Způsob a zařízení ke kontrole parametrů materiálu izolace elektrických vodičů a pláště elektrických kabelů

Oblast techniky

Vynález se týká aparatury ke kontrole parametrů materiálu pláště elektrického kabelu nebo izolace elektrických vodičů kabelu. Vynález spadá do oblastí výroby elektrických kabelů, kontroly kvality produkce, energetiky, elektrotechniky a posuzování bezpečnosti a shody stavebních výrobků.

Dosavadní stav techniky

Elektrický kabel je výrobek určený pro přenos elektrické energie nebo elektrických signálů. Je tvořen jedním nebo několika elektrickými vodiči a pláštěm. Každý z elektrických vodičů je opařen izolací. Prostor mezi elektrickými vodiči a pláštěm může být vyplněn výplní. Plášť je obalovou vrstvou elektrického kabelu. Mezi elektrickými vodiči a pláštěm kabelu mohou být vloženy další ochranné vrstvy. Podle účelu použití může být elektrický kabel tvořen i dalšími komponenty, např. stíněný kabel obsahuje stínění a samonosný kabel může navíc obsahovat výztuž, např. v podobě ocelového lanka.

Úkolem elektrických vodičů je přenášet elektrickou energii, případně elektrické signály. Jádra elektrických vodičů jsou vyrobena z materiálů s vysokou měrnou elektrickou vodivostí a s mechanickými vlastnostmi postačujícími k tomu, aby kabel plnil požadované funkce; nej častěji se jedná o měď nebo hliník. Podle požadavků na mechanické vlastnosti kabelu a jeho flexibilitu se jádra elektrických vodičů vyrábějí jako pevná nebo laněná. Úkolem izolace elektrických vodičů je zajistit požadovanou hodnotu izolačního odporu mezi vodiči. Izolace elektrických vodičů se vyrábějí z materiálů s vysokým elektrickým odporem, nej častěji z organických polymerů, např. polyetylénu a kopolymerů etylenu, jako etylenvinylacetát a polyvinylchlorid. Úkolem výplně mezi elektrickými vodiči a pláštěm elektrického kabelu je fixovat elektrické vodiče a přispět k vytvoření požadovaného (optimálního) tvaru kabelu. Výplně se vyrábějí z materiálů s vysokým elektrickým odporem a malou tvarovou pamětí, nej častěji z polymemích kompozit s vysokým obsahem plniva. Úkolem pláště elektrického kabelu je, společně s případnými dalšími ochrannými vrstvami, chránit jeho komponenty, zejména elektrické vodiče, před vnějšími vlivy, např. před vlhkostí, a současně chránit okolí kabelu, zejména živé organismy, před účinky elektrického proudu. Pláště elektrických kabelů se nejčastěji vyrábějí z organických polymerů, zejména z polyetylénu a kopolymerů etylenu, jako etylenvinylacetát a polyvinylchlorid.

Základními parametry elektrického kabelu jsou především jmenovité napětí, zkušební napětí, jmenovitá proudová zatížitelnost (závisí na prostředí, ve kterém je kabel instalován), rozsah teplot při montáži, rozsah pracovních teplot, poloměr ohybu, prostředí, ve kterém je kabel uložen (např. pod omítku, do kabelového kanálu, do země apod.), způsobu použití (flexibilní připojení, anebo pevné připojení), mechanická pevnost, třída reakce na oheň a doplňkové klasifikace k třídě reakce na oheň.

Výsledné parametry a vlastnosti elektrického kabelu závisejí na počtu a rozměrech, tj. průřezu, jader elektrických vodičů, dále na rozměrech, tj. geometrii, a vlastnostech izolace elektrických vodičů, na výplni mezi elektrickými vodiči a pláštěm, na plášti a případných dalších ochranných vrstvách, na stínění a výztuži, jakož i na rozměrech, tj. průřezu elektrického kabelu.

Rozměry a vlastnosti kovových částí kabelu, zejména jader elektrických vodičů a případně stínění a výztuže, jsou snadno měřitelnými parametry. Průměr se měří posuvným měřidlem a elektrická vodivost měřičem elektrické vodivosti. Tyto vlastnosti a rozměry se po dobu životnosti

-1 CZ 309311 B6 téměř nemění a prakticky nezávisejí na průběhu teploty při výrobě elektrického kabelu.

Vlastnosti organických polymerů, z nichž se vyrábějí izolace elektrických vodičů, výplně mezi elektrickými vodiči a pláštěm a samotný plášť, jsou naopak velmi citlivé na množství a druh přidaných aditivních látek a na průběh teploty během výroby. Vlastnosti těchto materiálů rovněž závisejí na průběhu teploty během výroby elektrického kabelu a mění se i s časem (stárnutí materiálu).

Jsou to vlastnosti organických polymerů použitých pro výrobu izolace elektrických vodičů a pláště elektrického kabelu, které prakticky determinují jmenovité a zkušební napětí kabelu, rozsah teplot při montáži a rozsah pracovních teplot, jakož i prostředí, v němž může být kabel uložen, třídu reakce na oheň a doplňkové klasifikace k třídě na oheň, a které rovněž mají vliv na další parametry a vlastnosti elektrických kabelů. Přesto se kontinuálně kontroluje pouze jediný parametr těchto organických polymerů, a to elektrická pevnost kabelu, která se měří při zkušebním napětí. Na základě údajů o elektrické pevnosti elektrického kabelu změřené při zkušebním napětí se hodnotí funkčnost a bezpečnost elektrického kabelu při jmenovitém napětí. Funkčnost a bezpečnost instalovaných elektrických kabelů se hodnotí na základě izolačního odporu, který se pro elektrické instalace nízkého napětí stanoví postupem podle IEC 60366:2016.

Elektrická pevnost kabelu a izolační odpor kabelu však nikterak nereflektují jeho ostatní vlastnosti a parametry, zejména třídu reakce na oheň a doplňkové klasifikace k třídě reakce na oheň. Elektrické kabely se podle EN 13501-6:2014 klasifikují (na základě výsledků zkoušek podle EN ISO 1716:2010, IEC 60332-l-2:2004+AMDl:2015 CSV a EN 50399:2011) do 7 tříd reakce na oheň A_ca, Bl_ca, B2_ca, C_ca, D_ca, E_ca aF_ca, čtyř doplňkových klasifikací tvorby kouře sl, sla, slb as2 a tří doplňkových klasifikací tvorby hořících kapek nebo částic dO, dl ad2. Na základě požadavků nařízení Evropského parlamentu a Rady č. 305/2011 a EN 50575:2014 jsou výrobci elektrických kabelů povinni provádět zkoušky potřebné pro klasifikaci kabelů ve třídách reakce na oheň minimálně v ročních intervalech. Uvedené zkoušky jsou časově a finančně náročné a navíc destruktivní, takže v žádném případě neumožňují kontinuální kontrolu vlastností a parametrů vyrobených kabelů.

Změna vlastností organických polymerů jako komponentů elektrických kabelů, např. změna jejich chemického složení, změna průměrného stupně polymerizace a změna chemického složení a množství přidaných aditiv, ke které došlo následkem změny průběhu teplot při výrobě elektrického kabelu, jakož i změny chemického složení organických polymerů použitých při výrobě komponentů elektrických kabelů, změny chemického složení nebo dávkování aditivních látek - všechny tyto změny se velmi dobře projevují změnou hodnoty limitního kyslíkového čísla stanoveného podle ISO 4589-2:2017. Nevýhodou této metody je ale skutečnost, že je stejně jako ostatní popsané metody destruktivní a neumožňuje kontinuální kontrolu vlastností a parametrů vyrobených elektrických kabelů. Další nevýhodou této metody je poměrně velká časová náročnost.

Společnou nevýhodou zkoušek podle EN ISO 1716:2010, IEC 60332-l-2:2004+AMDl:2015 CSV a EN 50399:2011 a ISO 4589-2:2017 je, že prakticky neumožňují kontrolu vlastností a parametrů již instalovaných elektrických kabelů.

U výrobců, a ani u uživatelů se v současné době po dobu životnosti kabelu (zabudovaného ve stavbě nebo instalovaného v provozu) nehodnotí změny vlastností izolací elektrických vodičů a plášťů, které ovlivňují změny ostatních parametrů a vlastností elektrických kabelů (jiných, než jsou elektrická pevnost a izolační odpor, třída reakce na oheň a doplňková klasifikace k třídě reakce na oheň), jako je např. odolnost vůči vlivům prostředí, v němž je elektrický kabel instalován.

Nevýhody známých řešení poskytly prostor částečně nebo i úplně vyřešit popsaný problém

-2 CZ 309311 B6 vhodnými technickými prostředky. Výsledkem je dále uvedená aparatura k rychlé kontrole parametrů elektrických kabelů a způsob stanovení rychlosti šíření ultrazvuku v plášti elektrického kabelu nebo v izolacích elektrických vodičů kabelů, které jsou předmětem vynálezu.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky v podstatě odstraňuje způsob kontroly parametrů materiálu izolace elektrických vodičů a pláště elektrických kabelů, který spočívá v tom, že se porovná naměřená rychlost šíření ultrazvuku v izolacích elektrických vodičů určených pro výrobu elektrického kabelu a v plášti elektrického kabelu s referenční rychlostí šíření ultrazvuku v izolaci daného vodiče, nebo v plášti daného kabelu a ze zjištěné odchylky se při konstantní tloušťce izolace, nebo pláště určí míra změny složení materiálu izolace, nebo pláště.

Uvedeným způsobem funguje aparatura ke kontrole parametrů materiálu izolace elektrických vodičů a pláště elektrických kabelů určená pro linku na výrobu kabelů. Její podstata spočívá v tom, že je tvořena ultrazvukovými sondami k měření tloušťky izolace elektrických vodičů a k měření tloušťky pláště elektrického kabelu, přičemž sondy jsou připojeny k ultrazvukovému měřiči tloušťky indikujícího kromě změřené tloušťky izolace nebo pláště též odchylku změřené rychlosti šíření ultrazvuku od referenční rychlosti nastavené na ultrazvukovém měřiči tloušťky.

Každý organický polymer má svou specifickou rychlost šíření ultrazvuku. Tato rychlost závisí na vlastnostech organického polymeru. Nej důležitější vlastností ovlivňující rychlost šíření ultrazvuku je hustota organického polymeru. Dalšími významnými vlastnostmi jsou průměrná molekulová hmotnost a její distribuce a obsah a chemické složení aditivních látek. Změna rychlosti šíření ultrazvuku v organickém polymeru indikuje změnu jeho vlastností.

Podstata vynálezu spočívá v nepřímém změření rychlosti šíření ultrazvuku v izolacích elektrických vodičů a v plášti elektrického takového kabelu, který splňuje požadované vlastnosti a parametry, např. třídu reakce na oheň, doplňkové klasifikace třídy reakce na oheň, izolační odpor, elektrickou pevnost, odolnost vůči stanoveným vlivům prostředí apod. Takto stanovená hodnota rychlosti šíření ultrazvuku se porovnává s hodnotou rychlosti šíření ultrazvuku v izolacích elektrických vodičů a v plášti posuzovaného elektrického kabelu měřenou kontinuálně, polokontinuálně nebo diskontinuálně během výroby elektrického kabelu. Odchylka v rychlosti šíření ultrazvuku ve srovnání s hodnotami stanovenými pro kabel, který splňuje požadované vlastnosti a parametry, indikuje odchylku ve výrobním procesu, např. nekvalitní vstupní surovinu, nesprávně nastavenou teplotu tavení materiálu, z nějž se izolace elektrických vodičů nebo plášť elektrického kabelu vyrábí, odchylku ve složení nebo v množství aditivních látek apod.

Rychlost šíření ultrazvuku se měří nepřímo prostřednictvím ultrazvukového měřiče tloušťky. Při známé tloušťce izolace elektrických vodičů nebo pláště elektrického kabelu l (m) se rychlost šíření ultrazvuku v (m.s¹) určuje, tedy počítá z rychlosti ultrazvuku v' (m.s¹) nastavené na ultrazvukovém měřiči tloušťky a z tloušťky izolace elektrických vodičů nebo pláště elektrického kabelu Γ (m) změřené ultrazvukovým měřičem tloušťky, a to podle rovnice [1]:

Z v = ~v (m.s’^!), [1] kde: v - je rychlost šíření ultrazvuku v izolaci elektrických vodičů nebo v plášti elektrického kabelu (m.s¹);

l - je tloušťka izolace elektrických vodičů nebo pláště elektrického kabelu (m);

v’ - je rychlost šíření ultrazvuku nastavená na ultrazvukovém měřiči tloušťky (m.s¹);

Γ - je tloušťka izolace elektrických vodičů nebo pláště elektrického kabelu změřená ultrazvukovým měřičem tloušťky při nastavené rychlosti šíření ultrazvuku v’ (m).

Výhody aparatury ke kontrole parametrů elektrických kabelů a způsobu stanovení rychlosti šíření ultrazvuku v plášti elektrického kabelu nebo v izolacích elektrických vodičů kabelů podle vynálezu vyplývají z účinků, kterými se projevují. Všeobecně lze konstatovat, že předložené řešení je originální v tom, že odchylka rychlosti šíření ultrazvuku v porovnání s hodnotami stanovenými pro kabel, splňující požadované vlastnosti a parametry, indikuje odchylku ve výrobním procesu, např. nekvalitní vstupní surovinu, nesprávně nastavenou teplotu tavení materiálu, ze kterého se vyrábí izolace elektrických vodičů nebo plášť kabelu, odchylku ve složení nebo množství aditivních látek apod., což může být příčinou ztráty požadovaných vlastností a parametrů elektrického kabelu.

Objasnění výkresů

Zapojení aparatury ke kontrole parametrů elektrických kabelů a způsob stanovení rychlosti šíření ultrazvuku v plášti elektrického kabelu nebo v izolacích elektrických vodičů kabelů budou blíže objasněny pomocí výkresu, na němž obr. 1 schematicky představuje v bočním částečném řezu celkové uspořádání aparatury.

Příklady uskutečnění vynálezu

Následující příklady uskutečnění vynálezu slouží pouze k objasnění předloženého technického řešení a nikterak neomezují rozsah ochrany. Odborníci znalí stavu techniky mohou nalézt prostřednictvím rutinních experimentů řadu řešení ekvivalentních ktěm, jež jsou zde popsána. I taková řešení zůstávají v rozsahu následujících patentových nároků. Pro odborníky znalé stavu techniky není problém navrhnout taková zařízení a zvolit pro ně vhodné prvky a konstrukční uspořádání, což jsou znaky, které zde nebyly detailně řešeny.

Příklad 1

Týká se konkrétního provedení vynálezu spočívajícího v zapojení aparatury k rychlé kontrole parametrů elektrických kabelů podle obr. 1. Aparatura k rychlé kontrole parametrů elektrických kabelů je tvořena zařízením 1 na výrobu elektrických vodičů 2 nebo zásobníkem elektrických vodičů 2, ze kterého jsou elektrické vodiče 2 vedeny do zařízení 5 k dalšímu zpracování a úpravám elektrických vodičů 2. Z něj jsou pak elektrické vodiče 2 v podobě 6 vhodné pro výrobu elektrického kabelu 8 vedeny do zařízení 7 na výrobu elektrických kabelů 8, jehož výstupem je elektrický kabel 8. Elektrické vodiče 2 jsou tvořeny jádry 3 elektrických vodičů 2 a izolací 4 elektrických vodičů 2. Vyrobený elektrický kabel 8 je tvořen jádry 3 elektrických vodičů 2, izolacemi 4 elektrických vodičů 2, výplněmi 9 a pláštěm 10. Rychlosti šíření ultrazvuku v izolacích 4 elektrických vodičů 2 jsou nepřímo snímány ultrazvukovými sondami 11 tloušťky izolací 4 elektrických vodičů 2. Rychlost šíření ultrazvuku v plášti 10 elektrického kabelu 8 je nepřímo snímána ultrazvukovou sondou 12 tloušťky pláště 10 elektrického kabelu 8. Ultrazvukové sondy 11 tloušťky izolací 4 elektrických vodičů 2 a ultrazvuková sonda 12 tloušťky pláště 10 elektrického kabelu 8 jsou připojeny k ultrazvukovému měřiči 13 tloušťky, který kontinuálně, polokontinuálně nebo diskontinuálně měří tloušťku izolací 4 elektrických vodičů 2 a pláště 10 elektrického kabelu 8.

Příklad 2

Rychlost šíření ultrazvuku v se vypočítá ze známé tloušťky / izolací 4 elektrických vodičů 2 a

-4 CZ 309311 B6 pláště 10 elektrického kabelu 8, z nastavené rychlosti v' šíření ultrazvuku na ultrazvukovém měřiči 13 tloušťky a z tloušťky /' izolací 4 elektrických vodičů 2 a pláště 10 elektrického kabelu 8 změřených ultrazvukovým měřičem 13 tloušťky podle vztahu:

Průmyslová využitelnost ίο Aparatura k rychlé kontrole parametrů elektrických kabelů a způsob stanovení rychlosti šíření ultrazvuku v plášti elektrického kabelu nebo v izolacích elektrických vodičů kabelů najde průmyslové využití především při výrobě elektrických kabelů, ve stavebnictví, při kontrole kvality, v energetice a v akreditovaných zkušebnách.