УСТРОЙСТВО ДЛЯ СШИВАНИЯ КАБЕЛЬНОЙ ИЗОЛЯЦИИ Российский патент 2008 года по МПК H01B13/00 

Предлагаемое изобретение относится к воздействию ионизирующих излучений, электрических полей и электрических разрядов на высокомолекулярные полимерные соединения и может быть использовано в кабельной промышленности и при производстве полимерных изделий.

Известно, что под влиянием радиации, электронного и гамма-облучения и УФ-излучения происходит деструкция и сшивка полимерных макромолекул.

Известно воздействие электрического поля, температуры, рентгеновского и гамма-излучения на пропилен /Салина А.Г., Иеле И.И., Бойцов А.А., Будтов В.П. Воздействие электрического поля, температуры, рентгеновского и гамма-излучений на молекулярно-массовое распределение полипропиленового диэлектрика. Современные проблемы электрофизики ОКБ "Новик". - СПб, 1992, с.136-146/. Показано, что действие электрического поля приводит к деструкции макромолекул, увеличивающейся с повышением напряженности электрического поля.

Ближайшим аналогом является устройство для получения сшивающегося гранулированного кабельного полиэтилена под действием электрического газового разряда /патент РФ №2250912 C08J 3/28, C08L 23/06, 2005 г./. Устройство состоит из цилиндра из кварцевого стекла, металлического высоковольтного электрода, металлического заземляемого шнека для перемешивания облучаемых гранул и ИВН-источник высокого переменного напряжения. Гранулированный полиэтилен помещают в стеклянный реактор, на внешнюю стенку которого нанесен проводящий металлический электрод, на который в дальнейшем будет подаваться высокое переменное напряжение. В центральной части стеклянного реактора располагается заземленный металлический шнек, служащий в качестве второго заземленного электрода. Высокое переменное напряжение 40 кВ прикладывается к высоковольтному электроду.

Недостатком устройства является то, что большая толщина образца и близость положения коронирующих электродов к поверхности образца затрудняют возможность использования устройства для обработки гранулированных полимеров в кабельной промышленности. Кроме того, устройство не вызывает сшивания полимерного кабельного изоляционного материала.

Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства, позволяющего сшивать кабельный полиэтилен и полипропилен достаточно простым, безопасным промышленно-применимым способом.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для сшивания полиэтиленовой, поливинилхлоридной и полипропиленовой кабельной изоляции с помощью электрического газового барьерного разряда, включающем газовый реактор в виде кварцевой трубы, на внешней стороне которой размещены высоковольтные электроды, газовый реактор выполнен в виде секций, включенных последовательно, к которым через трансформатор подключен преобразователь частоты, а в устройство дополнительно введен формирователь газовой среды в реакторе.

Процесс сшивания ПЭ, ПВХ и ПП кабельной изоляции происходит в реакторе барьерного газового разряда под действием ультрафиолетового излучения барьерного газового разряда. Устройство позволяет выполнять обработку кабельной полиэтиленовой, полипропиленовой и ПВХ изоляции путем воздействия ультрафиолетового излучения электрического газового барьерного разряда, включает подачу переменного высокого напряжения на высоковольтный электрод, содержащий ограничительную высокоомную диэлектрическую прокладку из кварцевого стекла (диэлектрический барьер). Сшивание полиэтилена и полипропилена производят за счет их облучения УФ-излучением барьерного газового разряда в газоразрядном вулканизаторе в инертной газовой среде (азот, аргон или гелий) при давлении газа 10 атм.

Блок-схема газоразрядной вулканизационной установки представлена на фиг.1. Установка состоит из преобразователя частоты (50, 150 и 300 Гц) 1; высоковольтного транс-форматора 2; газоразрядного реактора 3; фотоэлектронного умножителя с блоком индикации 4, 5; поляризационного индикатора степени сшивки и ее однородности 6 и формирователя поддержания давления газовой среды в реакторе 7.

Использование фотоумножителя с блоком индикации позволяет осуществлять оперативный контроль за процессом газоразрядной вулканизации - регистрировать начальное напряжение зажигания барьерного разряда и определять интенсивность УФ-излучения в реакторе установки.

На фиг.2 представлена блок-схема одной секции газового реактора вулканизатора для сшивания полимерной кабельной изоляции с помощью электрического газового барьерного разряда: где 8 - токопроводящая жила; 9 - полимерная изоляция ТПЖ; 3 - кварцевая труба с пустотами 10 - уплотняющие сальники; 11 - высоковольтный электрод; 12 - компрессионные газовые камеры; 13 - защитный изолирующий кожух с УФ-отражателем.

Каждая секция газового реактора представляет собой тонкостенную кварцевую трубку 3 (толщиной 3 мм), хорошо пропускающую УФ-излучение электрического барьерного разряда. Высоковольтный барьерный разряд УФ-излучения возникает в газовом промежутке между высоковольтными электродами 11 и токопроводящей жилой кабеля 8. Постоянное давление газа в реакторе создается с помощью формирователя поддержания давления газовой среды в реакторе 7, включающего газовые баллоны, компрессор и вакуумный насос, и поддерживается уплотняющими резиновыми сальниками 10.

Устройство работает следующим образом.

В зависимости от толщины кабеля используют газовый реактор многосекционного типа, каждая секция которого состоит из стеклянной кварцевой трубы переменного диаметра, установленных последовательно, через которые протягивается токопроводящая жила кабеля 8 с наложенной экструзионным способом ПЭ или ПП кабельной изоляцией. В трубу каждого реактора 3 подается сжатый инертный газ (азот или аргон) из газового баллона под давлением 10 атм. На внешней стенке кварцевой трубы крепятся проводящие металлические электроды 11, на которые подается высокое переменное напряжение (10-70 кВ) промышленной или повышенной частоты (50, 150 или 300 Гц). Центральным заземленным электродом газового реактора служит металлическая токопроводящая жила кабеля 8. Высокое переменное напряжение 10-70 кВ прикладывается к высоковольтным электродам 11. Давление газа в реакторе поддерживается с помощью двух резиновых сальников 10. В кварцевой трубе реактора имеются специально выполненные пустоты, в которые подается газ под давлением и где зажигается высоковольтный барьерный газовый разряд (источник УФ-излучения для процесса сшивания ПЭ и ПП кабельной изоляции). В целях изоляции персонала от действия высокого напряжения кварцевая труба газоразрядного реактора помещается в защитный изолирующий кожух 13 в виде толстостенной трубы из поливинилхлорида - ПВХ.

Степень сшивки полимерной изоляции и однородность сшивки контролируется поляризационным способом и определяется по формулам

где V_нвул. и V_вул. - значения электретной разности потенциалов для невулканизированной и вулканизированной полимерной изоляции; N-концентрация полярных связей; V_п - напряжение поляризации; Р - давление газовой среды; ρ - плотность полимерного материала; j - плотность тока поляризации.

Исследования влияния параметров газовой среды на процесс сшивания полимерной кабельной изоляции в барьерном газовом разряде показали существенное влияние давления газа. Было установлено, что если процесс сшивания проводится при пониженных давлениях (менее 0,5 атм), то в полимерной изоляции наблюдается интенсивное образование газовых пузырей. В газоразрядном вулканизаторе, представленном на Фиг.2, процесс вулканизации ПЭ, ПП и ПВХ изоляции возможен при изменении давления газа в пределах от 0,5 до 10 атм. При давлении газовой среды 0,5 атм процесс сшивания происходит уже при сравнительно низком напряжении на высоковольтных электродах 9 (напряжение начала вулканизации 5 кВ). Однако в этом случае, как показали измерения, выполненные с помощью оптического микроскопа-МИН-8 (увеличение 800), в изоляции образуются пузыри газа, которые снижают качество полимерной изоляции.

Увеличение давления газовой среды в реакторе до 1 атм приводит к тому, что процесс вулканизации кабельной изоляции в этом случае начинается при более высоком значении рабочего напряжения источника 10 кВ. Однако в этом случае количество газовых пузырей в изоляции становится значительно меньше. Исследования процесса вулканизации при повышенных давлениях показали, что при давлении газа в реакторе 10 атм в полимерной ПЭ, ПП и ПВХ изоляции уже практически не наблюдается газовых пузырей. По этой причине давление инертной газовой среды (Ar, N₂, He) может считаться оптимальным давлением для сшивания полимерной кабельной изоляции с помощью электрического газового барьерного разряда.

На фиг.3 представлены результаты определения поляризуемости V_э=f(t) ПЭ, ПВХ, ПП кабельной изоляции разной толщины h в зависимости от времени вулканизации t_o6p в электрическом барьерном газовом разряде (V=30 кВ, Р 1 атм). Кривая 1 - h=120 мкм; кривая 2 - h=240 мкм; кривая 3 - h=360 мкм. Из фиг.3 видно, что с увеличением толщины увеличивается и время вулканизации полимерной изоляции в барьерном разряде.

Данное устройство позволяет производить сшивание кабельного полиэтилена и полипропилена достаточно простым, безопасным промышленно-применимым способом.

Изобретение может быть использовано в кабельной промышленности и при производстве полимерных изделий. Устройство состоит из преобразователя частоты, высоковольтного трансформатора, газоразрядного реактора, фотоэлектронного умножителя с блоком индикации, поляризационного индикатора степени сшивки и ее однородности и устройства для формирования и поддержания давления газовой среды в реакторе. В зависимости от толщины кабеля используют газовый реактор многосекционного типа, каждая секция которого состоит из стеклянной кварцевой трубы переменного диаметра, установленных последовательно, через которые протягивается токопроводящая жила кабеля с наложенной экструзионным способом кабельной изоляцией. В трубу каждого реактора подается сжатый инертный газ (азот или аргон) из газового баллона под давлением 10 атм. На внешней стенке кварцевой трубы крепятся проводящие металлические электроды, на которые подается высокое переменное напряжение (10÷70 кВ) промышленной или повышенной частоты (50, 150 или 300 Гц). Центральным заземленным электродом газового реактора служит металлическая токопроводящая жила кабеля. Технический результат - упрощение и повышение безопасности сшивания кабельного полиэтилена и полипропилена промышленным способом. 3 ил.

Устройство для сшивания кабельной изоляции с помощью электрического газового барьерного разряда, включающее газовый реактор в виде кварцевой трубы, на внешней стороне которой размещены высоковольтные электроды, отличающееся тем, что газовый реактор выполнен в виде секций, включенных последовательно, к которым через трансформатор подключен преобразователь частоты, а в устройство для сшивания дополнительно введен формирователь газовой среды в реакторе.