Кабели бывают разных размеров для различных целей, от силовых кабелей сверхвысокого напряжения, по которым передается электрическая мощность более 100 киловольт, до телекоммуникационных кабелей. В последних в прошлом использовались медные проводники, но они были заменены оптоволоконными кабелями, которые передают больше информации по кабелю гораздо меньшего размера. Между ними находятся обычные кабели, используемые для домашней электропроводки, другие гибкие кабели и силовые кабели с напряжением ниже напряжения кабелей сверхнапряжения. Кроме того, существуют более специализированные кабели, такие как кабели с минеральной изоляцией (используемые там, где важна присущая им защита от возгорания при пожаре, например, на заводе, в гостинице или на борту корабля), эмалированные провода (используемые в качестве электрических кабелей). обмотки для двигателей), мишурная проволока (используется в фигурном соединении телефонной трубки), кабели для кухонных плит (в которых исторически использовалась асбестовая изоляция, но теперь используются другие материалы) и так далее.
Материалы и процессы
Проводники
Наиболее распространенным материалом, используемым в качестве проводника в кабелях, всегда была медь из-за ее электропроводности. Медь должна быть очищена до высокой чистоты, прежде чем из нее можно будет сделать проводник. Аффинаж меди из руды или лома представляет собой двухстадийный процесс:
- огневое рафинирование в большой печи для удаления нежелательных примесей и отливки медного анода
- электролитическое рафинирование в электрической ячейке, содержащей серную кислоту, из которой на катод осаждается очень чистая медь.
На современных заводах медные катоды плавятся в шахтной печи и непрерывно отливаются и прокатываются в медную катанку. Этот стержень вытягивается до необходимого размера на проволочно-волочильном станке, протягивая медь через ряд точных штампов. Исторически сложилось так, что операция по волочению проволоки выполнялась в одном центральном месте, и множество машин производило проволоку разных размеров. В последнее время небольшие автономные фабрики имеют свои собственные, меньшие по размеру цеха по волочению проволоки. Для некоторых специальных применений медный проводник покрыт металлическим покрытием, таким как олово, серебро или цинк.
Алюминиевые проводники используются в воздушных силовых кабелях, где меньший вес более чем компенсирует меньшую проводимость по сравнению с медью. Алюминиевые проводники изготавливаются путем выдавливания нагретой алюминиевой заготовки через матрицу с помощью экструзионного пресса.
В более специализированных металлических проводниках используются специальные сплавы для конкретного применения. Сплав кадмия и меди использовался для воздушных контактных сетей (воздушный провод, используемый на железной дороге) и для мишуры, используемой в телефонной трубке. Кадмий увеличивает прочность на растяжение по сравнению с чистой медью и используется для того, чтобы контактная сеть не провисала между опорами. Бериллиево-медный сплав также используется в некоторых приложениях.
Оптические волокна, состоящие из непрерывной нити из высококачественного оптического стекла для передачи телекоммуникационных сигналов, были разработаны в начале 1980-х годов. Это потребовало совершенно новой технологии производства. Тетрахлорид кремния обжигают внутри токарного станка для нанесения диоксида кремния на заготовку. Диоксид кремния превращается в стекло при нагревании в атмосфере хлора; затем его вытягивают в размер, и наносят защитное покрытие.
Изоляция
Многие изоляционные материалы используются для различных типов кабелей. Наиболее распространенными типами являются пластиковые материалы, такие как ПВХ, полиэтилен, политетрафторэтилен (ПТФЭ) и полиамиды. В каждом случае состав пластика составляется в соответствии с технической спецификацией и наносится на внешнюю сторону проводника с помощью экструзионной машины. В некоторых случаях в пластиковую смесь могут быть добавлены материалы для конкретного применения. Некоторые силовые кабели, например, содержат силановое соединение для сшивания пластика. В тех случаях, когда кабель собирается закапывать в землю, добавляют пестицид, чтобы термиты не поедали изоляцию.
В некоторых гибких кабелях, особенно в подземных шахтах, используется резиновая изоляция. Для удовлетворения различных спецификаций необходимы сотни различных резиновых смесей, и требуется специализированное предприятие по производству резиновых смесей. Резина напрессована на проводник. Его также необходимо вулканизировать, пропуская либо через ванну с горячей нитритной солью, либо через жидкость под давлением. Чтобы соседние жилы с резиновой изоляцией не слипались, их протягивают через тальк.
Проводник внутри кабеля может быть обернут изолятором, например бумагой (которая может быть пропитана минеральным или синтетическим маслом) или слюдой. Затем наносится внешняя оболочка, как правило, путем экструзии пластика.
Были разработаны два метода изготовления кабелей с минеральной изоляцией (MI). В первом случае в медную трубку вставлено несколько сплошных медных проводников, а пространство между ними заполнено порошком оксида магния. Затем вся сборка проходит через серию штампов до требуемого размера. Другой метод заключается в непрерывной сварке медной спирали вокруг проводников, разделенных порошком. При использовании внешняя медная оболочка кабеля с минеральной изоляцией является заземлением, а внутренние проводники пропускают ток. Хотя внешний слой не требуется, некоторые клиенты выбирают оболочку из ПВХ по эстетическим соображениям. Это контрпродуктивно, так как основное преимущество МИ кабеля в том, что он не горит, а оболочка из ПВХ несколько нивелирует это преимущество.
В последние годы поведению кабелей при пожаре уделяется все больше внимания по двум причинам:
- Большинство каучуков и пластиков, традиционных изоляционных материалов, при пожаре выделяют большое количество дыма и токсичных газов, и в ряде громких пожаров это стало основной причиной смерти.
- После того, как кабель перегорел, проводники касаются цепи и плавятся, поэтому электроэнергия теряется. Это привело к разработке компаундов с пониженным дымо- и пожаробезопасностью (LSF) как для пластиковых, так и для резиновых материалов. Однако следует понимать, что наилучшие характеристики при пожаре всегда дает кабель с минеральной изоляцией.
Для некоторых кабелей используется ряд специализированных материалов. Кабели Supertension заполнены маслом как для изоляции, так и для охлаждения. В других кабелях используется углеводородная смазка, известная как MIND, вазелин или свинцовая оболочка. Эмалированные провода обычно изготавливают путем покрытия их полиуретановой эмалью, растворенной в крезоле.
Кабельное производство
Во многих кабелях отдельные изолированные жилы скручены вместе, образуя определенную конфигурацию. Ряд катушек, содержащих отдельные проводники, вращаются вокруг центральной оси по мере того, как кабель протягивается через машину, в операциях, известных как Скручивание и простоя.
Некоторые кабели нуждаются в защите от механических повреждений. Это часто делают плетение, где материал вплетен вокруг внешней изоляции гибкого кабеля так, что каждая жила пересекает друг друга снова и снова по спирали. Примером такого плетеного кабеля (по крайней мере, в Великобритании) является кабель, используемый в электрических утюгах, где в качестве материала оплетки используется текстильная нить. В других случаях для плетения используется стальная проволока, где операция называется бронирование.
Вспомогательные операции
Кабели большего диаметра поставляются на барабанах диаметром до нескольких метров. Традиционно барабаны деревянные, но использовались и стальные. Деревянный барабан изготавливается путем сбивания пиломатериалов гвоздями с помощью станка или пневматического гвоздезабивного пистолета. Медно-хромово-мышьяковый консервант используется для предотвращения гниения древесины. Кабели меньшего размера обычно поставляются на картонной катушке.
Операция соединения двух концов кабелей вместе, известная как соединение, возможно, придется проводить в удаленном месте. Соединение должно иметь не только хорошее электрическое соединение, но и быть способным выдерживать будущие условия окружающей среды. Используемые герметики обычно представляют собой акриловые смолы и включают как изоцианатные соединения, так и порошок кремнезема.
Кабельные соединители обычно изготавливаются из латуни на автоматических токарных станках, которые изготавливают их из пруткового проката. Машины охлаждаются и смазываются водомасляной эмульсией. Кабельные зажимы изготавливаются на машинах для литья пластмасс под давлением.
Опасности и их предотвращение
Наиболее распространенной опасностью для здоровья в кабельной промышленности является шум. Самые шумные операции:
- волочение проволоки
- оплетка
- медеплавильный рафинировочный завод
- непрерывное литье медных стержней
- изготовление кабельных барабанов.
Уровень шума в этих районах обычно превышает 90 дБА. При волочении проволоки и плетении общий уровень шума зависит от количества и расположения машин и акустической среды. Расположение машины должно быть спланировано таким образом, чтобы свести к минимуму воздействие шума. Тщательно спроектированные акустические кожухи являются наиболее эффективным средством контроля шума, но они дороги. Для установок огневого рафинирования меди и непрерывной разливки медной катанки основными источниками шума являются горелки, которые должны быть рассчитаны на низкий уровень шума. В случае производства кабельных барабанов пневматические гвоздезабивные пистолеты являются основным источником шума, который можно уменьшить, снизив давление в воздушной линии и установив глушители выхлопа. Однако в большинстве вышеперечисленных случаев отраслевой нормой является обеспечение защиты органов слуха для рабочих в пострадавших районах, но такая защита будет более неудобной, чем обычно, из-за жаркой среды на медеплавильном заводе и непрерывного литья медных стержней. Также следует проводить регулярную аудиометрию для контроля слуха каждого человека.
Многие из угроз безопасности и их предотвращение такие же, как и во многих других производственных отраслях. Однако некоторые машины для изготовления кабелей представляют особую опасность, поскольку они имеют многочисленные катушки с проводниками, вращающимися вокруг двух осей одновременно. Важно убедиться, что ограждения машины заблокированы, чтобы предотвратить работу машины, если ограждения не находятся в положении, препятствующем доступу к рабочим зажимам и другим вращающимся частям, таким как большие кабельные барабаны. Во время первоначальной заправки машины, когда может возникнуть необходимость разрешить оператору доступ внутрь ограждения машины, машина должна двигаться только на несколько сантиметров за раз. Механизмы блокировки могут быть достигнуты за счет наличия уникального ключа, который либо открывает ограждение, либо его необходимо вставить в консоль управления, чтобы она могла работать.
Должна быть проведена оценка риска от разлетающихся частиц, например, если обрывается и вылетает провод.
Ограждения предпочтительно должны быть спроектированы таким образом, чтобы физически предотвращать попадание таких частиц на оператора. Если это невозможно, необходимо выдать и носить подходящую защиту для глаз. Операции волочения проволоки часто обозначаются как области, где необходимо использовать средства защиты глаз.
Проводники
В любом процессе обработки чугуна, таком как огневое рафинирование меди или литье медных стержней, необходимо предотвратить контакт воды с расплавленным металлом, чтобы предотвратить взрыв. Загрузка печи может привести к попаданию паров оксидов металлов на рабочее место. Это следует контролировать, используя эффективную местную вытяжную вентиляцию над загрузочным люком. Точно так же должны надлежащим образом контролироваться желоба, по которым расплавленный металл проходит из печи в разливочную машину, и сама разливочная машина.
Основной опасностью на электролизном заводе является туман серной кислоты, выделяющийся из каждой ячейки. Концентрации в воздухе должны поддерживаться ниже 1 мг/м3 соответствующей вентиляцией для предотвращения раздражения.
При литье медных стержней дополнительную опасность может представлять использование изоляционных плит или одеял для сохранения тепла вокруг литейного круга. Керамические материалы, возможно, заменили асбест в таких приложениях, но с самими керамическими волокнами необходимо обращаться с большой осторожностью, чтобы предотвратить их воздействие. Такие материалы становятся более рыхлыми (т. е. легко разрушаются) после использования, когда на них воздействует тепло, и в результате манипуляций с ними происходит воздействие переносимых по воздуху респирабельных волокон.
Необычная опасность возникает при производстве алюминиевых силовых кабелей. Суспензию графита в тяжелом масле наносят на поршень экструзионного пресса, чтобы предотвратить прилипание алюминиевой заготовки к поршню. Поскольку плашка горячая, часть этого материала сгорает и поднимается в подкровельное пространство. При условии, что поблизости нет оператора мостового крана, а крышные вентиляторы установлены и работают, не должно быть риска для здоровья рабочих.
Изготовление кадмий-медного сплава или бериллиево-медного сплава может представлять высокий риск для вовлеченных сотрудников. Поскольку кадмий кипит намного ниже температуры плавления меди, свежеобразованные пары оксида кадмия будут образовываться в больших количествах всякий раз, когда кадмий добавляется к расплавленной меди (что должно быть для получения сплава). Процесс можно безопасно осуществить только при очень тщательном проектировании местной вытяжной вентиляции. Точно так же производство сплава бериллий-медь требует большого внимания к деталям, поскольку бериллий является наиболее токсичным из всех токсичных металлов и имеет самые строгие пределы воздействия.
Производство оптических волокон является узкоспециализированной, высокотехнологичной операцией. Используемые химические вещества имеют свою особую опасность, а контроль рабочей среды требует проектирования, установки и обслуживания сложных систем LEV и технологической вентиляции. Эти системы должны управляться регулируемыми заслонками с компьютерным управлением. Основные химические опасности связаны с хлором, хлористым водородом и озоном. Кроме того, растворители, используемые для очистки штампов, должны обрабатываться в вытяжных шкафах, и следует избегать контакта кожи со смолами на основе акрилата, используемыми для покрытия волокон.
Изоляция
Как пластмассовые, так и резиновые операции представляют особую опасность, которую необходимо надлежащим образом контролировать (см. главу Резиновая промышленность). Хотя в кабельной промышленности могут использоваться другие соединения, чем в других отраслях, методы контроля одинаковы.
При нагревании пластмассы выделяют сложную смесь продуктов термического разложения, состав которых зависит от исходной пластмассы и температуры, которой она подвергается. При нормальной температуре обработки пластиковых экструдеров переносимые по воздуху загрязняющие вещества обычно представляют собой относительно небольшую проблему, но целесообразно установить вентиляцию над зазором между головкой экструдера и лотком для воды, используемым для охлаждения продукта, в основном для контроля воздействия фталата. пластификаторы, обычно используемые в ПВХ. Фаза операции, которая вполне может потребовать дальнейшего изучения, — это переналадка. Оператор должен стоять над головкой экструдера, чтобы удалить все еще горячую пластиковую смесь, а затем пропускать новую смесь (и на пол) до тех пор, пока через нее не пойдет только новый цвет, а кабель не будет центрирован в головке экструдера. На этом этапе может быть сложно спроектировать эффективный LEV, когда оператор находится так близко к головке экструдера.
Политетрафторэтилен (ПТФЭ) представляет особую опасность. Он может вызвать лихорадку полимерного дыма, симптомы которой напоминают грипп. Это временное состояние, но его следует предотвращать путем адекватного контроля воздействия нагретого соединения.
Использование каучука для изготовления кабелей представляет меньший уровень риска, чем другие виды использования каучука, например, в шинной промышленности. В обеих отраслях использование антиоксиданта (Nonox S), содержащего β-нафтиламин, до его изъятия в 1949 г. приводило к случаям рака мочевого пузыря спустя 30 лет у тех, кто подвергался воздействию до даты изъятия, но ни в только те, кто работал после 1949 г. В кабельной промышленности, однако, не наблюдается роста заболеваемости другими видами рака, особенно рака легких и желудка, как в шинной промышленности. Причина почти наверняка кроется в том, что при производстве кабелей экструзионные и вулканизационные машины закрыты, а воздействие на рабочих паров резины и резиновой пыли, как правило, намного ниже, чем в шинной промышленности. Одним из факторов, вызывающих потенциальную озабоченность на заводах по производству резиновых кабелей, является использование талька. Важно убедиться, что используется только неволокнистая форма талька (то есть та, которая не содержит волокнистого тремолита) и что тальк наносится в закрытом боксе с местной вытяжной вентиляцией.
Многие кабели имеют идентификационную маркировку. Там, где используются современные струйные видеопринтеры, риск для здоровья почти наверняка незначителен из-за очень малого количества используемого растворителя. Однако другие методы печати могут привести к значительному воздействию растворителей либо во время обычного производства, либо, что чаще всего, во время операций очистки. Поэтому для контроля такого воздействия следует использовать подходящие выхлопные системы.
Основными опасностями при изготовлении кабелей с минеральной изоляцией являются воздействие пыли, шума и вибрации. Первые два из них контролируются стандартными методами, описанными в другом месте. Воздействие вибрации имело место в прошлом во время обжим, когда на конце собранной трубы формировалось острие путем ручной вставки в машину с вращающимися молотками, чтобы острие можно было вставить в волочильную машину. Совсем недавно этот тип обжимного станка был заменен пневматическим, что устранило как вибрацию, так и шум, создаваемые старым методом.
Воздействие свинца во время покрытия свинцовой оболочкой следует контролировать с помощью адекватного LEV и запрета на прием пищи, питье и курение сигарет в местах, которые могут быть загрязнены свинцом. Следует проводить регулярный биологический мониторинг путем анализа образцов крови на содержание свинца в квалифицированной лаборатории.
Крезол, используемый в производстве эмалированных проводов, вызывает коррозию и имеет характерный запах при очень низких концентрациях. Часть полиуретана подвергается термическому разложению в печах для эмалирования с выделением толуолдиизоцианата (ТДИ), сильнодействующего респираторного сенсибилизатора. Вокруг печей с каталитическими камерами дожигания необходим хороший LEV, чтобы гарантировать, что TDI не загрязняет окружающую среду.
Вспомогательные операции
Стыковка операции представляют опасность для двух различных групп рабочих — тех, кто их производит, и тех, кто их использует. Производство включает в себя работу с фиброгенной пылью (диоксид кремния), респираторным сенсибилизатором (изоцианат) и кожным сенсибилизатором (акриловая смола). Эффективный LEV должен использоваться для надлежащего контроля воздействия на сотрудников, и необходимо носить подходящие перчатки, чтобы предотвратить контакт кожи со смолой. Основная опасность для пользователей соединений связана с сенсибилизацией кожи к смоле. Это может быть трудно контролировать, поскольку фуганок может быть не в состоянии полностью избежать контакта с кожей и часто будет находиться в удаленном месте от источника воды для очистки. Поэтому необходимо безводное моющее средство для рук.
Экологические опасности и их предотвращение
В основном производство кабеля не приводит к значительным выбросам за пределы завода. Из этого правила есть три исключения. Во-первых, воздействие паров растворителей, используемых для печати и других целей, контролируется с помощью систем LEV, которые выбрасывают пары в атмосферу. Такие выбросы летучих органических соединений (ЛОС) являются одним из компонентов, необходимых для образования фотохимического смога, и поэтому в ряде стран они подвергаются все большему давлению со стороны регулирующих органов. Вторым исключением является потенциальный выброс ТДИ при производстве эмалированной проволоки. Третье исключение состоит в том, что в ряде случаев производство сырья, используемого в кабелях, может привести к выбросам в окружающую среду, если не будут приняты меры контроля. Выбросы твердых частиц металлов от завода по очистке меди огнем и от производства сплавов кадмий-медь или бериллий-медь должны направляться в подходящие системы рукавных фильтров. Точно так же любые выбросы твердых частиц из смеси резины должны направляться в рукавный фильтр. Выбросы твердых частиц, хлористого водорода и хлора при производстве оптических волокон должны направляться в систему рукавных фильтров, за которой следует скруббер с едким натром.