НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ КАБЕЛЬ ДЛЯ ТЕПЛОГО ПОЛА и СИСТЕМ СНЕГОТАЯНИЯ И АНТИОБЛЕДЕНЕНИЯ (обзор основных типов и их свойства)

За окном светит весеннее солнышко, а деревья одеты в ярко-зеленые молодые листья. Зимние холода уже совсем позабыты и хочется думать только о ласковом тепле наступающего лета. Однако именно сейчас самое время начать заботится о том, чтобы с наступлением таких еще нескорых морозов в доме стало по-настоящему тепло и уютно, а на загородном участке комфортно и безопасно.

Можно не спеша присмотреться и примериться к установке электрического теплого пола или системы снеготаяния и антиоблединения. Поскольку главным их элементом является нагревательный кабель, то остановимся на нем подробнее.

Работа нагревательного кабеля основана на известном еще с курса школьной физики законе Джоуля-Ленца. Для тех, кто уже позабыл равнодушно или с радостью, как выглядит учебник физики, напомним основные выводы из этого закона.

Если у нас имеется проводник, по которому течет электроток, то этот проводник будет в любом случае нагреваться. Степень этого нагревания или количество выделяемого тепла зависит от величины протекающего электротока и омического сопротивления проводника. Для кабелей электроснабжения подобный тепловой эффект считается нежелательным и его стремятся уменьшить, а вот для нагревательного кабеля наоборот – стараются сделать выраженным как можно ярче.

Определяющие функционирование нагревательных кабелей основные различия в конструкции позволяют разделить их на два типа: резистивные и саморегулирующиеся.

НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ РЕЗИСТИВНЫЙ КАБЕЛЬ

У нагревательных кабелей данного типа на всей его протяженности выходная мощность имеет постоянное значение и зависит от прикладываемого напряжения, длины отрезка, к которому это напряжение прикладывается, и удельного сопротивления материала жилы (Ом/м).

Применяются они для обогрева самых разнообразных объектов, пребывающих в сильно различающихся условиях внешней среды. Для жил используются металлы и их сплавы, которые характеризуются небольшой величиной температурного коэффициента электрического сопротивления, что и позволяет изготавливать кабель, у которого при нагреве тепловая линейная мощность остается практически неизменной. То есть по всей его длине тепловыделение остается постоянным.

В зависимости от диапазонов рабочих температур их, как правило, подразделяют на три вида: высокотемпературные (до 1000 °С), среднетемпературные (до 250 °С) и низкотемпературные (до 100 °С). Первые характеризуются тепловыделением до 250 Вт/м и находят применение при подогреве различного технологического оборудования, а также продуктопроводов. Для обогрева помещений, крыш, подъездных и садово-парковых дорожек и т.д. используют два других вида резистивных кабелей – имеющих тепловыделение 10-30 Вт/м и рабочую температуру до 250 °С.

В свою очередь, в зависимости от конструктивных особенностей резистивные кабели подразделяются на последовательные и параллельные (зональные).

Последовательный резистивный нагревательный кабель

У такого кабеля рабочим нагревательным элементом выступает тянущаяся по всей его длине сплошная жила. Его общее сопротивление является суммой сопротивлений отдельных участков, то есть зависит от длины подключаемого к электропитанию куска. Поэтому изменение длины кабеля меняет величину его тепловой линейной мощности.

Применяемые в различных обогревательных системах последовательные кабели могут состоять как из одной, так и из двух изолированных жил.

Одножильные в большинстве случаев подключаются к электропитанию обеими концами. Самый дешевый кабель покрывается изолирующим слоем и помещается в защитную наружную оболочку. Более безопасный вариант предполагает наличие уберегающего от поражения током специального защитного экрана.

Этот экран также предназначен для снижения до допустимых санитарных норм значения напряжения электромагнитного поля, которое по закон физики возникает вокруг каждого проводника, если по нему проходит электрический ток.

В некоторых случаях одножильный последовательный резистивный кабель является также и одномуфтовым – один из его концов внутри специальной заглушки (концевой муфты) соединяется с исполняющим роль второго проводника экраном. Последний для выполнения защитных функций обязательно должен соединятся с «нулем».

Двухжильные подключают к источнику питания только одним концом, а на втором располагается соединяющая вместе нагревательную и возвратную (соединительную) жилы муфта. Соединительные муфты являются самым уязвимым элементом в системах кабельного обогрева и технология их изготовления у всех производителей закрыта для свободного доступа.

В случае двухжильного кабеля мы имеем два параллельных проводника, токи по которым текут в противоположных направлениях, что вызывает взамокомпенсацию напряженности возникающих электромагнитных полей. Поэтому он более безопасен для здоровья людей.

В качестве материала для производства нагревательных жил для кабелей с высоким сопротивлением применяют преимущественно нихром (никель-хромовый сплав с добавками марганца, железа, кремния, алюминия), а для кабелей с низким сопротивлением – оцинкованную сталь или покрытую никелем медь.

Изоляция такой жилы может быть как однослойной, так и гарантирующей высокую диэлектрическую прочность многослойной. Для ее изготовления применяется широкий спектр различных материалов: поливинилхлоридный пластикат, высокомолекулярный полиэтилен, фторполимер, эластомер (кремнийорганическая резина или каучук), слюда, стекловолокна и т.д.

Изолированная нагревательная жила помещается в защитный экран, в качестве которого используется оплетка из никелированной или луженой проволоки или сплошная трубка, изготовленная из свинцовой или алюминиевой фольги. В завершение вся эта конструкция покрывается защитной оболочкой из особо стойких к внешним воздействиям полимеров – поливинилхлорида (ПВХ), фторполимера (фторопласта) или светостабилизированного полиэтилена.

В продажу последовательный резистивный кабель поступает или в виде уже готовых нагревательных секций или намотанным на бобины. Нагревательная секция представляет собой уже готовый к подключению отрезок кабеля с установленными на концах соединительными муфтами.

Длина секции подобрана с расчетом полного падения на ней прикладываемого напряжения без наступления перегрева и обычно колеблется от нескольких десятков до нескольких сотен метров. Продаваемый на бобинах резистивный кабель отрезной и потребует расчета эксплуатационных параметров для предотвращения выше допустимого значения нагрева при подключении.

На наш рынок качественный последовательный резистивный кабель поставляют такие производители, как NEXANS (Норвегия), ENSTO (Финляндия), DEVI (Дания), CEILHIT (Испания), ЭКСОН (Украина), ССТ (Россия,

Специальный последовательный резистивный нагревательный кабель

Нередко применение обогревающих систем требует дополнительной повышенной защиты от различных механических повреждений. Специально для таких случаев предназначены армированные и бронированные модели кабелей. В первом варианте поверх защитной полимерной оболочки «одевается» специальная армирующая оплетка из оцинкованной или нержавеющей стальной проволоки.

В отличие от армированного, у бронированного кабеля защитная оплетка-броня, как правило, располагается под полимерной оболочкой. Роль брони исполняет та же оцинкованная или нержавеющая стальная проволока, плотно переплетенная в однослойную или многослойную кольчугу.

И у армированного и у бронированного кабелей оплетка также играет роль экранирующей электрозащиты.

Особые последовательные резистивные кабели – с плоскими ленточными нагревательными жилами запатентованы в Великобритании и США для подогрева продуктопроводов протяженностью в 5 километров.

Для тех же продуктопроводов и емкостей, в которых хранятся различные химически агрессивные вещества, выпускаются модели с минеральной изоляцией. Конструктивно такой кабель представляет собой нагревательную жилу, помещенную в оболочку из металла (жаропрочной или нержавеющей стали, медно-никелевого сплава) и электрически изолированную компактированным порошком оксида магния.

Природный минерал оксид магния или жженая магнезия сохраняет свои высокие диэлектрические свойства в очень широком температурном диапазоне. Его применений для производства нагревательных кабелей позволяет обеспечить им самый высокий уровень пожаробезопасности, стойкость к ультрафиолету, механическую прочность и полного восстановления свойств изоляции после пробоя.

Основные достоинства последовательного резистивного кабеля:

• Разнообразие эксплуатационных характеристик позволяет подобрать модель с наиболее оптимальными параметрами для конкретных условий.
• Высокая гибкость, обеспечивающая простоту монтажа на сложных по форме поверхностях.
• Технологичная несложность изготовления способствует доступной цене на основные применяемые в бытовых условиях виды кабелей.

Основные недостатки последовательного резистивного кабеля:

• Постоянная величина тепловыделения, которая не зависит от внешних условий, что вызывает нерациональное использование электроэнергии.
• Самопересечение или формирование условий, когда в каком-то месте кабеля снижается рассеивание тепла и возникает локальный перегрев приводит к выходу из строя всей секции.

Параллельный (зональный) резистивный нагревательный кабель

Такой кабель имеет две идущие параллельно токопроводящие изолированные жилы, вокруг которых спирально накручивается обладающая высоким сопротивлением греющая проволока (как правило, нихромовая). Проволока посредством специальных контактных окон в изоляции замыкается попеременно то на одну, то на другую жилу, в результате образуя отдельные параллельные тепловыделяющие зоны.

Каждая из таких зон обеспечивает полное падение прилагаемого напряжения без угрозы перегрева. То есть эти зоны образуют цепочку независимых обогревателей. Поэтому такой кабель можно резать на разные куски непосредственно при монтажных работах. При этом надо следить только за тем чтобы величина отрезаемого фрагмента была кратной длине одной зоны, значение которой в зависимости от модели колеблется в пределах 0.7-2.0 м

Подобный качественный кабель на наш рынок поставляют THERMON (США) и HEAT TRACE (Великобритания).

Основные достоинства параллельного резистивного кабеля:

• Не боится перехлестов или снижения теплоотвода – в этих случаях из строя выходит только одна испытавшая перегрев тепловыделяющая зона.

Основные недостатки параллельного резистивного кабеля:

• Как и последовательного – это постоянство тепловыделения вне зависимости от внешних условий, что не позволяет экономить электроэнергию.
• Длина нарезаемых для монтажа фрагментов зависит от величины тепловыделяющей зоны.

НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ САМОРЕГУЛИРУЮЩИЙСЯ КАБЕЛЬ

Основой такого кабеля является специальная тепловыделяющая матрица, состоящая из изолирующего полимера и токопроводящих включений из углеродного материала (сажи). Ее особенность заключается в изменении объема в зависимости от внешней температуры. При ее понижении он уменьшается и включения контактируют между собой, образуя множество токопроводящих дорожек – в результате общее значение тепловыделения кабеля возрастает.

С возрастанием внешней температуры матрица расширяется, количество образующих проводящие дорожки контактирующих включений уменьшается, и тепловыделение кабеля снижается. То есть кабель сам подстраивается под окружающую его температуру. Матрица обеспечивает интервал изменений линейного тепловыделения кабеля в зависимости от предельной для конкретной модели температуры. Колебания могут быть в диапазоне от 6 Вт/м до 100 Вт/м.

Конструкция такого кабеля представляет собой две параллельные токопроводящие жилы из меди, пространство между которыми заполнено образующей непрерывный нагревательный элемент тепловыделяющей матрицей. Жилы имеют площадь сечения 1.0 – 1.5 м² и состоят из 17 – 19 тонких проводов. Для предотвращения окисления и старения желательно, чтобы провода имели никелевое покрытие. Наиболее оптимальна скрутка из 19 проводов, поскольку ее поперечное сечение по форме почти круговое и при экструзии материала матрицы не возникает воздушных зазоров.

Матрица и жилы помещаются во внутренний изоляционный слой, который сверху покрывается экраном (специальной фольгой или оплеткой из никелированной или луженой проволоки). Затем наносится внешняя изолирующая пластиковая защитная оболочка. Использование двух слоев изоляции обеспечивает повышенную диэлектрическую прочность и стойкость к ударным нагрузкам.

По типу используемого для внешней оболочки материала саморегулирующиеся кабеля подразделяются на полиолефиновые и фторопластовые. Первые покрыты полиэтиленом с добавлением различных функциональных добавок. Так, например, для использования в системах антиобледения на крышах зданий обязательно наличие UV-добавки. Оболочки второго типа обеспечивают кабелю повышенную стойкость к действию различных агрессивных сред.

Основные достоинства саморегулирующегося кабеля:

• Тепловыделение регулируется в зависимости от внешней температуры, что позволяет рационально использовать электроэнергию.
• Не боится снижения теплоотвода в окружающую среду или перехлестов.
• При монтаже можно разрезать в любом месте фрагментами длиной от 20 см.

Основные недостатки саморегулирующегося кабеля:

• При низкой окружающей температуре характеризуется высоким стартовым током.
• Для систем на его основе недоступен режим ускоренного нагрева.