CC BY
104
УДК 622:621.3
М.В. Гришин
НЦ ВостНИИ
Исследование защитных свойств экранов шахтных кабелей
Приведены результаты экспериментальных исследований образцов шахтных кабелей с различным выполнением экранов, на основе которых предложена конструкция кабеля с повышенной защитой от проявления открытых разрядов в месте повреждения
Согласно ПБ в угольных шахтах все гибкие кабели должны быть экранированы. Основная идея экранированных кабелей заключается в обеспечении автоматического отключения кабеля от сети при его повреждениях, опасных в отношении проявления открытого искрообразования. В экранированном кабеле всякому опасному замыканию между токоведущими фазами предшествует замыкание через заземленный экран, благодаря чему осуществляется быстрое отключение от сети поврежденного кабеля с помощью реле утечки.
При применении экранов значительно улучшается защита от внутренних (протекающих при неповрежденной оболочке) однофазных замыканий на землю (утечек), возникающих в результате ударов по кабелю и тому подобных причин. Поскольку экран кабеля заземлен, в результате соединения с ним проволочек поврежденной жилы происходит срабатывание защиты от утечек, и кабель отключается ранее, чем такие проволочки вступят в соприкосновение с соседней изолированной рабочей жилой и создадут короткое замыкание, которое может прожечь неповрежденный шланг кабеля.
В настоящее время основными типами экранов для гибких шахтных кабелей являются:
- комбинированные экраны в виде оплетки проволок и синтетической нити;
- экраны из полупроводящей резины.
Согласно действующим нормативным документам [1] шахтные кабели должны соответствовать определенным требованиям к конструкции и электрическому сопротивлению. Вместе с тем, электрические экраны являются существенным элементом защиты от возникновения открытых разрядов в месте повреждения в условиях взрывоопасной среды. Были проведены испытания образцов шахтных кабелей с различными экранами на специальном стенде.
Для исследования защитных свойств электрических экранов кабелей в ОАО «НИКИ г. Томск» были изготовлены образцы экранированных жил и кабелей.
Из представленных пяти образцов четыре имели комбинированные экраны в виде оплетки из чередующихся медных луженых проволок и синтетических нитей со следующими характеристиками (таблица 1).
Таблица 1 - Характеристика образцов жил кабеля с комбинированными экранами
Номер образца Комбинированная оплетка из медных луженых проволок номинальным диаметром 0,15 мм и полиэфирных нитей 11 текс диаметром 0,07 мм
Расчетная плотность Число Диаметр, мм
по меди, %, не менее проволок нитей
1 30,0 8x6 8x6 9,2
2 50,0 8x9 8x6 9,2
3 70,0 8x13 8x10 9,2
4 90,0 8x16 8x10 9,2
Нить 11 текс для оплетки экрана жилы кабеля изготовлена по ТУ16-13-40-90 «Нить полиэфирная для кабельной промышленности».
Кроме того, был изготовлен образец № 5 с экраном из электропроводящей резины типа РЭ-2 ТУ16.К73-018-89 «Резина электропроводящая».
Для проведения экспериментальных исследований был создан специальный стенд, позволяющий проводить эксперименты по ударному и статическому воздействию на жилы и кабели.
Ударное воздействие производилось при сбрасывании в направляющей трубе бойка, состоящего из металлического груза, и непроводящего клина, который был выполнен из стеклотекстолита. Радиус закругления острия клина путем заточки мог изменяться.
Статическая нагрузка осуществлялась при зажатии кабеля в тисках между вставленными непроводящими направляющими также из стеклотекстолита.
Испытательная установка представляет собой вертикально установленную и прикрепленную кронштейнами к стойке трубу 0 70 мм. По всей длине трубы выбран паз для ориентировки в трубе сбрасываемого бойка. Максимальная высота падения бойка с верхней точки установки до образца составляет 105 см.
Электрическая часть стенда представлена на рисунке 1. Стенд обеспечивает испытательное напряжение до1140 В при изменяющихся параметрах сопротивления изоляции R и емкости сети С. В состав стенда входит аппарат защиты от токов утечки типа АЗУР, который при повреждении изоляции своим замыкающим контактом подавал напряжение на отключающую катушку независимого расцепителя автоматического выключателя ОР. Напряжение с фазы сети подавалось на жилу испытуемого образца кабеля, а экранирующие элементы кабеля вместе с жилой заземления присоединялись к общему заземляющему проводнику установки. При повреждении изоляции образца кабеля и возникновении тока замыкания между жилой и экранами срабатывал аппарат защиты и происходило снятие напряжения с образца.
V
Рисунок 1 - Схема стенда для изучения защитного действия электрического экрана кабеля при механическом воздействии (удар, пережатие)
Кроме того, при испытаниях для определения места пробоя использовались мегомметр М4100/5 на напряжение 2500 В и аппарат для проверки изоляции кабелей импульсным напряжением АШИК. С помощью мегомметра определялось остаточное сопротивление изоляции образцов, т.к. после воздействия клина и срабатывания аппарата защиты АЗУР наблюдались случаи восстановления сопротивления изоляции жил. В этом случае защита от токов утечки после повторной подачи напряжения не срабатывала. Иногда место пробоя определялось аппаратом АШИК, который благодаря импульсному испытательному напряжению позволял эффективно выявлять локальные места повреждения изоляции.
Испытуемый образец (жила кабеля) укладывался в шланговую оболочку кабеля с вырезом. Таким образом имитировалось механическое воздействие на кабель, у которого повреждена оболочка. При испытаниях фазное напряжение подавалось на жилу образца, заземление накладывалось на проводящий экран. Масса груза составляла 5 кг. Высота падения - 1 м. Остриё непроводящего клина имело радиус закругления 5 мм. Было испытано по 5 отрезков различных образцов. Результаты испытаний приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Испытание ударом жил кабеля
Номер образца Характеристика экрана Количество отрезков образца жилы Среднее количество ударов до срабатывания защиты Количество полных повреждений без срабатывания защиты Состояние экрана после испытания
1 Комбинированный 30 % 7 2 5 Полное повреждение оплетки экрана
2 Комбинированный 50 % 5 4 4 То же
3 Комбинированный 70 % 5 4 3 Значительное повреждение оплетки экрана
4 Комбинированный 90 % 8 4 1 Частичное повреждение оплетки экрана
5 Электропроводящая резина 8 6 0 Экран поврежден только в месте пробоя
Образцы с комбинированным экраном в виде оплетки из чередующихся медных луженых проволок и синтетических нитей по механической прочности при ударе значительно уступают образцу с экраном из электропроводящей резины. Оплетка значительно повреждалась сразу после первых ударов (рисунок 2).
Комбинированные экраны с малым содержанием медной проволоки часто полностью повреждались при ударе без срабатывания защиты от токов утечки. Таким образом, кабели с комбинированной оплеткой из меди и синтетических нитей, несмотря на высокую электропроводность, имеют низкую стойкость к механическим нагрузкам. Синтетические нити в основном служат для создания формы оплетки и практически не повышают ее прочность. Поэтому такие экраны целесообразно применять в защищенных (бронированных) кабелях или в системах электроснабжения с большими токами замыкания на землю.
Отрезки кабеля с экраном из электропроводящей резины были испытаны на возгорание при замыкании. Опыты показали, что отключение защиты от токов утечки может вызвать воспламенение за счет длительного протекания тока замыкания по экрану из электропроводящей резины (рисунок 3). При подключенном аппарате защиты от токов утечки таких явлений не происходит.
Рисунок 2 - Повреждения оплетки образцов с комбинированным экраном
Рисунок 3 - Повреждение при отключенной защите от токов утечек
В результате проведенных опытов установлено, что при приложении механической нагрузки (как ударной, так и статической) повреждение изоляции происходит на противоположной от клина стороне жилы (рисунок 4) за счет разрыва изоляции и электропроводящего экрана.
I
Рисунок 4 - Повреждение при отключенной защите от токов утечек
Разрыв электропроводящего экрана происходит из-за жесткой его связи со слоем изоляции. В соответствии с требованиями нормативных документов экраны должны отделяться от изоляции без ее повреждения. Тем не менее на практике при разделке кабелей обнаруживается, что электропроводящий экран плотно связан с изоляцией и его приходится срезать ножом.
Экспериментальные исследования характера повреждения экранированных кабелей показали, что экраны жил гибких кабелей из электропроводящей резины по механической прочности превосходят экраны, выполненные в виде комбинированных металлических оплеток.
Вместе с тем, несмотря на повышенное электрическое сопротивление, экраны из электропроводящей резины при повреждении изоляции надежно обеспечивают срабатывание аппаратов защиты от токов утечки.
Однако результаты исследований характера повреждений изоляции, а также анализ практического использования кабелей с экранами из электропроводящей резины показал, что наиболее существенный недостаток состоит в их неотделимости от слоя изоляции жилы. Уменьшить связь экрана с изоляцией можно путем раздельного их нанесения, но такая технология значительно усложняет производство и повышает стоимость кабеля.
Для решения этой проблемы НЦ ВостНИИ и ОАО «НИКИ г. Томск» предложили конструкцию кабеля марки КГЭПШ с отдельным расположением экранов относительно жил кабеля (рисунок 5).
1 - сердечник из электропроводящей резины;
2 - поясной экран из электропроводящей резины;
3 - заземляющая жила
Рисунок 5 - Конструкция кабеля КГЭПШ
Отличительными особенностями кабеля марки КГЭПШ является то, что вместо индивидуальных экранов по каждой жиле кабель содержит, во-первых, поясной экран из электропроводящей резины, наложенный по скрученным жилам, и, во-вторых, профилированный сердечник из той же электропроводящей резины, имеющий электрический контакт с основными изолированными жилами и неизолированной жилой заземления.
Наличие в центре кабеля профилированного сердечника из электропроводящей резины повышает стойкость кабеля к раздавливающим и ударным нагрузкам. Сечение сердечника состав-
ляет не менее 50 % от сечения основных жил. Кроме того, профилированный сердечник увеличивает расстояние между жилами в конструкции кабеля, что снижает вероятность пробоя при деформации кабеля.
Поясной экран из электропроводящей резины накладывается поверх скрученных жил и имеет электрический контакт с профилированным сердечником не менее чем в одной точке по периметру скрученного кабеля, при этом жила заземления имеет контакт с сердечником или поясным экраном.
Изолированные жилы как бы находятся в пространстве профилированных экранов из электропроводящей резины. На основные жилы кабеля изоляция накладывается отдельно, и они плотно прилегают к профилированным электропроводящим экранам, но не слипаются с ними. В случае разрыва изоляции относительная подвижность слоев экрана и изоляции обеспечивает контакт между жилой и профилирующим экраном. Благодаря такой конструкции экранов, ток утечки, вызывающий срабатывание аппарата защиты, протекает только внутри кабеля, без открытого искрооб-разования.
Испытания данного кабеля под напряжением на сдавливающие и ударные нагрузки показали, что при повреждении (разрыве) изоляции жилы защита от утечек тока надежно срабатывает и обеспечивает опережающее снятие напряжения с кабеля до возникновения межфазного короткого замыкания.
Следует также отметить, что выполненная таким образом конструкция кабеля позволяет значительно упростить разделку кабеля, исключив повреждение изоляции жил, снизить аварийность кабелей в концевых разделках, уменьшить трудозатраты на монтаж и ремонт кабеля. Вынесение из центра заземляющей жилы повышает ее стойкость к растягивающим нагрузкам.
Существенно упрощается изготовление кабеля, так как отпадает проблема отделимости экранов от изоляции жил при разделке кабеля во время испытания его напряжением на испытательной станции. Появляется возможность производить контроль целостности изоляции основных жил на обычных аппаратах сухого испытания и ремонтировать изоляцию традиционными методами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 ГОСТ Р 52372-2005. Кабели гибкие и шнуры для подземных и открытых горных работ. Общие технические условия.
