СИММЕТРИЧНЫЙ ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ГЕРМЕТИЧНЫЙ КАБЕЛЬ ПОНИЖЕННОЙ ПОЖАРООПАСНОСТИ Российский патент 2020 года по МПК H01B11/02 

Изобретение относится к электротехнической промышленности, а именно к симметричным высокочастотным герметичным кабелям пониженной пожароопасности. Симметричный высокочастотный герметичный кабель предназначен для организации линий передачи цифровых сигналов в системах связи и управления автоматизированными процессами на судах, на объектах, требующих повышенной герметичности и защиты от проникновения воды через кабель. Ввиду специфики эксплуатации заявленного кабеля на судах, на ряду с требованием к герметичности, его конструкция также должна иметь пониженную пожароопасность и стабильность электрических параметров при воздействии внешних факторов.

Известен симметричный высокочастотный герметичный кабель, содержащий последовательно расположенные сердечник, включающий скрученные пары изолированных полиэтиленом токопроводящих жил и герметизирующий заполнитель на основе низкомолекулярного каучука, а также общий металлический экран и защитную оболочку (RU 2284594, 27.09.2006, прототип, [1]). Известный кабель имеет основные электрические характеристики (переходное затухание, коэффициент затухания, волновое сопротивление), удовлетворяющие потребителя. При этом указанная конструкция имеет показатель дымообразования при горении и тлении ПД2 по ГОСТ 31565 (снижение светопроницаемости 40-50%) и предел распространения горения при групповой прокладке ПРГП 4 по ГОСТ 31565 (категория D, 0.5 л/м), что отвечает стандартным требованиям. Однако в соответствии с требованиями к пожарной безопасности, с учетом характеристик известного кабеля, установлено существенное ограничение на допустимый объем прокладывания такого кабеля в одном помещении.

Задача, на решение которой направлено изобретение, - создание симметричного высокочастотного герметичного кабеля, предназначенного для эксплуатации на судах и обеспечивающего улучшенные показатели пожарной опасности и стойкости к воздействию внешних факторов.

Технические результаты, обеспечиваемые заявленным изобретением, заключаются в снижении коэффициента затухания сигнала, при радиальном внешнем давлении на кабель не более 6МПА, снижении показателя дымообразования при горении и тлении, а также в снижении распространения горения при групповой прокладке кабелей с сохранением показателя герметичности.

Обеспечение заявленных технических результатов обеспечивает высокочастотный симметричный герметичный кабель, включающий сердечник, состоящий, по меньшей мере, из одной пары скрученных между собой изолированных токопроводящих жил и заполненный герметизирующим заполнителем на основе низкомолекулярного каучука, при этом сердечник заключен в общий металлический экран, а также внешнюю защитную оболочку, характеризующийся тем, что герметизирующий заполнитель кабеля образован композицией из низкомолекулярного каучука СКТН - 100 мас. ч., катализатора 3-5 мас. ч. и смеси минеральных антипиренов 30-100 мас. ч.

Согласно заявленному изобретению, между металлическим экраном и внешней защитной оболочкой также введен герметизирующий заполнитель.

Согласно заявленному изобретению, смесь минеральных антипиренов состоит, по меньшей мере, из двух компонентов ряда: тригидрата окиси алюминия, гидроксида магния, гидратированного основного карбоната магния (минерал гидромагнезит) и/или мелкодисперсно измельченного очищенного минерала хантит.

Согласно заявленному изобретению, катализатор состоит из 7 мас. % γ-аминопропилтриэтоксисилана и 93 мас. % этил силиката.

Согласно заявленному изобретению, сердечник состоит из четырех скрученных между собой пар изолированных токопроводящих жил, при этом в центре между скрученными парами расположен разделитель в виде крестообразного сепаратора.

Изобретение поясняется чертежом, на котором заявленный кабель представлен в поперечном сечении. Кабель содержит пары скрученных изолированных токопроводящих жил 1, герметизирующий заполнитель 2, металлический экран 3 и внешнюю защитную оболочку 4. Токопроводящие жилы могут быть однопроволочными или многопроволочными. Изоляция жил выполнена из полиэтилена. Металлический экран 3 из алюминиевой или медной фольги, ламинированной полимерной пленкой, либо в виде оплетки из медных проволок. Внешняя защитная оболочка 4 может быть выполнена из поливинилхлоридного пластиката или полиэтилена либо другого полимерного материала, обеспечивающего защиту кабеля от внешних воздействий. Между четырьмя скрученными парами изолированных токопроводящих жил может быть расположен разделитель в виде крестообразного сепаратора (не показан).

Так как заявленный кабель предназначен для эксплуатации в условиях повышенной влажности, в частности, на судах, где возможно затопление отсеков, прежде всего, необходимо обеспечить его герметичность посредством введения внутрь сердечника герметизирующего заполнителя.

Герметизирующий заполнитель в той или иной степени влияет на все основные характеристики кабелей. Причем это влияние зависит как от составляющих используемой композиции, образующей герметизирующий заполнитель, так и от ее физического состояния. А поскольку объем герметизирующего заполнителя в кабеле достаточно значительный и составляет от 30% до 45% от объема кабеля (в зависимости от количества пар) - его свойства сильно влияют и на показатели пожарной опасности кабеля, а также электрические параметры. В прототипе [1], как и в рассматриваемом изобретении, в качестве герметизирующего заполнителя использован компаунд на основе кремнийорганического каучука. Известно, что компаунды на основе кремнийорганического каучука, как композиции, не содержащие растворителя, находящиеся в момент их применения при нормальной или повышенной температуре в жидком состоянии и твердеющие после их применения в результате охлаждения или происходящих химических процессов, обеспечивают наилучшую герметизацию кабеля. Кроме того, компаунд на основе низкомолекулярного кремнийорганического каучука СКТН обладает дополнительным рядом преимуществ. К ним относятся: нагревостойкость, высокие электроизоляционные свойства, сохраняющиеся до 260°С, низкое влагопоглощение, технологичность, малая токсичность.

Кремнийорганические каучуковые компаунды сохраняют эластичность и электрические свойства при температуре до минус 60°С. Отвержденные компаунды на основе низкомолекулярного кремнийорганического каучука механически прочны, имеют хорошую бензо-, масло- и водостойкость. Именно кремнийорганический компаунд типа «Виксинт ПК-68» (ТУ 38.103508-81) был использован в составе кабеля-прототипа и взят за основу при разработке изобретения. Указанный компаунд содержит: низкомолекулярный каучук СКТН - 100 мас. ч. и катализатор в количестве от 3 до 5 мас. ч., который состоит из γ-аминопропилтриэтоксисилана - 7 мас. % и этилсиликата - 93 мас. %. При этом количество катализатора, взятое в указанном диапазоне от 3 до 5 мас. ч., как следует из указанных ТУЗ8.103508-81, не влияет на характеристики компаунда. Следовательно, количество катализатора, взятое в указанном диапазоне, не влияет на параметры кабеля (что было подтверждено экспериментальными данными). Однако, кабель-прототип не обладает высокими свойствами пониженной пожароопасности. Для улучшения свойств пожарной опасности были подобраны смеси антипиренов и их необходимое количество, добавляемое в компаунд.

Для производства герметизирующего заполнителя в заявленном изобретении были использованы минеральные антипирены. Применение таких минеральных антипиренов позволяет наряду со снижением горючести материалов снижать удельную массу полимеров в изделии, что приводит к снижению выделения продуктов горения, уменьшению их токсичности и снижению оптической плотности дыма.

Принцип действия подавляющего большинства минеральных антипиренов заключается в поглощении тепла, выделяющегося при горении материала, в процессе эндотермического разложения антипирена, а также в насыщении прилегающей к материалу атмосферы продуктами собственного терморазложения, не поддерживающими горение. При подборе минеральных антипиренов принимались во внимание температурные диапазоны их разложения и температурный диапазон тепловыделения термоокислительного разложения компаунда, которые определяли методами синхронного термоанализа (СТА) при скорости нагревания 10 К/мин (температуры разложения определенные в динамическом режиме методом СТА на (20-40)°С выше, чем температуры разложения в изотермическом состоянии). Наилучшим антипиреном для решения поставленной задачи оказался тригидрат окиси алюминия - Al₂O₃⋅3H₂O, температура разложения которого находится в пределах от 195°С до 280°С ((220-330)°С по СТА). Также, по требуемым свойствам подошел минеральный антипирен -гидроксид магния (брусит) Mg(OH)₂ разлагается при температуре в приделах от 300°С до 400°С ((330-450)°С по СТА). Кроме того, как показали экспериментальные данные, для решения поставленной задачи могут быть использованы минеральные антипирены с многоступенчатым процессом разложения: гидромагнезит - Mg₄(СО_з)₃(ОН)₂⋅3H₂O разлагается при температуре (1-ая ступень в пределах от 210°С до 320°С; 2-ая ступень в пределах от 340°С до 440°С; 3-я ступень в пределах от 470°С до 510°С (по СТА (250-340), (375-450) и (510-550)°С соответственно); хантит - Mg₃Ca(СО₃)₄ (1-ая ступень в пределах от 450°С до 570°С и 2-ая ступень в пределах от 650°С до 720°С (по СТА (470-590) и (675-800)°С соответственно). Выбор и подбор соотношения и содержания антипиренов оптимизируется под материал полимерных компонентов и конструкцию кабеля.

Помимо снижения пожароопасности, применение минеральных антипиренов в составе герметизирующего заполнителя для сердечника заявленного кабеля, усилило его механические характеристики. В частности, была увеличена стойкость кабеля к радиальному давлению, повышена стабильность параметров передачи при воздействии радиального давления.

Для подтверждения заявленного технического результата были произведены измерения коэффициента затухания под влиянием радиального давления для заявленного кабеля и прототипа.

На графике 1 отражена зависимость затухания от частоты при воздействии внешнего радиального давления для прототипа и заявленного кабеля, в герметизирующий заполнитель которого введена смесь минеральных антипиренов в объеме 30 мас. ч, включающая тригидрат окиси алюминия - Al₂O₃⋅3H₂O и гидроксида магния Mg(OH)₂ в соотношении (1/3).

В таблице 1 представлены результаты измерений, отражающие изменение зависимости затухания кабеля от частоты при воздействии внешнего радиального давления 6МПА в отношении прототипа и заявленного кабеля, в герметизирующий заполнитель которого введена смесь минеральных антипиренов в объеме 30 мас. ч., включающая тригидрат окиси алюминия - Al₂O₃⋅3H₂O и гидроксида магния Mg(OH)₂ в соотношении (1/3).

На графике 2 отражена зависимость затухания от частоты при воздействии внешнего радиального давления для прототипа и заявленного кабеля, в герметизирующий заполнитель которого введена смесь минеральных антипиренов в объеме 65 мас. ч., включающая тригидрат окиси алюминия - Al₂O₃⋅3H₂O и гидроксида магния Mg(OH)₂ в соотношении (1/3).

В таблице 2 представлены результаты измерений, отражающие изменение зависимости затухания кабеля от частоты при воздействии внешнего радиального давления 6МПа в отношении прототипа и заявленного кабеля, в герметизирующий заполнитель которого введена смесь минеральных антипиренов в объеме 65 мас. ч., включающая тригидрат окиси алюминия - Al₂O₃⋅3H₂O и гидроксида магния Mg(OH)₂ в соотношении (1/3).

На графике 3 отражена зависимость затухания от частоты при воздействии внешнего радиального давления для прототипа и заявленного кабеля, в герметизирующий заполнитель которого введена смесь минеральных антипиренов в объеме 100 мас. ч., включающая тригидрат окиси алюминия - Al₂O₃⋅3H₂O и гидроксида магния Mg(OH)₂ в соотношении (1/3).

В таблице 3 представлены результаты измерений, отражающие изменение зависимости затухания кабеля от частоты при воздействии внешнего радиального давления 6МПа в отношении прототипа и заявленного кабеля, в герметизирующий заполнитель которого введена смесь минеральных антипиренов в объеме 100 мас. ч., включающая тригидрат окиси алюминия - Al₂O₃⋅3H₂O и гидроксида магния Mg(OH)₂ в соотношении (1/3).

Таким образом в результате экспериментальных измерений было подтверждено увеличение стойкости заявленного кабеля к радиальному давлению, а также повышение стабильности параметров передачи при воздействии радиального давления. Кроме того, введение в герметизирующий компаунд сердечника порошкообразных антипиренов повышает механическую прочность герметизирующегося заполнителя, армирует его по объему и способствует сопротивляемости внешним деформациям.

Минеральные антипирены в составе герметизирующего заполнителя, также позволили улучшить показатели пожарной опасности кабеля: показатель дымообразования при горении и тлении ПД1 по ГОСТ 31565 (снижение светопроницаемости ≤40%), предел распространения горения при групповой прокладке ПРГП 16 по ГОСТ 31565 (категория А, 7 л/м).

Для подтверждения дополнительного технического результата были произведены измерения показателей дымообразования при горении и тлении, а также предел распространения горения при групповой прокладке для заявленного кабеля и прототипа.

Ниже представлена таблица 4, отражающая результаты измерений в отношении прототипа и трех образцов заявленного кабеля, в герметизирующий заполнитель которых введена смесь минеральных антипиренов в разных объемах, а именно 30 мас. ч., 65 мас. ч., и 100 мас. ч. Смесь минеральных антипиренов, используемая в образцах заявленного кабеля включает тригидрат окиси алюминия - Al₂O₃⋅3H₂O и гидроксида магния Mg(OH)₂ в соотношении (1/3).

Из вышесказанного можно сделать вывод, что рассматриваемое изобретение обеспечивает получение нескольких технических результатов: хорошую герметизацию в результате заполнения всех воздушных промежутков герметизирующим заполнителем, улучшение электрических характеристик при воздействии гидростатического давления: низкого уровня коэффициента затухания и высокого значения переходного затухания на ближнем конце во всем диапазоне рабочих частот, снижение показателя дымообразования при горении и тлении ПД1 по ГОСТ 31565 (снижение светопроницаемости ≤40%), снижение распространения горения при групповой прокладке ПРГП П1б по ГОСТ 31565 (категория А, 7 л/м). Такие значения показателей пожарной опасности позволяют прокладывать большее количество кабелей в том же объеме помещений, относительно кабеля прототипа.

Практическая реализация изобретения при производстве предполагает нанесение компаунда на сердечник, для чего его пропускают через емкость с компаундом.

Проведенные испытания подтвердили, что выявленная ранее совокупность существенных признаков является достаточной для решения поставленной задачи с достижением технических результатов - получения герметичного кабеля с улучшенными показателями пожарной опасности и стойкости к внешнему давлению при улучшении его электрических параметров.

Изобретение относится к симметричным высокочастотным герметичным кабелям пониженной пожароопасности для передачи данных, используемым в судостроении, в частности, на подводных судах. Высокочастотный симметричный герметичный кабель включает сердечник, состоящий по меньшей мере из одной пары скрученных между собой изолированных токопроводящих жил и заполненный герметизирующим заполнителем на основе низкомолекулярного каучука. Сердечник заключен в общий металлический экран, а также внешнюю защитную оболочку. При этом герметизирующий заполнитель образован композицией из низкомолекулярного каучука СКТН 100 мас.ч., катализатора 3-5 мас.ч. и смеси минеральных антипиренов 30-100 мас.ч. Изобретение обеспечивает снижение пожароопасности кабеля по следующим параметрам: нераспространение горения при групповой прокладке, дымообразование при горении и тлении. При этом повышается стойкость кабеля к радиальным нагрузкам и, как следствие, стабильность частотных характеристик кабеля при воздействии внешнего радиального давления. 4 з.п. ф-лы, 1 ил., 4 табл., 3 графика.

1. Высокочастотный симметричный герметичный кабель, включающий сердечник, состоящий по меньшей мере из одной пары скрученных между собой изолированных токопроводящих жил и заполненный герметизирующим заполнителем на основе низкомолекулярного каучука, при этом сердечник заключен в общий металлический экран, а также внешнюю защитную оболочку, отличающийся тем, что герметизирующий заполнитель образован композицией из низкомолекулярного каучука СКТН 100 мас. ч., катализатора 3-5 мас. ч. и смеси минеральных антипиренов 30-100 мас. ч.

2. Высокочастотный симметричный герметичный кабель по п. 1, отличающийся тем, что между металлическим экраном и внешней защитной оболочкой также введен герметизирующий заполнитель.

3. Высокочастотный симметричный герметичный кабель по п. 1, отличающийся тем, что смесь минеральных антипиренов состоит по меньшей мере из двух компонентов ряда: тригидрата окиси алюминия, гидроксида магния, гидратированного основного карбоната магния (минерал гидромагнезит) и/или мелкодисперсно измельченного очищенного минерала хантит.

4. Высокочастотный симметричный герметичный кабель по п. 1, отличающийся тем, что катализатор состоит из 7 мас. % γ-аминопропилтриэтоксисилана и 93 мас. % этилсиликата.

5. Высокочастотный симметричный герметичный кабель по п. 1, отличающийся тем, что сердечник состоит из четырех скрученных между собой пар токопроводящих жил, при этом между скрученными парами расположен разделитель в виде крестообразного сепаратора.