Новый взгляд на кабели для взрывоопасных зон

В настоящей статье сделана теоретическая оценка применимости кабеля, широко используемого для автоматизации производственных процессов на предприятиях, содержащих взрывоопасные зоны всех категорий. При этом, используется критерий, дополнительный по отношению к стандартной формулировке п.п. 7.3.102 ПУЭ [1], регламентирующей только выбор материалов для оболочек и изоляции кабелей и проводов, разрешаемых к применению во взрывоопасных зонах.

Одним из действенных методов взрывозащиты является герметичное отделение взрывоопасных помещений (взрывоопасные зон) от невзрывоопасных помещений, либо разделение взрывоопасных помещений (зон) разных категорий взрывоопасности. При этом, кабели, проходящие через соседствующие и разные по степени взрывоопасности помещения, прокладываются либо в трубах (п.7.3.104. ПУЭ [1]), либо непосредственно через отверстие в стене (п.7.3.114. ПУЭ [1]). В месте перехода трубы с кабелем из невзрывоопасного помещения во взрывоопасное помещение (зону), в месте прохода труба должна иметь разделительное уплотнение (п.7.3.113. ПУЭ [1]).

Разделительные уплотнения должны подвергаться испытанию повышенным давлением воздуха (п.7.3.107. ПУЭ [1]). Процитируем методику испытаний [1]:
«7.3.107. Разделительные уплотнения, установленные в трубах электропроводки, должны испытываться избыточным давлением воздуха 250 кПа (около 2,5 ат) в течение 3 мин. При этом допускается падение давления не более чем до 200 кПа (около 2 атм)».

Эти требования действуют независимо от применяемых методов взрывозащиты оборудования. Но в этом случае не учитывается, что некоторые кабели, например, монтажные кабели парной и троечной скрутки для систем управления, сигнализации, информатизации и связи, имеют значительные продольные воздушные полости в сердечнике, по которым газообразные или даже пылеобразные взрывоопасные вещества могут распространяться из взрывоопасных в невзрывоопасные помещения. Это вполне вероятно для применяемых методов взрывозащиты вида «ia» и «ib» — «искробезопасная цепь».

В ГОСТ Р 51330.13-99 в п. 9.1.5 [2] приводится требование:
«Электропроводка в трубах и, в специальных случаях, кабели (например, где имеется перепад давления) должны быть, при необходимости, уплотнены для предотвращения прохода жидкостей или газов».

Поясним это требование. Считается, что кабель имеет достаточно большую длину и при равенстве давлений на его концах распространение по сердечнику газообразных и жидких веществ происходит в течение длительного времени и опасности не представляет. Однако, в этом случае не учитывается маловероятное, но реально осуществляемое событие, заключающееся в растрескивании оболочки. Тогда отрезок кабеля может вполне сравниться с воздушным каналом в трубе по способности распространения газообразных или жидких веществ.

Оценим возможность применения для взрывоопасных зон кабеля марки кВВЭ 1х2х1,0, основываясь на вышеуказанной методике п. 7.3.107 ПУЭ [1] с оговоркой, что уплотнение вокруг кабеля абсолютно герметично. Для этого рассчитаем, какое давление установится в испытательной камере объемом V₁=1 м³, имевшей давление ~ 3,5 атм (избыточное давление ~ 2,5 атм) при подсоединении к ней отрезка кабеля марки кВВЭ 1х2х1,0 длиной 1 м, противоположный конец которого открыт в атмосферу с нормальными условиями.

Воспользуемся известным решением Сен-Венана задачи об истечении газа из объема, находящегося под избыточным давлением через сопло [3].

Пусть в испытательной камере воздух имеет параметры «P₁»; «T₁»; «v₁». Будем считать, что давление газа на выходе из кабеля «P₂» равно давлению среды, в которую вытекает газ, то есть равно атмосферному давлению.

Тогда скорость истечения газа будет определяться формулой

где: k — показатель адиабаты для двухатомных газов.

А массовый расход газа в кг/с будет определяться формулой:

где: F — площадь сечения канала истечения (площадь сечения в сердечнике кабеля, занимаемая воздухом).

Площадь, занимаемую воздухом в поперечном сечении кабеля марки кВВЭ 1х2х1,0 можно определить (учитывая, что данный кабель содержит сплошной заполнитель поверх экрана) по формуле:

где: d_из = d_o + 2Δ_из — диаметр изолированной жилы;
d_o — диаметр токопроводящей жилы, связанный с сечением по ГОСТ 22483-77 [4];
Δ_из — толщина изоляции, нормируемая в нормативной документации.

Площадь сечения суммарного воздушного канала кабеля марки кВВЭ 1х2х1,0 равна F мм² = 1,55288 = 1,55288 • 10^-6 м².

Однако, при решении данной задачи формулы Сен-Венана могут быть использованы только для начального момента истечения газа. Дело в том, что в задаче Сен-Венана давление «P₁» и удельный объем газа «v₁» в камере поддерживаются постоянными. В нашей задаче после доведения давления в испытательной камере до требуемого значения компрессор отключается. А это означает, что с истечением некоторой массы газа «m» давление «P₁» в камере падает, удельный объем «v₁» растет, а вместе с ними уменьшаются скорость «C₂» и расход газа «m». Также с уменьшением внутренней энергии снижается температура «T₁» в испытательной камере.

Таким образом, мы имеем пять переменных: «P₁»; «v₁»; «T₁»; «C₂» и «m». Прямое решение подобной задачи нам представляется достаточно сложным, но возможно применение итерационного подхода. Разобьем диапазон времени проведения испытания на достаточно малые интервалы времени, например Δt = 1c, в течение которых будем считать вышеперечисленные параметры постоянными. Рассчитав расход газа за период времени Δt, можно определить новое значение массы газа «М» в испытательной камере и новые значения параметров «P₁»; «v₁»; «T₁» газа в испытательной камере. Затем снова рассчитать значение «m» и повторить остальные расчеты. Циклы повторяются до определения давления «P₁» при достижении конечного значения времени испытания «t = nΔt».

Перед началом циклических расчетов необходимо рассчитать начальные значения.

При подготовке испытаний мы с помощью компрессора повышаем давление в испытательной камере, доводя его до требуемого значения.

При этом увеличивается внутренняя энергия газа (воздуха) и, соответственно, возрастает температура. Так как процесс нагнетания давления протекает очень быстро, можно считать его адиабатическим. Тогда начальную температуру (испытания) воздуха в камере можно рассчитать, исходя из известного соотношения [4]:

где: Т_о = 293°К — температура газа в испытательной камере, находившейся при температуре окружающей среды, до начала нагнетания избыточного давления;
P_o = 100 кПа — начальное давление воздуха в испытательной камере, до начала нагнетания избыточного давления;
T₁ — конечная температура в испытательной камере по окончании процесса нагнетания избыточного давления и начальная для процесса испытания кабеля;
P₁ = 350 кПа — конечное давление в испытательной камере по окончании процесса нагнетания избыточного давления и начальное для процесса испытания кабеля.

Для определения начального удельного объема воздуха «v1» в испытательной камере, воспользуемся уравнением состояния газа, записанным для 1 кг газа (воздуха) [5]:

где: R_возд — газовая постоянная воздуха.

Газовую постоянную воздуха «R_возд» можно рассчитать, используя универсальную газовую постоянную «(μR)» по формуле [6]:

где:

универсальная газовая постоянная;

— молекулярная масса воздуха [5]. Полную массу воздуха в испытательной камере к началу испытания рассчитаем на основе уравнения состояния газа, записанного в форме для произвольной массы газа [7]:

где: V_K = 1 м³ — объем испытательной камеры.

Результаты расчетов дали следующие значения:

Циклические расчеты производили по следующему алгоритму:
а) Рассчитывали скорость истечения газа «C₂» по формуле (1), подставляя «P_1(i-1)» и «v_1(i-1)» вместо «P₁» и «v₁». Это означает, что для интервала времени «i = 1» подставляли значения с индексами «i – 1 = 0», то есть начальные значения.
б) Рассчитывали расход массы в 1с «m» по формуле (2), подставляя «P_1(i-1)» и «v_1(i-1)» вместо «P₁» и «v₁».
в) Рассчитывали количество массы газа, оставшейся в испытательной камере, по формуле

при этом ΔM_o = M.

г) Рассчитывали давление «P_1i» по формуле:

д) Рассчитывали температуру «T_1i» по формуле:

е) Рассчитывали удельный объем «v_1i» по формуле:

Результаты расчетов показывают, что через время «t = 3 мин = 180 с» давление газа в испытательной камере составит P₁₍₁₈₀₎ = 323,32 кПа, что позволяет сделать вывод о возможности применения кабеля марки кВВЭ 1х2х1,0 по ТУ16.К46-017-2003, по взрывоопасным зонам с переходом из взрывоопасной зоны в невзрывоопасную зону.

Для сравнения была произведена оценка истечения газа через воздушные полости в сердечнике известного кабеля марки МКЭШВ 1х2х1,0, конструкцией которого не предусмотрен заполнитель и экран выполнен в виде оплетки плотностью не более 65%. В этом случае кабель имеет поперечное сечение близкое к кругу, и расчет дает давление газа в испытательной камере по окончании испытаний не превышающее P₁₍₁₈₀₎ = 206,66 кПа, близкое к граничному значению. С учетом технологических допусков на конструктивные размеры с большой вероятностью можно утверждать, что кабель марки МКЭШВ 1х2х1,0 испытания по методике п.7.3.107 ПУЭ [1] не выдержит.

Следует понимать, что проведенный расчет является фактором определяющим, но не доказывающим. Для доказательства возможности применения кабеля марки кВВЭ 1х2х1,0 необходимо провести испытание однометрового образца кабеля по методике п.7.3.107 ПУЭ [1], герметично подсоединенного к испытательной камере, и при получении положительного результата использовать его по назначению. При этом необходимо учесть, что с увеличением длины подсоединяемого кабеля до выхода в невзрывоопасную зону, скорость истечения газа и расход массы будут снижаться, что определяется воздействием трения при прохождении газа через сердечник кабеля, а, следовательно, положительные результаты испытаний однометрового образца кабеля могут быть распространены на большие длины кабеля.

Очевидно, что многопарные кабели не будут удовлетворять требованиям п.7.3.107 ПУЭ [1], и это создаст проблемную ситуацию с решением соответствующих задач по управлению, сигнализации и связи для объектов, размещенных во взрывоопасных зонах, управляемых из невзрывоопасных зон. Для решений этих задач мы можем предложить кабель по полезной модели RU №67763 с заполнением воздушных промежутков в сердечнике полимерным заполнителем. Организация серийного производства такого кабеля возможна в течение одного-двух месяцев после получения от поставщика уведомления о потребности в нем. Дополнительным преимуществом полностью заполненного кабеля является исключительная стойкость к взрывной декомпрессии, возникающей при объемной детонации и выгорании взрывоопасной смеси, как в замкнутом, так и в открытом объеме [6].

Схематическое изображение поперечного сечения кабеля марки кВВЭ 1х2х1,0 и предлагаемого кабеля аналогичной конструкции с заполнением воздушных полостей в сердечнике полимерным заполнителем представлено на Рис. 1. и Рис. 2.

Рассмотренный в статье кабель марки кВВЭ производится ОАО «Экспокабель», патентовладелец ООО «СПЕЦСВЯЗЬМОНТАЖКОМПЛЕКТ».

Литература
1. «Правила устройства электроустановок (ПУЭ)», 6-е издание, С-Пб, издательство «Деан», 2004 г.
2. ГОСТ Р 51330.13-99 «Электрооборудование взрывозащищенное. Часть 14. Электроустановки во взрывоопасных зонах (кроме подземных выработок)».
3. «Теплотехника» под редакцией А.П. Баскакова, М., «Энергоиздат», 1982г.
4. ГОСТ 22483-77 «Жилы токопроводящие медные и алюминиевые для кабелей, проводов и шнуров».
5. Н. Парфентьева, М. Фомина «Решение задач по физике», М., издательство «Мир», 1993 г.
6. «Физика взрыва», под ред. Л.П. Орленко, 2004, М. ФИЗМАТЛИТ.