ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КАБЕЛЬ Российский патент 2005 года по МПК H01B7/02 H01B13/02 

Изобретение относится к одной из отраслей электрической промышленности - кабельной технике, более конкретно к электрическим кабелям для систем сигнализации, управления, передачи и обработки данных (связи). Указанные кабели применяются в сетях, где для организации линий (шлейфов) различной протяженности требуются кабели с различным диаметром токопроводящих жил. К таким сетям, в частности, относится охранно-пожарная сеть.

Известны выпускаемые отечественной промышленностью электрические кабели для систем сигнализации, содержащие, по крайней мере, одну пару скрученных между собой жил, изолированных электроизоляционным полимерным галогеносодержащим материалом - поливинилхлоридом, и оболочку.

Выпускаются указанные кабели в соответствии с ТУ 3581-02-472731-99 “Кабели парной скрутки для систем пожарной сигнализации”.

Как следует из указанных ТУ “кабели по настоящим техническим условиям, по техническим параметрам и эксплуатационным характеристикам аналогичны кабелям по немецкому стандарту DIN VDE 0815”.

Из указанного немецкого стандарта (ввод в действие с 01.09.85) известны электрические кабели, содержащие, по крайней мере, одну пару скрученных между собой токопроводящих жил, изолированных электроизоляционным полимерным материалом - поливинилхлоридом или безгалогенным (галагеннонесодержащим) материалом, и оболочку.

Стандартом предусмотрено использование токопроводящих жил с диаметром 0,6 мм и 0,8 мм, изоляционного слоя с номинальной толщиной 0,2 мм и 0,4 мм, соответственно шаг скрутки изолированных жил, установленный стандартом, равен 50 мм.

Номинальная величина электрической емкости пары с изоляцией из поливинилхлорида должна быть не более 100 нФ/км, а для пары с изоляцией из безгалогенного материала - не более 120 нФ/км. Эти кабели являются наиболее близким (по совокупности существенных признаков) аналогом для рассматриваемого изобретения.

Важными электрическими параметрами рассматриваемых кабелей, с точки зрения их использования в указанных сетях, являются электрическое сопротивление токопроводящей жилы и рабочая емкость пары. Электрическое сопротивление токопроводящей жилы зависит от ее диаметра (сечения). При увеличении длины рабочей цепи требуется снижение электрического сопротивления токопроводящих жил, что достигается увеличением их диаметра (сечения). Однако увеличение диаметра токопроводящих жил приведет к увеличению электрической емкости пары в кабеле выше допустимой величины. В известной конструкции кабеля не предусмотрены действия, направленные на стабилизацию электрической емкости пары скрученных жил при переходе от одного их диаметра к другому. А наибольшая величина указанной емкости ограничена, в том числе, и указанным стандартом. И это объясняется следующим.

Рассматриваемые кабели используются в виде шлейфа, к которому подключаются датчики (например, пожарные извещатели) и исполнительные устройства (например, средства пожаротушения). Каждый датчик и устройство, число которых может быть порядка 100-130, вносят в общую электрическую цепь свою емкость. Считается, что эффективная нагрузка цепи достигается, когда собственная электрическая емкость кабеля не превышает 100-120 нФ/км.

Изобретение направлено на решение задачи - создание электрического кабеля с электрическими характеристиками при любом диаметре токопроводящих жил, удовлетворяющих потребителя. При осуществлении изобретения был получен технический результат - при любом диаметре токопроводящих жил, изолированных поливинилхлоридом или безгалогенным материалом, емкость пары кабеля не превышает допустимую величину (100-120 нФ/км); при этом другие электрические характеристики остались на уровне эксплуатационной надежности. Все это, в конечном итоге, приводит к возможности увеличить емкостную нагрузку на пару кабеля.

Известно, что электрическая емкость любого участка изоляции с электродами, в том числе и кабеля (в котором жилы являются обкладками конденсатора, а изоляционный материал - его диэлектриком) зависит как от геометрических размеров его элементов, так и от вида электроизоляционного материала, образующего диэлектрик.

В рассматриваемом случае электроизоляционный материал выбран так же, как и в прототипе, исходя из условий эксплуатации кабеля и должен обладать определенными электрическими и физическими характеристиками. В связи с этим регулировать емкость пар кабеля при изменении диаметра токопроводящих жил выбором электроизоляционного материала не представляется возможным.

В качестве электроизоляционного материала выбран, как и в прототипе, галагеносодержащий полимер - поливинилхлорид или безгалогенный материал (в прототипе он дан на функциональном уровне). Несмотря на то, что содержание хлора в поливинилхлориде - 56,8% считается, что с физиологической точки зрения он совершенно безвреден. Вредное действие оказывают продукты его разложения: хлорорганические соединения, HCl, СО и др. При горении поливинилхлорида выделяется большое количество тепла, образуется густой плотный дым. Поливинилхлорид и в настоящее время находит широкое применение как в отечественной, так и в зарубежной кабельной технике и ведутся большие работы по улучшению его эксплуатационных характеристик, однако вопрос о его замене безгалогенными полимерными материалами является чрезвычайно актуальным. Это объясняется тем, что у этих материалов относительно низкое выделение дыма, они не выделяют коррозионно-активные летучие продукты в условиях горения.

В типичном случае безгалогенный полимерный электроизоляционный материал представляет собой полимерную основу (чаще всего гомополимер или сополимер олифинового ряда, эластомер или их композиция), наполненную мелкодисперсионным гидратом алюминия или магния и содержащую некоторые функциональные добавки. Большое содержание гидратов металлов (50-60%) позволяет снизить количество горючих газов, выделяющихся при термическом разложении материала.

Именно поэтому не только поливинилхлорид, но и безгалогенный материал, полимерной основой которого является или полиэтилен, или его сополимер, или пропилен, был использован при конструировании кабелей в соответствии с изобретением.

К свойствам рассматриваемого кабеля, которые представляют особый интерес при его использовании, в первую очередь, относятся электрическая прочность изоляции, пробивное напряжение и емкость пар. Геометрические параметры элементов кабеля в той или иной степени влияют на все указанные характеристики. Поэтому решить поставленную задачу с получением технического результата одним уменьшением (или увеличением) геометрического параметра того или иного элемента кабеля не представляется возможным. В связи с этим при конструировании кабеля необходимо было выявить взаимосвязь между геометрическими параметрами элементов кабеля (диаметра токопроводящих жил, толщины изоляции, шага скрутки жил в пары), которые позволили бы получить емкость пар, не превышающую допустимого значения, сохранив при этом другие характеристики на уровне эксплуатационной надежности.

Указанной взаимосвязью была выявлена следующая совокупность существенных признаков, обеспечивающая достижение указанного технического результата и выражающая сущность изобретения.

Электрический кабель содержит, по крайней мере, одну пару скрученных между собой токопроводящих жил, изолированных поливинилхлоридом или безгалогенным материалом на полимерной основе, и оболочку. При этом полимерной основой является или полиэтилен, или его сополимер, или пропилен, толщина изоляции определена из условия ,

а шаг скрутки изолированных токопроводящих жил выбран исходя из соотношения h=25(2Δ+d),

где d - диаметр токопроводящих жил,

ε_r - относительная диэлектрическая проницаемость электроизоляционного материала, при этом ε_r для поливинилхлорида - 3,4÷3,6, а ε_r для безгалогенных полимерных материалов на основе пропилена или сополимера этилена с пропиленом находится в интервале 3,7÷3,9, те же величины ε_r приводятся для безгалогенного полимерного материала на основе этилена с винилацетатом. Из приведенных данных видно, что значения ε_r для всех этих материалов отличаются незначительно (в пределах 3,4÷3,9).

Сополимеры этилена имеют такие же электроизоляционные свойства, как полиэтилен, их получают с целью модификации свойств последнего. Поэтому теоретически можно сделать вывод, что любой сополимер этилена, не содержащий галогенов, может быть использован в качестве безгалогенного электроизоляционного материала.

В приведенной совокупности существенных признаков для характеристики признака - изоляция токопроводящих жил использованы альтернативные понятия - поливинилхлорид или безгалогенный полимерный материал. Это объясняется следующим. Общего понятия, которое охватывает эти электроизоляционные материалы, использовать нельзя, так как в него входят другие материалы, которые не могут быть использованы в данном случае. И тот, и другой материал позволяют получить (в совокупности с выявленной взаимосвязью между геометрическими параметрами кабеля) один и тот же указанный выше технический результат.

Что касается альтернативных понятий при описании полимерной основы безгалогенного материала, то здесь ситуация несколько иная. Общее понятие есть - полиолефины, но при разработке конструкции рассматриваемого кабеля были использованы те, которые позволили получить указанный выше технический результат.

Материал для оболочки кабеля может быть различным. Это и поливинилхлорид и другие полимеры, и безгалогенные полимерные материалы, и в некоторых случаях - металлы. Все определяются условиями эксплуатации кабеля. Однако материал для оболочки не влияет на достижение рассматриваемого технического результата.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 и 2 показаны поперечное и продольное сечения однопарного кабеля.

Кабель содержит токопроводящую жилу 1, изоляцию токопроводящей жилы 2 и защитную оболочку 3. Под защитной оболочкой может располагаться экран в виде ламинированной алюминиевой фольги или оплетки из медных проволок. На данном чертеже экран не показан, поскольку его наличие (или отсутствие) не меняют сути заявляемого изобретения. На фиг.1 даны обозначения толщины изоляции Δ и диаметра токопроводящей жилы d. На фиг.2 показан шаг скрутки пары h.

Как уже отмечалось, решить поставленную задачу с получением технического результата не представляется возможным одним уменьшением (или увеличением) геометрического параметра того или иного элемента кабеля, так как каждый из указанных параметров в той или иной степени влияет на все его основные эксплуатационные характеристики. Так, например, емкость пары кабеля можно уменьшить путем увеличения толщины изоляции - Δ, однако это одновременно приведет к уменьшению электрической прочности изоляции - напряженности электрического поля, при достижении которой в какой-либо точке изоляции происходит пробой. В то же время пробивное напряжение изоляции увеличивается с увеличением ее толщины.

Рассматриваемое изобретение относится к кабелю, в котором пара образована скрученными между собой изолированными токопроводящими жилами. При этом чем меньше шаг скрутки - h, тем выше помехозащищенность кабеля (что особенно важно для кабеля связи), однако больше его емкость.

Из всего этого следует, что решить поставленную задачу можно только путем нахождения взаимосвязи между геометрическими параметрами всех тех элементов кабеля, которые влияют на его эксплуатационные характеристики.

Именно это и подтверждает все данные, полученные при конструировании кабеля и изложенные далее.

Примеры однопарного кабеля из поливинилхлорида и безгалогенного материала приведены в таблице 1. Из указанной таблицы видно, что при увеличении диаметра токопроводящей жилы. Толщина изоляции и шаг скрутки растут, и можно предположить, что емкость пары должна уменьшиться, однако она с ростом диаметра увеличивается, но остается в допустимых пределах. Это объясняется следующим: при конструировании кабеля, нормативными документами зафиксированы значения диаметров жил, а увеличение диаметра вызывает значительный рост емкости кабеля.

Предлагаемые соотношения позволяют уменьшить указанный рост, сохранив ее величину в пределах необходимых норм. На фиг.3 показана зависимость погонной емкости кабеля от изменения диаметра жил: 1 - для кабеля с изоляцией из безгалогенного материала на основе полипропилена (ε_r=3,9); 2 - для кабеля с изоляцией из безгалогенного материала на основе полиэтилена (ε_r=3,7); 3 - для кабелей с изоляцией из поливинилхлорида.

Взаимосвязь двух параметров - толщина изоляции Δ и шага скрутки изолированных жил h - поясняется графически на фиг.4, где представлено изменение погонной емкости однопарного кабеля с жилами диаметром 0,8 мм. Кривая 1 представляет график зависимости погонной емкости кабеля от толщины изоляции при постоянном шаге скрутки пары 35 мм. Кривая 2 представляет график зависимости погонной емкости кабеля от шага скрутки пары при постоянной толщине изоляции 0,45 мм. Эти две кривые имеют точку пересечения, которая указывает на существование минимального значения погонной емкости кабеля при соотношении минимальной толщины изоляции 0,45 мм и минимальном шаге скрутки пары 35 мм. Такие же зависимости могут быть построены для других значений диаметров жилы, что наглядно иллюстрирует взаимосвязь приводимых заявителем параметров.

Таблица 1Диаметр токопроводящ. жилы d, ммТолщина изоляции Δ, в соответствии с изобретением, ммШаг скрутки пары h, в соответствии с изобретением, ммПогонная емкость пары в соответствии с изобретением,нФ/км ПВХБМПВХБМПВХБМ0,60,39-0,400,41-0,42353674-7678-820,80,45-0,460,47-0,48434480-8485-880,970,49-0,500,51-0,52495085-8891-941,130,53-0,540,56-0,57555788-9193-971,380,59-0,610,62-0,63646694-98100-1041,760,66-0,680,70-0,717780103-106108-113ПВХ - поливинилхлорид.
БМ - безгалогенный материал.

Изобретение относится к одной из отраслей электротехнической промышленности - кабельной технике, более конкретно к электрическим кабелям для систем сигнализации, управления, передачи и обработки данных. Кабель содержит, по крайней мере, одну пару скрученных между собой токопроводящих, изолированных жил и оболочку. В качестве электроизоляционного материала применен или галогеносодержащий полимер - поливинилхлорид, или безгалогенный материал на основе полиолефинов - полиэтилена, или его сополимера, или пропилена. При этом толщина изоляции выбрана из условия шаг скрутки жил определен исходя из соотношения h=25(2Δ+d), где d - диаметр токопроводящих жил; ε_r - относительная диэлектрическая проницаемость электроизоляционного материала. При осуществлении изобретения был получен технический результат: при увеличении диаметра токопроводящих жил уменьшение емкости пары кабеля (при сохранении других его характеристик на требуемом уровне), что, в свою очередь, приводит к возможности увеличить емкостную рабочую нагрузку на пару кабеля. Табл.1, 4 ил.

Электрический кабель, содержащий, по крайней мере, одну пару скрученных между собой токопроводящих жил, изолированных поливинилхлоридом или безгалогенным материалом на полимерной основе, отличающийся тем, что полимерной основой является или полиэтилен, или его сополимер, или пропилен, толщина изоляции определена из условия

шаг скрутки изолированных токопроводящих жил выбран исходя из соотношения h=25(2Δ+d), где d - диаметр токопроводящих жил; ε_r - относительная диэлектрическая проницаемость электроизоляционного материала.