Качество кабеля: материалы и технологии

Руководитель департамента по качеству компании LAPP, Елена Кузнецова, написала статью о критериях качества кабельной продукции. Цель статьи — простым языком описать основные параметры качества кабеля в сегменте до 1 кВ, чтобы из множества предложений покупатель смог выбрать качественный и безопасный продукт.

Медный проводник

Часто полагают, что основным показателем качества кабеля является факт занижения сечения проводника, другими словами, соответствует ли реальное количество меди в кабеле заявленному. Так, занижение сечения на 20−30% приводит к повышению рабочей температуры на жиле до 100−120 °C. Последствия такой «экономии» со стороны производителей КПП очевидны, — достаточно открыть сводку о пожарах из-за некачественной электропроводки.

Несмотря на разрушительные и трагические последствия, этот вид мошенничества не теряет свою популярность, о чём свидетельствует как официальная статистика по пожарам, так и огромное количество инструкций и советов по проверке сечения кабеля в сети Интернет.

Однако помимо жульничества с количеством меди в кабеле, у нечестных производителей КПП есть и другие способы обмануть покупателей. Ниже рассмотрены несколько нюансов, о которых нужно знать как конечному потребителю, покупающему кабель, например, для ремонта в квартире, так и специалисту по закупке кабельно-проводниковой продукции в компании.

R=ρ l/S

Обратимся к формуле расчёта сопротивления проводника, исходя из длины и сечения: R=ρ l/S, из которой видно, что сопротивление проводника (R) зависит не только от длины (l) и сечения (S), но и от удельного сопротивления проводника (ρ).

Именно сопротивление проводника, а не его сечение является нормативным показателем кабеля, установленным ГОСТ 22 483–2012 (IEC 60 228:2004) Жилы токопроводящие для кабелей, проводов и шнуров. Если завышено сопротивление, подача расчётного тока при известных мощности и напряжении даёт нагрев кабеля, который ведёт к расплавлению изоляции, выделению опасных веществ из изоляции и оболочки кабеля, коротким замыканиям и пожарам. Величина сопротивления зависит как от сечения проводника, то есть количества меди, так и от удельной проводимости ρ, то есть качества меди при равной длине.

ГОСТ Р 53803-2010 на медную катанку определяет следующие марки катанки:

Показатель нормативного удельного сопротивления для катанки марки КМор выше, чем для катанки марки КМ или КМб, что не может не сказываться на сопротивлении проводника готового продукта, скрученного из медной катанки различных марок. Показатель удельного сопротивления сильно зависит от качества меди. И, несмотря на интенсивно развивающиеся технологии переработки отходов меди, стабильность качества меди из отходов и лома будет несколько меньше стабильности качества меди, полученной электролитическим методом.

Так, для изготовления кабеля марок FLEXICORE^® 100 и FLEXICORE^® 100 нг (А)-LS компания LAPP использует медную катанку марки КМ из катодной меди марки М001, полученной методом электролиза, что позволяет добиваться нормативных показателей сопротивления и даже получать кабель с определённым запасом по сопротивлению и лучшими показателями по весу и наружному диаметру.

При одном и том же расходе меди на 1 километр кабеля, а значит, и при одном значении диаметра проводника одного сечения разница в показателях сопротивления проводника может быть значительной. Поэтому ориентироваться только на измерение диаметра проводника для определения качества кабеля не совсем правильный подход.

Предприятиям с большим объёмом закупок кабельно-проводниковой продукции для правильной организации входного контроля следует применять приборы, измеряющие сопротивление проводников: миллиометры, КИС и т. п. Было бы желательным также наличие таких приборов и в местах продажи КПП конечным потребителям для демонстрации соответствия продукции заявленным характеристикам. Стоимость таких приборов невелика по сравнению с возможным ущербом, который может причинить покупка некачественного кабеля или провода.

Изоляция и оболочка

Если определение качества кабеля по меди не составляет большого труда, то вопрос качества материала изоляции и оболочки требует более детального изучения, а проверка — более дорогостоящего оборудования. К сожалению, этому вопросу сейчас уделяют очень мало внимания, хотя именно качество изоляционного материала и материала оболочки определяет долговечность работы кабеля или, иными словами, — срок службы.

Какие существуют показатели качества материала для изоляции и оболочки?

Разберём нормативные показатели на примере поливинилхлоридных (ПВХ) компаундов, так как сейчас в России это наиболее часто используемый материал для изоляции и оболочки кабелей. Конечно, требований к характеристикам изоляции и оболочки кабеля несколько больше и зависят они от условий и среды применения, но в данной статье рассмотрим три основных.
Итак, основные параметры качества — это диэлектрическая прочность для изоляции и физико — механические показатели до и после старения для изоляции и оболочки.

1

Диэлектрическая прочность — это свойство диэлектрика выдерживать приложенное напряжение. Диэлектрическая прочность характеризуется сопротивлением изоляции и способностью жилы проходить испытание пробойным напряжением.

2

Физико-механические свойства — это способность материала выдерживать физическую нагрузку до разрушения. Характеризуются двумя показателями: относительное удлинение при разрыве (растяжение при приложении нагрузки до полного разрыва, то есть пластичность) и предел прочности при разрыве (если своими словами, это то, какую силу нужно приложить для разрыва материала).

3

Искусственное старение кабеля в сушильных печах — это экспериментальный способ прогнозирования изменения определенных свойств кабеля с течением времени под воздействием температурного фактора. Сохранение физико-механических параметров материала со временем крайне важно. Именно соответствие характеристик материала нормативным значениям после старения является одним из основных гарантов определенного изготовителем срока службы.

Диэлектрическая прочность

Диэлектрическая прочность — характеристика изоляции, показывающая способность диэлектрика защищать от пробоя. Изоляторы из ПВХ не самые сильные по диэлектрической прочности из материалов, применяемых в кабельной промышленности, но соотношение цены, качества и относительно лёгкости технологического процесса переработки по-прежнему держат ПВХ на месте первом месте по применению в кабельной промышленности. Диэлектрической прочности, которую даёт качественный ПВХ, вполне достаточно, чтобы быть уверенным в безопасности кабелей до 1 кВ для потребителя. Норма, которая установлена в ГОСТ и международных стандартах, — 5 МОм на километр при температуре 20°С. При повышении температуры способность выдерживать напряжение снижается.

Так в практике производства LAPP современные изоляционные пластикаты российских производителей способны показывать и демонстрируют сопротивление более 300 МОм на километр. Сопротивление ниже 5 МОм — повод задуматься, что пошло не так в процессе производства. К сожалению, контрольные закупки показали, что на рынке СНГ продаются кабели с сопротивлением изоляции ниже нормы в 5 МОм. Остается только теряться в догадках, что же это за ПВХ, и как обстоят дела с более труднодостижимыми, но не менее важными показателями.

Проверяется диэлектрическая прочность с помощью мегомметра. Прибор относительно простой и недорогой. При использовании цифровой версии прибора нюансов, дающих сильную погрешность при измерении, нет.

Показатель диэлектрической прочности крайне важен, обеспечить его достаточно просто, а измерить легко. Пренебрегать им не стоит, так как если кабель не проходит даже по этому показателю, использование его может привести к серьёзным негативным последствиям, среди которых могут быть некорректная работа систем и приборов, повреждение оборудования и так далее.

Относительное удлинение и прочность при разрыве

Эти показатели не просто так идут в одной связке. Они представляют собой два разных взгляда на одну характеристику — устойчивость материала к приложенной нагрузке. Проверяются они также одним испытанием — путём разрыва образцов на разрывной машине. Разница только в способе расчёта. Относительное удлинение показывает насколько вытянулся образец по отношению к собственной первоначальной длине до момента разрыва. Установленный предел прочности показывает, какую силу на 1 мм² площади пришлось приложить к образцу для разрыва.

Нюансов при проведении данных испытаний предостаточно, а стоимость оборудования высока. Результаты испытаний сильно зависят от качества подготовленных образцов, точности измерения толщины образца, от разрывной машины и от человеческого фактора. Применение современного испытательного оборудования, конечно, свело к минимуму зависимость от человеческого фактора, но и стоимость такого оборудования измеряется, увы, в миллионах, и, увы, не рублей.

Основные выводы, которые напрашиваются из вышесказанного: только достаточно крупные заводы могут позволить себе наличие в лаборатории измерительных машин и специалистов, которые могут обеспечить точное измерение нужных параметров. Стоимость данных испытаний во внешних лабораториях обоснованно высокая.

Нормативные значения для данных показателей установлены в ГОСТ и зависят от типа ПВХ компаунда. Для относительного удлинения нормативные значения могут быть установлены из ряда: 125%, 150%, для прочности при разрыве: 10, 12,5, 15 Н/мм² (показатели для готового кабельного изделия из ПВХ композиций). Лабораторное соответствие параметров материала этим цифрам в условиях реального применения даёт устойчивость кабеля под нагрузкой, что важно при прокладке кабеля, особенно в технически сложных условиях, а также обеспечивает работу кабеля в условиях ограниченно-подвижного или подвижного применения. Динамика изменения данных показателей со временем в соответствии с установленными нормами является одним из гарантов заданного температурного режима и срока службы изделия, то есть того отрезка времени, когда использование кабеля не грозит пожарами, короткими замыканиями, угрозой жизни и здоровью людей, остановками производства, повреждением приборов и механизмов и т. д.

Базовым методом подтверждения заявленного срока службы изделия является измерение отклонения физико-механических свойств после старения в сушильных шкафах.

С определённой длины отбираются 12 образцов для изоляции и 12 для оболочки. Половину образцов испытывают на разрывной машине и определяют первоначальные значения предела прочности и относительного удлинения. Оставшиеся образцы закладывают в сушильную печь при высокой температуре на определенное время. К примеру, FLEXICORE^® 100 старят при 100⁰ С в течении 168 часов. Затем состаренные образцы испытывают на разрывной машине, и изменение первоначальных значений характеризует качество готового кабельного изделия

Обратите внимание, что это только базовые из обязательных испытаний, которые должна проходить кабельно-проводниковая продукция. Существуют также более надёжные, сложные и дорогостоящие испытания на длительное тепловое старение, которые длятся полгода и более. Но даже обязательный цикл испытаний, который необходимо периодически повторять, требует наличие лабораторий, оборудования, специалистов.

Изоляция и оболочка: выводы

В случае если кабельно-проводниковое изделие не проходит даже базовые испытания, то есть отклонение от изначальных физико-механических параметров после старения выше нормы, это означает, что используемый материал не пригоден. Старение такой изоляции и оболочки в реальных условиях эксплуатации будет проходить в короткие сроки. ПВХ пластикат станет хрупким, подверженным появлению трещин и оголению проводника, что в свою очередь со временем приведёт к короткому замыканию.

В отличие от проблем с заниженным сопротивлением, которые дают о себе знать в достаточно коротком промежутке работы после начала эксплуатации, то последствия использования некачественного материала могут проявить себя лет через 5 или 7 эксплуатации, если мы говорим о неподвижной прокладке. Там же, где кабель работает в условиях, способствующих быстрому износу (постоянное движение, агрессивная среда), уменьшение срока службы в два или три раза заметно, и многие потребители обращают на это внимание.

А вот для кабеля, который работает в нормальных условиях и при стационарной прокладке, редко реально оценивается важность срока службы. Но, согласитесь, имеет значение, проработает кабель 30 или 7 лет. Это так называемые «отложенные обязательства». Сегодня сэкономили на стоимости кабеля при ремонте помещения, а через 7 лет приходится всё ломать и заново менять проводку. За отложенные обязательства всегда приходиться платить двойную цену.

К сожалению, проверить показатели свойств материалов в домашних условиях не представляется возможным, а значит остается полагаться на добросовестность производителей и дистрибьюторов, работу сертификационных органов, контролирующих организаций и на собственное понимание того, что низкая цена зачастую обусловлена низким качеством.

Качество ПВХ компаунда и производство компаундов

Основное сырьё для изготовления ПВХ композиций — это ПВХ смола. ПВХ смола — полимер винилхлорида, который в свою очередь получают методом хлорирования этилена, который получают методом пиролиза дистиллятов нефти. В чистом виде поливинилхлорид практически невозможно переработать, и он обладает низкой термостабильностью, то есть начинает разрушаться уже при температуре 70−80°С. Поэтому в кабельной промышленности используют ПВХ компаунд на базе ПВХ смолы с добавлением пластификаторов, стабилизаторов, антипиренов и иных модификаторов и наполнителей.

Пластификаторы обеспечивают прочность и пластичность ПВХ компаунда. Это одна из самых дорогих составляющих в компаунде, от количества и качества которой зависит надёжность кабельного изделия. Чаще всего в качестве стабилизатора используют диоктилфталат (ДОФ), который обеспечивает требуемое качество компаунда, но запрещён в Европе экологической директивой REACH как крайне опасный канцероген. Часто для удешевления ПВХ композиций и снижения расхода ДОФ недобросовестные производители ПВХ композиций добавляют дешёвые высоколетучие пластификаторы, которые за короткий срок улетучиваются, что приводит к тому, что изоляция и оболочка становятся твёрдыми, подвержены растрескиванию и обладают низкими сопротивлением механическим нагрузкам. А если по-простому, то через пять-шесть лет изоляция и оболочка кабеля могут просто рассыпаться.

Пред нами, как перед представительством европейского холдинга и компанией, для которой вопросы экологии и безопасности всегда на первом месте, стояла задача производить в СНГ кабельно-проводниковую продукцию, соответствующую всем экологическим нормам, действующим в Евросоюзе. Соответственно, ПВХ композицию с ДОФ нельзя было использовать для кабелей марки FLEXICORE^® 100. К счастью, после долгих поисков удалось найти производителей ПВХ компаундов, использующих экологически безопасные пластификаторы. Параллельные испытания в СНГ и Германии показали отличные результаты по надёжности и безопасности.

Ещё одним важным компонентом ПВХ компаунда является стабилизатор. Стабилизаторы отвечают за сохранение прочности и пластичности со временем под воздействием тепла (теплового старения). Наиболее часто используемыми в СНГ являются свинцовые стабилизаторы, которые тоже запрещены в Европе на основании экологических директив RoHS и REACH. При этом уже давно существуют и опробованы композиции с использованием безопасных стабилизаторов на основе кальция и цинка, которые не слишком сильно отличаются по стоимости и обеспечивают необходимое качество, но как это часто бывает…

В странах СНГ в основном используют свинцовые стабилизаторы, так как стандартные рецептуры отработаны на данных стабилизаторах и считаются более надёжными. Но по словам экспертных специалистов в области производства ПВХ при должном соблюдении рецептуры, технологических процессов и культуры производства, безопасные кальце-цинковые стабилизаторы обеспечивают нормативные показатели без вреда экологии и здоровью человека.

REACH
Регламент (EC) № 1907/2006 Европейского парламента и Совета от 18 декабря 2006 года, касающийся Регистрации, Оценки, Разрешения и Ограничения химических веществ
RoHS
Директива 2011/65 / ЕС Европейского парламента и Совета от 8 июня 2011 года «Об ограничении использования определенных опасных веществ в электрическом и электронном оборудовании»

Хорошей новостью в данной ситуации является то, что в марте 2018 года вступил в силу регламент ТР ЕАЭС 037/2016 «Об ограничении применения опасных веществ в изделиях электротехники и радиоэлектроники», запрещающий использование свинца и ещё пяти особо вредных веществ в некоторых видах электротехнических изделий:

ртуть
кадмий
шестивалентный хром (хром VI или Cr6+)
полибромированные бифенилы (PBB)
полибромированные дифениловые эфиры (PBDE)

Это коротко о двух главных моментах, а вообще изготовление ПВХ компаунда это точный подбор всех компонентов, где небольшое изменение рецептуры может привести к значительным изменениям в свойствах. Производство ПВХ компаундов требует точности расчётов, правильности настройки процессов, наличия лабораторий, контроля на каждом этапе. Низкая стоимость ПВХ пластиката обусловлена низким качеством.

Надо сказать, что помимо качества самого ПВХ очень сильно на физико-механические характеристики кабеля влияет качество процесса экструдирования и наложения оболочки и изоляции. Температура на зонах экструдера, подбор технологического инструмента, скорость линии, краситель, способ наложения — это неполный перечень того, где что-то может пойти не так и привести к получению некачественного продукта.

Выводы: что влияет на качество кабеля?

Подводя итоги всему вышесказанному, хочется еще раз вспомнить о том, что качество стоит дорого, но оно того стоит. К сожалению, экономия на здоровье и безопасности и так называемые «отложенные обязательства» заставляют платить много большую цену впоследствии. Как говорил барон Ротшильд: «Я не настолько богат, чтобы покупать дешёвые вещи». Делает выбор и несёт ответственность за свой выбор потребитель.

1

Соответствие сопротивления проводника нормативному значению, установленному для конкретного сечения зависит от количества и качества материала проводника. Определяется миллиометром или иным прибором с тем же принципом действия. При завышении сопротивления возможен нагрев кабеля, который ведет к расплавлению изоляции, выделению опасных веществ из изоляции и оболочки кабеля, коротким замыканиям и пожарам.

2

Диэлектрическая прочность кабеля зависит от качества материала изоляции. Проверяется с помощью мегомметра. При нарушении требований к диэлектрической прочности возможен пробой изоляции, нарушение работы приборов.

3

Физико-механические свойства до и после старения зависят от качества материала изоляции и оболочки. Проверяются в специализированных лабораториях. При недостижении требуемых параметров физико-механических свойств снижается срок службы кабеля.

4

Экологическая безопасность или отсутствие отравляющих веществ в составе материала изоляции и оболочки cоответствие российским и международным требованиям по безопасности электротехнической продукции.