Легкий и гибкий ударопрочный силовой кабель и способ его производства
Настоящее изобретение относится к ударопрочному многожильному силовому кабелю (10) для передачи или распределения электроэнергии низкого, среднего или высокого напряжения, содержащему множество жил (1), причем каждая жила содержит по меньшей мере один проводящий элемент (3) и электроизоляционный слой (5) в положении, радиально внешнем относительно упомянутого по меньшей мере одного проводящего элемента (3). Жилы (1) являются скрученными вместе для того, чтобы сформировать собранный элемент, обеспечивающий множество промежуточных зон (2). Вспененный полимерный заполнитель (6) заполняет промежуточные зоны (2) между множеством жил (1). Вспененный ударопрочный слой (7) находится в положении, радиально внешнем к вспененному полимерному заполнителю (6), и содержит полимер, который отличается от вспененного полимерного заполнителя (6). Изобретение обеспечивает создание кабеля гибкого, легкого, сохраняющего ударопрочность, огнестойкость и химическую стойкость. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 3 табл., 2 ил.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
1. ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0001] Настоящее изобретение относится к многожильным силовым кабелям, в частности к кабелям для передачи или распределения электроэнергии низкого, среднего или высокого напряжения, имеющим ударопрочные свойства, а также к способу их производства.
[0002] Более конкретно настоящее изобретение относится к ударопрочным многожильным силовым кабелям, содержащим множество жил, скрученных для того, чтобы сформировать собранный элемент с промежуточными зонами между жилами; вспененный полимерный заполнитель, который заполняет промежуточные зоны, и ударопрочный вспененный полимерный слой, радиально внешний по отношению к вспененному полимерному заполнителю и находящийся с ним в контакте.
2. УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0003] В рамках настоящего изобретения термин «низкое напряжение» обычно означает напряжение меньше чем приблизительно 1 кВ, «среднее напряжение» означает напряжение между 1 кВ и 35 кВ, «высокое напряжение» означает напряжение, большее чем 35 кВ.
[0004] Электрические кабели обычно содержат один или более проводников, индивидуально покрытых изоляцией и, опционально, полупроводящими полимерными материалами, а также одним или более слоями защитного покрытия, которые также могут быть сделаны из полимерных материалов.
[0005] Случайные удары по кабелю, которые могут происходить, например, во время его транспортировки, укладки и эксплуатации, могут вызвать структурное повреждение кабеля, включая деформацию или отщепление изоляции и/или полупроводящих слоев и т.п. Это повреждение может вызвать изменения в электрическом градиенте изоляционного покрытия с последующим уменьшением изолирующей способности этого покрытия.
[0006] Коммерчески доступные кабели, например кабели для передачи или распределения электроэнергии низкого, среднего или высокого напряжения, предусматривают металлическую броню или экран, способный выдерживать такие удары. Эта броня/экран может иметь форму лент или проволоки (обычно сделанных из стали) или альтернативно форму металлической оболочки (обычно сделанной из свинца или алюминия). Эта броня с клейким покрытием или без него, в свою очередь, часто является покрытой внешней полимерной оболочкой. Пример такой кабельной структуры описывается в патенте США № 5153381.
[0007] Заявители наблюдали, что присутствие вышеупомянутой металлической брони или экрана, однако, имеет некоторое количество недостатков. Например, применение упомянутой брони/экрана добавляет одну или более дополнительных фаз в обработку кабеля. Более того присутствие металлической брони значительно увеличивает вес кабеля. В дополнение к этому, металлическая броня/экран может создать экологические проблемы, поскольку такой кабель сложно утилизировать в случае его замены.
[0008] Для того чтобы сделать кабель более легким и гибким, вспененные полимерные материалы заменили металлическую броню/экраны, сохраняя при этом ударопрочность и, по меньшей мере до некоторой степени, огнестойкость и химическую стойкость. Например, твердый заполнитель промежутков, покрытый вспененным полимерным слоем, может обеспечить превосходную ударную вязкость, например, как описано в патенте США № 7601915. Однако при этом приносятся в жертву гибкость и вес кабеля.
[0009] Альтернативно, вспененный полимерный материал может заполнять промежуточный объем между и поверх жил, присутствующих во внутренней структуре кабеля. Патент США № 6501027 описывает силовой кабель, содержащий вспененный полимерный заполнитель в промежуточном объеме между жилами с внешним защитным покрытием. Вспененный полимерный заполнитель получается из полимерного материала, который имеет перед вспениванием модуль упругости при изгибе выше чем 200 МПа. Полимер обычно вспенивается во время фазы экструдирования; это вспенивание может осуществляться либо химически, посредством соединения, способного к образованию газа, либо может осуществляться физически, посредством введения газа под высоким давлением непосредственно в цилиндр экструдирования. Внешняя оболочка, которая является невспененным полимерным слоем, впоследствии экструдируется поверх вспененного полимерного заполнителя.
[0010] Патент США № 7132604 описывает кабель с уменьшенным весом и уменьшенным количеством экструдированного материала для внешней оболочки, содержащий заполнитель из полимерного материала и вспененный материал оболочки, окружающий заполнитель. Вспененный материал оболочки может быть любым материалом, который имеет прочность при растяжении от 10,0 МПа до 50,0 МПа. Коэффициент расширения материала оболочки может составлять от 5% до 50%. Материал заполнителя может представлять собой материал на основе поливинилхлорида, резины, EPDM (этилен-пропиленового терполимера) или POE (полиолефинового эластомера). Заполнитель может быть сделан из вспененного материала. Коэффициент расширения заполнителя может составлять от 10% до 80%.
[0011] Патент США № 7465880 описывает, что применение растяжимого полимерного материала к промежуточным зонам многожильного кабеля является сложной операцией, которая требует особой заботы. Неправильное применение такого материала внутри промежуточных зон собранного элемента будет приводить к возникновению недопустимых структурных нерегулярностей кабеля. Полимерный материал, который применяется к промежуточным зонам путем экструдирования, расширяется больше в той части промежуточной зоны, которая имеет наибольшее пространство, доступное для расширения, и получаемое поперечное сечение полуобработанного кабеля имеет профиль внешнего периметра, который является, по существу, трехдольным.
[0012] Для того чтобы преодолеть неравномерное и некруглое расширение полимерного заполнителя, патент США № 7465880 предлагает осаждать заполнитель, сделанный из растяжимого полимерного материала, совместной экструзией с герметическим слоем невспененного полимерного материала. Оптимальная механическая прочность против случайных ударов придается кабелю в соответствии с патентом США № 7465880 путем расположения слоя вспененного полимерного материала в положении, радиально внешнем к герметическому слою.
[0013] Патентная заявка США № 2010/0252299 описывает кабель, содержащий проводящую жилу, заполнитель из полимерного материала и слой брони. Пенообразователь может быть выполнен с возможностью создания пустот в заполнителе. После экструдирования на проводящую жилу заполнитель может испытывать уплотняющее усилие, прикладываемое к его поверхности броней. Броня выполнена с возможностью сжатия пустот в заполнителе.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0014] Заявители осознали потребность в легком и гибком многожильном силовом кабеле, в частности в огнестойком многожильном силовом кабеле с подходящей ударной вязкостью, но при этом без герметического слоя. Использование герметического слоя может дополнительно требовать дополнительного вспененного полимерного слоя для обеспечения желаемой ударной вязкости, увеличивая таким образом стоимость, сложность и размеры получаемого кабеля.
[0015] Однако заявители столкнулись с проблемой производства кабеля, имеющего вспененный полимерный заполнитель для промежутков и вспененный ударопрочный слой, радиально внешний по отношению к вспененному полимерному заполнителю и находящийся с ним в контакте. В частности, заявители столкнулись с проблемами при совместной экструзии этих двух вспененных кабельных частей, которые заключались в том, что расширение полимерного заполнителя для промежутков должно было быть настолько однородным, насколько это возможно, для того, чтобы избежать неровностей формы и поверхности, которым не может противодействовать ударопрочный слой, который не мог играть роль герметического слоя, поскольку он является вспененным.
[0016] Полимерная композиция заполнителя для промежутков должна отличаться от полимерной композиции ударопрочного слоя. В то время как обе структуры должны обеспечивать значительное механическое сопротивление, заполнитель для промежутков играет главную роль в обеспечении гибкости для кабеля; соответственно его полимерная композиция должна быть менее жесткой, чем полимерная композиция ударопрочного слоя, который должен выдерживать большое напряжение в случае механического удара. В дополнение к этому, когда эти два слоя делаются из одного и того же материала, на границе между ними возникают проблемы из-за нежелательного соединения между слоями.
[0017] Заявители нашли, что с помощью подходящего выбора вспениваемых полимерных материалов заполнитель для промежутков между и поверх жильных элементов может соэкструдироваться вместе с ударопрочным слоем, сохраняя при этом концентричность кабеля и ударную вязкость при вспенивании.
[0018] Таким образом, один аспект настоящего изобретения предлагает ударопрочный многожильный силовой кабель, содержащий:
a) множество жил, каждая из которых содержит по меньшей мере один проводящий элемент и электроизоляционный слой в положении, радиально внешнем относительно по меньшей мере одного проводящего элемента, причем жилы являются скрученными вместе так, чтобы формировать собранный элемент, обеспечивающий множество промежуточных зон;
b) вспененный полимерный заполнитель, заполняющий промежуточные зоны и содержащий полимер с твердостью по Шору D в пределах от 30 до 70, модулем упругости при изгибе от 50 МПа до 1500 МПа при температуре 23°C и LOI от 27% до 95% перед вспениванием;
c) ударопрочный слой в положении, радиально внешнем по отношению к вспененному полимерному заполнителю, и находящийся с ним в контакте, причем этот слой содержит вспененный полимер, который отличается от полимера заполнителя и имеет перед вспениванием модуль упругости при изгибе больше, чем модуль упругости при изгибе полимера для заполнителя; и
d) твердую полимерную оболочку, окружающую ударопрочный слой.
[0019] В другом аспекте настоящее изобретение предлагает способ производства ударопрочного многожильного силового кабеля, содержащего множество жил, каждая из которых содержит по меньшей мере один проводящий элемент и электроизоляционный слой в положении, радиально внешнем относительно по меньшей мере одного проводящего элемента, причем жилы являются скрученными вместе так, чтобы формировать собранный элемент, обеспечивающий множество промежуточных зон; вспененный полимерный заполнитель, заполняющий промежуточные зоны; ударопрочный слой в положении, радиально внешнем по отношению к вспененному полимерному заполнителю, и находящийся с ним в контакте; а также твердую полимерную оболочку, окружающую ударопрочный слой, причем обработка содержит:
a) обеспечение для экструдера первого полимерного материала с твердостью по Шору D в пределах от 30 до 70, модулем упругости при изгибе от 50 МПа до 1500 МПа при температуре 23°C, и LOI от 27% до 95% для производства вспененного полимерного заполнителя;
b) обеспечение для экструдера второго полимерного материала для производства ударопрочного слоя с модулем упругости при изгибе большим, чем у первого полимерного материала;
c) добавление пенообразователя к первому и второму полимерным материалам, причем пенообразователь по меньшей мере для первого полимера содержит термически расширяемые микросферы;
d) стимуляцию пенообразователя первого и второго полимерных материалов для вспенивания соответствующего полимера;
e) соэкструдирование вспененных первого и второго полимерных материалов для формирования полимерного заполнителя, заполняющего промежуточные зоны, и ударопрочного слоя; и
f) экструдирование твердой полимерной оболочки вокруг ударопрочного слоя.
[0020] Было найдено, что балансировка свойств твердости по Шору D, модуля упругости при изгибе и LOI для полимера вспененного полимерного заполнителя является эффективной для обеспечения кабеля выгодными свойствами. Более высокие значения твердости по Шору D и модуля упругости при изгибе улучшают ударную вязкость кабеля в целом. Однако, если ударная вязкость будет слишком высокой, то кабель будет слишком жестким, не столь гибким, как желательно. За счет вспенивания полимера кабель становится более гибким. Используемые в настоящем документе и в формуле изобретения твердость по Шору D, модуль упругости при изгибе и LOI относятся к свойствам полимера перед его вспениванием. Используемый в настоящем документе термин «LOI», если не указано иное, относится к предельному кислородному индексу, то есть к минимальной концентрации кислорода в процентах, которая будет поддерживать горение полимера. Используемые в настоящем документе и в формуле изобретения твердость по Шору D, модуль упругости при изгибе и LOI относятся к свойствам, определяемым стандартами ASTM D2240, ASTM D790 и ASTM D2863 соответственно.
[0021] Используемый в настоящем документе термин «промежуточная зона» обозначает объем, заключенный между двух скрученных жил и цилиндром, окружающим скрученные жилы.
[0022] Используемый в настоящем документе термин «ударопрочный слой» означает слой кабеля, обеспечивающий кабелю способность получать нулевой или незначительный ущерб при ударе так, чтобы характеристики кабеля не нарушались или не ухудшались.
[0023] Заявители обнаружили, что при использовании термически расширяемых микросфер в качестве пенообразователя по меньшей мере для полимерного заполнителя для промежутков заполнитель может соэкструдироваться вместе со вспениваемым полимерным слоем, сохраняя его концентричность и ударную вязкость при вспенивании.
[0024] Таким образом, в одном варианте осуществления по меньшей мере полимерный заполнитель для промежутков содержит вспененные микросферы. В еще одном варианте осуществления пенообразователь, добавляемый ко второму полимерному материалу, содержит термически расширяемые микросферы, и ударопрочный слой кабеля также содержит вспененные микросферы. Использование микросфер обеспечивает лучшее управление расширением и, как следствие, лучшую округлость конечного кабеля.
[0025] Предпочтительно полимерный материал для заполнителя промежуточных зон (первый полимерный материал) выбирается из поливинилхлорида (PVC), поливинилиденфторида (PVDF), термопластических вулканизатов (TPV), огнестойкого полипропилена и термопластических олефинов (TPO). Термопластические олефины, подходящие для настоящего изобретения, включают в себя, не ограничиваясь этим, низкокристаллический полипропилен (имеющий энтальпию плавления ниже чем 40 Дж/г) и альфа-олефиновый полимер. В одном варианте осуществления полимерный материал для заполнителя промежуточных зон выбирается из поливинилхлорида и поливинилиденфторида.
[0026] Используемый в настоящем документе термин «термопластические вулканизаты» или TPV, если не указано иное, относится к классу термопластичных эластомеров (TPE), которые содержат сшитую резиновую фазу, диспергированную внутри термопластической полимерной фазы. В одном варианте осуществления термопластические вулканизаты, подходящие для заполнителя кабеля по настоящему изобретению, содержат от 10 мас.% до 60 мас.% сшитой резиновой фазы по массе полимера.
[0027] Используемый в настоящем документе термин «термопластичный эластомер» или TPE, если не указано иное, относится к классу сополимеров или физической смеси полимеров (обычно пластмассы и резины), которые состоят из материалов как с термопластическими, так и с эластомерными свойствами.
[0028] Полимерный материал заполнителя промежутков может достигать степени расширения 15-200%, например 25-100%. Ограниченная степень расширения полимерного материала заполнителя промежутков способствует сохранению округлости кабеля, одновременно с этим обеспечивая кабель искомой гибкостью и уменьшенным весом.
[0029] В одном варианте осуществления вспененный полимерный материал заполнителя промежутков проходит за множество жил и промежуточных зон и перекрывает их, так что круглое кольцо окружает множество жил и промежуточных зон. Это расширение промежуточного заполнителя вокруг жил (также называемое кольцевым слоем) может иметь толщину от приблизительно 1 мм до приблизительно 6 мм. Большая толщина этого круглого кольца может быть предусмотрена в зависимости от размера кабеля.
[0030] Предпочтительно полимерный материал для ударопрочного слоя (второй полимерный материал) выбирается из поливинилиденфторида (PVDF), огнестойкого полипропилена (PP) и полиэтилена (PE). В одном варианте осуществления полимерный материал для ударопрочного слоя выбирается из поливинилиденфторида и полипропилена. В частности, PVC и PVDF являются огнестойкими полимерами. Полипропилену и полиэтилену огнестойкие свойства придаются путем добавления органических огнезащитных соединений, например бромированных огнезащитных веществ, таких как декабромдифениловый эфир, пропилендибромстирол, гексабромциклододекан или тетрабромбисфенол A.
[0031] По меньшей мере в одном варианте осуществления одна или более нитей для снятия оболочки располагаются в промежуточных зонах. Одна или более нитей для снятия оболочки могут быть сделаны из материала, выбираемого из, например, стеклянных и арамидных нитей.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0032] Более подробная информация будет проиллюстрирована в следующих прилагаемых чертежах, в которых:
[0033] Фиг. 1 показывает в поперечном сечении один вариант осуществления кабеля в соответствии с настоящим изобретением;
[0034] Фиг. 2 показывает в поперечном сечении другой вариант осуществления кабеля в соответствии с настоящим изобретением.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0035] Силовые кабели по настоящему изобретению являются многожильными кабелями. Для целей настоящего изобретения термин «многожильный кабель» означает кабель, снабженный по меньшей мере парой «жил». Например, если многожильный кабель имеет три жилы, такой кабель известен как «трехжильный кабель».
[0036] Используемый в настоящем документе термин «жила», если не указано иное, относится к проводящему элементу (обычно сделанному из меди или алюминия в форме проволоки или стержня), электрической изоляции и, опционально, по меньшей мере одному полупроводящему слою, обычно предусматриваемому в радиально внешнем положении относительно слоя электрической изоляции. Второй (внутренний) полупроводящий слой может присутствовать и обычно предусматривается между слоем электрической изоляции и проводящим элементом. Металлический экран в форме проволоки или оплетки или ленты из проводящего металла может быть предусмотрен в качестве самого внешнего слоя жилы.
[0037] Фиг. 1 иллюстрирует эскиз поперечного сечения трехжильного кабеля в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения. Этот кабель (10) содержит три жилы (1) и три промежуточные зоны (2). Каждая жила (1) содержит проводящий элемент (3), внутренний полупроводящий слой (4a), электрический изоляционный слой (5), который может быть сшитым или несшитым, и внешний полупроводящий слой (4b).
[0038] Эти три жилы (1) являются скрученными вместе и образуют промежуточные зоны (2), определяемые как пространства между жилами (1) и цилиндром, окружающим такие жилы. Профиль внешнего периметра поперечного сечения скрученных жил является в данном случае трехдольным, поскольку имеется три жилы.
[0039] Вспененный полимерный заполнитель (6) заполняет промежуточные зоны (2), расположенные между жилами (1). Вспененный полимерный заполнитель (6) проходит дальше скрученных жил (1) и промежуточных зон (2) и перекрывает их, как определено кольцевой областью (6a).
[0040] Альтернативно, как показано на Фиг. 2, полимерный заполнитель (6) заполняет только промежуточные зоны (2), расположенные между скрученными жилами (1). При этом он не формирует какого-либо значительного кольцевого слоя, покрывающего промежуточные зоны (2) и скрученные жилы (1).
[0041] Для того чтобы придать многожильному кабелю подходящее, по существу, круглое поперечное сечение, вспененный полимерный заполнитель расширяется для того, чтобы заполнить и опционально покрыть промежуточные зоны и жилы.
[0042] Вспененный полимерный заполнитель (6, 6a) окружается вспененным ударопрочным слоем (7) и находится в контакте с ним.
[0043] Используемый в настоящем документе термин «вспененный», если не указано иное, относится к полимеру, в котором процент объема «пустот» обычно составляет более чем 10% суммарного объема упомянутого полимера. Используемый в настоящем документе термин «пустота», если не указано иное, относится к пространству, не занятому полимером, но занятому газом или воздухом. Невспененный полимер также упоминается как «твердый».
[0044] Используемый в настоящем документе термин «степень расширения», если не указано иное, относится к проценту свободного пространства во вспененном полимере. Степень расширения вспененного полимера может быть определена в соответствии со следующим уравнением:
G = (d0/de - 1) × 100,
в котором d0 означает плотность невспененного полимера, а de представляет собой измеренную кажущуюся плотность вспененного полимера.
[0045] Вспененный полимерный заполнитель (8) и ударопрочный слой (7) выбираются так, чтобы удовлетворить ранее обсужденным требованиям. Кабель (10) не имеет твердого герметического слоя, контактирующего со вспененным полимерным заполнителем (6), который был бы способен обеспечить заполнителю желаемую округлость.
[0046] Кабель (10), изображенный на Фиг. 1 и 2, дополнительно снабжается опциональным металлическим (например, из алюминия или меди) или металл/полимер-композитным (например, алюминий/полиэтилен) слоем (8) с перекрывающимися краями (не показан) и клейким покрытием (не показано). Слой (8) может действовать как барьер для воды или влаги, имеет толщину обычно от 0,01 мм до 1 мм и имеет незначительную или нулевую эффективность в качестве ударопрочного слоя.
[0047] Полимерная оболочка (9), обычно изготовленная из PE, PVC или хлорированного полиэтилена, опционально с антиультрафиолетовыми присадками, обеспечивается, например с помощью экструдирования, в качестве самого внешнего слоя кабеля. Эта полимерная оболочка имеет толщину обычно от 1,0 мм до 3,0 мм или больше, в зависимости от размера кабеля.
[0048] Опционально кабель (10) дополнительно содержит химический барьер (не показан) в форме полимерного слоя, предусмотренного в радиально внутреннем положении относительно оболочки (9) и в радиально внешнем положении относительно вспененного ударопрочного слоя (7). Например, химический барьер может быть таким, как описано в патенте США № 7601915. Этот барьер может содержать по меньшей мере один полиамид и его сополимеры, такие как смесь полиамида/полиолефина, или TPE, и иметь примерную толщину от 0,5 мм до 1,3 мм. По меньшей мере в одном варианте осуществления, когда ударопрочный слой сделан из PVDF, он может также выступать в качестве слоя химического барьера без изменения его толщины, обеспечивая таким образом кабелю уменьшенный диаметр. В другом варианте осуществления слой химического барьера состоит из полиимида.
[0049] Расширение для формирования вспененного полимерного заполнителя и вспененного ударопрочного слоя происходит во время экструдирования, более конкретно до того, как полимерный материал пройдет через экструзионную головку. Расширение ударопрочного слоя может осуществляться при помощи реактивов, например путем добавления к полимерной композиции подходящего порообразователя, который способен образовывать газ в конкретных условиях температуры и давления. Примеры подходящих порообразователей включают в себя: азодикарбамид, паратолуолсульфонилгидразид, смеси органических кислот (например, лимонной кислоты) с карбонатами и/или бикарбонатами (например, бикарбонатом натрия), и т.п.
[0050] В другом варианте осуществления расширение для формирования вспененного ударопрочного слоя может происходить благодаря микросферам, которые могут быть выбраны из термически расширяемых микросфер. Расширение полимерного заполнителя выполняется термически расширяемыми микросферами. Термически расширяемые микросферы являются частицами, содержащими оболочку (обычно термопластическую) и заключенный в ней низкокипящий органический растворитель. При увеличении температуры органический растворитель испаряется и превращается в газ, который расширяется и создает высокие внутренние давления. В то же самое время материал оболочки размягчается при нагревании, так что вся частица расширяется под действием внутреннего давления, образуя большие пузыри. Эти микросферы имеют относительно стабильную форму и не сокращаются после охлаждения. Одним подходящим примером термически расширяемой микросферы является коммерческий продукт, продаваемый под названием Expancel® компанией Eka Chemicals.
[0051] Полимерный материал, по существу, полностью расширяется, когда он еще находится в траверсной головке экструдера, и никакого значительного расширения материала не происходит после того, как он выходит из экструзионной головки. Это обеспечивает управляемое расширение с круглым поперечным сечением.
[0052] Использование термически расширяемых микросфер в качестве пенообразователя было найдено особенно подходящим для вспенивания полимерного заполнителя, в то время как выбор пенообразователя для ударопрочного слоя является менее критичным. В одном варианте осуществления термически расширяемые микросферы используются как в полимерном заполнителе, так и в ударопрочном слое.
[0053] В соответствии с настоящим изобретением полимер, подходящий для заполнителя промежутков, имеет твердость по Шору D в пределах от 30 до 70, модуль упругости при изгибе (при температуре 23°C в соответствии со стандартом ASTM D 790) в пределах от 50 МПа до 1500 МПа и индекс предельного окисления (LOI) в диапазоне от приблизительно 25% до 95%. Поскольку свойства полимера могут отличаться во вспененном или невспененном состоянии, свойства полимерного материала измеряются перед вспениванием.
[0054] Примеры полимера, подходящего для заполнителя промежутков, включают в себя, не ограничиваясь этим, термопластические полимеры, выбираемые, например, из термопластических вулканизатов (TPV), термопластических олефинов (TPO), огнестойкого полипропилена, поливинилхлорида (PVC), поливинилиденфторида (PVDF), а также их комбинаций. Огнестойкий полипропилен содержит добавленное галоидированное (например бромированное) огнезащитное органическое вещество, как уже было упомянуто выше. Термопластический полиуретан и термопластические полиэстерные эластомеры являются неподходящими в качестве вспениваемого материала для заполнителя промежутков и ударопрочного слоя кабеля по настоящему изобретению. Термопластический полиуретан и некоторые термопластические полиэстерные эластомеры показали плохую огнестойкость, в то время как другие термопластические полиэстерные эластомеры оказалось очень трудно подходящим образом вспенивать.
[0055] Одним неограничивающим примером TPV является Santoprene™, доступный от компании Exxon Mobil. Неограничивающие примеры TPG включают в себя полимеры, которые являются доступными от компании DuPont, а также полимеры Heraflex® TPG-ET, доступные от компании RadiciPlastics.
[0056] Используемый в настоящем документе термин «герметический слой», если не указано иное, относится к невспененному слою, полимерному или иному, который предназначен для поддержания концентричности вспененного полимерного заполнителя, окружающего жилы многожильного кабеля. Не ограничиваясь какой-либо конкретной теорией, вспененные слои неспособны поддерживать концентричность вспененного полимерного заполнителя.
[0057] По меньшей мере в одном варианте осуществления полимер, подходящий для заполнителя промежутков, достигает степени расширения в пределах от 15% до 200%, например от 25% до 100%. Вспененный полимерный заполнитель расширяется, чтобы заполнить промежуточные зоны и опционально покрыть и защитить множество жил. По меньшей мере в одном варианте осуществления заполнитель покрывает множество жил и промежуточных зон с толщиной от приблизительно 0,5 мм до приблизительно 8 мм, давая, по существу, круглое поперечное сечение.
[0058] В соответствии с настоящим изобретением ударопрочный слой является не герметическим слоем, а вспененным полимерным слоем. Полимер, подходящий для ударопрочного слоя, имеет модуль упругости при изгибе выше, чем модуль упругости при изгибе полимера в заполнителе промежутков. Модуль упругости при изгибе ударопрочного слоя может составлять от 500 до 2500 МПа.
[0059] Примеры полимера в ударопрочном слое включают в себя, не ограничиваясь этим, поливинилиденфторид (PVDF), полипропилен (PP), такой как сополимер этилена и пропилена, и полиэтилен (PE), а также их смеси. В одном варианте осуществления полимер является сополимером этилена и пропилена.
[0060] Неограничивающими примерами полиэтилена (PE) являются полиэтилен низкой плотности (LDPE), полиэтилен средней плотности (MDPE), полиэтилен высокой плотности (HDPE), линейный полиэтилен низкой плотности (LLDPE), полиэтилен ультранизкой плотности (ULDPE).
[0061] По меньшей мере в одном варианте осуществления полимер, подходящий для ударопрочного слоя, достигает степени расширения в пределах от 20% до 200%, например от 20% до 50%.
[0062] По меньшей мере в одном варианте осуществления вспененный полимерный заполнитель и ударопрочный слой делаются из различных полимерных материалов. В частности, материал для вспененного ударопрочного слоя имеет модуль упругости при изгибе выше, чем модуль упругости при изгибе материала для заполнителя промежутков.
[0063] Кабели в соответствии с настоящим изобретением могут быть произведены с помощью любых известных способов производства для многожильных кабелей. Полимерный заполнитель и ударопрочный слой обеспечиваются для того, чтобы окружить скрученные жилы кабеля с помощью совместной экструзии или тандемной экструзии.
[0064] Предпочтительно совместная экструзия материалов заполнителя промежутков и ударопрочного слоя, имеющих различные температуры обработки, выполняется в единственной траверсной головке экструдера путем экструдирования под давлением для заполнителя промежутков и экструдированием гильзования для ударопрочного слоя.
[0065] Далее приводятся иллюстративные неограничивающие примеры для того, чтобы более подробно описать настоящее изобретение.
ПРИМЕРЫ
Подготовка кабеля с вспененным заполнителем
[0066] Был изготовлен ряд трехжильных кабелей в соответствии с настоящим изобретением, а также были изготовлены сравнительные кабели. Эти кабели идентифицируются в последующем тексте буквами от А до R и детализируются в Таблице 1. Для каждого кабеля А-R все три жилы изолировались сшитым полиэтиленом (XLPE). Конструкция кабелей показана в Таблице 1.
[0067] Сравнительные кабели E и F были подготовлены на основе известных кабельных конструктивных решений. У кабеля E нет никакого заполнителя, только ударопрочный слой в форме металлической брони (майларовая лента, окруженная сварной алюминиевой броней), окруженный оболочкой из PVC, экструдированной сверху жилы кабеля для завершения конструкции. Кабель F имеет твердый заполнитель из PVC, экструдированный поверх всех трех жил. В то же время кабель F имеет ударопрочный слой в форме рифленой алюминиевой брони и общую оболочку из PVC, экструдированную сверху жилы кабеля для завершения конструкции.
[0068]
| Таблица 1 Конструкция кабеля |
||||||
| Кабель | Изолированная жила | Заполнитель | Ударопрочный слой | Металлический слой | Химический барьер |
Оболочка |
| A | 3×5,3 мм2 + 0,8 мм XLPE | PVC + 3% fE 1,1 мм с перекрытием G=75% | PVDF1 + 3% fE 1 мм G=32% | - | да | PVC 1,6 мм |
| B |
3×107 мм2
+ 2 мм XLPE |
PVC + 2% fE 2,5 мм с перекрытием G=75% | PP + 0,65% fH 1,7 мм G=33% | - | - | PVC 2,8 мм |
| C | 3×107 мм2 + 2 мм XLPE | PVC + 2% fE 4,1 мм с перекрытием G=75% | PP + 0,8 % fH 1,7 мм G=33% | - | PA 1,2 мм |
PVC 2,8 мм |
| D | 3×107 мм2 + 2 мм XLPE | PVC + 3 % fE 2,5 мм с перекрытием G=75% | PP + 0,8 % fH 1,7 мм G=33% | Polylam | PA 1,2 мм |
PVC 2,8 мм |
| E* | 3×5,3 мм + 0,8 мм XLPE | - | - | Сварная алюминиевая броня | - | PVC 1,6 мм |
| F* | 3×5,3 мм2 + 0,8 мм XLPE | PVC (твердый) | - | Гофрированная алюминиевая броня | - | PVC 1,6 мм |
| M | 3×5,3 мм2 + 0,8 мм XLPE | TPV+3% fE 2 мм с перекрытием G=86% |
PVDF2 0,8% fE 1,3 мм G=31% | - | да | PVC 1,6 мм |
| N | 3×5,3 мм2 + 0,8 мм XLPE |
PVC + 3 % fE 1,2 мм с перекрытием G=75% | PP + 1,5% fE 1 мм G=37% | - | PA 0,7 мм |
PVC 1,7 мм |
| O | 3×5,3 мм2 + 0,8 мм XLPE |
PVC + 3 % fE 1,1 мм с перекрытием G=75% |
PP + 1,5% fE
1 мм G=37% |
- | TPE 0,6 мм | PVC 1,6 мм |
| P | 3×5,3 мм2 + 0,8 мм XLPE | PVC + 3 % fE 1,1 мм с перекрытием G=75% | PP + 1,5% fE 1,2 мм G=37% | - | PVDF 0,7 мм | PVC 1,7 мм |
| Q | 3×5,3 мм2 + 0,8 мм XLPE | PVC + 3% fE + оболочка (0,13 мм) 1 мм с перекрытием G=75% | PVDF1 3% fE 1,1 мм G=32% | - | да | PVC 1,5 мм |
| S* | 3×107 мм2 + 2 мм XLPE | TPE + 7% fE + оболочка (0,7 мм) 3,4 мм с перекрытием G=254% | PP + 0,65% fH 1,7 мм G=33% | - | - | PVC 2,8 мм |
| * Сравнительные кабели, G = степень расширения |
PVC (заполнитель) = поливинилхлорид (твердость по Шору D = 40, модуль упругости при изгибе при температуре 23°C = 70 МПа, LOI = 28,5%)
TPV = термопластические вулканизаты (твердость по Шору D = 32, модуль упругости при изгибе при температуре 23°C = 152 МПа, LOI = 27%)
PVDF1 = поливинилиденфторид (твердость по Шору D = 54, модуль упругости при изгибе при температуре 23°C = 356 МПа; LOI = 42%)
PVDF2 = поливинилиденфторид (твердость по Шору D = 46, модуль упругости при изгибе при температуре 23°C = 607 МПа, LOI = 42%)
PP - полипропилен (твердость по Шору D = 55, модуль упругости при изгибе при температуре 23°C = 475 МПа; LOI = 42%)
TPE = термопластический полиэтилен (твердость по Шору D = 44, модуль упругости при изгибе при температуре 23°C = 145 МПа, LOI = 26%)
fE = пенообразователь из микросфер (AkzoNobel Expancel®)
fH = пенообразователь из лимонной кислоты
Polylam = ламинат алюминия/полиэтилена в качестве барьера для влаги (не придает никакой ударопрочности)
skinP = Поливинилхлоридная оболочка
skinH = оболочка из термопластического полиэтилена
PA = Полиамид
PVC (оболочка) = Поливинилхлорид
[0069] В кабелях A, М и Q ударопрочный слой выполняет также функцию химического барьера.
[0070] Оболочка, присутствующая в кабелях Q и S, является слоем, соэкструдируемым вместе с заполнителем для того, чтобы обеспечить лучшую поверхность на заполнителе. Эта оболочка не выполняет функцию герметического слоя.
[0071] Совместная экструзия заполнителя/ударопрочного слоя сравнительного кабеля С была проблематичной из-за трудностей в управлении размером, особенно в плане округлости поперечного сечения, а также в получении гладкой поверхности. Кроме того, этот кабель не прошел испытание на ударопрочность.
[0072] Для того чтобы оценить многожильные кабели, подготовленные в соответствии с Таблицей 1, были проведены испытания на ударопрочность, огнестойкость, гибкость и разрушение.
[0073] Испытания на ударопрочность. Влияние ударов на кабель оценивалось с помощью испытания на ударопрочность, основанного на стандарте IEC61901 (1-я редакция, 2005-07). Влияние ударов с различной силой (Дж) оценивалось посредством измерения глубины повреждения (мм). Кабели были подвергнуты ударам с уровнями от 25 Дж до 70 Дж или с более серьезными уровнями (от 150 Дж до 300 Дж) в зависимости от их предполагаемого использования. Глубина повреждения дает некоторую оценку степени защиты, обеспечиваемой вспененным ударопрочным слоем. Таблицы 2a и 2b показывают значения различных проанализированных энергетических уровней и глубины повреждения (мм), измеренные для образцов A-F и M-Q.
[0074]
| Таблица 2а Результаты испытания ударопрочности |
||||||
| Кабель | Энергетические уровни | |||||
| 25 Дж | 30 Дж | 40 Дж | 50 Дж | 60 Дж | 70 Дж | |
| A | 0,63 | 0,67 | 0,88 | 0,96 | 0,86 | 0,98 |
| E* | 0,53 | 0,76 | 0,91 | 1,18 | 1,18 | 1,26 |
| F* | 0,61 | 0,42 | 0,85 | 1,06 | 1,24 | 1,25 |
| M | 0,21 | 0,29 | 0,27 | 0,61 | 0,49 | 0,64 |
| N | 0,59 | 0,70 | 0,63 | 0,85 | 1,03 | 0,91 |
| O | 0,60 | 0,60 | 0,70 | 0,75 | 0,85 | 1,04 |
| P | 0,59 | 0,57 | 0,80 | 0,69 | 1,02 | 0,84 |
| Q | 0,41 | 0,59 | 0,84 | 0,72 | 0,94 | 0,84 |
| Таблица 2b Результаты испытания ударопрочности |
||||
| Кабель | Энергетические уровни | |||
| 150 Дж | 200 Дж | 250 Дж | 300 Дж | |
| B | 1,27 | 1,64 | 0,87 | 1,42 |
| C | 0,56 | 1,18 | 1,02 | 1,11 |
| D | 0,44 | 0,60 | 1,31 | 1,45 |
[0075] Это тестирование показывает, что кабели в соответствии с настоящим изобретением сопротивлялись удару таким образом, который является по меньшей мере сопоставимым с бронированными кабелями E и F.
[0076] Другие тесты: Для некоторых многожильных кабелей также были оценены гибкость, огнестойкость и прочность при разрушении. Испытание на огнестойкость является тестом типа прошел/не прошел, который следует стандарту IEEE-1202 для 60-дюймовой (приблизительно 1,5 м) длины. Испытание на гибкость представляет собой трехточечное испытание на изгиб, записываемое при 1%-ном секущем модуле упругости в соответствии со стандартом ASTM D-790. Испытание на разрушение использует процедуру UL-1569, устанавливающую 5340 Н (1200 фунтов) в качестве минимальной нагрузки, и таблица показывает максимальную нагрузку, выдержанную кабелями. Таблица 3 показывает значения для этих результатов испытаний.
[0077]
| Таблица 3 Результаты испытания на огнестойкость, гибкость, разрушение |
|||
| Кабель | Огнестойкость | Гибкость (МПа) | Разрушение (Н) |
| A | Прошел | 91,0 | 5430 |
| E* | - | 338,0 | 14100 |
| M | Прошел | 114,0 | 6400 |
| Q | Прошел | 101,0 | 5750 |
[0078] Это тестирование показывает, что кабели по настоящему изобретению вели себя более предпочтительно по сравнению с кабелями предшествующего уровня техники. Их стойкость к разрушению соответствует стандартным требованиям и сопровождается заметно улучшенной гибкостью и способностью противостоять пламени.
[0079] Кабели по настоящему изобретению предлагают решение для кабеля, который является легким, гибким, ударопрочным, стойким к разрушению, огнестойким и химически стойким.
1. Ударопрочный многожильный силовой кабель, содержащий:
a) множество жил, причем каждая жила содержит по меньшей мере один проводящий элемент и электроизоляционный слой в положении, радиально внешнем относительно упомянутого по меньшей мере одного проводящего элемента, причем жилы являются скрученными вместе так, чтобы формировать собранный элемент, обеспечивающий множество промежуточных зон;
b) вспененный полимерный заполнитель, заполняющий промежуточные зоны и содержащий полимер с твердостью по Шору D в пределах от 30 до 70, модулем упругости при изгибе от 50 до 1500 МПа при температуре 23°C и LOI от 27 до 95% перед вспениванием;
c) ударопрочный слой в положении, радиально внешнем по отношению к вспененному полимерному заполнителю, и находящийся с ним в контакте, причем этот слой содержит вспененный полимер, который отличается от полимера для заполнителя и имеет перед вспениванием модуль упругости при изгибе больше, чем модуль упругости при изгибе полимера для заполнителя; и
d) твердую полимерную оболочку, окружающую ударопрочный слой.
2. Кабель по п. 1, в котором вспененный полимерный заполнитель содержит полимеры, выбираемые из термопластических вулканизатов (TPV), термопластических олефинов (TPO), огнестойкого полипропилена, поливинилхлорида (PVC), поливинилиденфторида (PVDF), а также их комбинаций.
3. Кабель по п. 1, в котором вспененный полимерный заполнитель имеет степень расширения в пределах от 15 до 200%.
4. Кабель по п. 3, в котором вспененный полимерный заполнитель имеет степень расширения в пределах от 25 до 100%.
5. Кабель по п. 1, в котором вспененный полимерный заполнитель содержит расширенные микросферы.
6. Кабель по п. 1, в котором ударопрочный слой содержит полимер, выбираемый из поливинилиденфторида (PVDF), полипропилена (PP), полиэтилена (PE), а также их смесей.
7. Кабель по п. 1, в котором ударопрочный слой имеет степень расширения в пределах от 20 до 200%.
8. Кабель по п. 7, в котором ударопрочный слой имеет степень расширения в пределах от 20 до 50 %.
9. Кабель по п. 1, в котором ударопрочный слой содержит расширенные микросферы.
10. Кабель по п. 1, в котором как вспененный полимерный заполнитель, так и ударопрочный слой содержат расширенные микросферы.
11. Кабель по п. 1, дополнительно содержащий слой химического барьера.
12. Кабель по п. 1, в котором вспененный полимерный заполнитель заполняет промежуточные зоны и формирует кольцевой слой, покрывающий промежуточные зоны и скрученные жилы.
13. Кабель по п. 12, в котором кольцевой слой имеет толщину от приблизительно 1 мм до приблизительно 6 мм.
14. Способ производства ударопрочного многожильного силового кабеля, содержащего множество жил, причем каждая жила содержит по меньшей мере один проводящий элемент и электроизоляционный слой в положении, радиально внешнем относительно упомянутого по меньшей мере одного проводящего элемента, причем жилы являются скрученными вместе так, чтобы формировать собранный элемент, обеспечивающий множество промежуточных зон; вспененный полимерный заполнитель, заполняющий промежуточные зоны; ударопрочный слой в положении, радиально внешнем по отношению к вспененному полимерному заполнителю, и находящийся с ним в контакте, а также твердую полимерную оболочку, окружающую ударопрочный слой, причем обработка содержит:
a) обеспечение для экструдера первого полимерного материала с твердостью по Шору D в пределах от 30 до 70, модулем упругости при изгибе от 50 до 1500 МПа при температуре 23°C и LOI от 27 до 95% для производства вспененного полимерного заполнителя;
b) обеспечение для экструдера второго полимерного материала для производства ударопрочного слоя, причем модуль упругости при изгибе упомянутого второго полимера больше, чем у первого полимера;
c) добавление пенообразователя к первому и второму полимерным материалам, причем пенообразователь по меньшей мере для первого полимера представляет собой термически расширяемые микросферы;
d) инициирование пенообразователя первого и второго полимерных материалов для вспенивания соответствующего полимера;
e) соэкструдирование вспененных первого и второго полимерных материалов для формирования полимерного заполнителя, заполняющего промежуточные зоны, и ударопрочного слоя; и
f) экструдирование твердой полимерной оболочки вокруг ударопрочного слоя.
15. Способ по п. 14, в котором пенообразователь для второго полимера содержит термически расширяемые микросферы.
