БУМАГА КАБЕЛЬНАЯ ПОЛУПРОВОДЯЩАЯ ДЛЯ ЭКРАНИРОВАНИЯ ИЗОЛЯЦИИ СИЛОВЫХ КАБЕЛЕЙ Российский патент 2000 года по МПК D21H27/00 H01B9/02 

Предлагаемое изобретение относится к области производства изоляционных полупроводящих материалов, предназначенных для экранирования изоляции силовых кабелей различного назначения и получаемых путем нанесения на кабельную бумагу-основу токопроводящего слоя.

При эксплуатации силовых кабелей под воздействием повышенного электрического напряжения, температуры и переменных циклов нагрузки создаются условия, при которых стабильность изоляции кабеля нарушается и происходит ухудшение ее диэлектрических характеристик. Для усовершенствования конструкции силовых кабелей применяют экранирующие виды бумаги, повышающие стабильность изоляции и улучшающие технико-экономические показатели кабелей.

Экраны из полупроводящей бумаги, которые при изготовлении силового кабеля накладываются на жилу и изоляцию, предназначены для сглаживания поверхности жилы с целью устранения местного повышения напряженности электрического поля на выступающих частях жилы.

Установлено, что электрическая прочность изоляции силовых кабелей при экранировании повышается на 20%, а импульсная прочность - на 5%.

Полупроводящая кабельная бумага обладает адсорбционными свойствами, экран которой действует как адсорбент, поглощает продукты разрушения масла, возникающие вследствие его окисления при циркуляции через экраны при переменных токовых нагрузках. Кроме того, экран защищает изоляцию от проникновения металлических мыл, образующихся в пропиточном составе, который контактирует с токопроводящими жилами и металлической оболочкой.

Фирма Jeneral Cable (США) выполняет полупроводящие экраны кабелей из двухцветной полупроводящей бумаги. В ФРГ используются экраны из лент одно-, двухсторонней металлизированной полупроводящей бумаги (Патент 1154163, ФРГ). В Японии используется двухслойная полупроводящая бумага, имеющая металлизированную поверхность с одной стороны (Патент 52-31556, Япония). В Англии силовые кабели экранируют бумагой, состоящей из двух склеенных друг с другом слоев: изоляционного и полупроводящего (Патент 1315826, Англия).

В композицию полупроводящей бумаги для экранов маслонаполненных силовых кабелей высокого напряжения вводятся технический углерод и мелкодисперсные активные вещества, например Al₂O₃ и TiO₂, обладающие сорбционными свойствами.

Активные вещества вводятся в полупроводящий слой вместе с техническим углеродом или в изоляционный слой, прилегающий к изоляции (Патент 1185473, Англия).

Ближайшей по своим свойствам к заявляемой является отечественная "бумага электропроводящая кабельная" марки ЭКДУ-120, ГОСТ 10751-85, год ввода 1987 (прототип).

Особенностью бумаги (прототипа) является наличие в ней двух слоев - электропроводящего и изоляционного (натурального). Для придания бумаге электропроводности в композицию электропроводящего слоя вводится наполнитель - технический углерод на стадии размола целлюлозы. Изоляционный и электропроводящий слои соединяются в прессовой части двухсеточной бумагоделательной машины.

По данной технологии расход технического углерода составляет 10-20% от массы целлюлозного волокна, толщина электропроводящего слоя составляет 40-50% от толщины бумаги, электрическое сопротивление - до 1000 кОм.

К недостаткам прототипа следует отнести высокое содержание углерода, большую толщину электропроводящего слоя и высокое электрическое сопротивление.

В процессе эксплуатации данной бумаги в составе кабеля происходит миграция, углерода из электропроводящего слоя в изоляционный. Все эти недостатки бумаги-прототипа существенно снижают качество и стабильность изоляции кабеля и ухудшают ее диэлектрические характеристики. Производство бумаги-прототипа считается экологически грязным из-за большого содержания углерода в сточных водах, в связи с этим выпуск бумаги-прототипа в настоящее время остановлен. Основными показателями качества полупроводящей кабельной бумаги являются:
толщина, мкм - 130 ± 10
плотность, г/см³ - 0,8 ± 0,1
разрушающее усилие, H:
в машинном направлении - н/м 120
в поперечном направлении - н/м 60
относительное удлинение, %:
в машинном направлении - н/м 1,8
в поперечном направлении н/м - 4,6
электрическое сопротивление, кОм - н/б 1000
воздухопроницаемость, мл/мин - н/б 25
влажность, % - н/б 8
стойкость к вымыванию технического углерода в нефтяном масле - Отсутствие частиц углерода в масле
Ниже приведены характеристики бумаги-прототипа, полученной выше описанным способом:
толщина, мкм - 115 - 130
плотность, г/см³ - 0,9 - 1,05
разрушающее усилие, H:
в машинном направлении - 130 - 140
в поперечном направлении - 60 - 70
относительное удлинение, %:
в машинном направлении - 1,8 - 2,2
в поперечном направлении - 4,5 - 5,5
электрическое сопротивление, кОм - 800 - 1000
воздухопроницаемость, мл/мин - 20 - 25
влажность, % - 5 - 8
стойкость к вымыванию технического углерода в нефтяном масле - Отсутствие частиц углерода в масле
Цель предлагаемого изобретения заключается в получении полупроводящей кабельной бумаги, по характеристикам не уступающей прототипу, но имеющей более низкое значение электрического сопротивления при существенно меньшем содержании углерода и меньшей толщине электропроводящего слоя, отсутствие миграции углерода в изоляционный слой бумаги, экологически чистую технологию ее получения.

Для достижения поставленной цели предлагается получать полупроводящую бумагу путем нанесения на одну из сторон бумаги-основы электропроводящего слоя из смеси водорастворимого полимера с техническим углеродом и последующей термообработкой бумаги для удаления влаги и подполимеризации полимера.

Образующаяся на поверхности бумаги пленка, состоящая из полимера и углерода, обеспечивает получение электропроводящего слоя с низким сопротивлением, толщиной несколько мкм, содержанием углерода 1-2% от массы бумаги. Полимерная пленка обладает высокой удерживающей способностью, исключающей миграцию углерода в изоляционный слой, высокой адгезией к бумаге-основе, предотвращающей выкрашивание электропроводящего слоя, высокой воздухонепроницаемостью.

В качестве полимерной основы электропроводящих композиций используют акриловые, винильные, фенолформальдегидные, полиуретановые, полиэфирные и др. смолы. Выбор полимера обуславливается комплексом требований, предъявляемых к композиции в процессе изготовления и эксплуатации. Так как одним из основных требований, предъявляемых к полупроводящей бумаге, является стойкость к вымыванию углерода в масле, то из числа возможных полимеров необходимо исключить те, которые растворяются или набухают в маслах.

Кроме того, полимерная электропроводящая композиция не должна ухудшать физико-механических характеристик бумаги, должна обладать хорошей пленкообразующей способностью, способностью удерживать наполнитель, хорошей адгезией к бумаге-основе, термостойкостью. Большое значение имеет растворимость полимера в воде, т.к. в этом случае отпадает необходимость использования токсичных, пожаровзрывоопасных и дорогостоящих растворителей.

Предъявляемым требованиям отвечает класс водорастворимых полимеров, из которых в наибольшей степени подходят натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы (Na КМЦ) и поливиниловый спирт (ПВС). Опытным путем было установлено, что в случае использования Na КМЦ не удается достичь стабильной стойкости к вымыванию углерода в нефтяном масле, особенно в области высоких температур (> 170^oC), при которых Na КМЦ частично разлагается. Таким образом, в качестве пленкообразующего материала выбран поливиниловый спирт - один из самых распространенных и освоенных в промышленности синтетических водорастворимых полимеров. Пленки из ПВС обладают высокой механической прочностью, стойкостью к эфирам, маслам, органическим растворителям, повышенной теплостойкостью (> 200^oC), высокой воздухонепроницаемостью, высокой адгезией к бумаге.

При нагревании ПВС до 160^oC и выше значительно повышается его водостойкость.

Для создания электропроводной композиции использовали ПВС по ГОСТ 10779-78 марок 16/1 и 18/11.

В качестве электропроводящего наполнителя выбран технический углерод. Углерод высокодисперсен, стоек к окислению, способен образовывать развитую цепочечную структуру, обуславливающую высокую электропроводимость. Из всех исследованных марок технического углерода (К-163, К-173-0, П-803, П 268Э) выбран углерод марки П 268Э ТУ 38.11591-87, имеющий наименьшее удельное электрическое сопротивление.

Процесс изготовления электропроводной пасты состоит из двух стадий:
- приготовление раствора поливинилового спирта в воде путем перемешивания в реакторе объемного типа;
- приготовление дисперсии углерода в растворе ПВС, т.е. приготовление пасты путем перемешивания и циркуляции смеси с помощью центробежного насоса.

Растворение ПВС в воде производится при температуре 75-85^oC в течение 2-4 часов, затем производится смешивание углерода с раствором ПВС в расчетном соотношении при той же температуре в течение 3-4 часов или до полного перетира гранул углерода.

Качество смешения определяется визуально на стеклянной пластинке. При обнаружении гранул на пластинке необходимо продолжить перемешивание с отбором проб до получения однородной пасты. Для улучшения диспергирования (измельчения) углерода в растворе ПВС и снижения времени приготовления пасты возможно использование виброкавитационной мельницы типа КВМ-1.

Предлагаемая авторами полупроводящая кабельная бумага изготавливается по следующей технологии. Бумага-основа с рулона, установленного на отдающем устройстве, подается на печатную машину типа КМ-1. Для обеспечения необходимого натяжения бумаги отдающее устройство снабжено регулируемыми тормозными муфтами. Через систему направляющих валков бумага проходит между прижимным валком и вращающимся валком "Пико", который соприкасается с электропроводной пастой, находящейся в ванночке. С валка "Пико" электропроводная паста наносится на поверхность бумаги. Требуемая толщина и равномерность покрытия обеспечиваются ракельным устройством, для чего валик-ракля данного устройства автоматически прижимается с необходимым усилием к бумаге и прижимному валку. Для исключения подсыхания пасты в зоне нанесения периодически проводится прокручивание вала ракельного устройства без остановки машины.

Бумага с нанесенным слоем пасты поступает сначала в бесконтактную сушилку, а затем в контактную с выпуклой поверхностью, где происходит высушивание слоя пасты и разглаживание бумаги. Для окончательной просушки и проглаживания бумага поступает на обогреваемый вал. Нанесение электропроводной пасты производится при скорости протяжки бумаги 6 - 15 м/мин и температуре в зонах:
бесконтактной сушилки - 100-150^oC
контактной сушилки - 150 - 200^oC
обогреваемого вала - 100 - 200^oC
Высушенная и проглаженная полупроводящая кабельная бумага подается на приемное устройство.

Существенность отличий предлагаемого технического решения заключается в том, что при обработке бумаги-основы водно-полимерной дисперсией углерода на поверхности бумаги образуется сверхтонкая, сверхпрочная и сверхпроводимая полимер-углеродная пленка с электрическим сопротивлением в 50-100 раз меньше, чем у прототипа при уменьшении содержания углерода и уменьшении толщины электропроводящего слоя в 10 раз.

Кроме того, производство полупроводящей бумаги вышеописанным способом является экологически чистым в связи с тем, что технологические остатки пасты после мытья оборудования не сливаются в канализацию, а используются в технологическом цикле приготовления пасты.

Сущность предлагаемого изобретения иллюстрируется нижеприведенными примерами.

В табл. 1 приведены рецептуры электропроводной пасты, а в табл. 2 - сравнительные характеристики заявляемой бумаги и бумаги-прототипа.

В табл. 2 приведены также характеристики бумаги-основы. Для изготовления электропроводной пасты использовали поливиниловый спирт ГОСТ 10779-78 марок 16/1 и 18/11, углерод печной гранулированный электропроводный П 268-Э ТУ 38 11591-87 и воду водопроводную.

В качестве бумаги-основы использовали кабельную бумагу марки К-120.

Как видно из табл. 2, характеристики заявляемой полупроводящей бумаги не уступают характеристикам прототипа и даже превосходят прототип по прочности, относительному удлинению и электрическому сопротивлению.

Качество покрытия бумаги электропроводящим слоем минимальной толщины и скорость нанесения покрытия в большей степени зависят от вязкости полимер-углеродной пасты, которая в свою очередь значительно зависит от соотношения ПВС: вода. Оптимальное содержание поливинилового спирта в пасте 4-10 мас.%.

Повышение содержания полимера, не изменяя существенно характеристик материала, загущает систему, резко повышая ее вязкость и тем самым ухудшая технологичность состава (увеличение толщины электропроводящего слоя, значительное уменьшение скорости нанесения покрытия на бумагу).

Запредельное содержание полимера в сторону уменьшения приводит к увеличению воздухопроницаемости бумаги и уменьшению стойкости бумаги к вымыванию технического углерода в нефтяном масле.

Оптимальное содержание технического углерода в пасте 4-10 мас.%.

Повышение содержания углерода приводит к загущению пасты и повышению ее вязкости, ухудшению технологичности состава, охрупчиванию электропроводящего слоя. Уменьшение содержания углерода в пасте приводит к существенному увеличению электрического сопротивления полупроводящей бумаги.

Процесс получения полупроводящей кабельной бумаги путем нанесения на поверхность бумаги-основы углерод-полимерной пасты с последующим удалением воды термообработкой отработан на опытно-промышленной установке НПО им. С.М. Кирова. По результатам испытаний бумаги в составе кабеля получено положительное заключение АООТ "Камкабель". Налажено опытно-промышленное производство данной бумаги.

Изобретение относится к производству изоляционных полупроводящих материалов, предназначенных для экранирования изоляции силовых кабелей различного назначения и получаемых путем нанесения на кабельную бумагу токопроводящего слоя. Бумага состоит из изоляционного слоя - натуральной бумажной основы и электропроводящего слоя - слоя смеси водного раствора поливинилового спирта с техническим углеродом при следующем соотношении компонентов, мас.%: поливиниловый спирт 4-10, углерод технический 4-10, вода - остальное. Образующаяся на поверхности бумаги пленка толщиной несколько мкм, состоящая из полимеруглеродной композиции с содержанием углерода 1-2% от массы бумаги, обладает высокой удерживающей способностью, исключающей миграцию углерода в изоляционный слой, высокой адгезией к бумаге-основе, высокой воздухонепроницаемостью. Производство полупроводящей кабельной бумаги является высокотехнологичным и экологически чистым. Обеспечивается увеличение физико-механических характеристик, снижение электрического сопротивления и воздухопроницаемости при уменьшении толщины электропроводного слоя на поверхности бумаги-основы. 2 табл.

Бумага кабельная полупроводящая для экранирования изоляции силовых кабелей, состоящая из изоляционного слоя - натуральной бумажной основы и электропроводящего слоя, отличающаяся тем, что в качестве электропроводящего слоя на поверхность бумаги-основы нанесен слой смеси водного раствора поливинилового спирта с техническим углеродом при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Поливиниловый спирт - 4 - 10
Углерод технический - 4 - 10
Вода - Остальное