Los productos de cable resistentes a altas temperaturas son cables y alambres cuyos núcleos conductores y aislamiento pueden realizar sus funciones a un nivel suficientemente alto en condiciones de exposición compleja a largo plazo a altas temperaturas, cargas mecánicas y otros factores. [1] :5 En la terminología que se ha desarrollado en la URSS en el campo de los materiales aislantes eléctricos, se utilizan diferentes términos: resistente a altas temperaturas, resistente al calor, resistente al calor, resistente al calor, etc. La diferencia en terminología se debió a la pertenencia de los materiales a diferentes departamentos y la falta de una unificación general de conceptos. [2] :266
La falla del aislamiento debido a la influencia de la alta temperatura generalmente se asocia con una destrucción gradual a lo largo del tiempo y no con una ruptura repentina a una temperatura crítica. La avería eléctrica se produce como consecuencia de la pérdida de resistencia mecánica del aislamiento. En ausencia de influencias mecánicas, las estructuras aislantes oxidadas y quebradizas pueden funcionar durante años. [3] :19
El desarrollo de tecnologías modernas a menudo provoca condiciones de funcionamiento difíciles para los alambres y cables cuando se utilizan para transmitir electricidad y señales de sensores, señales a actuadores en sistemas de control. En algunos casos, uno de los requisitos principales para el cable es la resistencia al fuego, lo que garantiza la seguridad contra incendios. Los cables pueden ser en sí mismos sensores térmicos con alta resistencia al calor y fiabilidad. Dichos cables se utilizan en reactores de energía nuclear, motores a reacción, generadores potentes y otros dispositivos. [4] :3
La corriente eléctrica que pasa a través del cable genera calor. La mayoría de los cables están diseñados para usarse donde la temperatura del núcleo del cable es más alta que la temperatura ambiente. [5] :113 En el caso de que la cantidad de calor recibido en el aislamiento sea mayor que la cantidad disipada, se puede producir una ruptura térmica del aislamiento. Las temperaturas ambientales elevadas pueden contribuir a la fuga térmica. [5] :104
El desarrollo de máquinas y aparatos eléctricos a fines del siglo XIX requirió materiales aislantes eléctricos resistentes al calor. Para mejorar la resistencia al calor, se crearon composiciones y recubrimientos de impregnación, materiales compuestos. La mica se utilizó para aislar las placas colectoras del motor eléctrico. A principios de la década de 1890, se crearon nuevos materiales a base de mica: micanita, micalenta, mikafolium. [6]
La termorresistencia del aislamiento es de especial importancia no sólo para cables que funcionan en condiciones extremas, sino también para cables de uso general, ya que un aumento del límite superior de la temperatura de funcionamiento permite reducir las dimensiones y el peso del cable. . [7] Temperatura de calentamiento admisible del aislamiento de los cables de potencia de uso general, según el tipo de aislamiento, para funcionamiento continuo 70–90 °C, durante un tiempo breve en caso de estado de emergencia de la red 80–130 °C , para cortocircuito y protección activada 125–250 °C. [8] :20 Los cables calefactores y resistentes al calor están diseñados para temperaturas ambiente de hasta 1000 °C. [9] :187
Para el devanado de dispositivos, se utilizan alambres de devanado resistentes al calor con temperaturas de funcionamiento de hasta 200 °C; para el devanado de dispositivos que funcionan a temperaturas elevadas, se utilizan alambres de devanado resistentes al calor con temperaturas de funcionamiento de hasta 700 °C. [9] :54
Los cables de instalación y de alimentación , utilizados para la distribución de energía en instalaciones de energía y alumbrado, como terminales de salida flexibles para máquinas eléctricas, cuando se utiliza aislamiento de silicona, operan a temperaturas de hasta 180 °C. [9] :23
Refrigeración forzadaLos aparatos eléctricos , por regla general, tienen refrigeración por aire natural. Esto se debe al hecho de que las pérdidas de energía en la mayoría de los dispositivos para uso industrial general son pequeñas y la refrigeración natural por aire es suficiente en condiciones normales. La mayoría de las máquinas eléctricas utilizan refrigeración artificial . Puede ser un sistema de ventilación de aire; para grandes turbogeneradores - refrigeración por hidrógeno; para máquinas de servicio pesado: refrigeración por agua , en la que el agua fluye a través de los conductores huecos del devanado. [10] :5
Los dieléctricos líquidos y gaseosos se pueden usar para enfriar equipos eléctricos.
Líquido:
Gaseoso:
Para el suministro de electricidad en hornos de arco de acero y otros tipos de hornos eléctricos, se utilizan cables de potencia refrigerados por agua [12] .
Las posibilidades de aumentar la potencia transmitida a través de las líneas de cable mediante el aumento de la tensión de funcionamiento son limitadas. Es posible aumentar la potencia transmitida aumentando la carga actual. Prácticamente no existen materiales aislantes resistentes al calor para su uso en cables de alta tensión. Se puede lograr un efecto significativo mejorando la eliminación de calor de los cables mediante enfriamiento forzado. [13] :90
En los sistemas de refrigeración internos, el medio de refrigeración está dentro del cable. La primera línea de cable con refrigeración interna se puso en funcionamiento en 1958 en el Reino Unido. Se utilizaba para devanados de excitación en el sincrofasotrón, tenía una tensión de 8,5 kV, una corriente de 1130 A con una sección de conductor de cobre de 323 mm². [13] :91
En los sistemas de refrigeración de superficie, el medio de refrigeración está en contacto directo con la superficie del cable. Hay muchas maneras posibles de implementar este principio. Los cables se pueden colocar en tuberías con agua corriente, en una bandeja abierta con agua corriente. Los cables colocados en bloques pueden enfriarse mediante un flujo de aire forzado. La superficie exterior de los cables se puede enfriar con aceite. [13] :94 En 1965, se puso en funcionamiento una línea de cable de 500 kV con una capacidad de 405 MVA en la HPP Volzhskaya con circulación forzada de aceite a través de una tubería con un cable tendido. El aceite calentado se enfrió en el intercambiador de calor y se devolvió a través de la tubería de retorno. La longitud de la línea era de 300 m [13] :77
En los sistemas de enfriamiento externos (indirectos), la tubería con el refrigerante se coloca junto a los cables: en el suelo, en celdas libres del bloque, en un canal o túnel. Para túneles y canales, es posible combinar con refrigeración por aire superficial. [13] :96
En caso de incendioLos cables y alambres que permanecen funcionales cuando se exponen a las llamas durante un período de tiempo determinado se denominan resistentes al fuego o resistentes al fuego. [catorce]
Por primera vez en Rusia, los requisitos obligatorios para la resistencia al fuego (resistencia al fuego) de los productos de cable durante la certificación de productos de cable se prescribieron en NPB 248-97 “Cables y alambres eléctricos. Indicadores de peligro de incendio. Métodos de prueba", y para líneas de cable - en NPB 242-97 "Clasificación y métodos para determinar el peligro de incendio de las líneas de cable eléctrico". Al mismo tiempo, no había requisitos para la resistencia al fuego de cables y líneas de cables en instalaciones específicas. Los requisitos para el uso de productos de cable en las instalaciones aparecieron en 2008, y las líneas de cable, en 2012 en el "Reglamento técnico sobre requisitos de seguridad contra incendios". [quince]
En estudios experimentales se determinó que las causas de falla eran:
Al alcanzar una temperatura de 500 a 900 °C, se produce una deformación sin destrucción de la estructura de soporte de acero. En ese momento, el núcleo de cobre ya está perdiendo su capacidad de carga y el cable está dañado. [dieciséis]
La resistencia al fuego de un cableado eléctrico o línea de cable se puede lograr de varias maneras:
Los fabricantes de estructuras para sujetar un cable resistente al fuego utilizan ampliamente el término "línea de cable resistente al fuego". Este término está ausente en los documentos normativos rusos. Los desarrolladores de los estándares rusos en artículos científicos usan el término "cableado abierto, al que se imponen requisitos de resistencia al fuego". [dieciséis]
Los cables y alambres (según el diseño) pueden ser resistentes al calor y al fuego, o resistentes al calor y al fuego, o ninguna de estas cualidades. Los cables ignífugos o ignífugos a veces se denominan erróneamente como ignífugos [17] .
Resistencia al calorA diferencia de la resistencia al fuego, es imposible probar directamente la resistencia al calor de nuevos materiales con una vida útil de 10-30. Por lo tanto, se han desarrollado métodos para la determinación acelerada de la resistencia al calor del aislamiento. Existe una relación lineal entre el logaritmo de la vida útil del aislamiento y el valor inversamente proporcional a la temperatura de funcionamiento. Habiendo obtenido una línea recta con la ayuda de varios experimentos, es posible extrapolar los parámetros a otras temperaturas y vida útil con gran precisión. La clase de resistencia al calor del aislamiento se determina en base a un recurso de 20 mil horas. [Dieciocho]
La resistencia al calor a largo plazo se caracteriza por la temperatura a la que funciona el producto en centrales eléctricas durante 20-30 años, y en equipos de radio y electrónicos: 10 mil horas. [19] :138 De acuerdo con GOST 8865-70, los productos de aislamiento y cable se pueden clasificar como:
La resistencia al calor a corto plazo se caracteriza por la temperatura a la que el producto, en condiciones bien definidas, puede funcionar durante un tiempo limitado. [19] :138
Resistencia real al fuegoHay dos sistemas para probar la resistencia al fuego de los productos de cable. En el marco del primero, se prueban cables individuales; en el marco del segundo, se prueban cables y alambres junto con sujetadores, conductos, tuberías, edificios y estructuras de cables.
Durante mucho tiempo se han llevado a cabo pruebas de resistencia al fuego de cables individuales por varios métodos. En 1977, G. I. Smelkovov, I. F. Poedintsev y B. I. Kasholkin presentaron una solicitud para la invención "Horno de calentamiento para probar la resistencia al fuego de los cables". [veinte]
| Marca de cable o alambre | Tiempo de resistencia al fuego a la tensión de alimentación | |||
|---|---|---|---|---|
| Z6V | 300 V | No consta en la fuente | 5kV | |
| KPSVVng(A)-LS 1х2х0,5 mm² | 50s | 28 segundos | ||
| KPSVEVng(A)-LS 1х2х0,5 mm² | 32 segundos | 24 segundos | ||
| KPSVEVng(A)-LS 1х2х1.5 mm² | 60 segundos | 39 segundos [21] | ||
| APV 1x6 mm² en tubo de plástico de 25 mm de diámetro | 201,67 s | |||
| APV 1x16 mm² en tubo de plástico de 32 mm de diámetro | 239.00 s | |||
| APV 1x35 mm² en tubo de plástico de 50 mm de diámetro | 270.00 s | |||
| AVVG 3x35+1x25 mm² | 240.00 s [22] | |||
| KPOBVng 7×2,5 mm² en caja metálica sin protección contra incendios | 12,0 minutos | |||
| KPOEVng 14×2,5 mm² en caja metálica sin protección contra incendios | 15,2 minutos | |||
| PvBVng 3×50 + 1×25 mm² en caja metálica sin protección contra incendios | 22,3 minutos [23] | |||
| KGESHV 3×35+1×10+3×2,5 mm² | Método para probar cables para la no propagación de llama con voltaje aplicado a través de un aparato de control de aislamiento. | 37,7 minutos | ||
| KGEBUSHV 3×50+1×10+3×2,5 mm² | 62,2 minutos | |||
| KGESHuS-PB 6×25+3×3,5+4×2,5 mm² | 44,4 minutos [24] | |||
| AABnlG 3×95 mm² (6 kV) | 24 minutos | |||
| AAShv 1×120 mm² (35 kV) | 7,4 minutos | |||
| AAShv 3×35 mm² (1 kV) | 3,5 minutos | |||
| PVC 1×240 mm² (6 kV) | 4 minutos | |||
| PVC 3×10 mm² (1kV) | 2,6 minutos | |||
| AASHPS10 3×95 mm² (10 kV) | 10,3 minutos | |||
| KVVGng 4×1,5 mm² (660 V) | 2,1 [25] ;2,2 [26] ; 4,1 [27] minutos | |||
| KVVGng 37×1,5 mm² (660 V) [27] | 11 minutos | |||
| KVVBG 37×2,5 mm² (660 V) | 7,6 minutos | |||
| KPOSG 7×1,5 mm² (660 V) | 4 minutos | |||
| KVVBbG 37×2,5 mm² (660 V) | 2 minutos [28] | |||
El límite de temperatura para cables eléctricos de diseño industrial general tendidos en bandejas en los EE. UU. es de 182 °C, en Alemania - 120 °C. Según experimentos ucranianos en 2007, a una velocidad de calentamiento rápida para cables colocados en cajas de metal sin protección contra incendios, la temperatura límite es de 400 °C. Para conductos con protección contra incendios, por lo que los cables se calientan más lentamente: 190 ° C [23] .
Al probar conductos de cables según UL 1724, la temperatura interna no debe ser superior a 120 °C en promedio y 160 °C en cualquier punto del cable [29] .
En Alemania, los cables que han superado las pruebas en una estructura de soporte estándar se pueden colocar sin pruebas adicionales en estructuras de soporte estándar de cualquier fabricante. Si la fijación del cable no está prevista en la norma, los resultados de la prueba solo se aplican a la combinación probada de cable y estructura de soporte [30] .
Calificación:
Los sistemas se dividen en clases E30, E60, E90, según el tiempo durante el cual conserva la capacidad de funcionar normalmente: 30, 60 y 90 minutos, respectivamente. Se requiere que la clase E30 incluya todos los sistemas de cables de sistemas de alarma contra incendios, iluminación de emergencia, sistemas de alarma contra incendios y sistemas de escape de humo natural. Se requiere la clase E90 para incluir sistemas de alimentación por cable para bombas en sistemas de extinción de incendios, ascensores para cuerpos de bomberos, montacargas en hospitales, sistemas de escape de humo con estimulación mecánica [32] .
En el Reino Unido, los cables resistentes al fuego se dividen en dos clases: estándar (estándar) y mejorado (aumentado). Estándar: clasificación de resistencia al fuego de 30 minutos, mejorada: clasificación de resistencia al fuego de 120 minutos. Los cables en la versión Enhanced están diseñados para su uso en edificios de más de 30 m de altura y otros edificios públicos que tienen un gran número de zonas de evacuación (cuatro o más) en las que las personas pueden permanecer durante un tiempo significativo. Durante las pruebas, las muestras de cable se exponen a llamas, golpes y agua [33] .
A altas temperaturas, la resistencia al calor insuficiente también se manifiesta no solo en el aislamiento, sino también en los conductores. Existe una interacción entre el material aislante y los conductores [1] :6 . Para el funcionamiento a una temperatura de 1000 °C, se utilizan oro y platino como conductores, a temperaturas de 1100-1200 °C - rodio [1] :183 . A temperaturas de 400-500 °C, el cobre revestido de níquel se usa para conductores (por ejemplo, alambre PEZHB), a 600 °C - níquel (alambre PNZH), a 600-700 °C - plata revestida de níquel (PEZHB- 700 hilos) [ 1] :184 .
Una característica distintiva de los cables y alambres es la flexibilidad. [34] Los materiales poliméricos se utilizan como aislamiento y cubiertas de productos de cable. Son flexibles, pero la mayoría no puede soportar temperaturas superiores a 150°C. [35] :4 Los materiales cristalinos suelen ser resistentes a las altas temperaturas, pero carecen de flexibilidad y elasticidad. [35] :3 La mica , la cerámica , el vidrio y otros materiales capaces de funcionar a altas temperaturas se conocen desde hace mucho tiempo y se utilizan ampliamente para la fabricación de diversas piezas de montaje para equipos de ingeniería eléctrica, electrónica y de radio. Sin embargo, la fabricación de aislamiento para motores, transformadores y otros equipos eléctricos es imposible solo a partir de ellos [1] :5 .
Existe una ley física y química general, según la cual cada 8 ° C adicional de calentamiento acelera los procesos físicos y químicos en 2 veces. En relación con el desgaste relativo del aislamiento, esto significa que cada 8 °C adicionales de calentamiento acelera el envejecimiento (reduce la vida útil) del aislamiento por un factor de dos [36] . Durante mucho tiempo y de forma estable a altas temperaturas, solo pueden funcionar aquellos materiales aislantes eléctricos, en los que las transformaciones químicas y estructurales tienen lugar a temperaturas significativamente más altas que la temperatura de funcionamiento del aislamiento [1] :253 .
Polímeros orgánicosLa mayoría de los cables utilizados están aislados con polímeros. Para polímeros, se utilizan los términos "resistencia al calor" y "resistencia al calor". El término resistencia al calor está asociado a factores físicos: punto de fusión y temperatura de transición vítrea. Con la exposición térmica a corto plazo, las propiedades suelen estar determinadas exclusivamente por factores físicos. El término estabilidad térmica está asociado a factores químicos: resistencia a la degradación térmica, termooxidativa e hidrolítica. En el caso de exposición prolongada al calor, los factores químicos son decisivos. [37] :27
Los cambios en la estructura química de los polímeros pueden estar asociados tanto con la degradación como con la estructuración; por regla general, ambos procesos ocurren simultáneamente. La naturaleza de las transformaciones químicas determina que el proceso vaya a mayor velocidad. No existe una conexión directa entre los cambios físicos y químicos en los polímeros durante el calentamiento. Para muchos polímeros (como el polietileno), el ablandamiento ocurre a una temperatura mucho más baja que la pérdida de resistencia al calor. [38]
La temperatura superior a largo plazo para la mayoría de los polímeros es inferior a 100 °C, para algunos plásticos de ingeniería es de 150 °C. El progreso de la industria eléctrica conduce a la miniaturización de resistencias, condensadores , motores eléctricos manteniendo su potencia. El resultado es un aumento de las temperaturas de funcionamiento. Las temperaturas de funcionamiento a largo plazo de los polímeros de aislamiento eléctrico, láminas, piezas de interruptores y envolventes deben superar los 200 °C. [37] :22
El PVC blando o el compuesto para cables es un material común para el aislamiento de cables. Este material contiene 50% de varios aditivos (plastificantes, etc.), que modifican en gran medida las propiedades combustibles del PVC. Los plastificantes comienzan a volatilizarse ya a una temperatura de 200 °C y se encienden [39] .
Cuando se expone a la llama sobre PVC sólido , se producen los siguientes procesos:
La mica son cristales inorgánicos que tienen una forma escamosa. Las placas cristalinas tienen un espesor de 5 a 50 µm. Punto de fusión 1200-1300 °C. A una temperatura de 900 °C se produce un hinchamiento, el material se delamina y pierde solidez. La mica natural rara vez se usa como aislamiento eléctrico. El polvo de mica y el papel de mica impregnados con aglutinantes son ampliamente utilizados. Los aglutinantes determinan la temperatura de funcionamiento del aislamiento. [40] :97
Ligantes para impregnación:
La mica es un material a base de papeles de mica; triturado y prensado sin ligante de mica. [40] :98 . El papel de mica se obtiene dimensionando residuos de mica procesados. [40] :98
mineralesLa producción de cables con aislamiento mineral se dominó por primera vez en 1934 en Francia. Un área de aplicación fue la iluminación del Louvre . La operación en el museo mostró su alta confiabilidad y completa seguridad contra incendios. Desde 1937, los cables se fabrican en Inglaterra, Japón y Canadá, siendo el principal campo de aplicación los buques petroleros. En 1946, comenzó la producción de tales cables en los EE. UU. Un poco más tarde, la producción de tales cables se dominó en Austria, Australia, Italia, Alemania. La industria soviética comenzó la producción en 1951. [41] :4
La vida útil de los cables a altas temperaturas está determinada por la resistencia de la cubierta metálica a la oxidación. A 250 °C, la cubierta de cobre se contraerá 0,25 mm en cientos de años, mientras que a 800 °C esto ocurrirá en 26 horas [41] :54 . En caso de incendio, los cables mantendrán sus prestaciones hasta el punto de fusión del cobre (1083 °C) [41] :26 . Se conoce un caso en el que, durante un incendio a bordo de un barco, los cables con aislamiento mineral proporcionaron energía a todos los dispositivos del barco durante mucho tiempo, a pesar de que pasaron por la zona de fuego [41] :6 .
Uno o más cables conductores están ubicados en un tubo de metal. El espacio interior del caparazón está lleno de óxido de magnesio . La resistencia al fuego de los cables se logra mediante la ausencia total de elementos de cable combustibles o térmicamente degradables, cuya destrucción puede provocar la falla del cable. Cuando se expone a las llamas, no se emiten humo ni componentes tóxicos.
Los cables termosensibles con aislamiento mineral son sensores que señalan el aumento de temperatura de la zona por donde pasa el cable [41] :5 .
En el marco del sistema de estandarización CMEA , se utilizó el término "cable con aislamiento mineral resistente al calor". Se preveía la producción de cables KMZh, KMZhV. [42]
En el marco de la normalización, la producción de cables está regulada por GOST IEC 60702-1-2017 "Cables con aislamiento mineral y sus terminaciones para una tensión nominal que no supere los 750 V. Parte 1. Cables", GOST IEC 60702-2-2017 "Cables con aislamiento mineral y terminaciones para ellos para una tensión nominal no superior a 750 V. Parte 2. Terminaciones finales.
Cable con cubierta metálica y aislamiento de magnesia con cubierta protectora de polímero
Entrada de un cable con cubierta metálica y aislamiento mineral en el equipo
Las moléculas de polímeros de organosilicio se construyen a partir de átomos alternantes de silicio y oxígeno. El átomo de silicio está unido al oxígeno y no puede oxidarse más. Por lo tanto, las moléculas de tales polímeros, cuando se calientan en el aire, no se descomponen y no se convierten en productos gaseosos, como sucede con los polímeros orgánicos. Los grupos de átomos de carbono también están presentes y dan elasticidad o plasticidad a los polímeros . Estos grupos pueden oxidarse, pero su oxidación no provoca la destrucción de la cadena polimérica principal de la molécula. [43] :6
La vida útil de los productos de caucho de silicona depende de la temperatura:
La reticulación tiene lugar en el aire a una temperatura de 200-250°C. [45] Como resultado de la descomposición térmica bajo la influencia de altas temperaturas, se forma un residuo sólido de coque. [46] Después de quemarse, la superficie del caucho de silicona se vuelve dura y porosa. A pesar de la carbonización, tiene buenas propiedades de aislamiento eléctrico. [47] :146
En la fabricación de productos de cable para operar a temperaturas elevadas, por regla general, se utilizan cauchos a base de cauchos de siloxano . [35] :68 Su temperatura de funcionamiento normal es de 180 °C, pero pueden funcionar de forma continua a 200-250 °C y durante períodos breves a 300 °C. La descomposición de las cadenas poliméricas vulcanizadas comienza a los 400°C [35] :70 . Al tender alambres y cables en tuberías o canales bien cerrados, la resistencia durante el funcionamiento continuo cae a 120 ° C debido a la falta de acceso de aire. [47] :149 A 150 °C en estas condiciones, la vida útil se reduce a 2-3 meses. [47] :131
El uso de cables aislados con caucho de silicona en buques de guerra para mantener la operatividad durante un incendio se encuentra en fuentes de 1959. Se indica que el tiempo de operación del cable en una llama de gas a una temperatura de 950°C y voltaje normal fue de 8 horas. [43] :46
Alambre resistente al calor RKGM
Cable resistente al fuego KSREVng(A)-FRLS 2x0,5
Aislante de silicona
Se utiliza para enrollar cables en motores de servicio pesado y transformadores secos. Los cables pueden tener un índice de temperatura de 155 °C [48] .
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