Kvalita kabelu: materiály a technologie
Vedoucí oddělení kvality v LAPP Elena Kuznetsova napsala článek o kritériích kvality pro kabelové produkty. Účelem článku je jednoduchým jazykem popsat hlavní parametry kvality kabelů v segmentu do 1 kV tak, aby si kupující mohl vybrat z rozmanité nabídky kvalitní a bezpečný výrobek.
Měděný vodič
Často se má za to, že hlavním ukazatelem kvality kabelu je skutečnost, že je podhodnocen průřez vodiče, jinými slovy, zda skutečné množství mědi v kabelu odpovídá deklarovanému množství. Zmenšení průřezu o 20-30% tedy vede ke zvýšení provozní teploty na jádře na 100-120 °C . Důsledky takové „úspory“ ze strany výrobců převodovek jsou zřejmé – stačí otevřít hlášení o požárech kvůli nekvalitním elektroinstalacím.
Navzdory ničivým a tragickým následkům tento typ podvodu neztrácí na popularitě, o čemž svědčí jak oficiální statistiky požárů, tak obrovské množství návodů a tipů, jak zkontrolovat průřez kabelu na internetu.
Nepoctiví výrobci převodovek však kromě podvádění s množstvím mědi v kabelu mají i jiné způsoby, jak zákazníky oklamat. Níže jsou uvedeny některé nuance, které musí znát jak koncový spotřebitel kupující kabel, například pro opravy v bytě, tak specialista na nákup kabelových a drátěných výrobků ve společnosti.
Přejděme ke vzorci pro výpočet odporu vodiče na základě jeho délky a průřezu: R=ρ l/S, ze kterého je zřejmé, že odpor vodiče (R) závisí nejen na délce (l) a průřezu (S), ale také na měrném odporu vodiče (ρ).
Je to odpor vodiče, nikoli jeho průřez, který je standardním ukazatelem kabelu stanoveným GOST 22 483–2012 (IEC 60 228:2004) Proudové žíly pro kabely, dráty a šňůry. Pokud je odpor příliš vysoký, způsobí dodání vypočteného proudu při známém výkonu a napětí zahřátí kabelu, což vede k roztavení izolace, uvolnění nebezpečných látek z izolace a pláště kabelu, zkratu a požáru. Velikost odporu závisí jak na průřezu vodiče, tedy množství mědi, tak na měrné vodivosti ρ, tedy kvalitě mědi při stejné délce.
GOST R 53803-2010 pro měděný válcovaný drát definuje následující třídy válcového drátu:
Označení;Definice
KM; Měděná tyč KMB; Bezkyslíková měděná tyč KMor; Měděná tyč získaná kontinuálním litím a válcováním z rafinovaného měděného odpadu a šrotu
Standardní měrný odpor pro drát typu KMor je vyšší než pro drát typu KM nebo KMB, což nemůže ovlivnit odpor vodiče hotového výrobku stočeného z měděného drátu různých jakostí. Hodnota měrného odporu je vysoce závislá na kvalitě mědi. A i přes intenzivně se rozvíjející technologie zpracování měděného odpadu bude stabilita kvality mědi z odpadu a šrotu poněkud menší než stabilita kvality mědi získané elektrolytickou metodou.
Pro výrobu kabelů FLEXICORE® 100 a FLEXICORE® 100 ng (A)-LS tedy LAPP používá měděnou tyč KM z katodové mědi třídy M001 získané elektrolýzou, což umožňuje dosáhnout standardních hodnot odporu a dokonce získat kabel s určitou rezervou odporu a lepšími ukazateli hmotnosti a vnějšího průměru.
Při stejné spotřebě mědi na 1 kilometr kabelu, a tedy při stejné hodnotě průměru vodiče stejného průřezu, může být rozdíl v hodnotách odporu vodiče významný. Proto spoléhat se pouze na měření průměru vodiče pro zjištění kvality kabelu není úplně správný přístup.
Podniky s velkým objemem nákupů kabelových a drátěných výrobků by pro správnou organizaci vstupní kontroly měly používat zařízení, která měří odpor vodičů: milimetry, KIS atd. Bylo by také žádoucí mít taková zařízení v místech prodeje kabelových a drátových výrobků koncovým spotřebitelům, aby se prokázala shoda výrobků s deklarovanými vlastnostmi. Náklady na taková zařízení jsou malé ve srovnání s možným poškozením, které může způsobit nákup nekvalitního kabelu nebo drátu.
Izolace a opláštění
Zatímco stanovení kvality měděného kabelu není obtížné, problematika kvality materiálu izolace a pláště vyžaduje podrobnější studii a testování vyžaduje dražší zařízení. Této problematice je bohužel v současnosti věnována velmi malá pozornost, i když právě kvalita izolačního materiálu a materiálu pláště rozhoduje o odolnosti kabelu, respektive jeho životnosti.
Jaké jsou ukazatele kvality izolačního a opláštění materiálu?
Podívejme se na standardní indikátory na příkladu sloučenin polyvinylchloridu (PVC), protože toto je v současné době nejčastěji používaný materiál pro izolaci a opláštění kabelů v Rusku. Samozřejmě existuje několik dalších požadavků na vlastnosti izolace a pláště kabelu a závisí na podmínkách a prostředí použití, ale v tomto článku budeme zvažovat tři hlavní.
Hlavní parametry kvality jsou tedy dielektrická pevnost izolace a fyzikální a mechanické indikátory před a po stárnutí izolace a pláště.
Dielektrická pevnost je schopnost dielektrika odolat aplikovanému napětí. Dielektrická pevnost je charakterizována izolačním odporem a schopností jádra projít testem průrazného napětí.
Fyzikální a mechanické vlastnosti jsou schopnost materiálu odolávat fyzickému namáhání před zničením. Vyznačují se dvěma ukazateli: relativním prodloužením při přetržení (natažení při působení zatížení až do úplného přetržení, tj. plasticity) a konečnou pevností v tahu (jinými slovy, to je to, jak velká síla musí být vyvinuta k přetržení materiálu).
Umělé stárnutí kabelu v sušicích pecích je experimentální metoda pro predikci změn určitých vlastností kabelu v čase pod vlivem teplotních faktorů. Udržení fyzikálních a mechanických parametrů materiálu v průběhu času je nesmírně důležité. Právě soulad materiálových charakteristik s normovými hodnotami po stárnutí je jedním z hlavních garantů výrobcem udávané životnosti.
Dielektrická pevnost
Dielektrická pevnost je charakteristika izolace, která ukazuje schopnost dielektrika chránit před průrazem. PVC izolátory nemají nejvyšší dielektrickou pevnost z materiálů používaných v kabelovém průmyslu, ale poměr ceny a kvality a relativní snadnost zpracování stále drží PVC na prvním místě z hlediska aplikace v kabelovém průmyslu. Dielektrická pevnost poskytovaná vysoce kvalitním PVC je zcela dostatečná pro zajištění bezpečnosti kabelů do 1 kV pro spotřebitele. Norma stanovená v GOST a mezinárodních normách je 5 MOhm na kilometr při teplotě 20 °C. S rostoucí teplotou klesá schopnost odolávat stresu.
V praxi výroby LAPP jsou tedy moderní izolační plasty od ruských výrobců schopny prokázat a vykazují odolnost více než 300 MOhm na kilometr. Odpor pod 5 MOhm je důvodem k zamyšlení nad tím, co se během výrobního procesu pokazilo. Bohužel zkušební nákupy ukázaly, že na trhu CIS se prodávají kabely s izolačním odporem pod normou 5 MOhm. Lze jen hádat, o jaký druh PVC jde a jak si věci stojí s obtížněji dosažitelnými, ale neméně důležitými ukazateli.
Dielektrická pevnost se kontroluje pomocí megaohmmetru. Zařízení je poměrně jednoduché a levné. Při použití digitální verze přístroje nedochází k žádným nuancím, které by způsobily výraznou chybu měření.
Index dielektrické pevnosti je nesmírně důležitý, lze jej poměrně jednoduše zajistit a snadno měřit. Nemělo by být zanedbáváno, protože pokud kabel nesplňuje ani tento indikátor, jeho použití může vést k vážným negativním důsledkům, které mohou zahrnovat nesprávnou činnost systémů a zařízení, poškození zařízení atd.
Dielektrická pevnost se kontroluje pomocí megaohmmetru. Zařízení je poměrně jednoduché a levné. Při použití digitální verze přístroje nedochází k žádným nuancím, které by způsobily výraznou chybu měření.
Index dielektrické pevnosti je nesmírně důležitý, lze jej poměrně jednoduše zajistit a snadno měřit. Nemělo by být zanedbáváno, protože pokud kabel nesplňuje ani tento indikátor, jeho použití může vést k vážným negativním důsledkům, které mohou zahrnovat nesprávnou činnost systémů a zařízení, poškození zařízení atd.
Tažnost a pevnost v tahu
Nejde jen o to, že tyto ukazatele jdou dohromady. Představují dva různé pohledy na jednu charakteristiku – odolnost materiálu vůči působícímu zatížení. Jsou také testovány v jedné zkoušce – trháním vzorků na tahovém zkušebním stroji. Jediný rozdíl je ve způsobu výpočtu. Relativní prodloužení ukazuje, jak moc se vzorek natáhl ve vztahu ke své původní délce před prasknutím. Stanovená pevnost v tahu ukazuje, jaká síla na 1 mm2 plochy musela být aplikována na vzorek, aby se zlomil.
Při provádění těchto testů existuje spousta nuancí a náklady na zařízení jsou vysoké. Výsledky zkoušek jsou velmi závislé na kvalitě připravených vzorků, přesnosti měření tloušťky vzorku, tahovém zkušebním stroji a lidském faktoru. Použití moderních testovacích zařízení samozřejmě snížilo závislost na lidském faktoru na minimum, ale náklady na takové zařízení se měří bohužel v milionech a bohužel ne v rublech.
Hlavní závěry, které lze z výše uvedeného vyvodit, jsou, že jen dosti velké závody si mohou dovolit mít v laboratoři měřicí stroje a specialisty, kteří dokážou zajistit přesné měření požadovaných parametrů. Náklady na tyto testy v externích laboratořích jsou oprávněně vysoké.
Standardní hodnoty pro tyto indikátory jsou stanoveny v GOST a závisí na typu směsi PVC. Pro relativní prodloužení lze nastavit standardní hodnoty z rozsahu: 125%, 150%, pro pevnost v tahu: 10, 12,5, 15 N/mm2 (ukazatele pro hotové kabelové výrobky z PVC směsí). Laboratorní shoda materiálových parametrů s těmito údaji v podmínkách reálného použití zajišťuje stabilitu kabelu při zatížení, což je důležité při pokládce kabelu, zejména v technicky náročných podmínkách, a také zajišťuje provoz kabelu v podmínkách omezeného nebo flexibilního použití. Dynamika změn těchto ukazatelů v průběhu času v souladu se zavedenými normami je jedním ze garantů stanoveného teplotního režimu a životnosti výrobku, to znamená období, kdy použití kabelu nepředstavuje hrozbu požáru, zkratu, ohrožení lidského života a zdraví, odstávky výroby, poškození zařízení a mechanismů atd.
Hlavní závěry, které lze z výše uvedeného vyvodit, jsou, že jen dosti velké závody si mohou dovolit mít v laboratoři měřicí stroje a specialisty, kteří dokážou zajistit přesné měření požadovaných parametrů. Náklady na tyto testy v externích laboratořích jsou oprávněně vysoké.
Standardní hodnoty pro tyto indikátory jsou stanoveny v GOST a závisí na typu směsi PVC. Pro relativní prodloužení lze nastavit standardní hodnoty z rozsahu: 125%, 150%, pro pevnost v tahu: 10, 12,5, 15 N/mm2 (ukazatele pro hotové kabelové výrobky z PVC směsí). Laboratorní shoda materiálových parametrů s těmito údaji v podmínkách reálného použití zajišťuje stabilitu kabelu při zatížení, což je důležité při pokládce kabelu, zejména v technicky náročných podmínkách, a také zajišťuje provoz kabelu v podmínkách omezeného nebo flexibilního použití. Dynamika změn těchto ukazatelů v průběhu času v souladu se zavedenými normami je jedním ze garantů stanoveného teplotního režimu a životnosti výrobku, to znamená období, kdy použití kabelu nepředstavuje hrozbu požáru, zkratu, ohrožení lidského života a zdraví, odstávky výroby, poškození zařízení a mechanismů atd.
Základní metodou pro potvrzení deklarované životnosti výrobku je měření odchylky fyzikálních a mechanických vlastností po stárnutí v sušárnách.
Z dané délky se odebere 12 vzorků pro izolaci a 12 pro opláštění. Polovina vzorků je testována na tahovém zkušebním stroji a jsou stanoveny počáteční hodnoty pevnosti v tahu a relativního prodloužení. Zbývající vzorky se umístí do sušárny při vysoké teplotě na stanovenou dobu. Například FLEXICORE ® 100 zraje při 100 °C po dobu 0 hodin. Zestárlé vzorky jsou poté testovány na tahovém zkušebním stroji a změna počátečních hodnot charakterizuje kvalitu hotového kabelového produktu.
Upozorňujeme, že se jedná pouze o základní povinné testy, kterými musí kabelové a drátěné výrobky projít. Existují také spolehlivější, složitější a dražší dlouhodobé testy tepelného stárnutí, které trvají šest měsíců nebo déle. Ale i povinný testovací cyklus, který se musí periodicky opakovat, vyžaduje laboratoře, vybavení a specialisty.
Izolace a opláštění: Závěry
Pokud kabelový a drátový výrobek neprojde ani základními zkouškami, tj. odchylka od výchozích fyzikálních a mechanických parametrů po stárnutí je vyšší než norma, znamená to, že použitý materiál není vhodný. Ke stárnutí takové izolace a pláště v reálných provozních podmínkách dojde v krátké době. PVC plast se stane křehkým, náchylným k praskání a vystavení vodičům, což nakonec povede ke zkratu.
Na rozdíl od problémů s nízkým odporem, které o sobě dají vědět v celkem krátké době provozu po zahájení provozu, se následky použití nekvalitního materiálu mohou projevit po 5 nebo 7 letech provozu, pokud mluvíme o pevném těsnění. Na stejných místech, kde kabel pracuje v podmínkách, které podporují rychlé opotřebení (neustálý pohyb, agresivní prostředí), je patrné dvojnásobné nebo trojnásobné snížení životnosti a mnoho spotřebitelů tomu věnuje pozornost.
Ale u kabelu, který funguje za normálních podmínek a v pevných instalacích, je důležitost životnosti jen zřídka realisticky posuzována. Ale musíte souhlasit, že záleží na tom, zda kabel bude fungovat 30 nebo 7 let. Jedná se o tzv. „odložené závazky“. Dnes jsme ušetřili na ceně kabelu při rekonstrukci prostor, ale po 7 letech musíme vše rozbít a znovu měnit rozvody. Odložené závazky jsou vždy za dvojnásobnou cenu.
Bohužel není možné ověřit vlastnosti materiálů doma, což znamená, že se musíme spolehnout na bezúhonnost výrobců a distributorů, práci certifikačních orgánů, regulačních organizací a vlastní pochopení, že nízká cena je často způsobena nízkou kvalitou.
Kvalita PVC směsi a výroba směsi
Hlavní surovinou pro výrobu PVC kompozic je PVC pryskyřice. PVC pryskyřice je polymer vinylchloridu, který se zase získává chlorací ethylenu, který se získává pyrolýzou ropných destilátů. V čisté formě je polyvinylchlorid téměř nemožné zpracovat a má nízkou tepelnou stabilitu, což znamená, že se začíná kazit již při teplotách 70–80 °C. Proto se v kabelovém průmyslu používá PVC směs na bázi PVC pryskyřice s přídavkem změkčovadel, stabilizátorů, retardérů hoření a dalších modifikátorů a plniv.
Plastifikátory zajišťují pevnost a plasticitu směsi PVC. Jedná se o jednu z nejdražších komponent ve směsi, jejíž množství a kvalita určuje spolehlivost kabelového produktu. Nejčastěji se jako stabilizátor používá dioktylftalát (DOP), který zajišťuje požadovanou kvalitu sloučeniny, ale je v Evropě zakázán environmentální směrnicí REACH jako extrémně nebezpečný karcinogen. Často, aby se snížily náklady na PVC kompozice a snížila spotřeba DOP, bezohlední výrobci PVC kompozic často přidávají levná, vysoce těkavá změkčovadla, která se odpaří v krátkém časovém období, což vede k tomu, že izolace a plášť ztvrdnou, náchylné k praskání a mají nízkou odolnost vůči mechanickému zatížení. Jednoduše řečeno, po pěti až šesti letech se může izolace a plášť kabelu jednoduše rozpadnout.
Jako zástupce evropského holdingu a společnosti, pro kterou jsou otázky životního prostředí a bezpečnosti vždy na prvním místě, jsme stáli před úkolem vyrábět kabelové a drátěné výrobky v SNS, které splňují všechny ekologické normy platné v Evropské unii. V souladu s tím nemohlo být složení PVC s DOP použito pro kabely značky FLEXICORE ® 100. Naštěstí se nám po dlouhém hledání podařilo najít výrobce směsí PVC, kteří používají změkčovadla šetrná k životnímu prostředí. Paralelní testy v SNS a Německu ukázaly vynikající výsledky z hlediska spolehlivosti a bezpečnosti.