PL187115B1

PL187115B1 - Kabel elektroenergetyczny

Info

Publication number: PL187115B1
Application number: PL98336696A
Authority: PL
Inventors: Sergio Belli; Luigi Caimi; Alberto Bareggi; Luca Balconi
Original assignee: Pirelli Cavi E Sistemi Spa
Priority date: 1997-05-15
Filing date: 1998-05-08
Publication date: 2004-05-31
Also published as: WO1998052197A1; EA001727B1; TW405126B; NZ337909A; HU223994B1; AU8015898A; ES2178223T5; AR015677A1; EE04446B1; HUP0002747A3; AP9901665A0; NO995535D0; ATE220240T1; CA2289748C; MA24545A1; TNSN98064A1; PT981821E; AP1121A; JP2002510424A; SI0981821T1

Abstract

. 1. Kabel elektroenergetyczny, zawieraja- cy zyle przewodzaca kabla, co najmniej jedna warstwe zwartej powloki izolacyjnej umieszczonej wokól zyly przewodzacej i powloke wykonana ze spienionego mate- rialu polimerowego umieszczona wokól zwartej powloki izolacyjnej, znamienny tym, ze material polimerowy ma modul gietkosci, który przed spienieniem, w tem- peraturze pokojowej, wynosi co najmniej 200 MPa, oraz stopien spienienia, od okolo 20% do okolo 3000%, do wzmocnienia ochrony kabla przed udarami. F IG . 1 PL PL PL

Description

PkrndmigSrm wnaalzzOu jrsS kzarl rlrktroearrgetyczanl zwIzszczz kzarl z płwdłką łdpłrną oz udzrni zzbnzpirczającą Ozbrl przrd ptzypzdkownmi udzrami.

Ptznpadkown udztn 0aalZl które młgą zdz^ć się oz p^nOdze płłeczza SrzospgrSu, ukłzdzoiz itd. młgą spgwgdgwać sz^re uszOgdznń sSruOturn Ozblal włączo^ z drfbrmzcją wz^ stwn Szglacnjonjl gdlnwzairy wztsSwn izglzct'janj łd wztstwn półprznwgdzącrj i tym płdłbonmi. UszOgdzroir tł mgżr spgwgdgwzć zmizon eradirasu rlrOSryczorug wzrstwn orj i w OgosrOwnacji spadnO płjrmołeci izłlacyjorj pgwSgOi.

W Ozalach dłstęponch łbrcoir Ogmrrcjzlainl oz p^OSze w nlnOtrgronrurtyczonch Ozblzch przrsnłgwnch lub rozdzirlcznch oiskł- lub erednionapięciłwychl stgsgwzan jrst zazw·ni czzj mrSzlgwn paocrrz zdłlon wnSrznmzć udarn dlz zaanzpircznoiz O.zbli ptzrd mgżliwymi uszOgdzraSami spłwgdłwaotmi ptzypzdkowymi udarami. Pzocrrz młżr bnć w pgstnci Saem lub entów (oz·^^^ zr stzli) lub altżroztywaiżl w pgstaci mnSalgwrj gsSgan (azjczęecinj z zSzwsu lub zlumioium). Paocnrz tro jrst zazwycz.aj enemkow-O pgOrnwzan znw'oęttzoą isSzoą pglimnrgwą. PtzykSzd taOinj strukSurn Oablz przndstzwigan jr'st w łpisir pztroSgwnm US 5,153,381.

Znuwzżgag jndaaOl żr jaOgeć mnSnlgwneg pzacnrza pgsSada pnwan wzdn. Nz przyOłzd zasSgsgwzoir paocrrzz zzwirra jndoą lub więcej dłdztkownch fzz ptzn ζΙπ^οζ Ozbla. Płozdtł łbrcołeć ryrtalowreg pzacnrza zoaczoir zwiększz ciężzr kzblz i dłdztkowł sSwarzz problrmn erodowisOgwrl gdnż ptzn Ołaircznrj wnmizoir tzk sOgostrułlwaan Ozbnl osż jr'st Sztwł utylizłwzć.

^płński łpublikłwzon pzSrot ot (KłOai) 7-320550 przndstawiz Ozbnl wżwnętrzon z łepłt^ą oz udztn płwdłką utuboeci 0.2-1.4 mm, uyinszczłoą międzn izglzSłrny i zrwoętreoą łsdłoą. Tz gdpłma oz udztn piwSzOz jrst oSnspiroiłonm mztrriałrm płlimrrłwym zawirrającnm żnwicę płliuretanowąjzkł sOłaeoiO ełówon.

Jrdooczremr zozor jrst zasSłSłwzoir spiraigonch π^^ίζΐο^' pgliyrrgwnch w kłostfukcji Oabli dł różonch cżIów·'.

Nz preykłzd airmSrcOir zedłszroir pateatgwn m P 1515709 ujawaia zasSłSłwaoir wza stwn płerndoirj międzn zrwaętrzoą łsSgoę z twłtznwz sztuczoreł i wnwonSrzoą mrtalgwą łsłłaą Oabla dlz zwięOszroia łdpłmłeci zrwnntrzorj łsdłon z Swłrznwz szSuczonuł oz aisOir tnyprrzSurn. W dłOumnocir tym osż mz żadonj wzmizaOi ł zzbezpSnczroiu wnw'aętrzarj struOturn kzblz precz waksSwę płoredoSą. W rzeczywisSgeci wzrstwz pgerrdoiz pgwinaz Ołmpnosłwać rlastyczoż ozprężroiz wytwzreznr w zrwantrzarj łsdłoir z Swgrznwz sztuczoreł wskutrk łbmżrń tżIyperatury i ygżr łoz sOSzdać się z osż związaanch airupgrządOłwnaych włókim szOlaonch lub z mzSrrizSu, któtn mrer bnć zlbł spiraiłan, zlbł utwgrzłon z wndtążłonch szOlaonch kul.

Inan dłkumroti airmincOi wzót użnSOgwn ot G 81 03 947.6 ujzwaiz Ozbrl rlnOtryczoy dł zastłsgwzń w pgSączżoiach wrwo^ąttz aparaaów i yzszno, pgsiadającn sprcnficzaą łdpłtageć ynchaaiczaą i rlastyczałeć. ΚμΙζΙ jrst sprcjzloin prznzozczgon dł puszczaaia w tuch kłSz pasygwreł i jrst wnstarczającł rlzstyczan, zbn pł roztuchu kłSz pasłwruł wrócić dł sw-Ojej prostgliaiłwrj sttuktuty. Tro tłdzzj kabla jrst przezaaczłan dł wnSrznmnwzoiz łbcią4

187 115 żeń mechanicznych typu statycznego (takich jak to generowane podczas rozruchu koła pasowego) i jego główną cechą jest elastyczność. Dla fachowców jest oczywiste, że ten rodzaj kabla zasadniczo różni się od kabli elektroenergetycznych przesyłowych lub rozdzielczych nisko- lub średnionapięciowych posiadających metalowy pancerz, który zamiast być elastyczny powinien być zdolny do wytrzymywania obciążeń dynamicznych powstałych wskutek udarów o pewnej sile wywieranych na kabel.

Ponadto w kablach transmisyjnych sygnału typu kabel współosiowy lub skręcony kabel parowy wiadomo, że stosuje się spienione materiały w celu izolacji metalu przewodzącego. Kable współosiowe zazwyczaj przeznacza się do przenoszenia sygnałów o wysokiej częstotliwości, tak jak współosiowe kable dla TV (CATV) (10-100 MHz), kable satelitarne (do 2 GHz), współosiowe kable do komputerów (powyżej 1 MHz)/. Tradycyjne kable telefoniczne przenoszą zazwyczaj sygnały o częstotliwości około 800 Hz.

Spieniony izolator stosowany jest w takich kablach w celu podwyższenia szybkości transmisji sygnałów elektrycznych, aby przybliżyć się do idealnej szybkości transmisji sygnału w nadziemnym metalu przewodzącym (która jest bliska szybkości światła). Powodem jego stosowania jest fakt, że w porównaniu z niespienionymi materiałami polimerycznymi materiały spienione generalnie mają niższą stalą dielektryczną (K), która proporcjonalnie zbliża się do stałej dielektrycznej powietrza (K=1) im wyższy jest stopień spienienia polimeru.

Na przykład w opisie patentowym US 4,711,811 przedstawiono kabel transmisyjny sygnału posiadający spieniony fluoropolimer jako izolator (grubość 0.05-0.76 mm) powleczony folią z kopolimeru etylen/czterofluoroetylen lub etylen/chlorotrójfluoroetylen (grubość 0.0130.254 mm). Jak przedstawiono w tym opisie patentowym, celem spienionego polimeru jest izolowanie przewodnika, podczas gdy celem folii z niespienionego polimeru, która powleka spieniony polimer jest poprawienie właściwości mechanicznych izolacji, w szczególności przez podwyższenie koniecznej wytrzymałości na ściskanie, gdy dwa izolowane przewodniki skręcą się tworząc tak zwaną „skręconą, parę”.

W opisie patentowym EP 442,346 przedstawiono kabel transmisyjny sygnału z powłoką izolacyjną na bazie polimeru spienionego umieszczoną bezpośrednio dokoła przewodnika. Spieniony polimer ma ultramikrokomórkową strukturę o pustej przestrzeni więcej niż 75% (co odpowiada stopniowi spienienia więcej niż 300%). Ultramikrokomórkowa struktura polimeru powinna być taka, żeby przy obciążeniu 6,89 x 10⁴ Pa ulegała kompresji co najmniej o 10% i odzyskiwała co najmniej 50% swojej pierwotnej objętości po usunięciu obciążenia. Wartości te odpowiadają w przybliżeniu typowym wartościom wytrzymałości na ściskanie, którą musi materiał posiadać, aby wytrzymać ściskanie podczas skręcania się kabli.

W międzynarodowym zgłoszeniu patentowym WO/93/15512, które również dotyczy kabla transmisyjnego sygnału, ze spienioną powłoką izolacyjną, stwierdzono, że przez powleczenie spienionego izolatora warstwą niespienionego izolacyjnego termoplastycznego polimeru (jak przedstawiony, na przykład, w patencie US 4,711,811) osiągnięta zostaje wymagana wytrzymałość na ściskanie, ale redukcji ulega szybkość propagacji sygnału. W zgłoszeniu patentowym W093/15512 przedstawiono kabel współosiowy o podwójnej warstwie powłoki izolacyjnej, gdzie obydwie warstwy składają się ze spienionego materiału polimerowego, przy czym wewnętrzna warstwa składa się z mikroporowatego politetrafluoroetylenu (PTFE), a zewnętrzna warstwa składa się z polimeru porowatego o zamkniętych porach (spienionego), w szczególności polimerów perfluoroalkoksytetrafluoroetylenu (PFA). Powłokę izolacyjną z polimeru spienionego otrzymuje się wytłaczając polimer PFA na wewnętrzną warstwę izolatora PTFE przy wtryskiwaniu gazowego Freonu 113 jako środka porotwórczego. Zgodnie ze szczegółami podanymi w opisie ten porowaty izolator o zamkniętych porach umożliwia utrzymanie wysokiej szybkości transmisji sygnału. Ponadto w zgłoszeniu patentowym sprecyzowano, że jest on odporny na ściskanie, aczkolwiek nie podano żadnych danych liczbowych odnośnie wytrzymałości na ściskanie. W opisie podkreślono fakt, że przewodniki powleczone podwójną warstwą izolatora mogą być skręcane. Ponadto, według zgłoszenia patentowego, zwiększenie pustej objętości w zewnętrznej warstwie spienionej umożliwia osiągnięcie wzrostu szybkości transmisji, tym samym zwiększeniu ulega mała zmienność pojemności tej powłoki w celu przeciwstawiania się ściskaniu przez wewnętrzną spienioną warstwę.

18*7115

Jak wynika z wyżej wymienionych dokumentów głównym celem stosowania porowatych materiałów polimerowych o „otwartych porach” jako powłok izolacyjnych dla kabli transmisyjnych sygnału jest zwiększenie szybkości transmisji sygnału elektrycznego. Tym niemniej te materiały porowate posiadają wadę polegającą na niewystarczającej wytrzymałości na ściskanie. Kilka materiałów porowatych jest określonych ogólnie jako „odporne na ściskanie”, ponieważ muszą one zapewnić nie tylko dużą szybkość transmisji sygnału, ale również dostateczną odporność na siły ściskające, które są zazw-yczaj generowane, gdy skręcą się razem dwa przewodniki powleczone spienioną izolacją. Skutkiem tego, również w tym przypadku, istotne stosowane obciążenia są typu statycznego.

Osłony izolacyjne wykonane ze spienionego materiału polimerowego dla kabli transmisyjnych sygnału muszą koniecznie mieć taką cechę charakteiystyczną, żeby być wstanie wnieść stosunkowo umiarkowane obciążenie ściskające (takie jak to, które powstaje, gdy skręcą się dwa kable) to jednocześnie w żadnym znanym dokumencie nie ma żadnej wzmianki o typie udarności, którą może zapewnić osłona ze spienionego polimeru. Mimo, że spieniona osłona izolacyjna sprzyja większej szybkości transmisji sygnału, to uważana jest za mniej korzystną pod względem wytrzymałości na ściskanie niż osłona wykonana z podobnego materiału niespienionego, jak zrelacjonowano w zgłoszeniu patentowym W093/15512.

Stwierdzono obecnie, że przez dodanie do struktury przesyłowego kabla elektroenergetycznego odpowiedniej powłoki wykonanej ze spienionego materiału polimerowego, o stosowanej grubości i module giętkości, korzystnie w styczności z osłoną polimerową zewnętrzną, możliwe jest otrzymanie kabla o wysokiej udarności i przez to uniemożliwienie uniknięcia stosowania w strukturze kabla metalowej osłony zabezpieczającej. W szczególności stwierdzono, że materiał polimerowy winien być dobrany tak, by miał dostatecznie wysoki moduł giętkości, mierzony przed jego spienieniem taki, żeby osiągnąć pożądane właściwości odnośnie udarności i uniknąć możliwych uszkodzeń wewnętrznej struktury kabla wskutek niepożądanych udarów jego powierzchni zewnętrznej. W przedmiotowym opisie termin „udar” obejmuje wszystkie dynamiczne obciążenia o pewnej energii zdolne wywołać poważne uszkodzenia struktury konwencjonalnych kabli bez osłon, natomiast wykazujących nieistotne skutki oddziaływania na strukturę typowych kabli z osłoną. Przykładowo na taki udar można uważać działanie około 20-30 J wywołane użyciem trójkątnego przebijaka o zaokrąglonych krawędziach, posiadających promień krzywizny około 1 mm, na zewnętrzną osłonę kabla.

Stwierdzono ponadto, że spieniony materiał polimerowy stosowany jako powłoka na kable, według wynalazku, umożliwia uzyskanie udarności, która jest lepsza niż uzyskiwana przy zastosowaniu podobnej powłoki na bazie tego samego polimeru, ale niespienionego.

Kabel z powłoką tego typu posiada więcej zalet w porównaniu z typowym kablem z osłoną metalową, takich jak, na przykład, łatwiejsza obróbka, mniejszy ciężar i wymiary gotowego kabla i mniejszy szkodliwy wpływ na środowisko pod względem recyklingu kabla po zakończeniu cyklu jego pracy.

Jeden aspekt przedmiotowego wynalazku dotyczy więc przesyłowego kabla elektroenergetycznego zawierającego

a) żyłę przewodzącą kabla,

b) co najmniej jedną warstwę zwartej powłoki izolacyjnej umieszczonej wokół żyły przewodzącej,

c) powłokę wykonaną ze spienionego materiału polimerowego umieszczoną wokół zwartej powłoki izolacyjnej, w którym materiał polimerowy ma określone właściwości odnośnie wytrzymałości mechanicznej i określony stopień spienienia tak, aby zapewnić kablowi właściwość odporności na udary.

Stosownie do korzystnego aspektu przedmiotowego wynalazku spieniony materiał polimerowy jest otrzymywany z materiału polimerowego, który ma przed spienieniem moduł giętkości w temperaturze pokojowej zmierzony zgodnie z normą ASTM D790 większy niż 200 MPa, korzystnie między 400 MPa i 1500 MPa, o szczególnie korzystnych wartościach między 600 MPa i 1300 MPa.

187 115

Stosownie do korzystnego aspektu materiał polimerowy ma stopień spienienia od około

20% do około 3000%, korzystnie od około 30% do około 500%, o szczególnie korzystnych wartościach od około 50% do około 200%.

Stosownie do korzystnego przykładu wykonania przedmiotowego wynalazku powłoka ze spienionego materiału polimerowego ma grubość co najmniej 0.5 mm, korzystnie między 1 i 6 mm, szczególnie między 2 i 4 mm.

Stosownie do korzystnego aspektu przedmiotowego wynalazku wyboru spienionego materiału polimerowego dokonuje się spośród polietylenu (PE), PE o niskiej gęstości (LDPE), PE o średniej gęstości (MDPE), PE o wysokiej gęstości (HDPE) i liniowego PE o niskiej gęstości (LLDPE); kauczuku etylenowo-propylenowego (EPR), kopolimeru etylenu z propylenem (EPM), terpolimeru etylenowo-propylenowo-dienowego (EPDM); kauczuku naturalnego; kauczuku butylowego; kopolimeru etylenu z octanem winylu (EVA); polistyrenu; kopolimeru etylenu z akrylanem metylu (EMA), kopolimeru etylenu z akrylanem etylu (EEA), kopolimeru etylenu z akrylanem butylu (EBA); kopolimeru etylenu z α-olefmą; żywicy akrylonitrylbutadien-styren (ABS); polimeru chlorowcowanego, polichlorku winylu (PVC); poliuretanu (PVER); poliamidu; aromatycznego poliestru, politereftalanu etylu (PET), politereftalanu butylu (PBCE); oraz ich kopolimerów lub mieszanek.

Stosownie do dodatkowego korzystnego aspektu materiał polimerowy jest polimerem poliolefinowym lub kopolimerem na bazie PE i/lub PP, korzystnie modyfikowanym kauczukiem etylenowo-propylenowym przy czym stosunek wagowy PP/EPR jest między 90/10 i 50/50, korzystnie między 85/15 i 60/40, szczególnie około 70/30.

Stosownie do dodatkowego korzystnego aspektu polimer poliolefmowy lub kopolimer na bazie PE i/lub PP zawiera określoną z góry ilość gumy wulkanizowanej w postaci proszkowej, korzystnie między 10% i 60% masy polimeru.

Stosownie do dodatkowego korzystnego aspektu kabel zawiera ponadto zewnętrzną osłonę polimerową, która korzystnie styka się z powłoką ze spienionego polimeru, grubość tej osłony korzystnie wynosi co najmniej 0.5 mm, korzystnie między 1 i 5 mm.

W przedmiotowym opisie termin „stopień spienienia polimeru” rozumiany w odniesieniu do spieniania polimeru, zdefiniowany jest następującą zależnością:

G (stopień spienienia) = (do/dee-1) x 100 gdzie do oznacza gęstość niespienionego polimeru (to znaczy polimeru o strukturze z natury nie zawierającej pustych przestrzeni) a de oznacza gęstość pozorną zmierzoną dla spienionego polimeru.

Dla celów przedmiotowego opisu termin „spieniony” polimer rozumiany jest jako odnoszący się do polimeru, w którego strukturze zawartość procentowa pustej przestrzeni (to znaczy przestrzeni nie zajętej przez polimer ale przez, gaz lub powietrze) wynosi zazwyczaj więcej niż 10% całkowitej objętości polimeru.

W przedmiotowym opisie termin wytrzymałość na „odrywanie” jest rozumiany jako zależność od siły wymaganej do oddzielenia (zdarcia) warstwy powłoki z przewodnika lub z innej warstwy powłoki. W przypadku oddzielania wzajemnie od siebie dwóch warstw powłok warstwami tymi są zazwyczaj warstwa izolacyjna i zewnętrzna warstwa półprzewodząca.

Zazwyczaj warstwa izolacyjna elektroenergetycznych kabli przesyłowych ma stałą dielektryczną (K) wynoszącą powyżej 2. W elektroenergetycznych kablach przesyłowych stosuje się gradienty elektryczne w zakresie od około 0.5 kV/mm dla niskiego napięcia do około 10 kV/mm dla wysokiego napięcia w przeciwieństwie do kabli transmisyjnych sygnału, w których parametr „gradient elektryczny” nie ma żadnego znaczenia. A zatem dąży się do unikania w tych kablach występowania niehomogeniczności w osłonie izolacyjnej (na przykład pustych przestrzeni), która może spowodować lokalne zmiany sztywności dielektrycznej i w następstwie spadek pojemności izolacyjnej. A zatem zazwyczaj jako materiał izolacyjny będzie stosowany zwarty materiał polimerowy, w którym, w przedmiotowym opisie, termin „zwarty” izolator jest rozumiany jako materiał izolacyjny posiadający sztywność dielektryczną co najmniej 5 kV/mm, korzystnie większą niż 10 kV/mm, szczególnie większą niż 40 kV/mm dla elektroenergetycznych kabli przesyłowych średnio- i wysokonapięciowych. W przeciwieństwie do materiału polimerowego spienionego ten zwarty materiał nie posiada

187 115 istotnych pustych przestrzeni w swojej strukturze. W szczególności materiał ten ma gęstość 0.8 5 g/cm ³ lub powyżej.

W przedmiotowym opisie przez termin niskie napięcie rozumiane jest napięcie do 1000 V (zazwyczaj wyższe niż 100 V), przez termin średnie napięcie rozumiane jest napięcie od około 1 do około 30 kV i przez termin wysokie napięcie rozumiane jest napięcie powyżej 30 kV. Takie elektroenergetyczne kable przesyłowe zazwyczaj pracują przy częstotliwościach znamionowych 50 lub 60 Hz.

Chociaż w opisie przedstawiono szczegółowo zastosowanie powłoki z polimeru spienionego w elektroenergetycznych kablach przesyłowych, w których taka powłoka może nastąpić, ze względu na wynikające z tego faktu korzyści, osłonę metalową obecnie stosowaną w tego rodzaju kablach, dla fachowców jest ewidentne, że powłoka spieniona może być korzystnie zastosowana w dowolnym typie kabla, dla którego może być wskazane zastosowanie odpowiedniego zabezpiecza przed udarami. W szczególności w określeniu elektroenergetyczne kable przesyłowe mieszczą się nie tylko wyłącznie kable typu nisko- i średnionapięciowych lecz również wysokonapięciowe przesyłowe kable elektroenergetyczne.

Przedmiot wynalazku zostanie objaśniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia elektroenergetyczny kabel przesyłowy trójżylowy znany ze stanu techniki, z metalową osłoną, fig. 2 - pierwszy przykład wykonania trójżyłowego kabla, według wynalazku, a fig. 3 - drugi przykład wykonania kabla według wynalazku, typu jednożyłowego.

Na fig. 1 przedstawiono schemat przekroju poprzecznego średnionapięciowego przesyłowego ^{żyłowego kabla elektroenergetycznego, znanego ze stanu techniki z metalową osłoną. Kabel składa się z trzech przewodników 1, każdego osłoniętego wewnętrzną powłoką półprzewodzącą 2, warstwy izolacyjnej 3, zewnętrznej warstwy półprzewodzącej 4 i metalowej osłony 5. Dla uproszczenia, ta pośrednia struktura będzie określana w dalszej części opisu jako „rdzeń”. Trzy rdzenie są ściągnięte razem, a gwiaździste obszary między nimi wypełnione są wypełniaczem 9 (zazwyczaj mieszankami elastomerów, włóknami polipropylenowymi i tym samym podobnym) w celu uzyskania na przekroju poprzecznym struktury koła, całość z kolei pokryta jest wewnętrzną osłoną polimerową 8, pancerzem z drutów metalowych 7 i zewnętrzną osłoną polimerową 6.

Na fig. 2 przedstawiono schemat przekroju poprzecznego kabla według wynalazku, również tróiźyłowego dla .średnionapięciowego przesyłania mocy. Kabel składa się z trzech przewodników 1, każdego osłoniętego wewnętrzną powłoką półprzewodzącą 2, warstwy izolacyjnej 3, zewnętrznej warstwy półprzewodzącej 4 i metalowej osłony 5. Gwiaździste obszary między rdzeniami są w tym przypadku wypełnione odpornym na udary spienionym materiałem polimerowym 10, który z kolei jest powleczony zewnętrzną osłoną polimerową 6. W spienionej powłoce polimerowej 10 zaznaczona jest (za pomocą przerywanej linii) kolista obręcz 10a, która odpowiada minimalnej grubości, ze względu na zbliżenie do zewnętrznej powierzchni rdzeni, spienionej polimerowej osłony.

Na fig. 3 przedstawiono schemat przekroju poprzecznego kabla jednożyłowego według wynalazku dla średnio-napięciowego przesyłu mocy. Kabel składa się z centralnego przewodnika 1, osłoniętego wewnętrzną powłoką półprzewodzącą 2, warstwy izolacyjnej 3, zewnętrznej warstwy półprzewodzącej 4, metalowej osłony 5, warstwy spienionego materiału polimerowego 10 i zewnętrznej osłony polimerowej 6. W przypadku kabla unipolarnego przedstawionego na fig. 3 kołowa obręcz 10a, zaznaczona dla przypadku kabla trójpolarnego pokrywa się z warstwą spienionego materiału polimerowego 10, gdyż przedmiotowy kabel ma kołowy przekrój poprzeczny.

Na rysunku przedstawiono oczywiście tylko kilka z możliwych przykładów wykonania kabli, w których przedmiotowy wynalazek może być z pożytkiem zastosowany. Jest zrozumiałe, że można robić stosowne znane z techniki modyfikacje przedmiotowego przykładu wykonania, tym samym nie zakłada się żadnych ograniczeń odnośnie zastosowania przedmiotowego wynalazku. Na przykład, odnośnie fig. 2, obszary gwiaździste między rdzeniami można wypełnić najpierw klasycznym wypełniaczem, otrzymując w ten sposób półobrobiony kabel o przekroju poprzecznym odpowiadającym w przybliżeniu kołowemu przekrojowi poprzecznemu zawartemu wewnątrz kołowej obręczy 10a. Istnieje korzystna możliwość wyci8

187 115 śnięcia następnie na półobrobiony kabel posiadający pole przekroju poprzecznego warstwy spienionego materiału polimerowego 10, o grubości odpowiadającej w przybliżeniu kołowej obręczy 10a, a później zewnętrznej osłony 6. Alternatywnie można zaopatrzyć rdzenie w kształtownik przekroju poprzecznego w ten sposób, że gdy rdzenie są złączone razem tworzy się kabel o w przybliżeniu kołowym przekroju poprzecznym, bez potrzeby stosowania wypełniacza dla obszarów gwiaździstych. Następnie wytłacza się na tak złączone razem rdzenie warstwą spienionego materiału polimerowego odpornego ma udary, a potem zewnętrzną osłoną 6.

W przypadku niskonapięciowych kabli przesyłowych elektroenergetycznych ich struktura zawiera jedynie umieszczoną w bezpośredniej styczności z przewodnikiem powłokę izolacyjną, która z kolei jest pokryta powłoką ze spienionego materiału polimerowego i zewnętrzną osłoną.

Dalsze rozwiązania są znane dla fachowca, który jest w stanie ocenić najbardziej dogodne rozwiązanie na podstawie, na przykład kosztów, typu umiejscowienia kabla (nadziemny, umieszczony w przewodach rurkowych, zakopany bezpośrednio w ziemi, wewnątrz budynku, podmorskie itp.), temperatury pracy kabla (temperatury maksymalnej i minimalnej, zakresu temperatur środowiska) i tym podobnym.

Odporna na udary spieniona polimerowa powłoka może składać się z dowolnego typu spienialnego polimeru takiego jak na przykład poliolefiny, kopolimery poliolefinowe, kopolimery olefin z estrami, poliestry, poliwęglany, polisulfony, żywice fenolowe, żywice mocznikowe i mieszanki wyżej wymienionych. Przykładowo, stosowanymi polimerami są polietylen (PE), szczególnie PE o niskiej gęstości (LDPE), średniej gęstości PE (MDPE), wysokiej gęstości PE (HDPE) i liniowy PE o niskiej gęstości (LLDPE); polipropylen (PP); kauczuk etylenowo-propylenowy (EPR), w szczególności kopolimer etylenu z propylenem (EPM) lub terpolimer etylenowo-propylenowo-dienowy (EPDM); kauczuk naturalny; kauczuk butylowy; kopolimer etylenu z octanem winylu (EVA); polistyren; kopolimer etylenu z akrylanem, w szczególności kopolimer etylenu z akrylanem etylu (EEA), kopolimer etylenu z akrylanem butylu (EBA); kopolimer etylenu z α-olefiną; żywice akiylonitrylowo-butadienowo-styrenowe (ABS); chlorowcowane polimery, w szczególności polichlorek winylu (PVC); poliuretan (PUR); poliamidy; aromatyczne poliestry, takie jak politereftalan etylu (PET) lub politereftalan butylu (PBT); oraz ich kopolimery lub mieszanki. Korzystnie stosowane są polimery poliolefinowe, w szczególności na bazie PE i/lub PP zmieszane z kauczukami etylenowopropylenowymi. Bardzo korzystnie może być zastosowany polipropylen modyfikowany kauczukiem etylenowo-propylenowym (EPR) przy wagowym stosunku PP/EPR między 90/10 i 50/50, korzystnie między 85/15 i 60/40, a stosunek wagowy 70/30 jest szczególnie korzystny.

Stosownie do dodatkowego aspektu przedmiotowego wynalazku, stwierdzono, że istnieje możliwość mechanicznego mieszania materiału polimerowego, który ma być spieniony, w szczególności w przypadku polimerów olefinowych, szczególnie polietylenu lub polipropylenu, z określoną ilością kauczuku w postaci proszkowej, na przykład wulkanizowanego kauczuku naturalnego.

Charaktetystyczne, że proszki te składają się z cząstek o rozmiarach między 10 a 1000 pm, korzystnie między 300 a 600 pm. Zaletą postępowania jest możliwość zastosowania braków z wulkanizowanego kauczuku powstałych w procesie przetwarzania opon. Procentowa zawartość kauczuku w postaci proszkowej może mieścić się w zakresie od 10% do 60% wagowych względem polimeru, który ma być spieniony, korzystnie między 30% a 50%.

Polimerowy materiał, który ma być spieniony, stosowany albo bez dalszej obróbki albo stanowiący spienialną bazę w mieszaninie ze sproszkowanym kauczukiem, musi mieć taką sztywność, żeby po spienieniu zapewnić stosowną wielkość wymaganej udamości tak, żeby zabezpieczyć wewnętrzną część kabla (to znaczy warstwę izolatora i warstwy półprzewodzące, które mogą występować) od uszkodzeń w następstwie przypadkowych udarów, które mogą się zdarzyć. W szczególności, materiał musi mieć wystarczająco wysoką pojemność, żeby zaabsorbować energię udaru, taką, żeby przenieść do leżącej poniżej warstwy izolatora taką ilość energii, by właściwości izolacyjne leżącej poniżej warstwy nie uległy zmianie poza określoną z góry wartość. Uzasadnienie, przedstawione bardziej szczegółowo w dalszym

187 115 ciągu opisu, jest takie, że Zgłaszający zauważył, że w kablu poddanym udarowi stwierdza się różnicę między wartością średnią a wartością mierzoną w punkcie udaru w wytrzymałości na odrywanie od leżących poniżej powłok izolaczjnzch. Zaletą jest, że wytrzymałość na odrywanie może być mierzona między warstwą izolatora i zewnętrzną warstwą półprzewodząśą. Różnica w wytrzymałościaśh rośnie proporcjonalnie do wzrostu energii udarowej transmitowanej do leżącej poniżej warstwy. W przypadku, gdy wytrzymałość na odrywanie mierzona jest między warstwą izolacyjną a zewnętrzną warstwą półprzewodzącą oszacowano, że powłoka zabezpieczająca stanowi dostateczne zabezpieczenie warstw wewnętrznych, gdy różnica w wytrzymałości na odeγwαniż w punkcie udaru, liczona w stosunku do wartości średniej, wynosi poniżej 25%.

Zauważono, że materiał polimerowy wybrany z powyżej wymienionych jest szczególnie odpowiedni do tego celu, gdy posiada przed spienieniem moduł giętkości w temperaturze pokojowej większy niż 200 MPa, korzystnie co najmniej 400 MPa, przy pomiarze według normy ASTM D790. Jednocześnie, ponieważ nadmierna sztywność spienionego materiału może utrudnić posługiwanie się gotowym wyrobem korzystnie jest stosować materiał polimerowy posiadający w temperaturze pokojowej moduł giętkości o wartości mniejszże niż 2000 MPa. Szczególnie stosowne do tego celu są materiały polimerowe posiadające moduł giętkości, w temperaturze pokojowej, między 400 a 1800 MPa, materiał polimerowy o module giętkości między 600 a 1500 MPa jest szczególnie korzystny.

Wartości modułów giętkości mogą być cechą charakterystyczną danego materiału lub mogą wynikać ze zmieszania dwóch lub więcej materiałów posiadających różne moduły, zmieszanych w takim stosunku, aby otrzymać pożądaną wartość sztywności materiału. Na przykład polipropylen, który posiada moduł giętkości większy niż 1500 MPa może być odpowiednio modyfikowany stosowną ilością kauczuku etylenowo-propylenowego (EPR), który ma moduł około 100 MPa, w celu obniżenia w należyty sposób jego giętkości.

Przykłady dostępnych komercyjnie związków polimżezczeyśh to: polipropylen o niskiej gęstości: FL 30 (Enichem);

polipropylen o wysokiej gęstości: DGDK 3364 (Uniona Carbide); polipropylen: PF 814 (Montell);

polipropylen modyfikowany ePR: Moplen EP-S 30R, 33R i 81R (Montell); Firma-Pro 5660G, 4660G, 2660S i 3660S (Firma-Pro).

Stopień spieniania polimeru i grubość warstwy powlekającej mają być takie, żeby zapewnić, w połączeniu z zżweętezeą osłoną polimerową, odporność na typowe udary, które mogą zdarzyć się w trakcie dostawy i układania kabla.

Jak wzmiankowano uprzednio „stopień spienienia polimeru” określa się następującą zależnością:

G (stopień spienienia) = (όΤ'(1_ε-1) x 100 gdzie do oznacza gęstość nieapiżnionego polimeru, a d3 oznacza gęstość pozorną mierzoną dla spienionego polimeru.

Zgłaszający zauważył, że, o ile pozwala na to utrzymanie wymaganej cechy charakteryatyczebe, udamości, to przy tej samej grubości warstwy spienionej korzystniej jest stosować materiał polimerowy posiadający wyższy stopień spienienia, gdyż w ten sposób istnieje możliwość zmniejszenia ilości użytego materiału polimerowego, co jest korzystne w znaczeniu zarówno ekonomicznym jak i zmniejszenia ciężaru gotowego wyrobu.

Stopień spienienia jest bardzo zmienny, gdyż jest funkcją zarówno konkretnego zastosowanego materiału polimerowego jak i funkcją grubości powłoki, do której ma być zastosowany; ogólnie stopień spienienia może zmieniać się w zakresie od 20% do 3000%, korzystnie od 30% do 500%, szczególnie korzystny stopień spienienia między 50% a 200%. Strukturę apieeioebgo polimeru stanowią zazwyczaj pory zamknięte.

Zauważono, że po przekroczeniu pewnego stopnia spienienia zdolność powłoki polimerowej do zapewnienia wymaganej udamoóci spada. W szczególności zauważono, że możliwość otrzymywania wysokich stopni apieeibeia polimeru przy zachowaniu dużej sprawności zabezpieczenia od udarów może być skorelowana z wartością modułu giętkości polimeru, który ma być spieeioez. Zauważono, że przyczyną tego jest zmniejszanie się modułu materia10

187 115 łu polimerowego w miarę wzrostu stopnia spienienia tego materiału w przybliżeniu zgodnie z poniższym wzorem:

E 2/Et=(p 2/pO² gdzie E2 oznacza moduł giętkości polimeru o wyższym stopniu spienienia;

E1 oznacza moduł giętkości polimeru o niższym stopniu spienienia;

P2 oznacza gęstość pozorną polimeru o wyższym stopniu spienienia; i p1 oznacza gęstość pozorną polimeru o niższym stopniu spienienia.

Przykładowo, dla o module giętkości około 1000 MPa zmiana stopnia spienienia z 25% do 100% powoduje zmniejszenie w przybliżeniu do połowy modułu giętkości materiału. Z tego powodu materiały polimerowe o wysokich modułach giętkości mogą być spieniane do większego stopnia niż materiały polimerowe o niskich wartościach modułów giętkości, co nie narusza zdolności powłoki do dobrego znoszenia udarów.

Inną zmienną, która ma wpływ na udarność kabla jest grubość spienionej powłoki. Minimalna grubość, która jest w stanie zapewnić udarność jaką można osiągnąć stosując daną powłokę zależy w głównej mierze od stopnia spienienia i modułu giętkości polimeru. Zazwyczaj, jak zauważono, dla tego samego polimeru i przy tym samym stopniu spienienia, zwiększając grubość spienionej osłony można osiągnąć wyższe wartości udarności. Jednakże w celu ograniczenia ilości użytego materiału, co obniża zarówno koszty jak i wymiany gotowego produktu, korzystnie jest, gdy grubość warstwy spienionego materiału jest minimalną grubością konieczną do zapewnienia pożądanej udarności. W szczególności, dla kabli typu średnionapięciowych zbadano, że spieniona powłoka o grubości około 2 mm jest zazwyczaj w stanie zapewnić wystarczającą wytrzymałość na normalne udary na jakie jest kabel tego typu narażony. Korzystnie, gdy grubość powłoki jest większa niż 0.5 mm, w szczególności między około 1 mm i około 6 mm, szczególnie korzystnie, gdy grubość zawiera się między 2 mm i 4 mm.

Zauważono ponadto, że możliwe jest, w ramach możliwego do przyjęcia przybliżenia, zdefiniowanie zależności między grubością powłoki i stopniem spienienia materiału polimerowego dla materiałów o różnych wartościach modułów giętkości tak, że grubość spienionego materiału jest zwymiarowana w funkcji stopnia spienienia i modułu materiału polimerowego, szczególnie dla grubości spienionego materiału wynoszącej około 2-4 mm. Zależność tę można wyrazić następująco:

V x de > N gdzie V oznacza objętość spienionego materiału polimerowego w odniesieniu do długości 1 metra kabla (m³/m), objętość ta odnosi się do kołowej obręczy określonej przez minimalną grubość spienionej powłoki, odpowiadającej kołowej obręczy 10a z fig. 2 dla kabli multipolarnych lub powłoce 10 zaznaczonej na fig. 3 dla kabli unipolarnych;

de oznacza gęstość pozorną mierzoną dla spienionego materiału polimerowego (kg/m³); i

N jest wynikiem zależności dwóch wyżej wymienionych wartości, który musi być większy niż lub równy:

0.03 dla materiałów o module > 1000 MPa,

0.04 dla materiałów o module 800-1000 MPa,

0.05 dla materiałów o module 400-800 MPa,

0.06 dla materiałów o module < 400 MPa.

Parametr V jest zużywany z grubością (S) spienionej powłoki następującą zależnością:

V = π (2R1X S + S²) gdzie R1 oznacza promień wewnętrzny kołowej obręczy 10a.

Parametr de jest związany ze stopniem spienienia materiału polimerowego zależnością:

G = (do/de-1)x 100

W oparciu o wyżej podane zależności stwierdzono, że dla spienionej powłoki o grubości około 2 mm, umieszczonej na cylindrycznym profilu kabla o średnicy około 22 mm, dla różnych materiałów posiadających różne moduły giętkości w temperaturze pokojowej (Mf) przedmiotowa powłoka musi mieć minimalną gęstość pozorną wynoszącą około:

0.40 g/cm3 dla LDPE (Mf około 200);

0.33 g/cm3 dla mieszanki 70/30 PP/EPR (Mf około 800);

187 115

0.26 g/cm³ dla HDPE (Mf około 1000);

0.20 g/cm³ dla PP (Mf około 1500).

Wartości gęstości pozornej spienionego polimeru odpowiadają maksymalnemu stopniowi spienienia o wartościach około:

130% dla LDPE (do = 0,923)

180% dla mieszanki PP/EPR (do = 0.890)

260% dla HDPE (do = 0.945)

350% dla PP (de = 0.900).

Podobnie, dla grubości spienionej powłoki około 3 mm umieszczonej na kablu o identycznych wymiarach, otrzymano następujące wartości minimalnej gęstości pozornej:

0.25 g/cm3 dla LDPE;

0.21 g/cm3 dla mieszaniny PP/EPR;

0.17 gW dla HDPE;

0.13 g/cm3 dla PP;

odpowiadające maksymalnemu stopniowi spienienia około:

270% dla LDPE;

320% dla mieszaniny PP/EPR;

460% dla HDPE;

600% dla PP.

Przedstawione wyniki wskazują, że w celu optymalizacji cechy charakterystycznej, udamości, spienionej powłoki o określonej z góry grubości powinno się wziąć pod uwagę zarówno wytrzymałościową materiału w znaczeniu wytrzymałości mechanicznej (szczególnie jego modułu giętkości) jak i stopień spienienia materiału. Jednak wartości ustalone przy spienieniu materiału. Jednak wartości ustalone przy zastosowaniu powyższych zależności nie powinny być uważane jako ograniczające zakres przedmiotowego wynalazku. W szczególności, maksymalny stopień spienienia polimerów, których moduły giętkości mają wartości bliskie górnym granicom przedziałów odpowiadających różnym wartościom liczby N (to znaczy 400, 800 i 1000 MPa) mogą w rzeczywistości być nawet wyższe niż obliczone według powyższej zależności; tak więc na przykład warstwa PP/EPR o grubości około 2 mm (Mf około 800 MPa) jest jeszcze w stanie zapewnić wymagane zabezpieczenie przed udarem nawet przy stopniu spienienia około 200%.

Polimer jest zazwyczaj spieniony w trakcie etapu wytłaczania. Spienianie może być przeprowadzone albo jako proces chemiczny z użyciem dodatku odpowiedniego związku „spieniającego” (poroforu), to znaczy takiego, który jest zdolny wytworzyć gaz w określonych warunkach temperatury i ciśnienia, albo może być przeprowadzone jako proces fizyczny, za pomocą gazu wstrzykiwanego pod wysokim ciśnieniem bezpośrednio do cylindra wytłaczarki.

Przykładowo stosownych „spieniaczy” chemicznych (poroforów) są azodwukarbamid, mieszaniny kwasów organicznych (na przykład kwasu cytrynowego) z węglanami i/lub wodorowęglanami (na przykład wodorowęglanem sodowym).

Przykładami gazów wstrzykiwanych pod wysokim ciśnieniem do cylindra wytłaczarki są azot, dwutlenek węgla, powietrze i niskowrzące węglowodory takie jak propan i butan.

Zewnętrzna osłona zabezpieczająca, która powleka warstwę spienionego polimeru może z powodzeniem być typu zazwyczaj stosowanego. Jako materiały na zewnętrzną powłokę mogą być stosowane polietylen (PE), w szczególności PE o średniej gęstości (MDPE) i PE o wysokiej gęstości (HDPE), polichlorek winylu (PVC), mieszanki elastomerów i tym podobne. Korzystne jest stosowanie MDPE i PVC. Zazwyczaj materiał polimerowy, który tworzy zewnętrzną osłonę ma moduł giętkości między około 400 a około 1200 MPa, korzystnie między około 600 MPa a około 1000 MPa.

Zauważono, że obecność zewnętrznej osłony przyczynia się do zapewnienia powłoce pożądanej cechy charakterystycznej, udarności, przy współobecności powłoki spienionej. W szczególności zauważono, że wpływ udziału osłony na udarność, dla tej samej grubości warstwy spienionej, wzrasta w miarę wzrostu stopnia spienienia polimeru tworzącego powłokę spienioną. Korzystna grubość osłony zewnętrznej wynosi więcej niż 0.5 mm, w szczególności między 1 a 5 mm, korzystnie między 2 a 4 mm.

187 115

PrzyełSgwywaair łdpgtareł oz udztn Oabla wrdłue wnazlazOu gpisanż jrst z uwzelędairairm schżmzSu struktury kzblz przrdstąwioarj oz fSe. 2, oz której jrdozk przrstrzrair ewSaździsSż międzn rdzraizyi są wnprSoigaż, oir wprost spiżaiłanm płlimrrem 10, zlr raczrj kłowżacjłozloyy wnprSoiaczry. Nz tzk półprzntwłrzłoy kzbrl wnsłzczzaa jrst oastępoir spiżaigaz pow'łoOa, Swłrząc OłSłwą οΙ^οζ Kb włkół półprzrtworzoaneo Ozbla, która w ozstępanm rtzpir pgOrnwaoa jrst zrwnętrzną łsłgaą pzlimrrową 2. Przneotowywanir Μζζoi kzblz tg zozczn zrspgSu przrwgdoika 4, wnwolętrzarj warstwn póSprzrwłdzącrj 9, iz.łlztora 5, zżwaęSrzażj warsSwn póSpti^^włdzącrj 8 S mżSalłwżj osSoon 4, przeprowzdzzor jrst wrdSue zoaonch SżchnSO, oz p^ykSze ptrrz wnSSaczaoSr. RdzroSr są oasSnpaSr eciąuaSętr razry i ewSaździsSr przżsSrzroSr wnprłoizor są Ogowrocjgazlonm wnprSaizczżm (oz p^OSze mirszzaiaami żlzsSłmrrów, włóOnzyi płliprgpnlrałwnmi i tym podobonm) zazwyczaj z zastłsłwzairm wnSłaczaaSa wnprSoizczz międZn Ociąuaiętr razm tdzroiż tzk, żrby οηζ.η mzś półprzrSwgrzłoy Ozbrl o koSowym przżOrgju pgprzeczaym. PgwSokz zr spSnaSłoreł polin-irtu 10 jrst ozstępaSr wntłaczanz oz wnpnSoSacz. KgrzystoSż jżsS, żrby mzSrnca eSowicy wnSłaczzrOS mizSz eredaicę oirco yoinjszą oiż fSozlaa eredaica Ozblz zr spiroiooą powSoką po to, żrby pozwolić pglimrrowi oz spiroizaSż się oz znwaątrz wnSSzcznrOS.

Zzuwzżgag, żr w idro^czonch waruoOzch wySłzczatOi (tzOSch jzk szybkość wirowaaiz śtuby, szybkość lSoii wnSłzczzoiz, erreaicz eSowicy wnSSzczzrOi i tym pgdobaż) tnmprraSura wntSaczaoSz jrst jżdaą zr zmirannch procesowych, która mz zoaczan wpSyw oz stopm spiżairaiz. Zzzwycząj pray tryprraSurach wnSSzczzaSa pooiżrj 160°C Skudao jrst uznsOać dzeztkowy stopirń spiżoiroia. KorznsSoz temprratura wntSaczzoSą wyoosi co ozjyainj 180°C, w szczruólogeci okoSo 200°C. Zzzwyczaj podwnższraSn SżyprraSurn wySSzczzaia gepowiaez wyższrmu sSopaiowi spiroiroiz.

Płozeto, jrst możliwr Oontroklwaniż w prwony stopoiu sSgpoia spiżaSroiz polim^tu ptzrz łddzSzSywzair oz stgpiżń chSłdzroiZl edyż oepowindoio zwzloizjąc lub ptzyspirszzjąc chSgdzżaiż twotzącreo powSokę spiroiłaą pglSmnru oz wylocir wytłzcz,arOi jrst możliwr podwyższrom lub łboiżraiż stopoiz spiraSżaiz płliyrru.

ZuSzszzjącn zzuwzżyS, żr możliwr jrst ilościowr 1^00101^ skutków udztu po wtoki Oablz zz pomocą pgmiarów wntrznmatoeci oz gdrywąair wztstw płwlżOającnch Oabnl, tóżosc między średnią \oytrzy!yaaością oz odtywzoSr z wartością mirtzooą w puoOcin udatu. W szczżuólałeci, dto typu Ozbli ercdaignapięcigwych, o stmktu^zr zawierzjącrj wrwoętrzoą warstwę poSp^ewzdzącą wzrstwn izłlacnjaą i zżwaęSrzaą wzratwę półprzrwłezącą wnSrzymałgeć oz gdrywzair (i odpowiżdoiz różoica) moeą z kotzyścią być miżrzgaż między warstwą zrwoęSrzaą maSnrizSu póSprzrwgdzącruł i wzratwą izłlacnjoą.

Płozeto stwiżrdzłoł, żr skutki szczreóloir pgważonch udzrów, uezrów oz które Oabnl możr być nzrazonn, szczreóloir śrżdnioaapięciown Ozbrl łpaacżkzgay, moeą być oetwotzoor wrdSue trstu udąrowreg oz podstzwir ^Μη FraocusOinj HN 33-S-52 dotyczącej opaacrrzgoych wysokłozpięciownch nlnOtrornnrgetyczanch Oabli przesnłilwych, prey krótych 1^1^,' liczyć się z rarruią ueztu kzblz wynoszącą okoSo 72 J.

Wytt:^^mz^;loeć oz odrnwzoir watstwn powSoki ^ϊζ^^ wrdSue FraacusOirj ootmy HN 33-S-52, zeodoir z któtą yinrzn się siSę, któtą Srzrbz zzstosowzćl zby oddzirlić zrwonSrzoą watstwn póiptzewodzącą od wztstwy izglzcyjorj. Zzuwążoog, żr ptzy poyiarzn tżj siSy w sposób ciąułn, w puaOtzch pgeezwzoych udzrowS, mirtry się piki siS co wsOzzujr oz zyinanoeć siSy kohrzji między dwgya warstwayS. Zauwzżoo0l żr zmiąan tr są zzzwnczzj związanr z obaiżżoiny pojmoości izolacnjorj powSoOS. Zyiroaoeć roeoir proporcjgaaloir do spzdku udzmości pochodzącrj od powSoki zżwo^ętrzarj (która, w prznpadOu praremiotowreo wnoalzzOu, sOłzda się zż spSżoSoażj powSoki i zrwantrzarj osSoan). WSżIOość zmSaon trj siSy yinrzoorj w puaOtzch udznów wzelędm wzttgeci erndairj miżrzooej wzdSuż Ozbla wskzzujr oz stopiżń zzbżzpirczroiz ptzrz powSokę zabnzpirczającą. Zazwnczzj uwzża się, żż aoeć udzkageci o maOsnyaloin 20-25% wzelędm wartoeci errdoiżj jżst do prznjęcia.

Crchy charaOtrrystyczar powSoki spiżotoarj (yatrriał, stopirń sρiroiżaia, ιπ0<^), która możr z kopyścią być zastosowzaa razm z oepgwindaią zrwnętrzaą poliyrrową osSooą zabnzpirczającąl meą być gdpowireaig eobraar stosownir do zzbnzpirczraia proże uearayi, zabrzpirczraiz, które powłgOa tz zapnwaia wnwoιęttzanj struOturzr kzblz i które zalrżan jrst

187 115 także od cechy charakterystycznej specyficznego materiału zastosowanego jako izolator i/lub półprzewodnik, takich jak twardość materiału, gęstość i tym podobne.

Jak wynika z całości przedmiotowego opisu kabel według wynalazku jest szczególnie stosowany do zastąpienia nim konwencjonalnych opancerzonych kabli z powodu korzystnych właściwości powłoki ze spienionego polimeru w odniesieniu do metalowego pancerza. Jednak jego zastosowanie nie powinno być ograniczone do tego określonego zastosowania. W rzeczywistości kabel według wynalazku może z korzyścią być używany w tych wszystkich zastosowaniach, w których jest pożądany kabel posiadający podwyższone własności udarnoOśiowb. W szczególności kabel udarowy według wynalazku może zastąpić konwencjonalny niżopαncerzony kabel we wszystkich zastosowaniach, w których, jak dotychczas, stosowanie opancerzonych kabli byłoby korzystne, ale jest się temu przeciwnym z powodu wad metalowego pancerza.

Poeiżże podano kilka przykładów' w ceiu objaśnienia uzupełniających szczegółów wynalazku.

Przykład 1

Przygotowanie kabla ze spieniona powłoka

W celu oszacowania udamości powłoki ze spienionego polimeru według wynalazku przygotowano różne wzorcowe próbki do testowania wytłaczając różne grubości kilku polimerów o różnych stopniach spienienia wokół rdzenia złożonego z przewodnika wielodeutowego o grubości około 14 mm pokrytego materiałem półpezewodzący·m grubości 0.5 mm, 3 mm warstwą mieszaniny izolacyjnej na bazie EPR i dodatkowo warstwą. 0.5 mm „łatwo usuwanego” materiału póyprzewodząśego na bazie EVA z dodatkiem sadzy, przy sumaryczebe grubości rdzenia około 22 mm.

Jako spieniane materiały polimerowe stosowano polietylen o niskiej gęstości (LDPE), polibtylbe o wysokiej gęstości (HDPE), polipropylen (PP), mieszankę LDPE z drobnosproszkowanym wulkanizowanym kauczukiem naturalnym w proporcji wagowej 70/30 (wielkość cząstek 300-600 pm) (PE-proszek), PP modyfikowany kauczukiem EPR (mieszanina PP-EPR w proporcji wagowej 70/30). Materiały te, oznaczone w dalszej części tekstu literami od A do E, przedstawiono szczegółowo w tabeli poniżej:

	Materiał	Nazwa firmowa i wytwórca	Moduł
A	lope	Riblene FL 30-Enichen	160
B	HDPE	DGDK 3364-Union Carbide	1000
C	pP.	PF 814-Montell	1600
D	PP-EPR	FINA-PRO 3660S	1250
E	PE/proszek	Riblene FL 30

Polimer spieniono chemicznie stosując alternatywnie dwa różne związki porotwórcze (CE), których tożsamość podano poniżej;

	Związek	Nazwa firmowa i wytwórca
CE1	azodwukarbamid	Sarmapor PO-Sarma
	wodorowęglan-	Hydrocerol CF 70-Boehringer
CE2	kwas karboksylowy	Ingelheim

Polimer, który ma ulec spienieniu i związek porotwórczy załadowywano (w proporcjach podanych w tabeli 2) do jżdnoOedaowej wytłaczarki 80 mm - 25D (Bandera). Wytłaczarka jest zaopatrzona w gwintowaną śrubę przet^czną o głębokości w strefie końcowej 9,6 mm. Układ wytłaczania składa się z wewnętrznej matrycy zapewniającej równomierny przerób powleka14

187 115 nego rdzenia (zazwyczaj o średnicy o około 0,5 mm większej niż średnica powlekanego kabla) i zewnętrznej matrycy, której średnica jest dobrana tak, że jest o około 2 mm mniejsza od średnicy kabla ze spienioną powłoką; w ten sposób wytłaczany materiał spienia się cokolwiek „wzbudzając” głowicę tłoczną zamiast spieniać się wewnętrz tej głowicy lub wewnątrz wytłaczarki. Szybkość przerobu powlekanego rdzenia (szybkość linii wytłaczania) ustawiana jest w funkcji żądanej grubości spienionego materiału (patrz tabela 2). W odległości około 500 mm od głowicy tłoczącej znajduje się chłodnica rurowa (zawierająca zimną wodę) w celu zatrzymania spieniania i schłodzenia wytłoczonego materiału. Kabel jest następnie nawijany na szpulę.

Skład mieszaniny materiał polimerowy/porofor oraz warunki wytłaczania (szybkość, temperatura) zmieniano stosownie z danymi w tabeli 2 poniżej.

Tabela 2: Spieniana mieszanina i warunki wytłaczania

Kabel nr	Materiał + % i typ poroforu	Szybkość wytłaczarki (obr./min)	(1) Temperatura wytłaczarki (°C)	Szybkość linii (m/min)
1	A + 2% CE1	6.4	165	3
2	A+2%CE1	11.8	190-180	2
3	A+2%CE1	5.5	190-180	3
4	A + 2% CE1	6.8	190-180	2
5	A + 2% CE1	6.4	165	1.5
6	A + 0.8% CE2	5.7	225-200	2
7	C + 0.8% CE2	3.7	200	2
8	C + 0.8% CE2	6.3	200	2
9	E + 0.8% CE2	4.9	225-200	1.8
10	B + 1.2% CE2	8.2	225-200	2
11	D + 2% CE2	8	225-200	2

(1): Temperatura wytłaczania dotyczy cylindra i głowicy tłoczącej. Gdy podana jest tylko jedna wartość temperatury te są identyczne. W strefie wstępnej wytłaczarki temperatura wynosi około 150°C.

Próbka 1 nie uległa spienieniu przypuszczalnie z powodu zbyt niskiej temperatury wytłaczarki (165°C) i podobnie z tej samej przyczyny próbka 5 uległa niedostatecznemu spienieniu (tylko 5%).

Kabel ze spienioną powłoką był w następnym etapie powlekany konwencjonalną osłoną z MDPE (CE 90 - Materie Plastiche Bresciane) o różnej grubości (patrz tabela 3) z użyciem konwencjonalnych metod wytłaczania i otrzymano w ten sposób próbki kabla o cechach charakterystycznych określonych w tabeli 3. Kabel nr 1, w którym polimer nie uległ spienieniu, był używany jako porównawcza powłoka z polimeru niespienionego. W tabeli 3 podano także, dla celów porównawczych, cechy charakterystyczne kabla bez spienionego wypełnienia i powleczonego tylko zewnętrzną osłoną (kabel nr 0).

187 115

Tabela 3: Cechy charakterystyczne powłoki
Kabel nr	Stopień spienienia wypełnienia (%)	Grubość wypełnienia (mm)	Grubość osłony (mm)
0	-	0	3
1	0	1	3
2	31	4.3	3
3	61	1	3
4	48	2.5	3
5	5	3	3
6	35	2	2 '
7	52	2	2
8	29	3	2.2
9	23	2.5	2
10	78	4	2
11	82	4	2

W podobny sposób stosując powłokę ze spienionego polimeru o module giętkości około 600 MPa składającą się z polipropylenu modyfikowanego ilością około 30% kauczuku EPR przygotowano 6 innych próbek kabli co jest uwzględnione w tabeli 4 (Przykłady 12 - 17); w tabeli 4 podane są również dwa przykłady kabli porównawczych posiadających spienioną powłokę lecz nie posiadających osłony zewnętrznej (Przykłady 16a i 17a).

Tabela 4: Cechy charakterystyczne powłoki

Kabel nr	Stopień spienienia wypełnienia (%)	Grubość wypełnienia (mm)	Grubość osłony (mm)
12	71	3	1.9
13	22	2	2
14	167	3	1.8
15	124	2	2
16	56	2	2
16a	56	2	-
17	84	2	2
17a	84	2	-

Przykład 2

Próby udarnościowe

W celu oszacowania udarności kabli przygotowanych według Przykładu 1 przeprowadzono próby udarności kabla z następującym po nich oszacowaniem uszkodzeń. Skutki udaru kabla były oceniane zarówno wizualnie jak i za pomocą pomiaru w punkcie udaru zmian wytrzymałości na odrywanie warstwy materiału półprzewodzącego. Próbę udarności wykonywano w oparciu o Francuską normę HN 33-S-52, która zakłada energię udaru na kabel wynoszącą około 72 dżuli (J), i którą się wyzwala przez upuszczenie masy 27 kg z wysokości 27 cm. W niniejszej próbie taką energię udaru wyzwolono przez upuszczenie masy 8 kg z wysokości 97 cm. Końcówka udarowa ciężarka zaopatrzona jest w trójkątny przebijak o zaokrąglonych krawędziach o promieniu krzywizny 1 mm. Dla celów przedmiotowego wynalazku udarność oszacowywano dla pojedynczego udaru. Dla próbek 6-12 próbę powtarzano drugi raz w odległości około 100 mm od pierwszej.

Wytrzymałość na odrywanie mierzono zgodnie z Francuską normą HN 33-S-52, według której mierzy się siłę, którą trzeba zastosować, aby oddzielić zewnętrzną warstwę półprzewodzącą od warstwy izolacyjnej. Mierząc tę siłę ciągle mierzy się piki sił w punktach wystąpienia udaru. Dla każdej testowanej próbki wzorcowej mierzono w punkcie udaru „dodatni” pik siły odpowiadający wzrostowi siły (względem wartości średniej) koniecznej do oddzielenia dwóch warstw i „ujemny” pik siły (spadek względem wartości średniej). Z różnicy między maksimum (F_max) i minimum (Fmn) zmierzonych pików sił otrzymano maksymalną zmianę wytrzymałości na odrywanie w punkcie udaru.

Obliczanie zmienności wytrzymałości na odrywanie przez określenie procentowego stosunku różnicy (F_max - F_mm) do wartości średniej wytrzymałości na odrywanie zmierzonej dla kabla (F < >), przeprowadza się według następującej zależności:

% zmienności = 100 (F_max - F_m,n)/F < >

A zatem wielkość zmiany siły mierzonej w punktach udarów względem wartości średniej mierzonej wzdłuż kabla jest wskazaniem odnośnie stopnia zabezpieczenia zapewnionego przez powłokę spienioną. Zazwyczaj zmienności do 20 - 25% są do przyjęcia.

W tabeli 5 podano wartości zmienności wytrzymałości na odrywanie dla próbek 0 - 17a.

Kabel	1 -sza próba	2-ga próba
1	2	3
0	62	78
1	40	-
2	18	-
3	27	-
4	13	-
5	21	-
6	17	23
7	9	12
8	4	5
9	19	15
10	9.8	12.5
11	4.3	2.5
12	7	14
13	16	17

187 115 cd. tabeli 5

1	2	3
14	14	12
15	10	10
16	16	18
16a	30	55
17	15.5	13
17a	116	103

Jak uwidoczniono w tabeli 3 dla próbki 1 (dla której nie nastąpiło spienienib) procentowa zmienność wytrzymałości na odrywanie jest niezmiernie wysoka; świadczy to o tym, że polimer niespieniony ma zdecydowanie niższą pojemność absorbowania udarów niż identycznej grubości warstwa tego samego polimeru po spienieniu (patrz próbka 3, powłoka spieniona w 61%). Próbka 3 wykazuje zmienność wytrzymałości na odrywanie nieco powyżej granicznej wartości 25%; niedostateczną udamość wykazywaną przez próbkę można przypisać głównie grubości, tylko 1 mm, powłoki spibnioneel podczas gdy grubość dla innych próbek wynosiła 2-3 mm.

Próbka 5 o grubości powłoki spienionej 3 mm ma wysoką wartość wytrzymałości na odrywanie z powodu niskiego stopnia spienienia polimeru (5%) przez to wykazując· ograniczoną udarność wykazywaną przez powłoki o niskim stopniu sptentema. Próbka 4, pomimo, że posiada grubość materiału spienionego mniejszą niż grubość dla próbki 5 (2.5 mm w porównaniu z 3 mm) to jednak wykazuje wyższą udarność i zmienność wytrzymałości na odrywanie 13%, w porównaniu z 15% dla próbki 5, w ten sposób uwidoczniając fakt, że wyższy stopień spienienia daje wyższą udarność.

Porównanie próbki 13 z próbką 15 wskazuje jak wzrost stopnia spienienia polimeru (z 22 do 124%), przy tej samej grubości warstwy materiału spiżnionżgo i osłony zewnętrznej, pociąga za sobą wzrost udamości powłoki (zmiana od 16 -17% do 10% zmienności wytrzymałości na odrywanie). Trend ten potwierdza porównante próbki 16 z próbką 17. Natomiast porównując próbki 16a i 17a (bez zewnętrznej osłony), odpowiednio z próbkami 16 i 17, można zauważyć jak wzrasta udział zewnętrznej powłoki w zabezpieczeniu przed udarami gdy rośnie stopień spienienia.

Przykład 3

Próba udamościowa porównawcza z kablem opancerzonym

Przeprowadzono próbę porównawczą kabla nr 10 i konwencjonalnego kabla opancerzonego do sprawdzenia sprawności udarnościowej spienionej warstwy powlekającej.

Kabel opancerzony ma taki sam rdzeń jak kabel nr 10 (to znaczy przewodnik wielodmtowy grubości około 14 mm pokryty 3 mm warstwą, mieszanki izolacyjnej na bazie EPR i, kolejno, 0.5 mm „łatwo usuwalną” warstwę materiału półprcewodzącżgo na bazie EVA z dodatkiem sadzy, przy sumarycznej grubości rdzenia około 22 mm). Rdzeń okrążają w kierunku od środka do powierzchni kabla kolejno:

a) warstwa materiału wypełniającego na bazie kauczuku, grubości około 0.6 mm;

b) osłona z PVC grubości około 0.6 mm;

c) 2 taśmy stalowe do opancerzania grubości około 0.5 mm każda;

d) zewnętrzna osłona z MDPE grubości około 2 mm.

Do próby porównawczej zastosowano maszynę dynamiczną typu „młot opadowy” (CEAST, mod. 6758).

Przeprowadzono dwa zestawy prób, przez upuszczenie masy 11 kg z wysokości 50 cm (udar o eebegii około 50 J) lub 20 cm (udar o energii około 21 J) odpowiednio. Ciężarek zaopatrzony jest w końcówkę udarową z półkolistą głowicą o promieniu około 10 mm.

187 115

Wynikowe odkształcenia kabli przedstawiono na fig. 4 i 5 (wysokość odpowiednio 50 i 20 cm), w których kabel według wynalazku oznaczony jest a), podczas gdy konwencjonalny opancerzony kabel oznaczony jest b).

Mierzono odkształcenie rdzenia w celu oszacowania uszkodzeń struktury kabla. W rzeczywistości należy się spodziewać, że im większe odkształcenia w osłonie półprzewodzącoizolacyjno-półprzewodzącej tym bardziej prawdopodobne są uszkodzenia elektryczne własności izolacyjnych kabla. Wyniki przedstawiono w tabeli 6.

Tabela 6:

Procentowa (%) redukcja grubości warstwy półprzewodzącej po udarze

	W konwencjonalnym kablu opancerzonym	W kablu nr 10
Udar z wysokości 50 cm	41%	26.5%
Udar z wysokości 20 cm	4.4%	2.9%

Z wyników przedstawionych w tabeli 6 wynika, że kabel według wynalazku regularnie wykazuje lepsze wydajności udarowe niż konwencjonalny kabel opancerzony.

Claims

Kabel elektroenergetyczny

Zastrzeżenia patentowe

1. Kbbel elkktroenergetyczny, aaMrrający yyłę pzeewodzącą kbbla, oo najmruej jedną warstwę zwartej powłoki izolacyjnej umieszczonej wokół żyły przewodzącej i powłokę wykonaną ze spienionego materiału polimerowego umieszczoną wokół zwartej powłoki izolacyjnej, znamienny tym, że materiał polimerowy ma moduł giętkości, który przed spienieniem, w temperaturze pokojowej, wynosi co najmniej 200 MPa, oraz, stopień spienienia, od około 20% do około 3000%, do wzmocnienia ochrony kabla przed udarami.
2. Kiżi 1 wddłgg aasrzz. 1 , znamienyy że ^ddłł głttkośc i aawieaa sł ę ϋ^ζγ

400 MPa a 1800 MPa.
3. Kbed wełdgg aastzz. , , enamieeyy t^m, żc mduuł i awwiraa i^ie ηι^ζγ

600 MPa a 1500 MPa.
4. Kbbll ażedług astrzz . , , enamienny tym , żć ^ορίήή spjemema mkjeciylu ροϊΐ^π-wego wynosi od około 30% do około 500%.
5. Kbbl 1 ażedłge astlc. 1 , enaπijenny tym , żć ttopińń spjemema jnkjeriału polirżerowego wynosi od około 50% do około 200%.
6. Kabe 1 ażedług astrc . , , znamienny tym , żć guibośe powtoki spienionego polimerowego wynosi 0.5 mm.
7. Kbkl 1 wdó^g astlc . 1 , tym , żć guabośe powtoki ee spienionego riału polimerowego zawiera się między 1 a 6 mm.
8. Kbbl 1 wddlug astrz. . , , enamienny tym , żć gnibość pow^ki ee spiemonrgo arejeriału polimerowego zawiera się między 2 a 4 mm.
9. Kbbe 1 wdduug astrc . , , enamjenny tym, żć spienrony mkjeriał polimeroazy azybierany jest spośród polietylenu (PE), polietylenu o niskiej gęstości (LDPE), polietylenu o średniej gęstości (MDPE), polietylenu o wysokiej gęstości (HDPE) i liniowego PE o niskiej gęstości (LLDPE); polipropylenu (PP); kauczuku etylenowo-propylenowego (EPR); kopolimeru etylenu z propylenem (EPM), terpolimeed etylenowo-peopylenowo-diżeowego (EPDM); kauczuku naturalnego; kauczuku butylowego; kopolimeru etylen/octan winylu (EVA); polistyrenu; kopolimeru etylenu/akezlαn, kopolimeru etylen/akrylan metylu (EMA), kopolimeru etzlee/akeylae etylu (EEA), kopolimeru etylże/αkrylαe butylu (EBA); kopolimeru etylenu z a-olefiną; żywic akrylomtrγlowo-butadicnowo-styeenoayśh (ABS); chlorowcowanych polimerów, polichlorku winylu (PVC); poliuretanu (PUR); poliamidu; aromatycznych poliestrów, politerżftαlaeu etylu (PET); politżreftalaeu butylu (PBT); oraz ich kopolimerów lub mechanicznych mieszanin.
10. Kabe 1 Wdó^g zstlrz . 1 , znamienny tym , że spiemony ροϋϋΠΌ\ζ esti polimerem poliolżfCeowzm lub kopolimerem na bazie PE i/lub PP.
11. Kabl 1 wdó^g astrzz . 1 , :^^^acieJ^ny tym , że spieniony mkjeria1 polimeroayejat1 polimerem poliolżfieowzm lub kopolimerem na bazie PE i/lub PP modyfikowanymi kauczukiem etylenowo-propylenowym.
12. Kabl 1 wełUgg aasecz. 11 , enamienny tym , ee spiemezy mejeriał polimerawyjast polipropylenem modyfikowanym kauczukiem etylenowo-propylenowym (EPR) i stosunek wagowy PP/EPR zawiera się między 90/10 a 50/50.
13. łCabe 1 ażedlug astrzz . 12, ζηαϋίοη^ tym , że tros^mtk wagowze PPE2PR aawieaa iię między 85/15 a 60/40.
14. ΚιΖ61 wddług ans^z. 12, e.namieeyy tym, ee stommek wgowwy PP/.PPR wnoosi około 70/30.
15. Kbbl 1 wdduug astrc . 10 , enamienny tym , ee polimrr poliojffmowy lub kopolimeΓ na bazie PE i/lub PP zawiera również określoną ilość kauczuku wulkanizowanego w postaci proszkowej.

187 115
16. Kabel według zastrz. 15, znamienny tym, że określona ilość wulkanizowanego kauczuku w fgkmir pkosrOgobj rzwirrz się między 10% z 60% mzsy polimeru.
17. Kabe 1 oredług zastrz. 1 , znamienny tym, be kabe 1 zowi^a nownętrzną osłonę poiimrkgwą.
18. Kabel wedhig zastrz. 17, znamienny tym, że osłona styka się z powłoką ze spienioorez pzlimrtu.
19. Kabel wedhię zastrz. ll elba 18, anymranny tym, re osłema me trubość wiokrąą niż 0.5 mm.
20. Kabel wedbię zastrz. 17 elio 18, anymianne tym, re grubość asłany zowitna ii ę międzn 1 z 5 mm.