PL184811B1 - Elektryczna żyła przewodząca oraz sposób wytwarzania elektrycznej żyły przewodzącej - Google Patents

Abstract

1. Elektryczna zyla przewodzaca, zna- mienna tym, ze przewód elektryczny (3) ma szorstka powierzchnie zewnetrzna, zas jego izo- lacja (9) ma postac weza z termoplastycznego tworzywa sztucznego, którego wewnetrzna po- wierzchnia (11) ma w przekroju poprzecznym profil zblizony do okregu, a jednoczesnie miejs- cowo ciagle znajduje sie w przyporze tarcia i przesuwu z lezacymi na zewnatrz odcinkami po- wierzchni przewodu (3), przy czym pomiedzy pojedynczymi cienkimi metalowymi drutami przewodowymi (5) przewodu (3) i powierzchnia wewnetrzna (11) izolacji (9) znajduja sie wolne przestrzenie (7). 5. Sposób wytwarzania elektrycznej zyly przewodzacej, znamienny tym, ze tworzywo termoplastyczne wytlacza sie wokól przewodu w ciaglym procesie wytlaczania weza z tworzy- wa sztucznego, przy czym ponizej jego tempera- tury topnienia, naklada sie je na przewód. F i g . 1 F ig . 2 PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest elektryczna żyła przewodząca mogąca przykładowo znaleźć zastosowanie w giętkim wielożyłowym kablu elektrycznym oraz sposób wytwarzania takiej elektrycznej żyły przewodzącej.

Giętkie kable elektryczne znajdują zastosowanie wszędzie tam, gdzie poruszający się użytkownicy energii elektrycznej muszą zostać w nią zaopatrzeni. Wystawione są one wtedy często na ekstremalne warunki takie, jak silne wahania temperatur, wilgotność, działanie oleju i chemikaliów, oraz są narażone na zmianę kierunku obciążenia przy zginaniu.

Typowe giętkie kable elektryczne składają się z jednej lub wielu elektrycznych żył przewodzących, każdorazowo zbudowanych z licy i osłaniającej ją izolacji, które otoczone są, wraz z równolegle przebiegającym nośnikiem (wkładką rdzeniową), wewnętrzną oponą. Na nią naniesiony jest pancerz, przykładowo w kształcie włóknistego oplotu wspornikowego, a na zewnątrz, tworząc końcówkę kabla, do tego pancerza przylega giętka opona zewnętrzna.

Z opisu wzoru użytkowego nr 108932 znany jest wielowarstwowy samonośny przewód elektroenergetyczny z drutów z aluminium stopowego i aluminium, w którym rdzeń przewodu stanowi linka z drutów w kształcie zbliżonym do sześcioboku foremnego, natomiast warstwa zewnętrzna złożona jest z drutów w kształcie litery „Z”.

Natomiast z opisu patentowego nr 176789 znana jest kompozycja polimerów przeznaczona na warstwy izolacyjne przewodów elektrycznych i kabli, której jednym ze składników korzystnie jest polibutyleno-tereftalan.

Istota wynalazku polega na tym, że przewód elektryczny ma szorstką powierzchnię zewnętrzną, zaś jego izolacja ma postać węża z termoplastycznego tworzywa sztucznego, którego wewnętrzna powierzchnia ma w przekroju poprzecznym profil zbliżony do okręgu, a jednocześnie miejscowo ciągle znajduje się w przyporze tarcia i przesuwu z leżącymi na zewnątrz odcinkami powierzchni przewodu. Pomiędzy pojedynczymi cienkimi metalowymi drutami przewodowymi przewodu i powierzchnią wewnętrzną izolacji znajdują się wolne przestrzenie.

184 811

Korzystnie jest, gdy przewód elektryczny zawiera licę, składającą się z cienkich metalowych drutów przewodowych.

Również korzystnie jest, gdy izolacja (9) wykonana jest ze zmodyfikowanego politereftalanu butylenu.

Dodatkowo korzystnym jest, gdy tworzywo sztuczne ma efektywny zakres topnienia AT > 15°C.

Sposób wytwarzania elektrycznej żyły przewodzącej według wynalazku polega na tym, ze tworzywo termoplastyczne wytłacza się wokół przewodu w ciągłym procesie wytłaczania węża z tworzywa sztucznego, przy czym poniżej jego temperatury topnienia, nakłada się je na przewód.

Zaletą takiego rozwiązania jest takie otoczenie przewodu elektrycznego z szorstką powierzchnią zewnętrzną (licą) termoplastycznym tworzywem sztucznym, by powłoka z tworzywa z jednej strony przylegała, poprzez silę tarcia, do najdalej na zewnątrz położonych powierzchni przewodu, z drugiej zaś nie wypełniała lezących na zewnątrz wolnych przestrzeni przewodu.

Izolująca otoczka (dalej zwana izolacją) jest naciągnięta nad, leżącymi na zewnątrz przestrzeniami między przewodami kabla licy przewodzącej typowej żyły, przy czym nie wypełnia tych przestrzeni. Dlatego tez lica może być przesuwana wzdłużnie wewnątrz izolacji (np. przy naprężeniu zginającym), przy czym nie jest ona ustawiona tak luźno, by można ją było bez użycia siły wyciągnąć z izolacji.

To szczególne ustawienie licy powoduje, iż przy naprężeniu zginającym można wykonać wewnątrz izolacji kontrolowany ruch względny. Lica nie jest tym samym spęczana pod izolacją podczas zginania i dlatego czas eksploatacji żyły, który jest zwykle ograniczony przez złamanie licy, znacznie się wydłuża. Ślizg licy wewnątrz izolacji umożliwia ponadto łatwe odizolowanie żyły, co okazuje się korzystne przy nakładaniu płaszcza.

Obok tego efektu mechanicznego występuje w żyłach przewodzących według wynalazku jeszcze inny, korzystny efekt. Został on zauważony przy pomiarach dielektryczności „na żyle”, przy których termoplastyczny materiał izolacyjny regularnie wskazywał znacznie niższe wartości, niż przy innych pomiarach na czystym, nie przetworzonym tworzywie sztucznym. Efekt ten jest oczywiście bardzo korzystny, ponieważ niższe, efektywne wartości dieletryczności są pożądane dla materiałów izolujących, aby, na przykład, wykluczyć wzajemne oddziaływanie między sąsiednimi żyłami. Powody zmniejszenia się wartości dielektryczności nie są obecnie jeszcze dokładnie znane. Mogą one jednakże polegać na obecności przestrzeni wypełnionych powietrzem w, leżących na zewnątrz, przestrzeniach między przewodami kabla otaczającej licy. Obniżenia stwierdzonych wartości efektywnych dla żył przewodzących według wynalazku prowadzą do tego, iż termoplastyczne tworzywa sztuczne z niekorzystnie wysoką wartością dielektryczności, są konkurencyjne dla tworzyw, już pierwotnie posiadających niższe wartości.

Na podstawie opisanych korzyści mechanicznych i elektrycznych możliwa jest produkcja kabli które - w zależności od miejsca zastosowania - mogłyby mieć zredukowaną o 50% średnicę przewodu i odpowiednio zredukowaną masę w porównaniu do zwykłych kabli z materiałem izolacyjnym z gumy lub na bazie PCV. Jest jasne, że redukcja średnicy przewodu umożliwia również uzyskanie mniejszych promieni gięcia, co jest korzystne w wielu praktycznych sytuacjach.

Sumując, żyły według wynalazku posiadają wiele nieoczekiwanych, mechanicznych i elektrycznych właściwości, które w sumie prowadzą do pokaźnej oszczędności materiału i do wyraźnie zwiększonego czasu eksploatacji, w porównaniu ze zwykłymi żyłami przy tym samym poziomie wydajności.

Szczególnie korzystne jest to, gdy izolacja wykonana jest z termoplastycznego poliestru, szczególnie zaś ze zmodyfikowanego politereftalanu butylenu (PTB). Żyła posiada wtedy szczególną trwałość i/lub elastyczność. Przykładowo, kolistą, wytłaczaną izolację PTB o średnicy zewnętrznej 0,8 mm i grubości ściany tylko 0,15 mm da się natłoczyć na odpowiednią licę tylko pod znacznym ciśnieniem. W praktyce lica nie powinna być poddawana ciśnieniu, tak aby nie występowało niszczące obciążenie mechaniczne licy wewnątrz izolacji.

184 811

Nawet przy prostowaniu walcami żyły nie wytwarzany jest żaden efekt spęczania. W poniższej tabeli podane są średnice żył i odpowiednie grubości ścianek dla niektórych typowych żył:

Tabela

Żyła	Średnica	Grubość ścianki
1	0,80 mm	0,15 mm
2	1,29 mm	0,25 mm
3	3,21 mm	0,30 mm
4	6,42 mm	0,40 mm
5	11,35 mm	0,70 mm

(Izolacja żyły: VESTODUR X4159, patrz niżej)

Do żyły według wynalazku celowo wybrane zostały niepodtrzymujące palenia i/lub samogasnące materiały izolacyjne. Żyły tego typu znajdują szczególnie zastosowanie w obszarach zagrożenia pożarowego.

Z punktu widzenia produkcji jest szczególnie korzystne zastosowanie termoplastycznego tworzywa sztucznego, który posiada efektywny zakres mięknienia AT > 15°. Tworzywa takie są korzystne, ponieważ zakres mięknienia obejmuje większy przedział temperatur niż wahania temperatur na dyszy wtryskowej zwykłej wytłaczarki ślimakowej z nieprecyzyjnym sterowaniem temperaturą. Także te wytłaczarki mogą zostać zastosowane do wytłaczania, bez niebezpieczeństwa, że z powodu niekontrolowanych zmian temperatur upłynni się termoplastyczne tworzywo i przykładowo dostanie się do przestrzeni między przewodami kabla wyprowadzonej równolegle licy. Praktycznym przykładem dla odpowiedniego tworzywa PTB z efektywnym zakresem mięknienia jest tworzywo Vestodur X 4159 firmy Huls AG tłoczywo o dużej lepkości i krystaliczności. Pod pojęciem efektywnego zakresu mięknienia rozumie się zawsze w ramach tego opisu przedział temperatur, który w gorę ograniczony jest przez temperaturę upłynnienia, a w dół przez przejście odpowiedniego tworzywa ze stanu twardo-elastycznego w plastyczny.

Należy jeszcze podkreślić, że preferencyjnie zastosowane tworzywa sztuczne nie są tworzywami ze zdolnością do powracania do poprzedniego kształtu czy pamięcią kształtu. Żyły według wynalazku wytwarzane są za pomocą ciągłego wytłaczania bez szkodliwej obróbki cieplnej i posiadają stałe mechaniczne i elektryczne właściwości na większej długości. Jest jednak jasne, że w zasadzie do produkcji żyły według wynalazku mogą zostać użyte również termoplastyczne tworzywa sztuczne z pamięcią kształtu. Należy przy tym przeciwdziałać takiemu niebezpieczeństwu, w którym kontakt pomiędzy izolacją a przewodem elektrycznym będzie wzdłużnie nierównomierny, to znaczy, że przykładowo na krótkim odcinku może wystąpić na przemian zbyt mocne sprasowanie (np. z wypełnieniem przestrzeni między przewodami kabla) i zbyt luźna powłoka.

Przedmiot wynalazku zilustrowano na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematyczny przekrój poprzeczny przez model żyły według wynalazku, fig. 2 powiększony widok częściowy przekroju poprzecznego żyły według wynalazku z fig. 1 w obszarze styczności między przewodem elektrycznym a izolacją, fig. 3 schematyczny przekrój poprzeczny typowego kabla dającego zwinąć się na bęben.

Żyła 1 zawiera przewód elektryczny 3, stanowiący licę składającą się z dużej liczby cienkich metalowych drutów przewodowych 5, które rozciągają się w poprzek do przedstawionej powierzchni przekroju poprzecznego w kierunku wzdłużnym do żyły. Zespół drutów przewodowych (lica) jest gęsto spakowany i w całości ma przybliżoną formę okręgu. Ponieważ lica zbudowana jest z pojedynczych drutów, jej powierzchnia (zewnętrzna) nie jest gładka lecz szorstka (konturowana), w szczególności zaś posiada ona przestrzeń 1 między pojedynczymi cienkimi metalowymi drutami przewodowymi a powierzchnią wewnętrzną 11 izolacji 9.

Lica osłonięta jest izolacją 9 w kształcie węża z termoplastycznego tłoczywa poliestrowego na bazie zmodyfikowanego politereftalanu butylenu (PTB). Jako tłoczywo sprawdził się

184 811 szczególnie produkt Vestodur Χ4159 firmy Huls AG. Powierzchnia wewnętrzna 11 izolacji 9 znajduje się - w odniesieniu do kierunku wzdłużnego żyły - miejscowo ciągle w przyporze tarcia i przesuwu z leżącymi na zewnątrz odcinkami powierzchni, którą tworzą, budujące najbardziej zewnętrzną warstwę licy, druty przewodowe 5. Jak widać na fig. 2. izolacja 9 jest naciągnięta na leżące dalej wewnątrz odcinki powierzchni przewodu 3, przez co wytwarzają się wolne przestrzenie 7.

Z jednej strony istnieje dobra przyczepność między licą a izolacją 9, z drugiej strony przestrzeń 7 nie jest wypełniona tłoczywem izolacyjnym. Żyłę przewodzącą 1 można szczególnie łatwo odizolować, ale nie jest to jedyna korzyść. Strukturalne właściwości żyły dopuszczają mianowicie to, aby lica i izolacja 9 poruszały się wzdłużnie względem siebie przy naprężeniu zginającym. To jest szczególnie ważne, gdy chce się nawinąć na bęben żyłę z niewielkim promieniem krzywizny. Nie dochodzi wtedy do niekorzystnego spęczania licy pod izolacją, pierwotnie zmiękczane druty przewodowe nie twardnieją i nie dochodzi w ten sposób do łamania lezących na zewnątrz pojedynczych drutów, co grozi złamaniem licy.

W porównaniu do konwencjonalnych izolacji, przedstawiona na fig. 1 i 2 izolacja żył 1 według wynalazku jest szczególnie cienkościenna. Stąd możliwa jest oszczędność materiałów do 50%, bez redukcji jakości w stosunku do zwykłych żył, które wokół podobnie zbudowanej licy mają zwykłą izolację z PCV lub gumy.

Ponadto przy pomiarach na żyłach według wynalazku, zmierzono niskie efektywne wartości dielektryczne er. Te niskie wartości nie są czystą własnością materiału tłoczywa izolatora - stąd dodatek „efektywny” - ale wynikają dopiero ze sposobu osłonięcia licy według wynalazku. Być może są to (naciągnięte) napełnione powietrzem wolne przestrzenie między przewodami kabla, które prowadzą do zmniejszenia efektywnej wartości dielektrycznej na żyle do ok. 2,6 - 2,8 z 4, którą to liczbę podaje producent Vestoduru X4159. Tym samym ta efektywna wartość porównywalna jest z wartością odpowiednią dla nie przetworzonego polietylenu (PE).

Przedstawiony na fig. 3 przekrój poprzeczny kabla 20, dającego się nawinąć na bęben, posiada środkowo ustawiony nośnik, który otoczony jest łącznie siedmioma żyłami przewodzącymi 21 według wynalazku, a wokół odpowiednio ustawionych nośnika i żył znajduje się czterowarstwowa opona. Wewnętrzna warstwa opony wykonana jest z poliestrowej folii 24 kryjącej blachę, która umożliwia przesuw żył 21 wewnątrz opony. Na zewnątrz tej folii przylega opona wewnętrzna 26 z poliuretanu, który jest wskazany przede wszystkim przy wyższych napięciach znamionowych. W następnej warstwie na zewnątrz znajduje się włóknisty oplot wspornikowy 28, który pomaga utrzymać stabilność poprzeczną (wytrzymałość na skręcanie) kabla 20. Zupełnie z zewnątrz znajduje się w końcu opona zewnętrzna 30 z poliuretanu. Kabel przedstawiony na fig. 3 jest tym samym bez halogenów.

Żyły 21 są, wzdłuż kabla 20, zwinięte ze skokiem skrętu wokół włóknistego nośnika 22. W zajmujących dużą objętość przestrzeniach między przewodami kabla między żyłami mogą znajdować się w razie potrzeby poliestrowe nici uszczelniające (nie przedstawione na rysunku). Oplot wspornikowy wytworzony jest ze sztucznego jedwabiu.

Lice wewnątrz żył 21 mogą być w praktyce z bardzo drobnych drutów o powierzchni przekroju poprzecznego 1,5 mm⁷ - 35 mm² albo z drobnych drutów o powierzchni przekroju poprzecznego 50 mm - 120 mm². W porównaniu do wcześniej używanych kabli można, przy porównywalnych właściwościach elektrycznych, osiągnąć redukcję średnicy przewodu o 50%, z czego wynikają również mniejsze promienie gięcia. Możliwe jest również obniżenie ciężaru o około 50%.

Żyły według wynalazku wytwarzane są w procesie wytłaczania węża z tworzywa sztucznego. Przy tym podgrzane mniej więcej do temperatury tłoczywa lice lub inne przewody (linki itp.) doprowadzane są przez centralne otwory do tulei wrzecionowej wytłaczarki ślimakowej. Na wytłoczone, całkowicie ciągłe tłoczywo izolacyjne ustawiony zostaje grzybek stożkowy, tłoczywo zaś zaczyna przy tym ustawieniu przylegać ciasno do licy.

Izolacja żyły zyskuje przez to wysoką trwałość strukturalną, pozostając elastyczną i wytrzymałą na uderzenia i zmęczenia zgięcia. Zastosowane tłoczywo politereftanalowo butylenowe (oprócz Yestoduru Χ4159 dobrym okazał się również Yestodur Χ7292) charaktery6

184 811 zuje wysoka wytrzymałość na rozciąganie, co sprawia, ze podczas użytkowania ewentualnie występujące obciążenie rozciągające przejęte zostanie przez izolację żyły, a nie przez licę Wysoka wytrzymałość na nacisk zastosowanych materiałów powoduje, iż izolacja żyły nie zmienia kształtu również przy względnie silnych obciążeniach. Ma to zapobiec dodatkowemu efektowi tarcia i spęczania licy podczas prostowania walcami żyły. Zwykle materiały izolacyjne, jak guma, PCV czy PE, posiadają znacznie gorszą wytrzymałość na rozciąganie i nacisk.

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz.

Cena 2,00 zł.

Claims (5)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Elektryczna żyła przewodząca, znamienna tym, że przewód elektryczny (3) ma szorstką powierzchnię zewnętrzną, zaś jego izolacja (9) ma postać węża z termoplastycznego tworzywa sztucznego, którego wewnętrzna powierzchnia (11) ma w przekroju poprzecznym profil zbliżony do okręgu, a jednocześnie miejscowo ciągle znajduje się w przyporze tarcia i przesuwu z leżącymi na zewnątrz odcinkami powierzchni przewodu (3), przy czym pomiędzy pojedynczymi cienkimi metalowymi drutami przewodowymi (5) przewodu (3) i powierzchnią wewnętrzną (11) izolacji (9) znajdują się wolne przestrzenie (7).
2. 2. Elektryczna żyła przewodząca według zastrz. 1, znamienna tym, że przewód elektryczny (3) zawiera licę, składającą się z cienkich metalowych drutów przewodowych (5).
3. 3. Elektryczna żyła przewodząca wedlug zastrz. 1 albo 2, znamienna tym, że izolacja (9) wykonana jest ze zmodyfikowanego politereftalanu butylenu.
4. 4. Elektryczna żyła przewodząca według zastrz. 1 albo 2, znamienna tym, że tworzywo sztuczne ma efektywny zakres topnienia AT > 15°C.
5. 5. Sposób wytwarzania elektrycznej żyły przewodzącej, znamienny tym, że tworzywo termoplastyczne wytłacza się wokół przewodu w ciągłym procesie wytłaczania węża z tworzywa sztucznego, przy czym poniżej jego temperatury topnienia, nakłada się je na przewód.