Кабели среднего и высокого напряжения необходимы для передачи электрической энергии. Для их изоляции применяется особый материал — сшитый полиэтилен, который обладает улучшенными свойствами и повышенной устойчивостью к электрохимическому старению. Однако проверка качества сшивки готового изделия требует подготовки образцов, что приводит к значительным материальным и временным затратам. Специалисты Пермского Политехнического университета разработали математическую модель, позволяющую точно определить соответствие техническим стандартам изготовленной изоляции кабелей и сократить производственные издержки.
Сшивка полиэтилена осуществляется в специальной камере в атмосфере азота при температуре свыше 400 °C. Этот процесс, называемый вулканизацией, представляет собой соединение макромолекул вещества в единую сетчатую структуру посредством нагрева. В результате материал становится более эластичным и прочным. Кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена устойчив к высоким температурам — максимальная достигает 90 °C, что увеличивает допустимый ток нагрузки на 15-30 % по сравнению с кабелем с бумажной изоляцией. Кроме того, материал плохо впитывает и пропускает воду, что защищает кабель от коррозии, а его меньший вес и диаметр облегчают установку.
Сложный процесс изготовления изоляции из сшитого полиэтилена требует оптимизации. Необходимо быть уверенными в качестве готового материала, чтобы избежать механических повреждений и контакта с жидкостями, способными привести к короткому замыканию и сбоям в работе кабеля. Существующие модели не учитывают совместное влияние технологических параметров, теплофизических и кинетических характеристик материалов, а также кинетику самого процесса вулканизации с учётом движения заготовки в условиях сложного теплообмена.
Доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой "Конструирование и технологии в электротехнике" ПНИПУ Наталия Труфанова поясняет, что из-за неоднородности температурного поля в изоляционном слое вулканизация происходит с разными скоростями внутри материала. На процесс сшивки влияют кинетические параметры полиэтилена, зависящие от величины температуры и скорости её изменения. В связи с низкой теплопроводностью изоляционного материала и неравномерной степенью сшивки по толщине необходимо определить такие параметры технологического процесса, которые обеспечат полный прогрев заготовки и сшивку внутренних слоёв изоляции.
Численные и натурные эксперименты были проведены для полиэтиленов различных марок. Выяснилось, что при повышении температуры скорость процесса сшивки значительно возрастает у каждого типа полиэтилена, и в некоторых случаях можно увеличить скорость изолирования без ухудшения качества продукта. По итогам исследований учёные Пермского Политеха разработали систему уравнений.
Аспирант кафедры "Конструирование и технологии в электротехнике" ПНИПУ Артём Корелин отмечает, что созданная трёхмерная математическая модель позволяет визуализировать процесс тепломассопереноса внутри камеры вулканизации, а также на основе расчётов определять оптимальные технологические параметры для различных кабелей. Это поможет снизить вероятность получения бракованной продукции в процессе производства.
Разработанная модель процесса сшивки полиэтилена для изоляции кабеля позволяет уменьшить количество брака и, основываясь на полученных данных, определять рациональные технологические параметры для различных марко-размеров кабелей.
Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства "Приоритет-2030".