IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Электрические провода и кабели
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Значение электрической энергии в жизни каждого из нас очень велико. Сейчас трудно представить современный дом или квартиру, в которой отсутствовали бы осветительные приборы. Мы так привыкли, щёлкнув выключателем, в любое время суток зажигать свет, что с трудом верим, что полтора века назад электрическое освещение отсутствовало. Ведь электроэнергия для современного общества – это основа всех видов человеческой деятельности. Но немногие из нас задумываются, как это благо цивилизации попадает к нам. Путь её долог по сложным системам электрических коммуникаций в виде проводов и кабелей. Провода и кабели это артерии кровеносной системы питающей электрической энергией промышленные предприятия и организации. Это свет и тепло в наших квартирах и домах. Все эти элементы транспортировки электрической энергии доставляют электричество конкретно каждому из нас. Оценить значение электрической энергии нашей жизни мы можем только тогда, когда эта энергия внезапно пропадает. Это как большая полноводная река, могучая и сильная, несущаяся с гор, вырвавшись на равнину, начинает делиться на множество речек, ручьев и ручейков.
Электрические провода выполняют передачу электрической энергии от источника к потребителю. Свои задачи кабели и провода должны выполнять длительное время, быть надежными, не допускать неисправностей. Они применяются практически в любой отрасли промышленности и жизни человека. Электрические провода необходимы для образования замкнутой цепи электрического тока, не допуская его потери в этой цепи. Люди, которые не разбираются в вопросах электротехники, не отличают различные виды электрических проводов, приписывают все виды к одной категории.
Но это совершенно не так. Это ошибочное мнение может привести к пожарам и гибели людей. Провода используются в различных условиях работы, на разных магистралях, имеют много отличий в применении, по-разному устроена их структура, имеют конструктивные особенности.
Сталкиваясь с проводами ежедневно, мне стало интересно: что такое электрический кабель? Что представляет собой изоляция? Когда появились первые электрические кабели? Чтобы найти ответы на все свои вопросы, я решила провести исследование.
Актуальность темы: Представить себе жизнь без электрической энергии уже невозможно. Электроэнергетика вторглась во все сферы деятельности человека: промышленность и сельское хозяйство, науку и космос, наш быт. Столь широкое распространение объясняется ее специфическими свойствами: возможностью превращаться практически во все другие виды энергии (тепловую, механическую, звуковую, световую и т.п.); способностью относительно просто передаваться на значительные расстояния в больших количествах; огромными скоростями протекания электромагнитных процессов. Электроэнергия - это удобство и благо, без которых не видит смысла жизни современный человек и развитие отраслей: сельского хозяйства, научных разработок в области здравоохранения и приборостроения.
Однако, при всей своей незаметности, эта энергия с легкостью из созидательной может перейти в разряд разрушительной и даже смертельной. Электрические изделия являются одними из наиболее пожароопасных видов продукции, поскольку в них присутствуют горючие электроизоляционные материалы (изоляция, оболочки и внешние покровы кабелей) и источники возгорания в аварийных режимах (искры, дуги, нагретые электрическим током детали). По видам электротехнической продукции первое место по числу пожаров с большим опережением занимают изделия кабельной промышленности - провода и кабели. Объекты, которые чаще всего подвергаются пожарам от загорания электропроводок - жилые дома, склады, базы, предприятия торговли и общественного питания. То есть объекты, на которых максимально сконцентрированы жизненно важные продовольственные и материальные ресурсы и уничтожение которых огнем непосредственно и наиболее быстро сказывается на благосостоянии и уровне жизни людей.[10]
Цель: Узнать больше об электрических проводах и их роли в жизни человека.
Задачи:
Узнать историю электрического кабеля
Узнать, что представляет собой изоляция
Изучить маркировку проводов и кабелей
Узнать о важности правильно подобранного кабеля
Выяснить причины возгорания электропроводок
Гипотеза исследования: Электричество очень полезно, но неправильное обращение с электрическими проводами может быть опасным.
Объект исследования: Электрические провода и кабели, изоляция и оболочка.
Методы исследования: Поиск информации в различных источниках, наблюдение, сравнение, опыты, исследования и анализ полученных данных.
Предмет исследования: Значение показателя «Горючесть» в образцах оболочки электрических кабелей разных марок.
История электрического кабеля
Человечество не смогло бы воспользоваться электрической энергией, не будь созданы длинные и гибкие токопроводящие конструкции, которые в повседневном употреблении называют проводами или кабелями. При всей внешней непритязательности они являются высокотехнологическим продуктом, производство которых требует колоссальных материальных и интеллектуальных затрат. Слово «Сabel» имеет немецкое происхождение.
Аналогом немецкого «Сabel» является русский «Провод» — смысл этого слова нам понятен яснее, ибо что такое «проводить» и кто такой «проводник» мы можем догадаться без труда. Теперь, когда мы определили понятия, можно перейти к истории этого самого «Провода».
Провод является одним из важнейших компонентов электрических приборов. До появления изолированного провода физикам экспериментаторам приходилось использовать различные заменители проводники - металлические цепочки, пропитанные электролитом шнурки и т.д. Но, очень скоро выяснилось, что наиболее удобным типом проводника является проволока.
Несколько тысячелетий назад проволоку получали путем разрезания металлических листов на узкие полоски. Чтобы избавиться от острых краев, полоски перекручивали особым образом или же прокатывали между плоскими поверхностями.
Современные способы изготовления проволоки сводятся к методу волочения. Эта техника состоит в протягивании металлических прутьев через отверстия конической формы. Таким способом пользовались еще в Персии в VI веке до н. э.
Однако на территорию Центральной Европы метод обработки металла пришел в X веке н. э. Именно с этого периода берет начало промышленное производство проволоки.[3]
При этом для выполнения соединений и, особенно, при изготовлении электромагнитных приборов необходима изолированная проволока. Первым ее вариантом была проволока с нитяной (шелковой или хлопчатой) изоляцией. Для ее изготовления было необходимо обмотать проволоку ниткой виток к витку. Этой утомительной и скучной работой были вынуждены заниматься физики 19в. Так была сделана проволока для экспериментов Генри. Для улучшения качества медные проволоки изолировались хлопчатобумажной пряжей, предварительно вываренной в парафине. Пряжа накладывалась на проволоку методом обмотки в двух противоположных направлениях.
Следующим по времени появления была проволока с бумажной изоляцией. Ее использовал Морзе при конструировании своего телеграфа. Однако наряду с меньшей сложностью производства такой проволоки, необходимо отметить и ее недостатки перед шелковой - меньшая механическая прочность и большая толщина изоляции, увеличивавшая размер готового прибора.
В третьей четверти 19 века появляется проволока изолированная гуттаперчей - природным пластичным материалом подобным каучуку. Этот тип проволоки обладал важными преимуществами – герметичностью (что защищало проволоку от окисления) и дополнительной прочностью, однако толщина подобной изоляции была больше чем у нитяной и бумажной. Для повышения прочности использовалась комбинация бумажной, гуттаперчевой и нитяной изоляции. Так появилась кордельно-ленточная изоляция, в которой проволока обматывалась по открытой спирали корделем - крученой волокнистой нитью, поверх которой накладывалось также спирально несколько лент из влагонепроницаемой пропитанной каучуковым соком бумаги.
Следующим этапом было появление в первой четверти 20го века эмалевой изоляции, представляющей собой слой эмалевого лака, нанесенного за 3-12 покрытий с последующей сушкой и полимеризацией. С появлением эмалированного провода он перестал быть редкостью и стал одним из доступных и необходимых компонентов в любой электронной схеме.[4]
В наше время наиболее распространённым изоляционным материалом является поливинилхлоридный (аббревиатура ПВХ) пластикат. Такая изоляция выгодно отличается от резиновой или бумажной своей герметичностью, повышенной влагозащищенностью, гибкостью и устойчивостью к ультрафиолетовому излучению. Негорючие свойства поливинилхлорида позволяют создавать марки кабеля, обладающие огнеупорными качествами, применяют для прокладки кабельных сетей в пожароопасных помещениях и на взрывоопасном производстве.
По сравнению с не менее гибкой и влагозащищенной резиновой изоляцией, поливинилхлоридный пластикат также имеет ряд преимуществ, главное из которых - устойчивость к воздействию солнечных лучей. Дело в том, что синтетические и природные каучуки при длительном воздействии ультрафиолета рассыхаются и трескаются, теряя при этом все свои первоначальные качества, в то время как ПВХ-пластикат выдерживает ультрафиолетовое излучение в течение десятков лет.
Поливинилхлоридный пластикат обладает инертностью по отношению к щелочам, кислотам, спиртам, бензину и промышленному газу - все это также, является неоспоримым преимуществом ПВХ-изоляции. Химическая стойкость и влагонепроницаемость этого материала позволяет применять его для изоляции кабеля, предназначенного для эксплуатации тропиках, в химически-активных средах, болотах, средах с повышенным содержанием солей, в условиях высокой вероятности возникновения плесневого грибка.[5]
Создание аналогов первых изолированных проводов и эксперименты с ними.
Я воспроизвела аналоги первых электрических изолированных проводов
С помощью обычной электрической цепи попыталась определить качество изоляции проводов.
В электрическую цепь входили: источники тока (батареи), переключатель, лампа и контакты для. Когда контакты подсоединяла к оболочке, становилось ясно, проводит ли она ток. Если проводит электрический ток, цепь замыкалась, и лампочка загоралась. Если не проводит электрический ток, цепь оставалась разомкнутой, и лампочка не горела.
Я сделала вывод: изоляция из бумаги, хлопчатобумажной нити и хлопчатобумажной нити, предварительно вываренной в парафине, при нормальных условиях, не проводит ток (фото 1). Но если её намочить, то у оболочки из бумаги, хлопчатобумажной нити все изоляционные свойства пропадают (фото 2). К тому же все виды оболочек боятся огня (фото 3).
фото 1 фото 2 фото 3
Это и побудило ученых создать изоляцию, обладающую влагонепроницаемостью и огнеупорными качествами.
Что такое кабельный пластикат
В результате развития кабельной промышленности начали появляться первые кабельные заводы.
А знаете ли вы, что в Стерлитамаке на производстве «Каустик», принадлежащем «Башкирской содовой компании» существует цех, где производят кабельный пластикат, из которого потом делают изоляцию и оболочку для проводов. Цех № 8 по производству кабельного пластиката был пущен в 1968 году.[1] Моя мама работает в испытательной лаборатории, она анализирует кабельный пластикат. Я попросила рассказать ее об этом и вот что я узнала.
Кабельный пластикат выпускается разных марок и цветов в форме гранул.
Затем из этих гранул вальцуют листы и изготавливают жгуты.
|
Вальцы для формирования листов |
|
Экструдер для размягчения гранул пластиката и придания им формы жгута |
Потом контролер ОТК доставляет все это в лабораторию для испытаний. Лаборант изготавливает из пленок образцы разных форм и размеров
и проводит испытания
|
Определение показателя «Плотность». Метод гидростатического взвешивания |
Определение показателя «Прочность и относительное удлинение при разрыве» |
Определение показателя «Твердость по Шору» |
Только после всех испытаний, если пластикат соответствует по всем показателям качества, его реализуют на внешний рынок. Потребителями являются как города России, так и ближнего зарубежья.
Маркировка проводов и кабелей
При производстве всех проводов и кабелей еще на заводе на них наносят специальную маркировку. Она помогает определить характеристики и назначение проводов. Стандарты маркировки различных проводов помогают безошибочно определить необходимые характеристики проводников.
Показатели, которые поможет определить заводская маркировка:
Особенности конструкции;
Материал жил;
Номинальное напряжение;
Поперечное сечение;
Тип изоляции;
Назначение.
Расшифровка буквенного значения провода.
Расшифровку маркировки любых кабелей и проводов производят в соответствии с установленными стандартами.
Первая буква будет характеризовать материал, из которого выполнена жила. Медь не требует присвоения ей обозначения, а алюминиевые жилы обозначены буквой «А».
Вид провода характеризуется второй буквой шифра. У проводов она обозначает следующее: плоский — «П»; контроль — «К»; монтаж — «М»; установка — «П(У)»; монтаж, отличающийся гибкими жилами — «МГ».
С помощью следующей, третьей буквы, определяют вещество, из которого произведена изоляция жил: «В» или «ВР» - поливинилхлоридная (ПВХ); «П» - полиэтиленовая; «Р» - резиновая; «Н» или «НР» найритовая (негорючая резина); «Ф» - фальцованная (металлическая); «МЭ» - эмалированная; «Л» - лакированная; «К» - капроновая; «С» - из стекловолокна; «Г» - о гибкой жиле;
«Т» - с несущим тросом.
В маркировке могут встречаться обозначения, написанные латинскими буквами: «нг» – не поддерживает горение; «FR» - огнестойкий; «LS» - с низким дымовыделением; «FRLS» - высокая огнестойкость, низкое дымовыделение.
Четвертая буква будет характеризовать отличия конструкций того или иного провода: «О» — в оплетке; «А» — асфальтированный; «К» — бронировано с помощью круглых проволок; «Г» — если речь идет о кабеле, то эта буква означает отсутствие защитного покрова, а если о проводе, то указывает на его гибкость; «Т» — для прокладки в трубах.
Цифровое обозначение
Первая из цифр сообщает о количестве жил.
Вторая из цифр сообщает площадь поперечного сечения.
Последняя из цифр говорит о номинальном напряжении сети.[2]
Экспериментальная проверка горючести оболочки электрических кабелей различных марок
Для того чтобы проверить горючесть, я приобрела спиртовку, секундомер, пинцет. Приготовила два образца, вырезанных из оболочек электрических кабелей следующих марок - АВВГ 5х70 и ВВГНГ 5х35, и приступила к испытанию. Вначале я расшифровала название кабеля:
АВВГ 5х70 - первая буква обозначает, что жила алюминиевая, вторая и третья – что наружная и внутренняя изоляция поливинилхлоридная, буква «Г»-отсутствует защитный покров. Цифра 5 обозначает количество жил, а 70 – это площадь поперечного сечения жилы.
ВВГНГLS 5х35 – отсутствие буквы «А» говорит о том, что жила медная, первая и вторая буква – что наружная и внутренняя изоляция поливинилхлоридная, буква «Г»-отсутствует защитный покров, буквы «нг» - негорючий, «LS» - выделение дыма будет минимальным. Цифра 5 обозначает количество жил, а 35 – это площадь поперечного сечения жилы.
Согласно ГОСТ 5960-72 на пластикат поливинилхлоридный для изоляции и защитных оболочек проводов и кабелей горючесть определяют внесением образца длиной (130±1) мм, шириной (10±1) мм и толщиной (2,0±0,2) мм в пламя спиртовой горелки с выдерживанием его в пламени под углом 45° до воспламенения.Максимальное время зажигания образца пламенем спиртовки не должно превышать 15 с. Затем образец выносят из пламени и фиксируют время горения образца. Образец должен затухать при вынесении из пламени в течение не более 15 с. для продукции высшего сорта и не более 30 с. – первого сорта.[9, с.16]
Вывод: проведённые испытания подтвердили, что значение горючести оболочки кабеля марки АВВГ 5х70 (5с.) выше, чем у оболочки кабеля марки ВВГНГLS 5х35 (не загорелся). Значит, производители действительно для оболочки кабеля ВВГНГLS 5х35 использовали негорючий пластикат. И оболочка кабеля АВВГ 5х70, хоть и не заявлена как негорючая – отличного качества. Во время подготовки образцов для испытания я заметила, что два провода с одинаковыми характеристиками, но изготовленные по разным нормативным документам, один по ГОСТ, другой по ТУ отличаются друг от друга.
Недобросовестные производители, желая сэкономить, жертвуют качеством, а точнее – количеством металла в токопроводящих жилах. Диаметр проводника в таких кабелях может быть меньше заявленного (номинального) от 10 до 40%! Но увидеть разницу диаметра "на глаз" практически невозможно. А так же используют кабельный пластикат плохого качества и экономят на толщине оболочки, что мы можем увидеть.
К чему это может привести:
1. Сокращение срока эксплуатации.
Кабель, произведенный по ГОСТу, прослужит 20-30 лет. «Контрафактный», тот, в котором производитель сэкономил на металле? – в 2-3 раза меньше. Жилы будут перегреваться, изоляция истощится быстрее.
2. Возможность возгорания.
Из-за несоответствия заявленных характеристик фактическим нагрузкам использование некачественного кабеля может привести к пожару, гибели людей.[8]
Мне захотелось проверить, как качество кабеля отражается на горючести его оболочки. Я извлекла жилы. И проверила их горючесть.
Образец оболочки кабеля, произведенного по ГОСТ, потух через 2с., а образец оболочки кабеля, произведенного по ТУ, сгорел полностью.
Вывод: оболочка электрического кабеля марки ВВГ-нг(А)-П 3х2,5 (медная жила, изоляция из ПВХ пластиката, оболочка из ПВХ пластиката пониженной горючести, защитный покров отсутствует («голый»), категория пожароопасности A, плоский) заявленный, как негорючий не соответствует маркировке.Кабель ТУ стоит дешевле ГОСТ и это, наверное, единственный плюс. Я бы не рекомендовала гнаться за ценой. Это может очень дорого обойтись в итоге.
Важность правильно подобранного кабеля
Правильный выбор электрического кабеля или провода — это очень ответственное дело, от которого зависит безопасность вашей недвижимости и собственное здоровье. Поэтому для тех, кто не хочет столкнуться с такими катастрофическими событиями, как короткое замыкание, пожар или поражение электрическим током, рекомендуем тщательно выбирать электротехническую продукцию, соответствующую требованиям ПЭУ (правилам устройства электроустановок).
Статистика пожаров по странам, включая Российскую Федерацию, сообщает, что наиболее распространенными причинами пожаров являются: нарушение правил монтажа электрической проводки и оборудования, а так же не соблюдения требований эксплуатации; утечки газа и неправильная эксплуатация газового оборудования; нарушение технологических процессов, в которых используются легковоспламеняющиеся вещества; курение.
Данные возгораний по объектам различного назначения
Из приведенных данных видно, что абсолютным лидером по количеству пожаров является «Жилые дома» и, устанавливая причины пожара, пожарные в более чем 50 % случаев приходят к выводу, что «пожар возник из-за неисправности электропроводки». Это – результат пренебрежительного отношения к опасностям, связанным с электрической проводкой. И самое печальное – при пожарах в жилом секторе гибнут люди.[7]
Причины возгорания электропроводок
Возникновение пожаров из-за неисправности электропроводки объясняется следующим. При прохождении тока по проводнику выделяется теплота. В обычных условиях она рассеивается в окружающую среду быстрее, чем успевает нагреться проводник. Поэтому для каждой электрической нагрузки подбирается проводник определённого сечения. Если сечение проводника меньше, чем положено по расчёту, то выделяющаяся теплота не успевает рассеяться и проводник перегревается. Перегрузка сети, нагрев проводов и воспламенение изоляции бывают при включении в одну розетку одновременно нескольких бытовых приборов. При соединении двух проводников без изоляции накоротко друг с другом может произойти короткое замыкание. Из-за этого происходит резкое возрастание силы тока в сети, мгновенный нагрев проводов до температуры плавления металлических жил и интенсивное выделение искр и большого количества теплоты. Из-за неправильного соединения проводов (в скрутку), слабого крепления или сильного окисления контактных поверхностей и мест соединения проводов происходит их сильный разогрев и воспламенение. Неплотный контакт вилок в гнёздах штепсельных розеток, излом провода под изоляцией, дефект токопроводящих шин, жил проводов и кабелей, старение электрических контактных соединений, некачественная сборка контактных узлов может привести к возгоранию.
При плохом контакте между проводами или контактами появляется искрение, которое со временем и нагревает окружающее пространство до нужных для самовозгорания 150-160 °С. И если вокруг плохого электрического контакта есть горючие материалы (пыль, пакля, опилки, горючие пластмассы и т.д.), то происходит самовозгорание, которое затем вызывает настоящий пожар.[6]
Заключение
Работа, которой я занималась, показалась мне очень увлекательной и познавательной. Я смогла ответить на все интересовавшие меня вопросы. Так, проведенные эксперименты подтвердили, что горючесть оболочки разных марок электрического кабеля отличается.
Как показали мои эксперименты, наименьшей горючестью обладает оболочка электрического кабеля марки ВВГНГLS 5х35, оболочка образца выпущенного по ТУ сгорела полностью.
Я сделала много интересных открытий для себя, научилась выдвигать гипотезы, проводить эксперименты, делать выводы, определять горючесть оболочки. Я почувствовала себя испытателем. Мне очень понравилось ставить эксперименты самой, оценивать получившийся результат.
Я поняла, насколько важно тщательно подходить к выбору электрического кабеля, не экономить на цене. Ведь, экономия 10 рублей на 1 метре провода может дорого обойтись в итоге.
Я начала обращать внимание на провода и кабели в своем доме, хотя прежде их не замечала. Да, провода неизбежно портят всю картину интерьера, делая его некрасивым и неуютным, но это не повод, чтобы их оставлять без внимания.
Вывод, который я сделала в результате исследовательской работы: провода являются важнейшим компонентом электрической сети в доме, поэтому важно знать, что они представляют, из чего состоят, какие функции выполняют, а главное уметь вовремя и качественно устранить неполадки, связанные с ними.
Список использованных источников и литературы
1. ЛЮДИ. ДЕЛА. СОБЫТИЯ. ЗАО «КАУСТИК». История и современность. Уфа: ГУП « Уфимский полиграфкомбинат», 2004. -120с.
2. https://electriktop.ru/baza-znaniy/chto-takoe-kabel-vidy-i-markirovka.html#i
3. https://www.kit-e.ru/articles/elcomp/2009_07_140.php
4. http://hector.at.ua/publ/istorija_izolirovannogo_provoda/1-1-0-2
5. https://megaobuchalka.ru/9/1621.html
6. https://studopedia.ru/17_99836_pozharobezopasnost-elektroprovodki.html
7. https://pozharanet-com.turbopages.org/s/pozharanet.com/pozhar/statistika-pozharov.html
8. https://www.elevel.ru/company/news/1656755/
9. https://internet-law.ru/gosts/gost/17648/
10. https://helpiks.org/5-50504.html