Úloha č.3 SPOJOVÁNÍ SILOVÝCH KABELŮ 1. OBJASNĚNÍ PROBLEMATIKY 1.1. Základní informace o kabelech Kabelová technika je obor, v němž se zpracovává největší množství surovin - elektrovodných kovů (Al, Cu) a plastů (PVC, PE) - ze všech odvětví elektrotechniky. Výrobní program kabeloven je neobyčejně široký a zahrnuje především: - silové kabely různého provedení a různé proudové a napěťové zatížitelnosti, - silové izolované vodiče pro pevná uložení nebo pohyblivé přívody a ohebné šňůry, - sdělovací kabely a šňůry, - sdělovací vodiče nízkofrekvenční a vysokofrekvenční, - vodiče pro vinutí, - kabelové soubory, tj. kabelové spojky, koncovky, svorky spod. První položkou výrobního programu kabeloven jsou tedy silové kabely. Je to početná množina typů, kterou nelze a naštěstí není ani třeba,v rámci této laboratorní úlohy,podrobně rozebírat.stačí když si uvedeme,že budeme pracovat s kabelem AYKY 4Bx16,čemuž je třeba rozumět takto: A materiál vodiče je Al Y izolace vodiče je PVC K jedná se o silový kabel Y materiál pláště je PVC 4Bx16 čtyřžilový kabel s vodivými jádry o průřezu 16mm 2 a tímto barevným Znařením žil: ŽZ žlutozelená H - hnědá Č - černá Č - černá Tento typ kabelu nám umožní nejlépe splnit poslání této úlohy.kromě toho jde o jeden z nejčastěji používaných druhů kabelu pro nn silnoproudé elektrické rozvody. 1.2 Důvody pro spojování kabelů V praxi existuje více důvodů proč kabelové úseky spojovat.tak např.je-li kabelová trasa dlouhá a přenášený výkon velký nemůže být potřebný kabel velkého průměru příliš dlouhý již z důvodů: a) výrobních, b) transportních, c) manipulačních
ad a) I když výroba probíhá kontinuálně,je hotový kabel navíjen na buben konečné velikosti.má-li kabel velký průměr,může být jeho celková délka na bubnu jen několik málo stovek metrů. ad b) Z kabelovny je do místa uložení buben s navinutým kabelem transportován mobilním prostředkem po běžných komunikacích a jeho hmotnost a rozměry nesmějí být překážkou. ad c) Při ukládání kabelu nelze buben odvalovat po zemi, ale je třeba, aby se mohl ve vhodném stojanu otáčet kolem osy. Nutno vzít též v úvahu, že stojan s bubnem spočívá na ložné ploše automobilu či speciálního přívěsu, který pojíždí často i neupraveným terénem. Stojíme-li před dvěma konci kabelu se záměrem učinit jejich plnohodnotné spojení, pak si můžeme vnutit názor, že byl souvislý kabel právě přeříznut. Tím byla ovšem porušena kontinuita jeho vodivých žil, izolace těchto žil i všech ostatních izolačních mezivložek, jakož i pláště kabelu. Při realizaci kabelového spojení musí být tedy splněny tyto hlavní úkoly: - zajištění přenosu výkonu jádrem kabelu bez výraznějších ztrát a vývinu tepla, - obnovení izolace vodivých žil s elektrickou pevností, odpovídající specifikaci kabelu, - vytvoření vnějšího izolačního hermetického uzávěru, který zabraňuje uniku vlhkostí a chrání též vnitřní části před mechanickým poškozením. Moderní technologie spojování kabelů je založena na uplatnění lisovaného spoje a použití teplem smrštitelných izolačních trubek. 1.3. Spojování kabelů pomocí lisovacích spojek Dvěma základním materiálům, o něž se opírá moderní způsob spojování kabelů, je třeba věnovat samostatnou pozornost. 1.3.1. Lisovací spojky Vyrábějí se z elektrotechnické mědi (E-Cu) nebo hliníku (A1 99,5) za účelem spojování měděných resp. hliníkových vodičů, jejichž průřez se nachází v rozmezí jednotek až stovek mm 2. Jedná se o vodiče plné i slaněné s kruhovým i sektorovým tvarem průřezu vodivé žíly. U sektorových vodičů je žíla před vložením do spojky nejdříve přetvarována do kruhového průřezu. Spojky mají jednoduchý válcový tvar (obr.1) s definovanými průměry vnitřní dutiny i vnějšího pláště. Ve středu délky spojky bývá uvnitř dutiny zarážka nebo otvory jsou slepé, takže je znemožněno, aby vodič z jedné strany vniknut dále než do středu. Spojení spojky s vodičem vzniká působením velkého tlaku při normální teplotě (tedy zastudena), při němž dochází k výraznému přetváření měkkého elektrovodného materiálu, z
něhož je spojka vyrobena. Tlak je vyvozován ručními lisovacími kleštěmi (u menších průřezů) nebo hydraulickými přístroji. Nejčastěji se používá šestihranné lisování, při němž se vnější válcový plášť spojky, v úseku délky rovnající se šířce vlastního lisovacího nástroje, přetváří na šestihran. Obr.1. Lisovací spojka pro vodiče, jejichž průřez je 10 nebo 16 mm 2. Pro kvalitní spoj je třeba konce vodičů i vnitřní dutiny spojky (nejsou-li ochráněny pastou) očistit a alespoň zhruba zbavit vnější kysličníkové vrstvy. To platí hlavně pro spojení hliníkových vodičů. Významným prostředkem pro zlepšení a udržení kvality spoje je kontaktní pasta, která se vloží do dutiny spojky před vsunutím vodiče. Kontaktní pasta je směs vhodné vazelíny a velmi jemných anorganických zrníček nebo ostrohranných ocelových pilinek, které pod vlivem lisovacího tlaku rozrušují povrchovou vrstvu vodiče i svorky. To nastává jak při vlastním lisování tak i během provozu při případných dilatačních změnách, vzniklých zahříváním a ochlazováním spoje. Výsledkem je snížení a stálost přechodového odporu spoje. Kontaktní pasta chrání též spojená místa před vzduchem a vlhkostí a zabraňuje novému okysličení. 1.3.2. Izolační teplem smrštitelné trubičky Nová technologie nastoupí zpravidla tenkrát, když vědecké objevy a poznatky naleznou praktické využití a světlo světa spatří nový materiál. Tak je tomu i se zesíťovanými polyolefiny a jejich následným uplatněním. Ozařováním termoplastů se základní kostrou (CH 2 ) n se podařilo dosáhnout tzv. tvarové tepelné paměti, kterou lze jednoduše vysvětlit takto: Trubka uvedeného plastu je při zahřátí a působení tlakového média zevnitř roztažena, takže její původní průměr se zvětší a tloušťka stěny zeslábne. Je-li v tomto stavu rychle ochlazena, dosažené rozměry zůstanou zachovány a při běžné teplotě se nemění. V tomto stavu je materiál dodáván. Při ohřátí na vyšší teplotu (cca 90 až 120 C) si polyolefin "vzpomene" na svoji původní velikost a samočinně se k ní začne navracet. Volná smrštitelnost, vyjádřená poměrem průměrů, je cca 3, podle typu výrobku. Materiál je použitelný v teplotním rozmezí -40 až 110 C (minimálně} a jeho dovolené maximální elektrické namáhání je 14 kv/mm. Trubičky se vyrábějí nejčastěji v barvě černé. Samosmrštitelné trubice se používají jednak pro obnovení elektrické izolace vodivých žil, jednak pro vytvoření pláště. V jednom i v druhém případě zajišťují dobrou izolaci a utěsnění. Kromě těchto vlastností je třeba ještě vyzvednout dobrou mechanickou pevnost,
odolnost vůči vlivům atmosféry, chemikáliím, UV záření a zemní alkalitě. Aby spojení s izolací, kterou po smrštění svírají, bylo co nejlepší a utěsnění vnitřního prostoru před vnitrem vlhkostí bylo dokonalé, je na vnitřní straně trubic nanesena vrstva tavného těsnicího lepidla. Lepidlo teplem roztaje, čímž je zaručeno, že mezi smršťovací trubicí a vnitřním dílem (izolace jednotlivých žil, resp. izolace pláště) nevznikne žádná spára. Takový spoj je vhodný pro uložení v zemi i na kabelových lávkách. Podélný řez takto upravenou trubicí, zachycující stav před a po smrštění, je na obr. 2. Obr2.Znázornění teplem smrštitelné trubice před a po smrštění 1.3.3. Postup při spojování kabelů Protože kabelů různé konstrukce a provedení je nepřeberné množství a našim záměrem je v tomto okamžiku a na tomto místě poskytnout popis postupu co nejpřesněji, musíme se zaměřit na konkrétní typ kabelu. V laboratoři bude k dispozici nn celoplastový kabel AYKY se třemi až pěti vodiči kruhového a nepříliš velkého průřezu (od 10 do 25 mm 2 ). Nejpravděpodobněji bude mít kabel 4 žíly, což budeme také uvažovat v dalším popisu. Spojit odborně a spolehlivě dva konce takového kabelu znamená vytvořit příslušný počet vodivých spojení a obnovit odstraněnou izolaci jednotlivých vodičů i pláště. Cílový stav je znázorněn na obr.8. Můžeme k němu dospět učiníme-li následující chronologicky řazené úkony: 1.3.3. Postup při spojování kabelů Protože kabelů různé konstrukce a provedení je nepřeberné množství a našim záměrem je v tomto okamžiku a na tomto místě poskytnout popis postupu co nejpřesněji, musíme se zaměřit na konkrétní typ kabelu. V laboratoři bude k dispozici nn celoplastový kabel AYKY se třemi až pěti vodiči kruhového a nepříliš velkého průřezu (od 10 do 25 mm 2 ). Nejpravděpodobněji bude mít kabel 4 žíly, což budeme také uvažovat v dalším popisu. Spojit odborně a spolehlivě dva konce takového kabelu znamená vytvořit příslušný počet vodivých spojení a obnovit odstraněnou izolaci jednotlivých vodičů i pláště. Cílový stav je znázorněn na obr.8. Můžeme k němu dospět, učiníme-li následující chronologicky řazené úkony:
Obr.8. Znázornění kabelového spoje. 1-spojka, 2-smrštitelná trubice izolující žílu, 3-plášťová smrštitelná trubka po smrštění 1. Uchycení dvou kabelových úseků do stojanů tak, aby se jejich konce nacházely uprostřed volné délky mezi stojany. 2. Odstranění pláště kabelu včetně izolační výplně na vzdálenost l, = 100 mm u jednoho a l 2 ~ 2C0 mm u druhého kabelu. 3. Očištění izolace žil a očištění plášťů do vzdálenosti cca 200 mm. 4. Nasunutí plášťové samosmrštitelné trubky na jeden z kabelů a její odsunutí z místa spoje tak, aby v další činnosti nepřekážela. 5. Rozehnutí a vytvarování kabelových žil proti sobě do polohy, ve které budou spojeny. 6. Odizolování konců žil do vzdálenosti x = 30 a je-li třeba, těž odstranění zoxidované povrchové vrstvy z obnažených konců žil ocelovým kartáčem. 7. Očištění a zdrsnění povrchu izolace žil smirkovým plátnem do vzdálenosti cca 50 mm od obnažených konců. 8. Nasunutí izolačních smrštitelných trubiček na dvě delší spodní žíly, přičemž dvě horní žíly u obou kabelů vyhneme nahoru zhruba kolmo k ose kabelu. 9. Vytvoření nerozebíratelných spojů dvou dvojic spodních vodičů pomocí A1 vodivých spojek. Lisované spoje je třeba provést připravenými lisovacími kleštěmi, které mají čelisti s šestihranným otvorem. Postupujeme od středu spojky k jejímu okraji a na každé její polovině (spojení s jednou vodivou žílou) nalisujeme spojku k vodiči ve třech místech, jak je znázorněno na obr.4 Pozn. Při přetváření válcového tvaru spojky na šestihran nastane někdy v rovině styku dvou polovin lisovacího nástroje (polovin šestihranu) stranový výběh měkkého kovu spojky,
který je znázorněn na obr.4. u jednoho z šesti slisů (viz pozici 4). Nastane-li tento případ, je třeba výběh odstranit, což lze učinit např. pilníkem. Pokud bychom jej ponechali, pak následně vytvořená izolace by měla v tomto místě sníženou el. odolnost. Obr.9. Provedení lisovaného spoje jednoho vodiče kabelu. 1-nalisovaná spojka, 2-vodič, 3-izolace vodiče, 4-stranový výběh materiálu spojky 10. Izolování spojek vodičů s následujícím postupem. Smrštitelné izolační trubičky u dvou spodních vodičů posuneme na střed spojek a obě současně smršťujeme pomocí horkovzdušné pistole. Postupujeme od středu k okrajům, nejdříve k jednomu pak k druhému, přičemž povrch zahříváme rovnoměrně po obvodu a k okraji trubičky postupujeme velmi zvolna. Smrštěné trubičky musí ze všech stran těsně přiléhat k povrchu izolace. U těsného spoje je přebytečná část tavného lepidla, naneseného na vnitřním povrchu trubiček, vytlačena z jejich konců ven. Vytlačené lepidlo nestíráme. 11. Spojení a izolování zbývajících dvou dvojic kabelových žil stejným způsobem. 12. Vytvoření ochranného izolačního pláště podle těchto dílčích kroků: - stažení oizolovaných žil co nejblíže k ose kabelu, - zdrsnění konců plášťů obou kabelů smirkovým plátnem do vzdálenosti min. 100 mm, - přetažení vnější smrštitelné trubky přes střed spojky tak, aby překrytí kabelových plášťů bylo na obou stranách stejné, - smršťování vnější trubice, při němž postupujeme stejně jako při izolaci žil (viz bod 10.). Začínáme od středu a postupujeme k jednomu posléze k druhému okraji, a to až poté, když máme jistotu největšího smrštění trubice ve střední části. Vytlačené tavné lepidlo u okrajů trubky opět neodstraňujeme. Nakonec upozornění: Manipulace s kabelem a vytvořenou kabelovou spojkou je možná až po jejím vychladnutí. Teprve potom lze výsledek práce podepsat a přihlásit do interní soutěže o
nejštíhlejší linii spoje a jeho nejlepší provedení. Během této doby lze spontánně vyjadřovat radost nad úspěšně zakončeným bojem s překážkami. Výsledkem popsaného postupu je kabelový spoj nakreslený na obr. 3. Vyznačuje se tím, že všechny lisovací spojky se nacházejí ve stejné vzdálenosti od konců kabelových plášťů a vytvářejí jakýsi shluk hmoty v jednom místě. Odstranit tuto skutečnost bychom mohli umístěním trubičkových spojek symetricky kolem středu kabelového spoje, tzn. že spojky dvou žil by byly blíže jednomu konci kabelu, druhé dvě spojky pak blíže druhému konci kabelu. Toto uspořádání je znázorněno na obr.5. Obr.5. Kabelový spoj se symetrickým rozmístěním spojek v rozpracovaném stavu. 1-vnější (plášťová) izolační trubka, 2-plášti kabelu, 3-vnitřní izolační trubka (izolace žíly), 4-izolace žíly (spojky) po smrštění, 5-nalisovaná spojka 1.4. Požadavky na vodivý spoj a jejich kontrola Základem kabelového spojení je vodivý spoj odpovídajících si vodičů, který ovšem není po oizolování žil a obnovení pláště kabelu přístupný. Na dokončeném kabelovém spojení není tedy možné odměřovat nějaké elektrické či tepelné veličiny nebo zjišťovat mechanickou pevnost propojených žil apod. Chceme-li přesto získat představu o kvalitě kabelového spojení alespoň v jeho kritických místech, tj. u lisovaných spojů, musí nám stačit údaje nevlastní (nepřímé). Získat je můžeme pomocí samostatných spojů jednotlivých vodičů, které vytvoříme paralelně s kabelovým spojem a to naprosto stejnou technologií a s použitím stejných materiálů (spojka, vodič). Tuto možnost tedy využijeme. 1.4.1. Požadavky na spojovací prvky Kvalita a funkční spolehlivost lisovaného spoje závisí hlavně na použitých materiálech, na použitém lisovacím nástroji a na způsobu lisování. Při lisování dochází k
pěchování materiálu spojky na jádro vodiče zásluhou vnějšího tlaku, působícího všemi směry z vnějšku do středu vodiče. Materiál spojky musí umožnit takovou plastickou deformaci a přetváření svého objemu, aby mezi povrchem jádra vodiče a vnitřním povrchem spojky nevznikl žádný volný prostor. Při správném slisování je kontakt mezi kovy naprosto těsný a znemožňuje unik vlhkostí a jiných plynných složek atmosféry. Kov spojky musí mít též výbornou vodivost a je vždy totožný s kovem vodičů. Již tyto důvody asi postačí k pochopení, že trubičkové spojky (viz obr.1) musí splňovat řadu požadavků, z nichž některé je nutné kontrolovat před montáží, zbývající pak po montáži (lisování). Před montáží je to hlavně: konstrukční provedení, použitý materiál, značení, rozměry, kvalita povrchu a ochrana před korozí. 2 1.4.2. Stanovení poměrného přechodového odporu δ Měření δ je v rámci kontroly elektrických požadavků vyžadováno před a po tepelném stárnutí. V laboratoři katedry bude kontrola zjednodušena, protože tepelné stárnutí nebude realizováno. Za účelem vysvětlení poměrného přechodového odporu, jakož i způsobu jeho stanovení, je uveden obr.6. Lisovaným spojem protéká stejnosměrný proud I m, jehož velikost nesmí Obr.6. Rozmístění měřicích míst při stanovení přechodového odporu překročit u Al vodiče 16mm 2 úroveň 30A. Tím vzniká na spojce v definovaných bodech o vzdálenosti l m úbytek napětí U s, úměrný odporu spoje R s, a podobně na stejné vzdálenosti l m samotného vodiče vzniká úbytek napětí Uv. Poměrný přechodový odpor je pak určen vztahem Spojovací prvky určené pro energetický rozvod musí vykazovat minimální ztráty aby daný obvod měl vysokou mechanickou a elektrickou spolehlivost a zkratovou odolnost.tyto prvky jsou normativně pojímány jako prvky 1.třídy,tedy třídy nejpřísnějšími požadavky.v tomto případě je požadováno δ 1.
2. ZADÁNÍ ÚKOLU a) Seznamte se s konstrukcí a provedením silových vodičů a kabelů prostřednictvím připraveného souboru vzorků a katalogů,jakož i s funkcí přiložených nástrojů. b) V souladu s postupem popsaným v oddílu 1.3.3., spojte dva připravené úseky silového kabelu AYKY. c) Spojte dva stejné vodiče, shodující se s vodiči u kabelu, pomocí lisovací spojky a stanovte poměrný přechodový odpor δ..