Мещанов, Геннадий Иванович. Исследования и разработка кабелей и проводов для экстремальных условий эксплуатации и технологии их производства : Мещанов, Геннадій Іванович. Дослідження і розробка кабелів і проводів для екстремальних умов експлуатації та технології їх виробництва

Краткое описание

Мещанов, Геннадий Иванович. Исследования и разработка кабелей и проводов для экстремальных условий эксплуатации и технологии их производства : диссертация ... доктора технических наук : 05.09.02 / Мещанов Геннадий Иванович; [Место защиты: ГОУВПО "Московский энергетический институт (технический университет)"].- Москва, 2012.- ил.

Содержание к диссертации

Введение
1.Исследование материалов и технологии их переработки при изготовлении обмоточных проводов для погружных электродвигателей.
1.1 Обмоточные провода для погружных электродвигателей - изделие для использования и эксплуатации в особо тяжелых условиях.
1.2 Исследование изоляционных материалов для работы в условиях эксплуатации погружных электродвигателей насосов нефтедобычи .
1.3 Обоснование и выбор оптимальных параметров технологии герметизации (спекания) пленочной изоляции.
1.4 Теоретический анализ технологического процесса термообработки при изготовлении обмоточных проводов.
1.5 Применение высокочастотного индукционного нагрева, анализ эффективности его использования в производстве проводов и кабелей.
2.Создание проводов высокой нагревостойкости для маслозаполненных погружных электродвигателей, тяговых электродвигателей, электробуров и кабелей-удлинителей, освоение их производства.
2.1 Разработка и исследование характеристик проводов с изоляцией на основе полиамидно-фторопластовых пленок.
2.2 Обоснование применения изоляции высокой нагревостойкости кабелей-удлинителей на основе расчета тепловых нагрузок .
2.3 Технология и оборудование для изготовления круглых и прямоугольных проводов с пленочной изоляцией, освоение их производства.
3.Анализ и исследование факторов пожарной опасности кабельных коммуникаций, разработка основных принципов конструирования кабелей пожаробезопасного исполнения.
3.1 Специфика воздействующих факторов эксплуатации кабелей для атомных электростанций с учетом требований по пожаробезопасности. Создание экспериментальной базы исследований характеристик пожарной опасности кабелей и материалов.
3.2 Разработка основных принципов конструирования кабелей, не распространяющих горение, и огнестойких с учетом полного комплекса показателей пожарной безопасности .
3.3 Анализ особенностей горения электрических кабелей при их групповой прокладке.
4.Разработка и внедрение серии кабелей пожаробезопасного исполнения для атомных электростанций и других объектов повышенной пожарной опасности.
4.1 Исследование и разработка полимерных композиций пониженной горючести для производства кабелей с повышенными показателями пожарной безопасности.
4.2 Разработка и внедрение серии электрических кабелей, не распространяющих горение, с низким дымо- и газовыделением (кабели исполнения «нг-LS»).
4.3 Разработка и внедрение серии электрических кабелей, не распространяющих горение, с изоляцией и оболочкой из полимерных композиций, не содержащих галогенов (кабели исполнения «нг-HF»).
4.4 Разработка и внедрение огнестойких кабелей (кабели исполнения «нг-LSFR», «нг-HFFR»).
Выводы.
Список работ, опубликованных по теме диссертации.
Приложение

Исследование изоляционных материалов для работы в условиях эксплуатации погружных электродвигателей насосов нефтедобычи
Обоснование применения изоляции высокой нагревостойкости кабелей-удлинителей на основе расчета тепловых нагрузок
Разработка основных принципов конструирования кабелей, не распространяющих горение, и огнестойких с учетом полного комплекса показателей пожарной безопасности
Разработка и внедрение серии электрических кабелей, не распространяющих горение, с низким дымо- и газовыделением (кабели исполнения «нг-LS»).

Исследование изоляционных материалов для работы в условиях эксплуатации погружных электродвигателей насосов нефтедобычи

Выбору полимерного материала, предназначенного в качестве электрической изоляции обмоточных проводов для погружных электродвигателей, должно предшествовать получение максимально возможной информации об условиях эксплуатации проводов, технологии их переработки, конструкции системы изоляции, требуемых параметров надежности. Основные данные об этом представлены в предыдущем разделе настоящей работы.
В 70-е годы прошлого века для погружных маслозаполненных электродвигателей серий АВ5 и В5 в качестве изоляции обмоточных проводов нашли применение экструдируемый сополимер этилена и тетрафторэтилена (ЭТФЭ) под маркой фторопласт - 40Ш (провода марки ПФО), пленки полиэтилентерефталата (провода марки ПЭТВПДЛ) и политетрафторэтилена (ПТФЭ) под маркой фторопласт-4 (провода марки ППФ).
ЭТФЭ по сравнению с ПТФЭ имеет более высокую механическую прочность, ударную вязкость, стойкость к истиранию и раздиру. Однако выполненные исследования по оценке работоспособности такой изоляции в условиях эксплуатации погружного электродвигателя показали ее недостаточную надежность в связи со склонностью к растрескиванию при использовании в проводах диаметром свыше 2,0 мм. Основная масса таких проводов как раз и используется в погружных электродвигателях. Кроме того, допустимая рабочая температура проводов ПФО с изоляцией из фторопласта 40Ш не превышала 150С.
Проблема растрескивания была решена путем применения в качестве изоляции обмоточного провода неориентированных и ориентированных пленок фторопласта-4. При этом с целью обеспечения герметичности и монолитности пленочной изоляции была предложена оригинальная технология сварки фторопластовых пленок в процессе изготовления проводов с применением нагрева жилы токами высокой частоты, которая широко используется при изготовлении современных проводов и будет изложена в последующих разделах данной работы. Провода с изоляцией из пленок фторопласта-4 (марки ППФ) показали хорошую работоспособность и надежность при эксплуатации в экстремальных условиях. Допустимая рабочая температура их составила 180-200С. К недостаткам такой изоляции следует отнести ее низкую механическую прочность, что особенно сказалось при увеличении мощности электродвигателей за счет увеличения их длины, а следовательно и усложнения условий намотки статора. Кроме того, как показали многочисленные исследования, изоляция из пленок фторопласта-4 также, как и изоляция из экструдируемого фторопласта-40Ш, не может быть рекомендована для эксплуатации в погружных электродвигателях на напряжение свыше 1000 В. При этом толщина такой изоляции составляла 0,4-0,45 мм, что не отвечало возрастающим требованиям при освоении производства электродвигателей новой серии.
Для электродвигателей с рабочим напряжением до 2000 В в то время была предложена изоляция обмоточных проводов на основе пленок из полиэтилентерефталата. Такие пленки толщиной 25 мкм имели высокие электрические показатели, хорошую стойкость к воздействию масел, агрессивных жидкостей, высокую механическую прочность. С целью повышения электрической прочности провода марки ПЭТВПДЛ с указанной изоляцией имели подслой эмали из полиэфирного лака. За счет такого решения несмотря на более высокое рабочее напряжение общая толщина комбинированной эмалево-пленочной изоляции, была снижена по сравнению с проводами ПФО и ППФ до 0,32-0,34 мм. Тем не менее, изоляция на основе пленок из полиэтилентерефталата, а соответственно и провода марки ПЭТВПДЛ не нашли широкого применения, главным образом, из-за недостаточной нагревостойкости, которая не превышала 130С. Погружные электродвигатели с такой изоляцией обмоточных проводов могли эксплуатироваться только в месторождениях с неглубоким залеганием нефти.
Таким образом, к началу 80-х годов прошлого века созданные на основе широко известных в тот период изоляционных материалов обмоточные провода для погружных маслозаполненных электродвигателей не смогли удовлетворить резко возросшие требования по обеспечению высокого технического уровня электронасосных установок добычи нефти. Это в первую очередь связано с широким освоением новых месторождений в Сибири и на Дальнем Востоке. Как отмечалось выше, такими требованиями являются: длительно допустимая рабочая температура обмотки электродвигателя 200-220С с перегревами до 250-260С; рабочее напряжение - до 2300 В; толщина изоляции - не более 0,23 мм; высокие физико-механические характеристики изоляции, обеспечивающие без повреждений выполнение технологии изготовления обмотки электродвигателя методом протяжки в закрытом пазе статора большой длины; надежная работа в системе изоляции при воздействии всего комплекса факторов экстремальных условий эксплуатации.
Наиболее полно указанным требованиям отвечают нагревостойкие пленочные материалы на основе гетероциклических полимеров: ароматические полиамиды, полиимиды, полиоксидиазолы и др. Крупнейшим успехом при создании нагревостойких полимеров явилось решение задачи поликонденсации полиимидов на основе диангидридов тетракарбоновых кислот и ароматических диаминов через промежуточную стадию образования полиамидокислот с последующим термическим превращением в полиимид. Результатом этих работ явилась организация в 70-е годы сначала в США, затем в СССР и Японии промышленного производства полиимидной пленки. Среди полимерных пленочных материалов полиимидная пленка занимает особое положение благодаря высоким нагревостойкости и химической стойкости, отличному сочетанию физико-механических и электрических характеристик.
Приведенные фирмой Du Pont de Nemours и подтвержденные отечественными исследованиями данные термогравиметрического анализа (ТГА) полиимидной пленки в динамическом и изотермическом режимах, а также полученная зависимость ресурса пленки от температуры, показывают ее высокую термостабильность и подтверждают, что температурный индекс такой пленки составляет 240 С. Аналогичные данные были получены при исследовании отечественной полиимидной пленки марки ПМ.
Существенным недостатком пленки Kapton Н, ПМ или ей подобной с точки зрения использования их в качестве электрической изоляции обмоточных проводов является невозможность получения монолитной изоляции, так как полиимидная пленка не плавится при термообработке и соответственно, не сваривается. В связи с этим по техническому заданию кабельной промышленности были разработаны комбинированные полиимидно-фторопластовые пленки, удачно соединяющие в себе основные достоинства полиимидов (высокую нагревостойкость, механическую и электрическую прочность) со способностью фторопластов образовывать сварные соединения. При этом в комбинированной пленке фторопластовое покрытие кроме обеспечения свариваемости при термообработке уменьшает влагопоглащение и проницаемость водяных паров, повышает износостойкость и химическую стойкость изоляционного покрытия.
В лабораториях ВНИИ кабельной промышленности проведен большой комплекс исследований характеристик полиимидно-фторопластовых пленок отечественного производства марки ПМФ, фирмы Du Pont de Nemours (США) марки Kapton F и ряда японских производителей с целью оценки их пригодности для использования в качестве изоляции обмоточных проводов для погружных электродвигателей и установления гарантированных показателей качества, обеспечивающих надежную работу последних. Исследовались характеристики в состоянии поставки, которые влияют на технологию изготовления проводов и их качество в исходном состоянии, и изменение параметров в процессе длительного воздействия различных сред, которые определяют способность обеспечить надежную работу провода в составе обмотки электродвигателя.
При наложении изоляции на провод методом обмотки следует уделять внимание физико-механическим характеристикам пленки и их стабильности по длине. Особенно это важно, если требуется обеспечить большую плотность обмотки, т.е. вести процесс обмотки с большим натяжением лент. Необходимость и обоснование такой плотной обмотки обмоточных проводов для погружных электродвигателей будет показана ниже. Применяемая в этом случае пленка должна иметь высокие механическую прочность на разрыв и относительное удлинение. В результате исследований было показано, что для полиимидно-фторопластовых пленок критическим параметром является удлинение, которое имеет достаточно большой разброс по длине рулона. При этом установлено, что на величину удлинения влияют не только химико-физические процессы пленкообразования, но и инородные включения и всевозможные микродефекты, что не наблюдалось на пленках из фторопласта и полиэтилентерефталата.
Анализ таких дефектов, как микротрещины на поверхности пленки, инородные включения и воздушные пузыри в полиимидной основе, инородные включения во фторопластовом покрытии показал, что они влияют как на удлинение, так и на электрическую прочность. В качестве примера на рис. 1.1 (приложение) в координатах Вейбулла представлены значения функции распределения пробивного напряжения F(Unp) и относительного удлинения F(k) пленки ПМФ толщиной 60/40 мкм без включений и с инородными включениями темного цвета. Выборка составляла по 100 образцов каждого типа, отобранных от одного рулона пленки. Было установлено, что наличие включений в полиимидной основе приводит к более резкому снижению относительного удлинения, а следовательно и к увеличению обрывности при изолировании провода.

Обоснование применения изоляции высокой нагревостойкости кабелей-удлинителей на основе расчета тепловых нагрузок

Особенности технологии производства обмоточных проводов со спекаемой пленочной изоляцией предусматривают, как отмечалось выше, совмещение основных технологических операций - спиральная обмотка токопроводящей жилы полиимидно-фторопластовой пленкой и термообработка с целью спекания (сваривания) слоев пленки между собой в одной производственной линии по принципу «in line». Основными задачами при конструировании такой линии являлись обеспечение эффективности процесса производства, высокой степени автоматизации и тем самым стабильности технологического процесса, гарантии высокого качества провода по всей длине как протяженного изделия.
На рис. 2.7 (приложение) показано структурное построение обмоточной линии с совмещенными технологическими операциями. Такая линия позволяет выпускать провода как круглого, так и прямоугольного сечений. Линия построена по модульному принципу, когда каждое функциональное устройство, входящее в состав линии, конструктивно выполнено в виде самостоятельного модуля. Такое построение оборудования позволяет в сочетании с гибкой системой управления с применением промышленного контроллера и системой «электрического вала» управления электроприводами легко компоновать состав линии в зависимости от технических требований к оборудованию.
Первый технологический узел линии состоит из двух центральных обмотчиков. Два обмотчика позволяют получить различные конструкции проводов и обеспечивают наложение изоляционного покрытия до шести слоев пленки. Важным для получения хорошего качества и высокой производительности является применение центральных обмотчиков, где используются бобины с крестовой намоткой либо с намоткой типа «step-pak». В этом случае удается получить практически непрерывный процесс производства проводов с минимумом остановок на перезаправку головок обмотчиков лентами и, как следствие, получать значительные строительные длины. Для поддержания заданного натяжения ленты в процессе смотки бобины используется регулируемый асинхронный электропривод с частотным управлением.
Второй технологический узел, обеспечивающий термообработку изоляции провода, состоит из высокочастотного генератора с петлевым или цилиндрическим индуктором и проходных печей сопротивления. Тем самым при термообработке реализуется комбинированный нагрев изоляционного слоя как со стороны жилы, так и со стороны наружных слоев пленки. Выше было показано, что целесообразность использования высокочастотного нагрева возрастает с увеличением сечения жилы. Для проводов прямоугольного сечения его применение обязательно. Современные высокочастотные преобразователи, выполненные на транзисторах, обладают высокой надежностью и обеспечивают их КПД не ниже 95%. Печи сопротивления представляют собой двухметровые камеры нагрева модульного типа с отдельным остовом и пневматическим механизмом подъема, который используется при заправке линии и защищает изоляцию провода при остановке линии в штатных и аварийных режимах работы.
При производстве прямоугольных проводов из-за известного эффекта «припухлости» изоляции (явление «бочкообразности» по большей стороне провода) обязательно используют обжимные устройства, установленные между печами которые обеспечивают давление, необходимое для сварки пленок между собой. Наряду с поддержанием постоянства требуемого натяжения лент в процессе обмотки и температурно-временных параметров термообработки одним из важнейших факторов, обеспечивающих высокое качество провода, является обеспечение постоянства шага обмотки. С этой целью в линии предусмотрена система управления и поддержания в статических и динамических режимах работы линии необходимого соотношения между линейной скоростью и частотой оборотов обмотчиков. При этом было установлено, что допустимая погрешность такого согласования не должна превышать 10%. Следует также обратить внимание и на выбор ширины ленты, от которой зависит как качество намотки, так и производительность процесса обмотки.
Полученный на основе экспериментальных данных и опыта эксплуатации линий график зависимости оптимальной линейной скорости линии V от сечения токопроводящей жилы S и рекомендуемой ширины ленты Н показывает что при сечениях свыше 20 мм скорость линии падает с ростом сечения жилы, что говорит о том, что лимитирующим фактором в этом случае является термообработка. При малых значениях сечений (менее 3-4 мм ) лимитирующим производительность фактором является обмотка.
В заключение следует отметить, что производство круглых и прямоугольных обмоточных проводов с изоляцией на основе полиимидно-фторопластовых пленок, разработанных в рамках представляемой работы, с использованием соответствующего технологического оборудования освоено на заводах «Москабель», «Камкабель», «Молдавкабель», «Борец», объединениях «Татнефть», «Башнефть» и др.
Анализ и исследование факторов пожарной опасности кабельных коммуникаций, разработка основных принципов конструирования кабелей пожаробезопасного исполнения.
Специфика воздействующих факторов эксплуатации кабелей для атомных электростанций с учетом требований по пожаробезопасности. Создание экспериментальной базы исследований характеристик пожарной опасности кабелей и материалов.
Исходя из условий эксплуатации кабельные изделия, предназначенные для использования на атомных электростанциях (АЭС) можно разделить на две основные группы: кабели для эксплуатации вне гермозоны станции и кабели, предназначенные для эксплуатации внутри гермозоны. Кабели первой группы эксплуатируются в нормальных условиях, типичных для кабелей широкого применения на других объектах энергетики, промышленности, социальной сферы. К кабелям второй группы предъявляется требование сохранения работоспособности при воздействии следующих факторов внешней среды в процессе нормальных и аварийных режимов эксплуатации АЭС: -стойкость к воздействию радиации с суммарной поглощенной дозой излучения не менее 40 Мрад за срок службы 40 лет; - стойкость к воздействию аварийных режимов работы ядерной энергетической установки (нарушение теплоотвода от активной зоны реактора, «малая» и «большая» течь в первом контуре), в том числе стойкость к воздействию термобарического импульса парогазовой смеси при температуре до 215 С и давлении 5 МПа и одновременном воздействии орошающих химически активных сред; - стойкость к воздействию дезактивирующих растворов.
В комплексе такие воздействия следует отнести к экстремальным. К обеим группам кабелей предъявляются требования по стойкости к воздействию плесневых грибов для районов с тропическим климатом и стойкости к воздействию режимов максимального расчетного землетрясения для сейсмоактивных районов дислокации АЭС.
Однако удовлетворение указанных требований является недостаточным для обеспечения надежной эксплуатации и безопасности АЭС. Несколько серьезных пожаров на атомных станциях в начале 80-х годов прошлого столетия показали, что кабельные коммуникации явились каналами распространения пламени. Анализ ситуации показал, что концентрация кабелей в единице объема их прокладки на атомных станций весьма высока и значительно превосходит насыщенность кабельными изделиями на других объектах энергетического назначения. Это связано с большим объемом систем контроля, управления, безопасности, энергообеспечения собственных нужд АЭС и необходимостью резервирования этих систем.
Дальнейшее насыщение кабельных коммуникаций было связано с увеличением мощности реакторных установок и использованием современных автоматизированных систем управления технологическими процессами, обеспечивающими надежность и безопасность эксплуатации АЭС. На современных отечественных блоках АЭС, а также сооружаемых российской стороной за рубежом (Бушер, Иран; Куданкулам, Индия) используется до трех тысяч километров кабелей различного назначения. Очевидно, что разветвленные кабельные коммуникации являются не только носителями пожарной нагрузки, но и направляющими каналами, по которым огонь может распространяться по зданиям и сооружениям. В связи с этим именно к кабелям, используемым на АЭС, в первую очередь были предъявлены требования по не распространению горения при групповой прокладке кабелей как одному из важнейших требований по пожаробезопасности. Прежде всего задача, связанная с пожарной безопасностью, сводилась к обеспечению нераспространения горения по кабелям при возникновении внешнего источника зажигания кабелей. Первые работы, выполненные в этом направлении под руководством и при непосредственном участии автора, привели к освоению отечественной кабельной промышленностью в период 1986-1989 годы производства кабелей, не распростроняющих горение при групповой прокладке (так называемые кабели исполнения «нг»). Однако дальнейшее развитие требований по пожарной безопасности поставило задачу по анализу и учету целой совокупности факторов пожаробезопасности, которые проявляются при горении электрических кабелей. На основе анализа этих факторов, международных требований, норм пожарной безопасности, действующих в России, был сформирован комплекс требований к кабельным изделиям по характеристикам пожарной безопасности. В качестве таких характеристик, определяющих пожарную безопасность кабелей, были установлены: - нераспространение горения при групповой прокладке кабелей с заданным объемом неметаллических элементов в конструкции кабелей; - дымообразование при горении и тлении кабелей в заданном объеме пространства; - коррозионная активность газообразных продуктов, образующихся при горении и тлении кабелей; - токсичность продуктов горения кабелей.
Кроме того, для кабелей, предназначенных для наиболее ответственных электрических цепей оборудования систем безопасности АЭС, были установлены требования по сохранению функционирования при воздействии пламени в течение заданного времени (огнестойкости). При этом кабели огнестойкого исполнения должны удовлетворять также и всему