способ соединения силовых электрических кабелей

Формула изобретения

1. СПОСОБ СОЕДИНЕНИЯ СИЛОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ путем опрессовки или обжатия предварительно очищенных жил в соединительной гильзе, при котором на жилы перед введением их в гильзу наносят пастообразную смесь на основе связующего с наполнителем, отличающийся тем, что в качестве наполнителя используют порошок из материала, идентичного или близкого по составу и свойствам материалу жил кабеля и соединительной гильзы, который внедряют предварительно в связующее методом холодного диспергирования.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве связующего используют клеевую массу.

3. Способ по п.1, или 2, отличающийся тем, что в качестве материала жил и дисперсного наполнителя используют аллюминий.

4. Способ по пп.1 и 2 отличающийся тем, что количество дисперсного наполнителя к количеству клеевой массы выбирают из соотношения (0,8:1,2) (1,2-0,8).

5. Способ по пп.1-4, отличающийся тем, что в качестве дисперсного компонента наполнителя используют смесь частиц, каждая из которых по диаметру описанной сферы d_с 0,01-0,6 мм и представляет собой объемные фигуры с незакругленными вершинами и ребрами.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что диспергирование осуществляют при t^o не выше +20^oС.

7. Способ по п.1, или пп.1-3, отличающийся тем, что диспергирование осуществляют в вакууме в интервале t^o от +20 до 196^oС.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что уровень снятия сечения стыка при обжатии гильзы устанавливают таким, чтобы толщина слоя дисперсных частиц в области контакта электропроводных поверхностей находилась в пределах от 0,5 до 1,0 диаметра исходной частицы, при этом количество слоев частиц не должно быть более двух, а пленка пастообразной массы достигает состояния электронной проводимости.

9. Способ по п.1, или пп.1-7, отличающийся тем, что для обжатия гильзы на стыке используют пресс-форму с шириной контактного пояска b_п в пределах от 4 до 25 мм, которую перемещают последовательно после каждого обжатия с левой половины гильзы на правую троекратно, обжатие ведут от середины гильзы к ее концам.

10. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве клеевой композиции выбирают термореактивную клеевую композицию, смешивают ее с дисперсным наполнителем и хранят отдельно в герметичной таре, в отдельной таре хранят отвердитель, а смешение компонентов производят перед употреблением в третьей таре.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к неразъемным электрическим контактным соединениям, конкретно к электропроводным соединениям проводов и жил силовых кабелей.

Известно, что неразъемные электропроводные соединения жил силовых кабелей обладают в месте стыка избыточным сопротивлением, что приводит к перегреву этих участков кабеля и в результате к выходу его из строя из-за повторного разрушения его в области стыка. Таким образом любой стык в силовом кабеле является потенциальным местом следующей непременной, но непредсказуемой по времени аварии. Наибольшую опасность это обстоятельство имеет в случае использования кабелей с алюминиевыми жилами из-за того, что алюминий является сильно реакционно способным материалом, так как интенсивно окисляясь на воздухе, покрывается окисной пленкой, препятствует процессу пайки, сварки и другим способам соединения.

С целью исключения действия этих обстоятельств (окисления на воздухе) в известных устройствах предлагается использовать соединительные гильзы с кварцево-вазелиновыми наполнителями. Однако кварцевый наполнитель является диэлектриком и несмотря на абразивные свойства не может обеспечить проводимость, соизмеримую с проводимостью целой жилы.

Известны способы соединения кабелей путем обжатия. Однако механическое обжатие предварительно очищенных проводников обеспечивает незначительное избыточное сопротивление стыка только на первой стадии, в дальнейшем она возрастает и надежность такого соединения не может считаться достаточной.

Способы соединения холодной сваркой также не обеспечивают стабильность соединения во времени из-за наличия множества микроканалов в зоне контакта, по которым поступает остаточный кислород воздуха и способствует росту окисной пленки.

Известно также, что проводники можно склеивать. При этом покрытые клеем шероховатые поверхности прижимали и обеспечивали как прочность соединения, так и электропроводность соединения в целом. Однако и в этом случае из-за неполной пластической деформации шероховатостей сжимаемых поверхностей образуются пусты и достаточно емкие каналы, заполненные клеем, который не является проводником, что снижает качество соединения. Следует заметить, что описанное выше техническое решение относится к созданию слаботочных соединений.

Известно также, что с целью повышения качества соединения в месте стыка используются клеевые композиции с токопроводящими наполнителями. Однако и это техническое решение не может быть использовано для соединения силовых электрических кабелей, так как не обеспечивает достаточной механической надежности соединения.

Наиболее близким к предлагаемому является способ соединения силовых электрических кабелей путем обжатия предварительно очищенных жил в гильзе, при которых очищенные жилы перед введением в гильзу покрывают пастообразной смесью с наполнителем на основе связующего.

Целью изобретения является создание эффективного способа соединения жил силовых электрических кабелей, обеспечивающего надежное соединение, проводимость которого выше, чем у целого проводника. При этом процесс соединения не требует подогрева, а также химических средств для очистки поверхностей.

Это достигается тем, что предварительно очищенные концы жил размещают в гильзе и вводят туда пастообразную композицию с металлическим наполнителем, который предварительно введен в пастообразную композицию методом холодного диспергирования, причем в качестве материала наполнителя используют порошок металла идентичного или близкого по составу и свойствам к металлу гильзы и соединяемых жил. В качестве связующего может быть использована клеевая масса. В качестве материала жил и порошка желательно использовать алюминий, так как в этом случае достигается наибольший эффект.

Количество дисперсного наполнителя может быть выбрано по отношению к количеству клеевой композиции как 0,8:1,2-1,2:0,8.

В качестве дисперсного компонента наполнителя может быть использована смесь частиц, каждая из которых по диаметру описанной сферы d_c 0,01-0,8 мм, преимущественно 0,1-0,3 мм, и представляет собой объемные фигуры с незакругленными вершинами и ребрами.

Диспергирование может быть осуществлено при t не выше 20^оС. При этом может осуществляться в вакууме в интервале (+20)-(-196)^оС.

Уровень смятия сечения стыка при обжатии гильзы может быть установлен таким, чтобы толщина слоя дисперсных частиц в области контакта электропроводных поверхностей была в пределах 0,5-1,0 диаметра исходной частицы, при этом количество слоев не должно быть более двух, а пленка клеевой массы достигает состояния электронной проводимости.

Для обжатия гильзы на стыке может быть использована пресс-форма с шириной контактного пояска 5-25 мм, преимущественно 8-10 мм; пресс-форму перемещают последовательно с левой стороны гильзы на правую и с правой на левую сторону гильзы троекратно.

В качестве клеевой композиции может быть выбрана термореактивная клеевая композиция, которую смешивают с дисперсным наполнителем и хранят отдельно в герметичной таре; в отдельной таре также хранят отвердитель. Смешивание компонентов производят перед употpеблением в третьей таре.

На фиг. 1 представлена зависимость сопротивления R_к склеенного электроконтакта алюминиевых жил площадью 1 см² от концентрации дисперсного наполнителя в клеевой композиции при давлении обжатия Р в МН/м²: 9,1; 18,2; 27,3; 36,5; 45,6; 54,7; 63,9; то же самое для медных жил: 72; 126. Заштрихованная зона разброс показаний, вызванный различиями свойств материала алюминиевых жил; на фиг. 2 показана сдеформированная на овал соединительная гильза, насаженная на концы соединяемых кабельных жил, где 1 и 1" концы кабельных жил; 2 гильза; 3 клеевая композиция; на фиг. 3 поперечное сечение собранного стыка, где d_гнм диаметр гильзы наружный меньший; d_гвм диаметр гильзы внутренний меньший; h_ж высота сектора сечения жилы; b_ж ширина сектора сечения жилы; d_гвб диаметр гильзы (внутренний больший); d_гнб диаметр гильзы (наружный больший); на фиг. 4 клеевой шов до опрессовки, где 4 частицы дисперсного наполнителя (увеличены); d_ч d_ос диаметр описанной вокруг частицы сферы условно считается равным "диаметру" частицы; на фиг. 5 клеевое соединение кабельных жил в сборе с гильзой после опрессовки (b_п ширина контактного пояска пуансона и матрицы); на фиг. 6, 7 и 8 возможные варианты полученных поперечных сечений соединения после опрессовки, обеспечивающих электропроводную конструкцию клеевого шва; на фиг. 9 конструкция клеевого шва, обеспечивающая электропроводность соединения после опрессовки ( d_r толщина клеевого шва; 5 вонзившиеся вершины (ребра) частиц, обеспечивающие высокие показатели электропроводности соединения; 6 клеевая пленка электропроводной толщины; скопления клея в отдельных полостях 7); на фиг. 10 результаты измерений.

С целью получения соединения высокого качества (повышенной прочности и жесткости, т. е. с высокими механическими показателями, а также защищенного от окисления и при этом с высокими показателями электропроводности) применяют термореактивный двухкомпонентный клей, например, на основе эпоксидной смолы, полученной из эпихлоргидрина и дифенилопропана, с 340-600 мол.вес. с числом эпоксидных групп 13,9-23,5 и более. В качестве основы могут быть использованы также и полиуретановые клеи холодного отверждения (типа ВК-5 или ВК-11) и кремнийорганические продукты с минимальным количеством разбавителя (не более 10-20%) как в чистом виде, так и модифицированные каучуками, эпоксидными смолами и др. удовлетворяющие основному требованию должно быть максимально возможное количество функциональных адгезионноактивных групп в макромолекуле. Кроме того, в композиции не должно быть разбавителя, а если он необходим, то не более указанного выше количества и реакционноспособный, например фенилглицидиловый эфир, придающий композиции вязкость сметаны.

В качестве отвердителя для эпоксидных смол используют диэтилентриамин, триэтилентетрамин, тетраэтиленпентамин или их смесь полиэтиленполиамин; оптимальное количество отвердителя аминного типа находится в интервале 8-16 мас. Для полиуретановых, кремнийорганических и композиционных связующих рекомендуют также составы, обязательно удовлетворяющие выше приведенным требованиям.

В качестве наполнителя клеевой композиции используют электропроводный дисперсный материал, представляющий собой порошок с размером частиц 0,01-0,8 мм, преимущественно 0,2-0,3 мм по диаметру описанной сферы, изготовленный из точно такого же или близкого по составу и свойствам к материалу, из которого состоят соединяемые концы жилы и соединительная гильза. Точное соответствие состава и условий получения металлов и сплавов всех соединяемых электропроводных элементов необходимо для того, чтобы исключить возможность образования существенно влияющих на процесс окисления контактирующих поверхностей микрогальванических пар в случае проникновения в контактную зону следов влаги. Это тем более опасно, если следы влаги проникают в такое соединение, находящееся под силовым напряжением, а значит и при повышенной температуре, что приводит к интенсивному росту оксидных пленок, снижению проводимости стыка и его непременному разрушению.

Форма частиц дисперсного наполнителя должна соответствовать основному требованию: она должна быть выпуклой, вершины и грани (углы) должны быть незакругленными, острыми. Частицы могут иметь любую из следующих форм: трех-, четырех- или многогранной пирамиды, куба, параллелепипеда, многогранника, винтообразно закрученного серпа, ромбоида и др. Наполнитель может представлять собой также смесь из частиц некоторых или всех перечисленных форм. Важнейшим свойством наполнителя является то, что частицы как с поверхности, так и внутри должны быть лишены оксидных пленок, быть однородными по составу и структуре. Это свойство достигается тем, что процесс диспергирования указанных выше металлов или сплавов производится при температуре не выше 20^оС в вакууме или непосредственно в смоле. Концентрация такого наполнителя в клеевой композиции должна соответствовать оптимальной. Так, например, для алюминиевого дисперсного наполнителя указанных выше параметров в эпоксидной смоле дианового типа с 400 мол.вес. и числом эпоксидных групп, равным 21, оптимальной будет концентрация 100 мас. от массы смолы (см. фиг. 1). Аналогичная концентрация медного порошка указанных параметров также дает оптимальные показатели.

П р и м е р. Стыкуемые концы жил длиной 200-250 мм каждый, оголенные, освобожденные от бумажной или иной изоляции и протертые ветошью, непосредственно перед нанесением клея и соединением обезжиривают последовательно двумя растворителями: сначала для снятия предельных углеводородов жирного ряда растворителем, состоящим тоже из молекул предельных углеводородов, легких фракций их, например технически чистым бензином с температурой кипения до 180^оС, затем для снятия остатка более прочно удерживаемых на поверхности металлов и сплавов жировых загрязнений, молекулы которых обладают функциональными группами, полярным растворителем, также обладающим функциональной группой, например ацетоном. Гильза, обычно цилиндрической, трубчатой формы, на прессе в желобчатой пресс-форме должна быть сдеформирована по всей длине поперечным нажатием пуансоном, снабженным продольной канавкой, таким образом, чтобы в поперечном сечении гильза вместо кольцевой приобрела бы секторную форму (фиг. 2, 3 и 7). Это необходимо для того, чтобы устранить слишком большие полости в области контакта элементов, не прибегая при соединении жил с гильзой в котловане к округлению концов жил деформированием. Уменьшение полостей в области контакта соединяемых поверхностей (фиг. 3), достигается путем деформирования гильзы в заводских условиях заранее. Наличие больших полостей, во-первых, поглощает избыточное количество клея, неизбежно вытекающего при опрессовке, а, во-вторых, приводит к необходимости при обжатии более интенсивно деформировать гильзу, что снижает начальную проводимость ее материала. Предварительное деформирование гильзы, придание ее сечению секторной формы в цеховых условиях удобно, позволяет использовать гильзу соответствующего меньшего размера, при этом обеспечивает минимально необходимые размеры зазоров , которые выдерживают в пределах 1+1,5 мм на сторону (фиг. 3). Зазоры, равномерные по всему периметру контакта жилы с гильзой, позволяют ввести в полости минимально достаточное количество клеевой массы, а обжатие производить в условиях практически совместной деформации гильзы с жилой, т.е. являющимися оптимальными.

Операционный процесс соединения кабельной жилы в котловане выполняют в следующей последовательности. Разделывают концы кабеля. Снимают бумажную или пластмассовую изоляцию на концах соединяемых жил длиной 200-250 мм каждый, протирают концы ее ветошью. Разделяют концы жил, отгибая их от оси кабеля на 155^о каждый, а затем обратным загибом концов жилы длиной по 100 мм устанавливают каждую соединяемую пару на одной прямой, параллельной оси кабеля. К каждой паре концов соединяемых жил примеряют гильзу, добиваясь того, чтобы гильза свободно надевалась на один конец, а после совмещения концов на одной прямой свободно бы перемещалась вдоль обоих концов жилы на расстоянии 1 0,55 длины гильзы. При необходимости концы жил подгоняют гибкой. Приготавливают все необходимые материалы и инструменты для склеивания: материалы полярный и неполярный растворители в стеклянной таре (или в соответствующей пластиковой), тампоны из промытой соответствующим растворителем хлопковой ваты, клей в двух тубах, в одной из которых основа с наполнителем, а в другой отвердитель, взятые в весовых пропорциях, и др. инструменты. Снимают гильзы с жил и подгоняют торцы жил таким образом, чтобы зазор между любой парой стыкующихся проволочек был бы не более 0,5 мм. Обезжиривают каждый конец жилы на расстоянии не менее 1,5-2,0 длин гильзы сначала неполярным, а затем полярным растворителями, просушивают на воздухе после каждой обработки по 3-5 мин. Обработке подлежат также и внутренние полости гильз. Концы жил и внутреннюю поверхность гильзы зачищают наждачной шкуркой до блеска.

Разводят клей в тигеле с таким расчетом, чтобы клей был нанесен на обработанные поверхности в тот же момент, когда завершится зачистка их. Наносят шпателем клей на подлежащие склеиванию поверхности, тщательно промазывая все места и щели на жилах и внутри гильзы. Разводят концы жил, насаживают гильзу на один из концов, а затем обратными движениями устанавливают соосно концы жилы, а гильзу возвращают в симметричное положение относительно стыка жилы.

Все вышесказанное повторяют на двух, трех или четырех жилах кабеля.

Производят обжатие каждой гильзы поочередно ручным механическим прессом троекратно на каждой половине гильзы, последовательно при перемещении пресс-формы от середины гильзы к ее концам или наоборот, поочередно на каждой половине гильзы (см. фиг. 10).

Обжатые гильзы протирают ветошью или тампонами, а по истечении времени желатинизации клея проводят всю остальную работу по изоляции и заземлению стыка. Если время желатинизации клея больше одного часа, а клей приготовлен указанной густоты и не стекает с вертикальных поверхностей, дальнейшую обработку соединения можно проводить сразу по завершении операции обжатия всех стыков жил кабеля.

Проведенные измерения сопротивления (проводимости) соединения жил, выполненных по указанному способу, показали, что высокое качество электропроводящих соединений обеспечивается стабильно при соблюдении разработанной технологии, а также сохраняется длительное время при эксплуатации состыкованной жилы под напряжением. Надежность соединения, выполненного по предлагаемому способу, обеспечивается также и тем, что стык обладает меньшим сопротивлением, чем равная ему по длине целая аналогичная жила.

Измерения проводили на алюминиевых жилах сечением 240 мм², длиной 345 мм, разрезаемых пополам и соединенных склеиванием с гильзой длиной l_г 120 мм, наружным диаметром d_н 30 мм, внутренним диаметром d_в 22 мм, марка гильзы 22 240С. В качестве клея применяли композицию на основе эпоксидной смолы 500 мол. вес. числом эпоксигрупп, равным 20, наполненной механически диспергированным алюминием порошком с частицами ребристой и угловатой неправильной формы, с размерами частиц 0,1-0,2 мм, взятым в соотношении 1:1 вес. по отношению к смоле. В качестве отвердителя использовали полиэтиленполиамин в количестве 10 вес.ч. на 100 вес.ч. смолы. Гильза перед сочленением была сдеформирована в пресс-форме на овал с малой осью отверстия, равной 16 мм, и большой осью, равной 28 мм, что предназначалось для секторной жилы с размерами соответственно 15 и 27 мм.

Результаты измерений приведены на фиг. 10. Как видно из данных, полученных при измерении, предлагаемый способ стабильно дает сопротивление стыка меньшее, чем сопротивление целой жилы, на 1,7-9,0 мкОм, что не может обеспечить ни один из известных способов.