Саморегулирующийся кабель - «умные» технологии на службе человека

Востребованность саморегулирующегося греющего кабеля у домохозяйств и в промышленности растет с каждым годом. Приход первых осенних заморозков, внезапное наступление минусовой температуры на улице очень часто становится неожиданностью для владельцев частных домов и руководства административных и производственных сооружений. Возникает риск замерзания и разрыва водопроводных и канализационных труб, обледенения ступенек, на крыше образуются сосульки, которые обрываются и наносят ущерб. Саморегулирующийся нагревательный кабель в этой ситуации становится универсальным и эффективным решением по борьбе с антиобледенением.

Общая характеристика и отличия саморегулирующегося кабеля 

Саморегулирующиеся нагревательные кабели – это целая линейка нагревательных кабелей и лент, разработанных благодаря полупроводниковым нанотехнологиям, отличительной особенностью которых является самостоятельное изменение мощности на разных участках одного и того же отрезка в зависимости от окружающей температуры. Они пользуются популярностью при установке систем антиобледенения, обогреве бытовых труб, а также нефте- и газопроводов. 

Нагревательные кабели для систем антиобледенения должны соответствовать строгим критериям по уровню надежности и срока службы. На практике в качестве подобных соединений чаще всего применяют два вида электрокабелей: резистивные и саморегулирующиеся. 

Резистивные кабели с постоянной мощностью представляют герметичную жилу из меди, имеющую сопротивление всей цепи постоянному току (т.н. омическое сопротивление) и покрытую специальной защитной оболочкой. Данная жила одновременно играет роль элемента накаливания. Подобные соединения обладают конкретной протяженностью, а их способность выделять тепловую энергию никак не связана с температурой воздуха. 

У саморегулирующихся кабелей в роли элемента нагрева выступает проводящая матрица на базе углеродного полимера, способного изменять такую характеристику как проводимость в зависимости от температуры окружающей среды. Кабель выделяет оптимальную мощность обогрева точечно именно там и тогда где это необходимо. По мере того как окружающая температура падает, выделяется больше тепла. И наоборот, при повышении температуры выделяется меньше тепла. 

Недостатков, связанных с излишним повышением температуры или, наоборот, с его нехваткой тут не бывает. Кроме того, за счет наличия устройства автоматического регулирования создается большая экономия электроэнергии. В частности, системы защиты от образования льда на резистивных соединениях (постоянных по мощности) расходуют вдвое большее количество энергии, чем такие же структуры на саморегулирующемся типе соединений. Вдобавок к этому, системы электрообогрева с автоматической регуляцией обеспечивают максимальную безопасность, а для экстремальных и трудных условий использования производятся особые виды электрических соединений согласно нормам американского института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике и европейского комитета электротехнической стандартизации.

Такая система обогрева гораздо более совершенна и безопасна, чем резистивная и способна даже без дополнительной автоматики обеспечить самый оптимальный режим обогрева. Ее монтаж более удобен так как кабель можно резать на месте установки именно той длины, которая нужна для конкретных целей.

Принцип работы и конструкция

Саморегулирующиеся ленты и кабели изменяет мощность и выделение тепла, учитывая температуру атмосферы, т.е. они постоянно чувствуют перепады температуры без каких-либо дополнительных сенсоров. В итоге различные места соединения кабеля с обогреваемым объектом могут обладать отличающейся температурой, а смежные с соединением устройства и механизмы будут повышать свою температуру в разной мере. 

Для подачи напряжения по всей длине саморегулирующихся лент, не пересекаясь, встроена пара медных многожильных проводников. На них подается постоянное электрическое напряжение. Между проводниками электричества размещен ключевым элементом кабеля - специально изготовленная полупроводниковая углеродистая полимерная матрица с обозначением PTC (Positive Temperature Coefficient – Позитивный Температурный Коэффициент). Смысл эффекта PTC состоит в том, что углеродистый наноматериал, составляющий матрицу при достижении порогового значения меняет свое сопротивление и выделяет меньше мощности. У каждого производителя саморегулирующегося кабеля есть своя уникальная секретная технология или рецепт производства матрицы (как рецепт изготовления хлеба у каждого пекаря). Причем рецепт сажи, из которой делается матрица, отличается для различных по мощности и назначению типов самрега. В процессе производства сажа проходит процесс «сшивания» путем облучения ускорителем электронных частиц. Это необходимо, чтобы помочь матрице сохранить характеристику PTC и полимерную устойчивость при многократном нагреве-остывании.

Известно также, что в структуре матрицы помимо частиц графита добавляются мелкие металлические нано-частички для проводимости тока внутри всей структуры. Разогретая матрица расширяется, разрываются проводящие металло-графитовые мостики. В результате увеличивается сопротивление участка, уменьшается ток, уменьшается тепловыделение. При остывании происходит обратный процесс: матрица ужимается, количество каналов связи между токопроводящими металлическими наночастицами становится больше, сопротивление силовой части уменьшается, мощность и выделение тепла возрастает.

Защитная внутренняя изоляция из Полиолефина или Фторполимера защищает матрицу от износа и влаги, а дополнительная оплетка из металла осуществляет функцию механической защиты и заземления одновременно. Наружная оболочка кабеля покрывается также Полиолефином или Фторполимером. При необходимости в состав оболочки добавляются элементы, стойкие к УФ-излучению, если кабель предназначен для размещения на открытом солнце.

При подключении саморегулирующегося электрокабеля к сети начинается накал матрицы по всей протяженности. Затем, в зависимости от величины нагрева, происходит уравновешение, т.е. различные места соединения будут выделять отличающуюся по величине мощность тепловой энергии.

История изобретения саморегулирующегося кабеля

Считается, что прообраз саморегулирующегося кабеля появился в Норвегии во время Второй мировой войны. 16 сентября 1940 (т.е. еще до начала военных действий в этой стране) под номером 747 883 в Осло был опубликован патент, автором которого был Педер Гуннар Слетнер. Однако в связи с войной и оккупацией, данный патент не был рассмотрен. Его автор вынужден был эмигрировать в США и только в 14.05.1947 он заново представил свой текст в Ведомство по патентам и товарным знакам США. Документы внимательно изучались комиссией более двух лет. В итоге 17.01.1950 года данный патент был официально опубликован Ведомством под уникальным номером US2494589 A.

Согласно опубликованного текста, было запатентовано изобретение, представляющее структуру из двух или большего количества проводников электричества с противоположной полярностью (фазовых и нейтральных). Проводники электричества идут параллельно друг другу, не пересекаясь, но, в то же время, они соединяются между собой благодаря n-ому числу контактов (резисторов), параллельных подключенных к ним. Резисторы представляют собой тонкие проволочные спирали из металла высокого сопротивления.  Следует отметить, что в тексте патента пока что вообще отсутствуют упоминания о компонентах (материалах) современных саморегулируемых систем - полимерной матрице. На тот момент химия не была способна синтезировать такие сложные материалы. Вместо этого Педер Слетнер предлагает нам фактически тот же самый резистивный кабель, обладающий одним уникальным свойством: его можно было резать на любые длины, не беспокоясь об изменении его характеристик после отреза. Таким образом был изобретен зональный кабель.

Кабель Слетнера имеет существенное преимущество перед резистивными кабелями – при перегорании одного резистора (соединителя токопроводящих жил), система продолжает работать в полноценном режиме. Перестает греть только ее небольшой участок. Это изобретение давало большие перспективы при использовании такого кабеля в системах электрообогрева.

После патента Слетнера, пошла череда патентов по доработке его изобретения. В частности, патенты 3757086 и 4037083 предлагали различные варианты сплавов резисторов (нихром, фехрал) для увеличения выделяемой мощности и КПД греющего кабеля. Но это не решало вопрос саморегуляции системы.

Технология параллельного соединения греющего кабеля, позволяющая резать и муфтовать нагревательный кабель любых длин, стала использоваться в коммерческих целях c 1971.  Данную технологию выкупила и стала использовать для коммерческих целей американская компания Raichem, в настоящее время мировой лидер в производстве нагревательных кабелей.

Далее, на протяжение почти 20 лет следовала целая череда патентов, в основном американских авторов, которые стали предлагать решения, позволяющие зональному кабелю выделять температуру, отличающуюся на разных участках одного и того же отрезка.

Впервые о решении вопроса автономного регулирования температуры кабеля было заявлено в патенте US4250400 A от 10.02.1981 г. В нем предлагалось посередине спиральных резисторов (проводов высокого сопротивления) подключать небольшой термостат в виде таблетки. Этот дисковый термодатчик выступал за пределы кабеля и должен был контактировать с обогреваемой поверхностью. При увеличении температуры поверхности, сопротивление термодатчика увеличивалось, что уменьшало линейно протекающий электрический ток. В итоге мощность кабеля падала. Таким образом, появился первый в истории саморегулирующийся кабель. На схеме ниже изображена схема данного изобретения.

И только, спустя 10 лет, 16.06.1992г. появляется патент US5122641 за авторством Роберта М. ДеЧурча, в котором уже явно начинает обсуждаться полимерная матрица, как нагревательный элемент кабеля. В патенте ничего не говорится о составе полимера, упоминается только, что это могут быть "различные материалы", например, графитовая или угольная стружка. Зато в запатентованном изобретении уже имеются ориентировочные чертежи технологического процесса производства полимерной матрицы.

В начале 90-х годов на рынке начинает появляться первый полноценный саморегулирующийся кабель с полимерной матрицей. Вначале, это кабели производства Raichem (США), затем Heat Trace (Англия), BARTEC (Германия) и т.д. 

В странах СНГ кабель вышеуказанных производителей пришел в конце 90-х годов и вначале из-за дороговизны использовался только в системах обогрева газо- и нефтепроводов. Далее в 2000-е годы появился более доступный саморегулирующийся кабель из Ю.Кореи, где некоторые заводы выкупили секрет технологии производства матрицы. Примерно в то же время отдельные европейские и американские производители стали выпускать продукцию под своим брендом на заводах Китая. Однако в дальнейшим, этим заводам было разрешено производить свой небрендированный кабель с отсутствием контроля качества западных производителей. В результате цены на этот продукт существенно снизились, и теперь средняя цена самрега для антиобледенения составляет 5-7 $ за 1 погонный метр. Однако встречаются китайские образцы и за 3-4$. Естественно, это не касается высокотемпературных специализированных кабелей для промышленных целей, где цена за 1 м погонный доходит до 50$ и выше.

В настоящее время отдельные российские производители заявляют о том, что обладают технологией производства саморегулирующейся матрицы. Однако качество такой матрицы еще очень сырое, пусковые токи высоки, а срок службы сильно ограничен. Поэтому основная линейка дорогих кабелей для промышленного электрообогрева выпускается у них на базе матрицы, закупаемой у европейских либо американских заводов.

Достоинства и недостатки саморегулирующихся систем обогрева

Достоинства:

• Отсутствие перегрева. Саморегулируемые термокабели можно перекрыть друг другом без любого риска перегреть их. Их пересечение друг с другом не наносит никакого вреда. Это имеет немаловажное значение для регулировочнозапорных механизмов, например, когда нужно обмотать задвижку на трубе. Также случается, что греющий кабель в системах антиобледенения закрывается грязью, листьями и прочим мусором. В этом случае обычный резистив сгорит в то время как самреги будут надежно работать;
• Удобство нарезки. Такие кабели можно отрезать из общей бухты по не обходимой длине сразу на месте «в поле». Это дает дополнительную гибкость, когда планы не соответствуют ситуации «реальной жизни» на месте. Подобные соединения можно делить на куски необходимой протяженности с предельной длиной до 0,7 - 0,15 км (в зависимости от типа самрега). В отличие от них, резистивные кабели обладают четко установленной длиной;

• Саморегулировка. В процессе эксплуатации не требуется устанавливать сложные многоканальные терморегуляторы, т.к. кабель резко снижает мощность после достижения определенной пороговой температуры. Этот режим идеален для антиобледенительных систем, где зачастую очень сложно по всей длине сечения поддерживать нужную температуру. Самрег же сам находит подходящую температуру под каждую зону;

• Экономия электричества. За счет точечного выделения тепла там, где это требуется и минимального тепловыделения в местах, не требующих обогрева, саморегулирующий кабель гораздо экономнее резистивного. В системах антиобледенения резистивный кабель подключается как правило к одному термодатчику и выделяет тепло там, где находится датчик и требуется обогрев, так и в местах, где это не нужно.

Недостатки:

• Пусковая мощность. При установке надо иметь в виду, что начальное напряжение может быть больше рабочего номинального напряжения максимум вдвое, а питающая сеть должна с этим справиться. Аналогичная ситуация складывается и с подбором регулирующей аппаратуры подходящей мощности;

• Ограниченное тепловыделение. Повысить температуру в комнате посредством этого соединения за короткий срок невозможно. При нагреве комнаты, мощность кабеля падает, и он перестает так же интенсивно нагревать окружающее помещение;
• Сравнительно высокая стоимость. Цена в расчете на 1 метр погонный саморегулирующегося кабеля в 2-3 раза выше чем у кабеля постоянной мощности. Это может сразу отпугнуть потребителя, не разобравшегося в вопросе. Если же посчитать экономию электроэнергии и остальные плюсы, то такое превышение цены вполне оправданно;
• Относительно небольшая длина одного участка. В зависимости от типа кабеля, максимальный отрезок саморегулирующегося кабеля не может превышать 65-120 метров. У резистивов длина в разы выше. Это накладывает задачи по установке дополнительных точек запитки;
• Ограниченный срок службы. Такой кабель в среднем служит около 10-15 лет. Далее его матрица начинает деградировать и существенно снижать мощность вплоть до 0.

Виды и типы «самрегов»

В бытовых системах электрообогрева в основном применяется низкотемпературный саморегулирующий кабель, который выдерживает разогрев до 85 C. Среднетемпературные и высокотемпературные кабели имеют значительно большую термостойкость и применяются как правило в добывающей и обрабатывающей промышленности.

По назначению саморегулирующиеся кабели и ленты классифицируют:

• Для обогрев бытовых труб;
• Для систем антиобледенения (обогрев крыш, водостоков, дорожек, площадок);
• Для промышленного обогрева (обогрев нефте- и газопроводов, промышленных емкостей).

По наличию экранирующей оплетки кабели делятся на:

• Экранированные – с защитным заземляющим экраном;
• Неэкранированные – без защитной оплетки и заземления.

За счет наличия экрана цена кабеля возрастает в 2 раза, поэтому в обычных бытовых местах обогрева, которые не подвергаются механическим воздействиям и мало контактируют с человеком рационально приобрести неэкранированный вариант.

По линейной мощности (мощность на 1 метр погонный) бывают следующих основных видов:

• 10 Вт/м.пог. –  для обогрева внутри труб; 
• 15 Вт/м.пог. – для обогрева внутри и снаружи труб;
• 24 Вт/м.пог. – обогрев крыш, дорожек, снаружи трубы; 
• 30 Вт/м.пог. –  обогрев крыш, труб и систем антиобледенения;
• 40 Вт/м.пог. – обогрев крыш, водостоков, ендов, систем антиобледенения.

Также существует классификация по типу наружной оболочки:

• С пищевой оболочкой – для обогрева внутри водопроводных труб и канализации;
• С УФ-защитой – для размещения на крышах и местах, где много излучаемого солнцем ультрафиолета.

Помимо вышеуказанных, имеются узкоспециализированные кабели для промышленного обогрева, описание которых можно найти в соответствующем разделе нашего сайта.

Применение в народном хозяйстве

• В строительных работах саморегулирующиеся кабели используются для охраны систем коммуникаций от обледенения. При этом электрическое соединение способно находиться во внутренней части трубопровода и на внешней стороне. Данное обстоятельство имеет значение тогда, когда трубопровод от колодца или системы сброса нечистот проложен на поверхности почвы, и нужно защитить его от обледенения в холодное время года. Аналогичная ситуация с фундаментами, находящимися на небольшой глубине. В этом случае трубопровод, идущий от насосной станции к гребенке, где расположены узлы управления, тоже требует дополнительной защиты от холода. Тут следует принять во внимание возможность отрезать часть соединения нужной протяженности, что во многом поможет сделать оптимальным расход электричества, требующийся для этой системы.

Для повышения температуры во внутренней части водопровода с пресной питьевой водой применяются соединения, гигиеническая безопасность которых подтверждена специальным документом. Такие кабели устанавливаются посредством особых сальников и взаимодействуют с питьевой жидкостью. Это профильные соединения, одобренные организациями, контролирующими обеспечение безопасности для окружающей среды;

• Для защиты от образования ледяного покрытия на лестничных пролетах, площадках, автостоянках, приспособлений для подъема инвалидных колясок во избежание получения людьми различных травм, тоже используют соответствующие системы повышения температуры;

• Для защиты от холода кровли и ее элементов, для противодействия обледенению систем удаления воды с крыши. Установка кабеля способна предупредить образование ледяной корки и сосулек. Если не предпринять эти шаги, то может быть нанесен вред крыше, трубам для удаления воды, сети кабеля. От падения ледяных образований с крыши может быть нанесен причинен вред как имуществу, так и жизни или здоровью людей;

• В газовых, химических и нефтяных отраслях для повышения температуры внутри труб в холодной атмосфере (для того, чтобы не допустить их обледенения); для повышения температуры труб для повышения проходимости текущих по ним веществ (для того, чтобы не допустить появление очень плотных образований и сужений, мешающих проходимости);

• Для регулировки температур резервуаров с продукцией нефтяной промышленности (масло, битум, гудрон и др.). То же самое справедливо для химически активных растворов, веществ и проч. Охранные мероприятия дают возможность предотвратить имущественный ущерб;

• В пищевой отрасли повышают температуру водоотводных трубок холодильных установок, образуют в холодильных установках испарение, согревают лотки дренажа из отсеков холодильных установок, повышают температуру картеров поршневых видов помп перед их активацией в холодных условиях. Кроме того, саморегулирующиеся кабели выполняют повышение температуры отдельных резервуаров с запасами продовольствия, пресной водой и противопожарные емкости;
• Для увеличения температуры земной поверхности в различных строениях сельхозназначения, включая теплицы и помещений для содержания скота. За счет систем на базе электрических соединений, способных к автоматическому регулированию, появляется возможность, затратив небольшие расходы, сформировать комфортные условия в подобных строениях в течение всех сезонов календарного года, что хорошо отражается на отрасли сельского хозяйства в целом.

Советы по выбору

Выбирая себе саморегулирующийся кабель, не всегда нужно ориентироваться на цену. Нужно учитывать для чего вы его будете использовать и в каких условиях он будет эксплуатироваться. Вот некоторые моменты, которые нужно знать перед покупкой:

• Мощность кабеля. Для обогрева труб снаружи обычно используют кабели 16-30 Вт/м.пог., если кабель будет обогревать трубу изнутри, то 10-15 Вт линейной мощности вполне хватит. Для крыш и водостоков обычно используют самреги мощностью 30-40Вт/м.пог;
• УФ-защитная оболочка. Если кабель будет лежать на открытом солнце и на него будет воздействовать УФ-излучение, то нужно покупать кабель с УФ-защитой;
• Заземляющая оплетка. Саморегулирующиеся кабели продаются как с заземляющей оплеткой (экраном), так и без. Цена кабеля без «земли» примерно в 1,5-2 раза дешевле. Его целесообразно применять для обогрева труб, уходящих в землю, скважин, на крышах. Самое главное – это смуфтовать данный кабель надежной клеевой заделкой, чтобы обеспечить защиту от проникновения воды. Кабель с экраном более безопасен, однако, но значительно дороже, что не всегда оправдано, тем более что саморегулирующаяся нагревательная матрица у них одинаковая. Она определяет долговечность работы кабеля и в этом плане одинаковый по срокам службы кабель будет серьезно отличаться в цене;

• Пусковая мощность. При включении любого саморегулирующегося кабеля его потребляемая мощность выше номинальной. У хорошего качественного саморегулирующегося провода мощность возрастает на 20-50%, у низкосортного самрега (как правило китайского производства) пусковая мощность может «взлететь» в разы. Это говорит о нестабильности матрицы и ее недолговечности. Также низкосортный кабель требует более мощные автоматы для запитки;

• Воздушные полости. При покупке необходимо сжать пальцами кабель и провести ими по его длине. Некачественный кабель изготавливается не по стандартам и у него внутри будут нащупываться воздушные полости. Будет ощущение что вешняя оболочка отстает от внутренних частей кабеля. И, наоборот, если в процесс производства отлажен, соблюдена технология, то внешняя оболочка плотно сидит на кабеле, составляет с ним единое целое;
• Толщина. Саморегулирующийся кабель как правило имеют ширину около 1 см и толщину 3-4 мм. На рынках Минска и в Областях продавцы, стараясь привлечь покупателя «красной» ценой, подсовывают китайский кабель. Доходит до того, что его ширина составляет немногим более 0,5 см. При такой толщине площадь выделяемого тепла гораздо ниже и такой самрег гораздо менее эффективен. А если матрица, которая в 2 раза меньше по размеру, выделяет аналогичное тепло, то срок ее работы недолговечен. К тому же есть вероятность что со временем питающие жилы могут замкнуться друг с другом из-за того, что в каких-то местах греющая матрица подплавиться или разрушится.

Особенности монтажа

Основной частью монтажа саморегулирующегося кабеля является его муфтирование и соединение с силовой частью. Для самостоятельного производства данных работ достаточно строго следовать инструкции, которые вкладываются в монтажные наборы, ну и самое главное, уважительно относиться к такому небезопасному явлению как электричество.

Для муфтирования саморегулирующегося кабеля вам потребуется:

• Комплект термоусадок и обжимных клемм;
• Плоскогубцы;
• Строительный фен (в крайнем случае можно обойтись зажигалкой);
• Канцелярский либо остро заточенный бытовой нож, небольших размеров;
• Силовой провод (двухжильный – для кабеля без оплетки; трехжильный – для кабеля с оплеткой).

Сперва необходимо подготовить трехжильный (двухжильный) силовой кабель, аккуратно сняв часть наружной изоляции и сняв слой с изолятора каждого провода длиной около 1 см. С нагревательного провода ножом снимается основная изоляция длиной около 5 см. Переплетенную между собой и намотанную на внутреннюю часть кабеля проволочную оплетку экрана нужно раскрутить, а затем снова скрутить в 1 жилу. Она будет использована для заземления.

Отступив от края кабеля на 2 см, снимаем двойной изоляционный слой, под которым находится саморегулирующаяся матрица черного цвета. Ее нужно также вырезать острым ножом, оставив очищенными только идущие вдоль нее 2 медные жилы, длиной около 1 – 1,5 см.

На силовом трехжильном кабеле необходимо согнуть желто-зеленый провод в противоположную сторону, который будет использоваться для подключения заземления. Затем скрученная оплетка заземляющего провода соединяется с желто-зеленым проводом и фиксируется термоусадочной трубкой большего диаметра. Для этого на срезанную небольшую трубочку надевают нагревательный элемент и это место прогревает феном конструкцию до полной усадки.

Два других провода соединяются с 2-мя медными жилами нагревательного кабеля. Соединение проводов осуществляется таким образом: берем обжимные гильзы из комплекта для монтажа и одеваем эти гильзы с одной стороны на медные жилы греющего кабеля, а с другой - на оголенную часть силового провода и затем обжимаются плоскогубцами.

После того, как два основных провода надежно закреплены изолированными втулками, на стык надевают термоусадочные трубки меньшего диаметра и нагревают феном либо зажигалкой до уменьшения в объеме. В процессе нагрева из трубки выделяется клей, что позволяет надежно зафиксировать проводное соединение.

Второй конец саморегулирующей ленты также нужно изолировать с помощью оставшихся термоусадок. Для этого нужно сделать разрезать кабель вдоль пополам  0,5-1 см, стараясь не оголять медные жилы вдоль кабеля. Затем одну из получившихся половинок нужно срезать ножом а другую оставить в таком виде. Это делается с целью исключить замыкание медных жил между собой. Далее на конец кабеля одевается термоусадка и нагревается феном. Можно также обжать кончик плоскогубцами для плотного склеивания.

Подключение нагревательного элемента завершено, и вы можете устанавливать его в качестве главного элемента антиобледенительной системы.