Топлоустойчиви кабели за производствена среда

• Редица работни среди и приложения в съвременната индустрия, и по-специално в производството, се характеризират с екстремно високи температури
  
  
• Това поставя сериозно предизвикателство пред електрическите кабели, които е задължително да разполагат със специална защита срещу прекомерно нагряване
  
  
• Системите със силиконов външен слой или такъв от омрежен полиолефин осигуряват подходяща комбинация от топлоустойчивост и добри електрични и механични свойства

Редица работни среди и приложения в съвременната индустрия, и по-специално в производството, се характеризират с екстремно високи температури от порядъка на над 100 – 150°C до пикови стойности от повече от 1500°C. Това поставя сериозно предизвикателство пред електрическите и комуникационни кабели, които е задължително да разполагат със специална защита срещу прекомерно нагряване. Използването на конвенционални кабели в прекалено горещи зони може да доведе до стопяване на обвивката и оголване на проводниците, което води до сериозни рискове за безопасността на персонала и материалните активи, включително от възпламеняване и пожар, късо съединение и др.

Кабелни системи в специално топлоустойчиво изпълнение се използват например в електроинсталациите на обекти и технологични системи, в които се използва леярска, ковашка и термоформовъчна техника, промишлени фурни, пещи, сушилни и друго оборудване за термична обработка, отоплителни уреди, фотоволтаични и газови електроцентрали, роботизирани и конвенционални заваръчни системи, отсеците на двигателите в превозни, транспортни средства, машини и др. Високотемпературни зони типично са характерни за стоманопроизводството, авио- и корабостроенето, циментовите, стъкларските и керамичните заводи, АЕЦ, ТЕЦ и ВЕЦ съоръжения и др.

Често топлоустойчивите кабели е необходимо да разполагат и с други специални характеристики, като гъвкавост, негоримост, висока механична издръжливост (на износване) и химическа устойчивост, които позволяват безпроблемното им приложение в агресивни производствени среди.

На пазара се предлага богато разнообразие от варианти с различен температурен работен диапазон и номинално напрежение, разнообразни по материал, дебелина и характеристики предпазни обвивки, едно- и многожилни версии, модели с различни сечения и радиус на огъване, със или без екраниране, за подвижен или фиксиран монтаж, предварително асемблирани системи, кабели със стандартни или специални изисквания към конекторите, със или без кабелни вериги, модели за универсално приложение, както и за специализирани практически сценарии със съответните сертификати.

Температурен рейтинг на популярните материали за изолация

Спецификации относно проектирането, производството и експлоатацията на изолацията, включително относно характеристиките на токопроводимите жила на кабели и изолирани проводници, дизайна и процедурите за изпитване, са зададени в редица национални, европейски и международни стандарти. Сред тях са EN 50363, EN 50525, EN 60332, IEC 60228 и др.

От съществено значение за топлоустойчивостта на електрическите кабели е изборът на материал за изолацията. Често използваните от производителите смеси включват (със съответния температурен диапазон на експлоатация):

• Поливинилхлорид (PVC): от -15°C до 70°C;
  
  
• Полиетилен (PE): от -65°C до +75°C;
  
  
• Омрежен полиетилен (PEX, XPE или XLPE): от -65°C до +90°C;
  
  
• Силиконов каучук: от -60°C до 180°C;
  
  
• Етилен-пропиленов каучук (EPR): от -50°C до +120°/150°C;
  
  
• Eтилен пропилен диен мономер каучук (EPDM): от -50°C до +120°/150°C;
  
  
• Хлориран полиетилен (CPE): от -18°C до 105°C;
  
  
• Политетрафлуоретилен/тефлон (PTFE): от -240°C до 290°C.

Най-популярният материал, използван за изолация на кабели и проводници, е половинихлоридът (PVC). Той е сравнително евтин и може лесно да се среже с нож или друг инструмент, което улеснява премахването на обвивката и оголването на проводника при монтаж на конектор. PVC обвивките издържат в горещи среди до над 100°C. При значително повишаване на температурите, характерно за множество индустриални приложения, PVC кабелите вече не могат да гарантират достатъчно безопасно и функционално решение и са необходими алтернативни варианти с други типове изолация. В зависимост от температурния диапазон на работа производителите използват полиолефинов кополимер, флуоретилен пропилен, политетрафлуоретилен, както и силикон за изработка на външния слой. Тези материали са в състояние безпроблемно да издържат на температури до 260°C.

При още по-високи температури на експлоатация обикновено се внасят допълнителни конструктивни промени в дизайна на кабела. За такива случаи както токопроводимите жила, така и целият кабел могат да бъдат обвити в слюдена лента и оплетка от стъклени влакна. Това повишава температурния рейтинг на системата до 650°C, като някои кабели (в зависимост от дизайна и използваните за изолация материали) могат да издържат дори до над 1500°C, обикновено за кратък период.

Допълнителни съображения при избора

С оглед на нарастващите изисквания за екологична пригодност на кабелите и задължителните аспекти в директивите RoHS (Директива за ограничаване на вредните вещества) и WEEE (Директива за употребяваното електрическо и електронно оборудване) на ЕС браншът се стреми да произвежда продукти, които отделят малко дим при изгаряне и не съдържат халогени. Това превръща безхалогенните кабели в основен вариант за множество индустриални сценарии. В съвременната практика масово се използват:

• Оптимизирани кабели със силиконова обвивка за температури до 200°C;
  
  
• Кабели с подсилена със стъклени влакна изолация за температури до 550°C;
  
  
• Изключително топлоустойчиви специални кабели за непрекъснати температури до 800°C или пикови температури до 1550°C.

Високите температури обикновено причиняват прегряване на кабелите. Това увеличава съпротивлението на проводниците, като ги принуждава да се разширяват, което прави протичането на ток през тях все по-трудно. В резултат, с повишаване на температурите електрическият кабел става все по-малко ефективен до момента, в който вече е неспособен да провежда ток. Това явление има сериозен риск да възникне при алуминиевите проводници на комуналните въздушни електропроводи.

Повреди с термичен характер претърпява и изолацията, която може да се стопи и да предизвика токов удар или пожар. Ако кабелът няма подходящ температурен рейтинг, е налице риск това да се случи и в стандартни потребителски приложения при определени условия. Прегряването обаче е сериозна опасност най-вече в индустриални среди, където кабелите са изложени на екстремни температури. За такива приложения са допустими само топлоустойчиви кабели със специален тип изолация и подходящ температурен рейтинг. За класически промишлени сценарии обикновено се избират кабели с рейтинг до 125°C, като някои патентовани системи стандартно предлагат топлинна устойчивост и до 500°C при непрекъснато излагане.

За комунални и специални индустриални приложения с изключително високи температури се използват иновативни решения с подходящата структура и изолационен материал, които минимизират топлинните ефекти върху обвивката и проводниците, както и излъчването на големи количества топлина в атмосферата (особено важно при надземните електропроводи).

Кабелните системи за комуникация и управление, използвани за опроводяване на контролни шкафове и различни типове апаратура в индустрията, традиционно се избират с рейтинг от -50°C до 180°C. Това им осигурява топлоустойчивост при експлоатация в екстремни среди в индустриални пещи, леярни, процесно оборудване, системи за топлинна обработка в ХВП и бутилиращата промишленост и т. н.

Баланс между топлоустойчивост, електропроводимост и механични свойства

Подобряването на топлинната устойчивост на електрическите кабели чрез различни иновативни технологии, специални конструкции и инженерни материали за изолация изисква прецизен баланс с оглед на това, че дадени промени в дизайна и материала на обвивката могат да компрометират електропроводимостта и механичната им издръжливост. Системите със силиконов външен слой или такъв от омрежен полиолефин осигуряват подходяща комбинация от издръжливост на високи температури и запазени електрични и механични свойства.

И двата материала драстично разширяват температурния диапазон при продължително излагане на кабелите на високи температури. Един класически PVC кабел обикновено покрива изискванията за топлоустойчивост до 90°C, докато системите със силиконова изолация работят безпроблемно в диапазон от -50 до +180°C.

Усъвършенстваните технологии в сегмента позволяват добавянето на допълнителна топлоустойчивост да не повлиява изобщо електропроводимостта на кабелите и проводниците, а компромисите с механичните свойства да са пренебрежими или дори в полза на приложението. В сравнение с традиционните PVC кабели, във високотемпературни среди силиконовите кабели и вариантите с изолация от омрежен полиолефин (и двата типа са безхалогенни) демонстрират: еквивалентна гъвкавост (въпреки че полиолефиновите кабели са малко по-твърди от силиконовите и PVC аналозите), подобрена устойчивост на износване (при омрежения полиолефин), подобрена химическа устойчивост и еквивалентна негоримост.

Силиконовите кабели са подходящи за производствени и промишлени приложения, включващи високи температури, високи напрежения и необходимост от гъвкаво окабеляване. В допълнение, те са устойчиви на UV лъчения, хидролиза, масла, химикали, растителни и животински мазнини. Тези характеристики ги правят подходящо решение за металообработката и машиностроенето, автомобилния сектор и индустриалната автоматизация.

Полиолефиновите кабели демонстрират отлични електрични свойства при екстремни температури, които ги превръщат в предпочитан избор за приложения със средно до високо напрежение. Останалите им предимства включват подобрена устойчивост на корозия и абразивни материали, както и на разтворители, почистващи средства, дезинфектанти и други химични агенти, използвани широко в производството.