, так как здесь толщина изоляции зависит еще и от запаса механической прочности.
Изоляцию кабелей на повышенные напряжения обычно экранируют как со стороны жилы, так и со стороны оболочки для выравнивания поля и уменьшения влияния металлов на ее старение. От степени надежности экранирования и плотности прилегания экранов к изоляции (исключения воздушного зазора между экраном и изоляцией) зависит напряжение начала ионизации в кабеле и в конечном счете допустимая рабочая напряженность поля в изоляции.
208
Наиболее эффективны экраны, изготовленные из материала, аналогичного изоляции по физико-механическим характеристикам. В этом случае температурные коэффициенты линейного расширения у изоляции и экрана будут одинаковыми и при изменениях температуры экран всегда будет плотно прилегать к изоляции, исключая появление газовых включений.
В кабелях с бумажной пропитанной изоляцией наиболее эффективны экраны, в которых последняя, прилегающая к изоляции лента в экране из полупроводящих бумаг берется той же толщины, что и первая изоляционная лента, и которая состоит из двух слоев: полупроводящего (примыкающего к экрану) и изоляционного (прилегающего к изоляции).
В кабелях с пластмассовой изоляцией жила сначала опрессовывается тонким слоем полупроводящего полиэтилена, а затем накладывается основная изоляция, которая сверху экранируется коллоидальным графитом или полупроводящим полиэтиленом.
9.5.	Электрическая прочность изоляции при старении в процессе эксплуатации кабелей
Отказ (выход из строя) кабеля происходит вследствие накопления признаков старения в процессе эксплуатации или ускоренных испытаний. Многочисленные эксперименты показали, что время наработки (до пробоя изоляции) для заданных температуры Т, напряженности электрического поля Е и степени старения может быть представлено функцией
/р = АЕ~п exp——, Р	Г- nrji >
(9.3)
где Лип — постоянные коэффициенты для данной изоляции; W— энергия активации процесса старения, Дж/моль; R=8,31 Дж/(моль • К).
Зависимость tp от Е представлена на рис. 9.3. На участке 1 коэффициент п велик вследствие малого времени воздействия напряжения (импульсов), а на участке 2 при меньшей напряженности поля значение п существенно уменьшается. На этом участке возникают частичные разряды. На участке 3, где интенсивность ЧР слабая, коэффициент п снова возрастает. Поданным многочисленных публикаций, электрического старения на
Рис. 9.3. Логарифмическая зависимость /р от Е :
— участки характеристики
209
участке 3 почти не происходит, если интенсивность ЧР в изоляции не превышает некоторого безопасного уровня.
В кабелях с изоляцией, пропитанной вязким электроизоляционным составом, возможно образование газовых включений, в которых возникают частичные разряды. Исследования при циклическом режиме нагревания и охлаждения были проведены для кабелей на напряжение 35 кВ марок ААШв 1x120 и АСШв 1x150 с изоляцией, пропитанной составом МП-2, и марки ЦАСШв с пропиткой нестекающим составом МП-5. Образцы кабелей длиной 30 м с герметизированными концевыми заделками подвергали циклическому нагреванию и охлаждению до температуры окружающей среды. Внутри жилы и под оболочкой были смонтированы медные трубки, соединенные с манометрами. Зависимости тока, текущего по жиле (тока нагрузки), температуры жилы и давления пропитывающего состава изоляции от времени в течение цикла нагревание-охлаждение приведены на рис. 9.4. Из рисунка видно, что в период охлаждения давление в кабеле становится ниже атмосферного, что приводит к образованию газовых включений с пониженным давлением. В соответствии с законом Пашена это способствует возникновению частичных разрядов.
Измерения зависимости tg 5 от напряжения показали, что в период нагревания приращение его с повышением напряжения отсутствует, а это свидетельствует об отсутствии частичных разрядов. В период охлаждения происходит увеличение tg5, что характерно для напряжения нормальной эксплуатации кабелей или меньшего. Это особенно важно при перенапряжениях, возникающих в кабелях в режимах с одноместным замыканием на землю в сетях с изолированной нейтралью (при линейном напряжении вместо фазного между жилой и оболочкой).
В период нагревания изоляция подвергается медленному старению по механизму термической деструкции. В период охлаждения происходит ее старение под действием ионизации в газовых включениях, а термическое старение замедляется в связи с понижением температуры. Для выражения такого комплексного старения предложена эмпирическая зависимость, подтвержденная экспериментально:
In Unp = In L'np0 - In t,	(9.4)
где U„p — пробивное напряжение.
Зависимость (9.4) получена при испытании образцов кабеля марки ААШв 3x95 на напряжение 10 кВ длиной 45 м. Образцы размещали таким образом, чтобы вертикально расположенный участок имел длину 15 м. К образцам непрерывно было приложено напряжение 17,3 кВ. Продолжительности нагревания и охлаждения в цикле составляли по 4 ч, общее время цикла — 8 ч. Через
210
Рис. 9.4. Зависимости тока нагрузки /н, температуры токопроводящей жилы Тж и давления пропитывающего состава изоляции р от времени в течение цикла нагревание—охлаждение в кабелях марок ААШв и АСШв:
Рм,г0 ~ Давление масла у жилы; риг — давление масла у оболочки
заданные интервалы времени отбирали образцы от кабельных линий (пять образцов длиной по 7 м) и определяли пробивное напряжение при его ступенчатом подъеме до пробоя. По результатам испытаний рассчитывали эквивалентное пробивное напряжение по формуле (9.4) при коэффициенте п-1.
На рис. 9.5 приведены зависимости пробивного напряжения образцов от времени старения при различных температурах, соответствующие формуле (9.4). Из рис. 9.5 можно получить зависимость
( W} и = иоехр .
I 1X1 I
(9.5)
211
Рис. 9.5. Логарифмическая зависимость пробивного напряжения изоляции от времени старения при различной температуре
В узком диапазоне температур
п = пх exp [-Р (7тах - То )],	(9.6)
где In п = 4,29 - 0,О267'тах; Tmia — максимальная температура в цикле, °C.
Если цикл испытаний составляет 8 ч, то для подтверждения 30 лет срока службы кабеля на 10 кВ при длительно допустимой температуре нагревания жилы 70 °C необходимо, чтобы он выдержал без пробоя испытания в течение 400 циклов при напряжении 17,3 кВ и максимальной температуре в цикле 90 °C. Этот норматив применяется при испытаниях кабелей, если произошли изменения в составе изоляции.
В маслонаполненных кабелях повышенное давление в пропитывающем бумажную изоляцию масле предотвращает образование газовых включений и возникновение в них частичных разрядов. При термическом старении изоляции происходит возрастание tg 5 и постепенное повышение температуры изоляции, которое приводит в конечном счете к тепловому пробою. Подробнее этот процесс будет рассмотрен в подразд. 12.12.
В процессе старения пропитанной бумажной изоляции происходит выделение газообразных продуктов термической деструкции: водорода, метана, СО2, СО и др. Содержание газов в пропитывающем составе определяют по пробам масла, взятым из кабельной линии с применением метода газовой хроматографии. Если содержание газов превысит предел их растворимости в пропитывающем составе при нижнем пределе давления в кабельной линии, могут образовываться газовые включения и возникать частичные разряды, которые приведут к ускоренному старению и пробою изоляции.
212
При расчете полиэтиленовой изоляции кабелей высокого напряжения используют средние значения допустимой напряженности электрического поля в изоляции, а также проводят расчет по электрической прочности при воздействии импульсных перенапряжений (аналогично маслонаполненным кабелям). Толщину изоляции определяют по формуле
Диз=^р,
где U — расчетное напряжение; Ер — расчетное значение средней напряженности поля.
В качестве изоляции применяют полиэтилен низкой плотности, сшитый с применением перекиси дикумила. Процесс сшивания и охлаждения изоляции проводят при повышенном давлении (1... 2 МПа), что предотвращает образование газовых включений и частичных разрядов в изоляции.
В формуле (9.3) п > 12 при отсутствии влаги (имеется металлическая оболочка) и п ~ 10 при возможности воздействия влаги в процессе эксплуатации.
Многочисленные экспериментальные данные по старению полиэтиленовой изоляции показали, что в ней образуются дефекты, получившие название триинги. Различают электрические и водные триинги. После эксплуатации в течение нескольких лет кабелей на напряжения 6... 10 кВ при контакте с влагой триинги увеличиваются по длине и, достигая нескольких десятых долей миллиметра, приводят к пробою изоляции.
Триинги возникают и развиваются в местах локальной концентрации электрического поля, т. е. посторонних примесей и дефектов технологического происхождения — выступов полупроводящих экранов, продуктов термической и механической деструкции, образующихся в процессе нанесения изоляции. Борьба с возникновением триингов заключается в тщательной очистке исходного полиэтилена и исключении контакта изоляции с влагой при эксплуатации. Возможно применение специальных стабилизаторов.
Пример 9.1. Определить толщину изоляции маслонаполненного кабеля низкого давления на напряжение 380 кВ с сечением жилы 1250 мм2, если жила кабеля имеет маслопроводящий канал диаметром 20 мм.
1.	Определим радиус жилы, которую целесообразно изготовить из шести сегментов, изолированных полупроводящей бумагой. Коэффициент заполнения такой жилы примем равным 0,84. Тогда
r,--R у п
FM л-202 1250	2
— = —-— + —— = 1802 мм2, ц 4	0,84
где FK — площадь сечения канала; FM — площадь сечения медной жилы.
213
'	I1OUZ
Следовательно, r0 = J-----= 24 мм.
V it
2.	Выберем значения расчетных напряжений и напряженностей. Значение расчетного импульсного напряжения определяется с помощью табл. 9.2:
Ц,.имп = 1,2  1537 = 1844 кВ.
Градированная изоляция кабеля выполняется в два слоя. У жилы накладывается бумага типа КВМУ с еГ1 = 3,7, а второй слой выполняется из бумаги типа КВМ с еГ2 = 3,3. Соответственно толщина бумажных лент у жилы и в начале второго слоя градирования равна 0,08 и 0,12 мм.
Тогда расчетные напряженности для первого и второго слоев изоляции найдем по табл. 9.3:
£1Р.имп = 99 МВ/м; £^р.имп = 91 МВ/м.
3.	Для определения радиусов по изоляции воспользуемся выражением (8.29) с учетом того, что
99	3 7
/ = 11 = !,°9; ^ = || = 1,14,
т.е. R = 24 • 1,14 • 1,09 ехр
1 Г 1844
1,14(24-99
-In (1,14-1,09)
= 48,69 мм.
Выбираем радиус 48,7 мм, тогда толщина изоляции составит
48,7 - 24 = 24,7 мм.
Контрольные вопросы
1.	Почему влияние ионизации на процесс старения изоляции при переменном напряжении будет значительно больше, чем при постоянном?
2.	С учетом каких воздействий в процессе эксплуатации конструируются кабельные линии?
3.	Каково назначение и в чем состоит сущность принципа действия электрических экранов в кабельной изоляции?
4.	Какие проверочные расчеты выполняются после того, как сконструирована изоляция маслонаполненных кабелей?
5.	Для чего масло в электрической изоляции маслонаполненных кабелей находится под избыточным давлением?
6.	Каков процесс образования триингов в полиэтиленовой изоляции высоковольтных кабелей?
Глава 10
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ В КАБЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЯХ
10.1. Магнитные поля в концентрических, двухпроводных симметричных и многопроводных кабельных цепях
По токопроводящим жилам кабельных изделий протекают токи, которые обусловливают наличие магнитных полей, в свою очередь являющихся причиной целого ряда электрофизических процессов, оказывающих существенное влияние на работу этих изделий. К ним относятся такие явления, как поверхностный эффект и эффект близости, увеличивающие сопротивление жил; потери в металлических элементах конструкций кабелей (металлических оболочках, экранах, броне и др.), приводящие к потерям передаваемой по кабелям энергии; электродинамические силы, приводящие к механическим воздействиям на кабели. Кроме того, магнитные поля влияют на такие параметры кабельных цепей, как индуктивность и взаимоиндуктивность и обусловливают воздействия на соседние цепи, по которым передаются информационные сигналы.
Вид и интенсивность магнитного поля существенно зависят от
значения и частоты тока в проводящих жилах, геометрического расположения проводников кабельной цепи и магнитных свойств пространства, в котором действует это поле.
На рис. 10.1 приведены приближенные картины магнитных полей и графики распределения напряженностей магнитных полей для одиночного проводника, двухпроводной симметричной цепи и одиночного трубчатого проводника.
Направления линий (и векторов) напряженности магнитного поля определяются по правилу буравчика.
Внутри проводника с током I напряженность магнитного поля линейно увеличивается от центра к его поверхности, а снаружи проводника уменьша-
a б	в
Рис. 10.1. Виды и графики распределения напряженности магнитного поля Яф для одиночного проводника с током (а), двухпроводной симметричной цепи (б) и трубчатого проводника (в)
215
Рис. 10.2. Распределение напряженностей магнитного поля от
тока во внутреннем Н*(г), внешнем Н*(г) проводниках и результирующее йф(г) в коаксиальной цепи:
ется с увеличением расстояния г от центра проводника в соответствии с выражением
ЯФ=тД (10.1) v 2пг
Отметим, что снаружи трубчатого проводника убывает по тому же закону, только здесь г — расстояние от оси трубки.
Из рис. 10.1 видно, что магнитное поле для представленных случаев простирается на значительное расстояние от проводников.
В то же время в отличие от симметричной цепи поперечное ЭМ поле коаксиальной цепи (рис. 10.2)
целиком концентрируется в пространстве, ограниченном ее внутренним и внешним проводниками.
Распределение напряженностей
1, 2 — проводники	магнитных полей в зависимости от
токов, протекающих в данный момент времени по внутреннему (Др1) и внешнему (Яф) проводникам, и результирующее магнитное поле (Яф) показаны на рис. 10.2. Особенностью распределения магнитного поля в коаксиальной
цепи является то, что снаружи проводников — сплошного цилиндра 1 и полого цилиндра 2 — напряженность магнитных полей изменяется по одинаковому закону [см. формулу (10.1)].
Внутри обоих проводников магнитное поле увеличивается с увеличением расстояния от центра, а внутри полого проводника магнитное поле от тока, текущего по этому проводнику, отсутствует. В любой точке А, отстоящей от центра цепи на расстояние г, результирующее магнитное поле определяется суммой напряженностей и Яф. Так как токи в проводниках 7 и 2 в любой момент времени равны по значению и противоположны по направлению (знаку), то эти напряженности в точке А будут также равны по значению в соответствии с формулой (10.1) и противоположны
по знаку:
-яф + яф-2лг + 2лг-0-
(10.2)
Таким образом, в пространстве, окружающем внешний проводник, результирующее магнитное поле равно нулю (см. рис. 10.2).
Переменное магнитное поле, пересекая проводники, наводит в них вихревые токи, которые представляют собой замкнутые кру-
216
Рис. 10.3. Схемы, объясняющие возникновение поверхностного эффекта (а), эффекта близости (б) и потерь в металлических оболочках (в) симметричной цепи в результате взаимодействия вихревых токов с основным током:
1, 2 — проводники
говне линии тока, охватывающие линии напряженности магнитного поля.
Направление этих токов определяется обратным правилом буравчика (рис. 10.3). Взаимодействие вихревых токов с основным током в проводниках цепи приводит к перераспределению плотности тока в них. В итоге ток течет не по всему сечению проводника и, следовательно, сопротивление его увеличивается.
При поверхностном эффекте вихревые токи от переменного магнитного поля проводника с током /взаимодействуют с током этого же проводника (см. рис. 10.3, а). В результате плотность тока увеличивается по мере удаления от центра проводника к его поверхности. Внутренние слои проводника при этом как бы не используются.
Эффект близости наблюдается при взаимодействии вихревых токов, наведенных магнитным полем проводника 7 в соседнем проводнике 2, с основным током этого проводника (см. рис. 10.3, б). В результате такого взаимодействия происходит перераспределение плотности тока во втором проводнике. При этом плотность увеличивается на обращенных друг к другу сторонах проводников симметричной цепи, если токи в этих проводниках текут в противоположных направлениях, и на удаленных друг от друга поверхностях проводников при одинаковом направлении токов. В обоих
217
случаях сопротивление проводников увеличивается, а эффект близости заметнее у близко расположенных проводников.
Следует заметить, что приведенное объяснение механизма возникновения рассмотренных эффектов не совсем строгое. Правильнее рассматривать распространение ЭМ поля в проводниках цепи 4 и распределение его по сечению с решением уравнений электродинамики [например, (1.12), (1.13)], но для простоты ограничимся приведенными качественными объяснениями.
Поверхностный эффект и эффект близости особенно сильно проявляются при высоких частотах тока, больших диаметрах проводников и при наличии ферромагнитных материалов.
Количественно поверхностный эффект и эффект близости характеризуют произведением
кг = J(£>na<5 г,	(10.3)
где к=у](х)\1ао — коэффициент вихревых токов; со — угловая частота; цо — абсолютная магнитная проницаемость; о — удельная проводимость; г — радиус проводника.
Чем больше величина кг, тем сильнее проявляются указанные эффекты.
Переменное магнитное поле, возникающее вокруг проводников с током, приводит также к появлению потерь в металлических оболочках кабеля (см. рис. 10.3, в) в результате образования в них вихревых токов.
Кроме того, в кабелях со стальной броней имеют место потери на перемагничивание и (в ряде случаев) потери от продольных токов в заземленных металлических оболочках кабелей соседних фаз трехфазных линий.
На рис. 10.4 изображены два одножильных кабеля, один из которых имеет поверх токопроводящей жилы 7, изоляции 2 и влагозащитной оболочки 3 ленточную стальную броню 4, а второй — броню 4 в виде повива круглых стальных оцинкованных проволок.
В кабеле, показанном на рис. 10.4, а, при наличии непрерывного цилиндрического слоя из ферромагнитного материала будут происходить потери на перемагничивание вследствие вихревых токов, приблизительно пропорциональные произведению f2B2 (где f — частота тока; В — магнитная индукция) и потери на перемагничивание вследствие гистерезиса, пропорциональные произведению fB2. И потери эти будут весьма значительны, так как магнитная проницаемость стали ц, а следовательно, и индукция В = цоцЯ также велики.
Кабель, изображенный на рис. 10.4, б, представляет собой одну фазу высоковольтного маслонаполненного кабеля. Для уменьшения потерь в таких кабелях поверх влагозащитной свинцовой оболочки накладывают не ленточную стальную броню, а броню в виде повива из круглых стальных проволок. Такая конструкция за счет повышения магнитного сопротивления в местах переходов от од-
218
Рис. 10.4. Схемы, объясняющие возникновение потерь в металлических оболочках и броне одножильных кабелей из-за вихревых токов и гистерезиса:
а — кабель с ленточной стальной броней; б — кабель с броней из круглых стальных оцинкованных проволок; 1 — токопроводящая жила; 2 — изоляция; 3 — влагозащитная оболочка; 4 — броня стальная; 5 — проволоки медные
ной проволоки к другой (так как касаются проволоки практически в одной точке в сечении, например А, Б, ...) приводит к уменьшению потока и соответственно потерь. Кроме того, обычно в такой броне часть стальных оцинкованных проволок заменяют медными проволоками 5, расположенными равномерно по окружности кабеля, что также существенно увеличивает ее магнитное сопротивление.
Для трехжильных силовых кабелей в общей металлической оболочке (рис. 10.5, а) допускается применение ленточной стальной брони 5 поверх свинцовой оболочки 4 в целях ее механической защиты.
Конструктивным элементом высоковольтных маслонаполненных кабелей высокого давления является также общая стальная
Рис. 10.5. Схемы, объясняющие потери в трехжильных кабелях:
а — в общей металлической оболочке с ленточной стальной броней; б — в общей стальной трубе; в, г — соответственно схемы взаимной и идеальной компенсации магнитных полей от токов; / — токопроводящая жила; 2 — фазная изоляция; 3 — поясная изоляция; 4 — свинцовая оболочка; 5 — ленточная стальная броня; 6 — стальная труба; 7 — перфорированная медная лента
219
труба б, в которую помещают три фазы, выполненные в виде концентрических одножильных кабелей. Поверх бумажной изоляции кабелей каждой фазы накладывается перфорированная медная лента 7, которая заземляется (см. рис. 10.5, б). Труба заполняется изоляционным маловязким маслом под давлением порядка 1,2 МПа.
В обоих указанных случаях потери в броне или стальной трубе сравнительно невелики. Причина этого — взаимная компенсация магнитных полей от токов в трехфазной системе (см. рис. 10.5, в), равных по значению и сдвинутых по фазе на 120°, в результате чего сумма мгновенных значений этих токов (а следовательно, и магнитных потоков, ими создаваемых) в любой момент времени равна нулю. Следует отметить, что полная компенсация магнитных полей была бы в случае совпадения в одной точке осей всех трех проводников (расположение, близкое к изображенному на рис. 10.5, г), что в реальных конструкциях невозможно из-за изоляции жил, смещения осей кабелей от центра трубы вниз и т.п. Однако в целом эти потери для указанных случаев незначительны.
В трехфазных кабельных линиях, выполненных с применением одножильных кабелей для разных фаз, имеются потери от продольных токов в соединенных и заземленных металлических оболочках.
Высоковольтные кабельные линии на напряжения 110 кВ и выше выполняются с использованием маслонаполненных кабелей. Каждая фаза таких кабелей, представляющая собой отдельный концентрический кабель с металлической (свинцовой или алюминиевой) влагозащитной оболочкой, поверх которой наложены металлические упрочняющие бронепокровы, прокладывается в земле параллельно в горизонтальной плоскости или по вершинам равностороннего треугольника. При эксплуатации металлические обо
Рис. 10.6. Схемы, объясняющие потери из-за продольных токов в металлических оболочках трехфазной линии:
а — соединение оболочек с одного конца линии; б — соединение и заземление оболочек с двух концов линии; 1...3 — фазы
220
дочки таких линий заземляются и, таким образом, между токопроводящей жилой и оболочкой прикладывается фазное напряжение, а между жилами соседних фаз — линейное. Оболочки обычно соединяются между собой. Если они соединены только на одном конце линии (рис. 10.6, а), то между оболочками на другом ее конце возникает напряжение, пропорциональное току в жилах и длине линии и зависящее от расстояния между фазами, материала оболочки и наложенных поверх нее бронепокровов, а точнее, от взаимной индуктивности Л/12 между двумя рассматриваемыми фазами (например, 7 и 2).
Причиной этого нежелательного напряжения, которое может достигать десятков и сотен вольт, является электродвижущая сила (ЭДС) взаимоиндукции Е2\, наводимая в контуре, образованном двумя соседними соединенными металлическими оболочками (назовем его вторым контуром), за счет магнитного поля, создаваемого током в жиле фазы 7.
Если оболочки соединены с двух концов линии (рис. 10.6, б), то под действием этой ЭДС по контуру, образованному ими, будет протекать ток /об. В этом случае наведенная ЭДС уравновесится падением напряжения в контуре от протекания этого тока и потенциалы оболочек будут близки к нулю. Однако протекающий при этом по оболочкам ток, который может достигать 20... 80 % от рабочего тока в жилах, приводит к значительным потерям энергии.
В обычных кабелях потери в оболочках приблизительно пропорциональны взаимной индуктивности М, значение которой возрастает с увеличением расстояния между фазами кабеля, так как при . этом увеличивается площадь контура, образованного соседними оболочками, а следовательно, и магнитный поток взаимоиндукции, и наводимая ЭДС, и ток /об. Поэтому для уменьшения потерь в оболочках от продольных токов кабели следует прокладывать ближе друг к другу. В то же время это ухудшает условия теплоотвода от кабелей, т. е. для конкретных случаев существует оптимальное расстояние между фазами.
10.2. Расчет мощности потерь энергии в металлических элементах силовых кабелей
Как уже отмечалось, при прохождении переменного тока по жилам кабелей появляется магнитное поле, которое приводит к увеличению электрического сопротивления токопроводящих жил вследствие поверхностного эффекта и эффекта близости, а также к возникновению потерь в металлических оболочках, экранах и броне кабеля.
Также отмечалось, что распределение переменного тока в проводе зависит от параметра к = ^/соццосг. При прохождении рассто
221
яния So = V2 /Лг вглубь от поверхности проводящего тела амплитуда электромагнитной волны убывает в е раз. Расстояние 80, условно называемое глубиной проникновения, при частоте тока 50 1/с в меди — приблизительно 8 мм, в алюминии — И мм, в стали — 1 мм.
Отношение сопротивления токопроводящей жилы при переменном токе к ее сопротивлению при постоянном токе можно выразить через коэффициенты уп и уб, соответственно учитывающие возрастание сопротивления вследствие поверхностного эффекта и эффекта близости:
Дж_ 1
-^- = 1 + Тп+Уб-
(Ю.4)
Коэффициенты уп и уб определяются параметром х = kdx/2 (где dx — диаметр жилы). Поскольку сопротивление жилы постоянному току на единицу длины жилы 7?ж = 4/(ол</ж), то формула для определения параметра х будет иметь вид
х -
W 7?ж_
Эта формула справедлива для жилы, изготовленной из сплошного металла. После подстановки значения Цо для р = 1 получим
(10.5)
х =
1,59-10-3/-^-, у Лж=
(10.6)
где f — частота, 1/с; Лж= — сопротивление жилы, Ом/м.
Коэффициент b < 1 учитывает конструкцию жилы. Для уменьшения коэффициентов уп и у6 жилы больших сечений изготавливают в виде скрученных секций, изолированных друг от друга (обычно бумажными полупроводящими лентами). В табл. 10.1 приведены рекомендуемые значения коэффициента Ь.
Таблица 10.1
Рекомендуемые значения коэффициента b
Конструкция жилы	Поверхностный эффект	Эффект близости
Круглая и секторная, скрученные из проволок	1,0	0,8
С числом изолированных секторов (или сегментов для полых жил):		
4	0,435	0,37
6	0,39	0,37
222
При слабо выраженном поверхностном эффекте (х < 2,8) справедливы следующие приближенные формулы:
= <“-7>
Тб = Тп
S
УГ 1,18
J [Уп+0,27
(d + 0,312
(10.8)
Здесь значение у'п определяют по формуле (10.7) при коэффициентах Ь, рекомендованных для эффекта близости; as — расстояние между осями жил.
В кабелях, проложенных в стальном трубопроводе или бронированных стальной броней, значения уп и у5 рекомендуется увеличивать в 1,7 раза, так как наличие брони приводит к возрастанию магнитного поля. Поверхностный эффект и эффект близости практически начинают проявляться только у медных жил с сечениями 300 мм2 и более.
Рекомендуются следующие значения удельных сопротивлений р при 20 °C и температурных коэффициентов сопротивления а20 для проводников:
р, Ом-м а2о, 1/°С
Медь........................ 1,724-	10’8	0,00393
Алюминий.................... 2,826-	10-8	0,00403
Сталь......................... 13,8	•	10-8	0,0045
Свинец....................... 21,4-	10~8	0,004
Однако удельные сопротивления проволок, изготовленных из этих металлов, несколько превышают эти значения.
При передаче переменного тока по одножильным кабелям однофазной и трехфазной сети жилы образуют первичную обмотку трансформатора без стального сердечника, а вторичную обмотку образуют металлические оболочки.
Если оболочки замкнуты и заземлены только с одного конца линии, то на противоположном конце этой линии между ними возникает напряжение, пропорциональное току в жилах и длине линии. Это напряжение может достигать нескольких десятков вольт на длине 1 км, а в режиме короткого замыкания оно увеличивается до нескольких тысяч вольт. Наличие такого напряжения нежелательно, и для его устранения замыкают оболочки на обоих концах линии. В этом случае по оболочкам проходит ток, который составляет 20... 80 % тока в жилах, а напряжения между оболочками близки к нулю по всей длине линии.
Рассмотрим электромагнитные процессы в оболочках на примере однофазной линии. Ток /в жиле кабеля 1 (рис. 10.7, а) опре-
223
10.7. Магнитное поле и токи двух одножильных кабелей:
а — схема расположения кабелей в поперечном сечении; б — схема протекания токов в оболочке; в — общая схема соединения оболочек; 1, 2 — кабели
деляет магнитное поле с напряженностью Н, которая направлена по концентрическим окружностям, причем
Н = —.	(10.9)
2лг
ЭДС, возникающая в контуре, ограниченном оболочкой кабеля Z и отдельными участками оболочки кабеля 2, пропорциональна магнитному потоку от суммы токов в жиле и оболочке кабеля 1, заключенного в этом контуре. В точке а она будет наименьшей, а в точке b — наибольшей.
Если оболочки на одном из концов кабельной линии разомкнуты, то по оболочке кабеля 2 будут проходить замкнутые токи, как это показано на рис. 10.7, б. В этом случае на конце оболочки появится среднее общее напряжение, приблизительно определяемое магнитным потоком между осью кабеля 2 и оболочкой кабеля 1. Этот магнитный поток вычисляют следующим образом:
224
_ Цп т r dr
ro6
(10.10)
где Цо = 4л • 10~7 Гн/м; s — расстояние между осями кабелей; — средний радиус оболочки.
Магнитное поле, которое проходит в области между радиусами го и Гоб, не пересекает контур между оболочками и поэтому не учитывается при расчете ЭДС в контуре оболочек.
Относительную магнитную постоянную р. для всех материалов, кроме стальной брони, можно принять равной 1. Тогда, разделив интеграл (10.10) на два слагаемых для областей приблизительно между гоб и s с ц = 1 и между гбр и гбр + Дбр со значением ц для брони (где Дбр — толщина брони, причем Дбр/г6р <к 1), после интегрирования получим следующую формулу:
фяИо/1п—+
2л ^об ^бр ;
(10.11)
По определению взаимная’индуктивность между жилой кабеля 7 и контуром оболочек
I	Гоб Гбр '
(10.12)
а ЭДС в контуре оболочек на единице длины кабеля Е = j(f>ML Аналогичные выводы справедливы и для тока в кабеле 2, при этом суммарная ЭДС в контуре оболочек от токов в двух жилах
E=2jaML	(10.13)
По формуле (10.13) рассчитывают напряжение между оболочками, разомкнутыми на одном конце кабельной линии.
Если оболочки замкнуты на обоих концах линии (см. рис. 10.7, в), то ЭДС магнитного поля будет определяться суммой токов в жиле и оболочке, т. е. Е- 2jtf)M(j+ /об). Ток /об вызовет в контуре оболочек падение напряжения на электрическое сопротивление оболочки Еоъ, равное 2/об7^. Тогда в соответствии с правилом Кирхгофа
2УсоМ(/ + /об) + 2/обДоб = 0.	(10.14)
Из уравнения (10.14) следует формула для расчета тока в оболочках:
i _ IjusM 06	ZU + №М ’
модуль которого будет иметь вид
г _ 1<лМ
06 ' М + (“Л/)2
(10.15)
8 Пешков
225
Коэффициент мощности потерь в оболочке равен отношению мощностей потерь энергии в оболочке и жиле:
v	_ т ^Об	ЛА 1Г\
где
т2 (™М)2
К^+^М)2'
(10.17)
Если кабели трехфазной линии расположены по углам равностороннего треугольника, то справедлива формула (10.17). При другом расположении кабелей формула (10.16) остается неизменной, изменяется только значение т2.
Индуктивность линии L определяют по формуле, аналогичной (10.12), но вместо гоб подставляют радиус жилы г0. Кроме того, следует учитывать магнитное поле внутри жилы, которое приводит к появлению внутренней индуктивности £г- При слабо выраженном поверхностном эффекте формула суммарной индуктивности кабельной линии, отнесенная к току в одном кабеле, будет иметь вид
г _Но
2л
1 § Дбр 1 I 1П— + ц—5Е- + - .
Го	% 2 J
При разомкнутом контуре оболочек падение напряжения в кабельной линии
(10.18)
ДС= 27(7?ж + jcol).	(10.19)
При замкнутых оболочках следует учесть ЭДС, наведенную в контуре жил за счет токов в оболочках:
Д U = 2 (Дж + jwL)I + 24s JwM.	(10.20)
Подставив в (10.14) /об из (10.15), получим
ДС7= IZ; Z= 2[/?ж(1 +	+ Jw(L - оЛИ)]. (10.21)
Наличие тока в оболочках приводит к увеличению активной составляющей падения напряжения и к уменьшению реактивной.
Мощность потерь энергии в оболочках зависит от соотношения Коб/(ыМ), при этом формула (10.16) примет следующий вид:
<10И)
Значение уоб имеет максимум, равный 7?об/(2Дж), который может быть больше 1 при соотношении /?об/(соЛ/) = 1. В большинстве случаев со Л/ < 0,3 тогда из формулы (10.16) следует, что
226
(gjM)2
°б n n
Лю-^ж
(10.23)
Формулу (10.23) применяют при расчете мощности потерь энергии в металлических экранах, причем вместо берут сопротивление экранов /?эк.
Коэффициент М возрастает с увеличением расстояния между кабелями, поэтому для уменьшения потерь энергии в оболочках следует прокладывать кабели на меньшем расстоянии друг от друга. В то же время это ухудшает условия теплоотвода от кабелей, поэтому для каждого конкретного случая следует рассчитывать оптимальное расстояние между ними.
Наличие брони из стальных лент может в несколько раз увеличить значение М, что вызовет значительное увеличение потерь энергии в оболочках и падение напряжения в кабельной линии. Поэтому для одножильных кабелей броню из стальных лент не применяют, а используют броню из стальных круглых оцинкованных проволок, это приводит к существенному увеличению магнитного сопротивления данной цепи [см. (10.1)].
В трехжильных кабелях, работающих в трехфазной системе, сумма токов во всех жилах равна нулю и отсутствует магнитодвижущая сила, направленная вдоль замкнутой ферромагнитной цепи, состоящей из стальной брони, расположенной вокруг трех жил. Магнитное поле в броне в этом случае значительно меньше, чем в одножильном кабеле, и это позволяет применять броню из стальных лент.
Городские кабельные линии на напряжения 110 и 220 кВ, прокладываемые в грунте, обычно имеют защитную оболочку из свинца или алюминия и броню из стальных проволок. Коэффициенты потерь энергии рассчитывают по формуле
,	_ К3 Х1 + х2 + Т?э*2
06	6 Лк (Х2 +Лэ)2 +Х12
(10.24)
где R3 — эквивалентное сопротивление брони и оболочки; =
— (Л/1 + Мд + Л/з)со; х% = соЛ/2-
Значение Мо определяют по формуле (10.12). Коэффициенты М\ и Мз связаны с магнитными потоками в броне из стальных
Рис. 10.8. Схема магнитных потоков в броне из стальных проволок
227
проволок. Схема этих потоков показана на рис. 10.8. Вектор напряженности магнитного поля Нг направлен по окружности вокруг оси кабеля. Для окружности по среднему диаметру брони £>б вокруг оси кабеля
(10.25)
где I и /об — токи в жиле и оболочке.
Представим вектор Нгв виде суммы двух векторов: Н2, направленного по оси z проволоки, и Нл, направленного перпендикулярно оси z. Магнитные потоки, возникающие по направлению этих векторов, определяют дополнительные взаимные индуктивности Л/[, М2, М3.
Взаимная индуктивность, обусловленная влиянием вектора Нл,
2r6COS2B	zinnzrx
М3 = Цо(Нп ~ В	(Ю-26)
7lZ)6
где г6 — радиус бронепроволок; 0 — угол между осью кабеля и осью проволоки.
Магнитную постоянную цп рекомендуется выбирать равной 10, если бронепроволоки плотно соприкасаются друг с другом. Значение цп убывает до 1, если проволоки нанесены повивом не вплотную. Выбор значения цп несколько произволен, но это не вносит существенную погрешность, так как влияние составляющей М3 невелико.
Взаимная индуктивность, обусловленная влиянием вектора Hz,
Мх = Цо |Вб| «с ^2 sin ₽tg ₽ cos Y,	(10.27)
где nc — число стальных проволок в повиве.
Взаимная индуктивность М2 соответствует активной составляющей магнитного потока вдоль оси Z:
Л/2 = Л/Цёу.	(10.28)
Значение |цб| соответствует модулю магнитной постоянной вдоль бронепроволок, причем цб = |цб| (cos у -j sin у). Рекомендуются значения |цб| ~ 400, у = 45°. Угол у соответствует сдвигу по фазе между магнитной индукцией и напряженностью магнитного поля вдоль оси бронепроволок.
Эквивалентное сопротивление /?э равно сопротивлению при параллельном соединении активных составляющих сопротивлений оболочки Д,б и брони Абр. Для приближенных расчетов R3 определяют как для сопротивлений постоянному току.
Следует учитывать, что магнитная постоянная цб зависит от напряженности магнитного поля, а угол у зависит также от ради-
228
уса бронепроволок и может изменяться в пределах от 30 до 45°, поэтому расчеты по (10.24) являются приближенными.
На рис. 10.9 приведена зависимость суммы уОб + Уб от эквивалентного сопротивления оболочки и брони для кабеля с сечением медной жилы 625 мм2, гб = 2 мм, Це = 400, у = 45°. Как правило, часть бронепроволок заменяют медными проволоками. Это позволяет снизить значение Л,. Из рис. 10.9 видно, что снижение Лэ до значения 1 • КГ4 Ом/м и менее приводит к уменьшению суммарного коэффициента по-
Рис. 10.9. Зависимость коэффициента потерь в оболочках и броне из стальной проволоки от эквивалентного сопротивления оболочки и брони:
7—s= 300 мм, Р = 15°; 2—5 = 82,5 мм, Р =15°; 3—s = 82,5, Р = 10°
терь.
Соединение и заземление оболочек и брони только с одного конца кабельной линии (Яэ = не позволяет существенно снизить коэффициент потерь: это связано с увеличением напряженности магнитного поля в броне и ростом потерь на вихревые токи, обусловленные магнитной индукцией, направленной вдоль бронепроволок.
При расчете коэффициента потерь в стальной трубе маслонаполненного кабеля высокого давления следует учитывать, что три кабеля могут быть расположены в трубе в виде треугольника с вершиной вверх или вниз, наибольшее значение он будет иметь при расположении этого треугольника вершиной вниз. Рекомендуемая эмпирическая формула для расчета имеет вид
Ут = Л = (4,38s+ 2,26Д)-0,76-10-^	(Ю 29)
Лс	«ж
где Рж и Рт — мощности потерь энергии в жиле и трубе, Вт/м; s — расстояние между осями жил, прилегающих друг к другу, м; Д. — внутренний диаметр трубы, м; R* — сопротивление жилы переменному току, Ом/м.
Потери энергии в металлических экранах рассчитывают по формулам для коэффициентов потерь в оболочках, подставляя вместо сопротивления оболочек сопротивление экранов.
В одножильных кабелях с алюминиевой оболочкой на напряжение 110 кВ броня из стальных проволок отсутствует. Если длина линии невелика, то мо