КАБЕЛЬ СИЛОВОЙ ТРЁХФАЗНЫЙ С ОПТИКО-ВОЛОКОННЫМ МОДУЛЕМ В ЦЕНТРЕ СЕРДЕЧНИКА

Полезная модель относится к кабельной технике, а именно к конструкциям кабелей силовых с изоляцией из сшитого полиэтилена, применяемых для передачи и распределения электрической энергии в стационарных установках на номинальное переменное напряжение 6, 10, 15, 20, 30, 35, 45, 66, 110, 132, 150, 220, 275, 330 кВ.
Известен силовой кабель, являющийся близким аналогом (прототипом) заявляемой конструкции силового кабеля, это кабель силовой, содержащий три металлические токопроводящие жилы, каждая из которых покрыта первым слоем из электропроводящей сшитой композиции полиэтилена, изоляцией из сшитой композиции полиэтилена, вторым слоем - из электропроводящей сшитой композиции полиэтилена, слоем из электропроводящей ленты и металлическим экраном, при этом токопроводящие жилы, покрытые указанными слоями, скручены в сердечник вокруг жгута из полимерного материала, а поверх скрученных жил содержится разделительный слой и наружная оболочка, при этом разделительный слой выполнен из поливинилхлоридного пластиката с кислородным индексом не менее 28, а наружная оболочка выполнена из поливинилхлоридного пластиката с кислородным индексом не менее 32. (патент RU №148879, М.кл. Н01В 7/295, опубликовано 20.12.2014).
Признаки известного кабеля, совпадающие с признаками заявленной полезной модели, заключаются в выполнении трехфазного кабеля с медными или алюминиевыми токопроводящими жилами, экраном по жиле из электропроводящей сшитой полимерной композиции, изоляции из сшитой композиции полиэтилена, экраном по изоляции из электропроводящей сшитой полимерной композиции, наличии наружной оболочки. Наличие разделительного слоя, слоя из электропроводящей ленты, и металлического экрана в частных случаях исполнения.
Отличительными признаками предложенной полезной модели и известной конструкции кабеля является наличие волоконно-оптического модуля, расположенного в центре сердечника.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в расширении арсенала силовых кабелей с полиэтиленовой изоляцией на среднее и высокое напряжения за счет введения в конструкцию волоконно-оптических модулей, что, в свою очередь, повышает надежность работы силового кабеля.
Технический результат достигается тем, что кабель силовой, содержащий три круглые металлические токопроводящие жилы, каждая из которых покрыта первым слоем из электропроводящей сшитой композиции полиэтилена, изоляцией, вторым слоем - из электропроводящей сшитой композиции полиэтилена, при этом токопроводящие жилы, покрытые изоляцией и двумя электропроводящими слоями, скручены в сердечник, а поверх скрученных жил содержится внутренняя оболочка и наружная оболочка, возможно наличие индивидуальных металлических экранов поверх электропроводящего слоя из сшитой композиции полиэтилена изолированных токопроводящих жил или общего металлического экрана поверх внутренней оболочки по скрученным в сердечник токопроводящим жилам, при этом в центре скрутки токопроводящих жил расположен волоконно-оптический модуль. Волоконно-оптические модули могут быть одномодовыми или многомодовыми с коэффициентом затухания не более 0,8 дБ/км при длине волны 1300÷1310нм и с шагом общей скрутки не более 50 Бскр.
Токопроводящие жилы могут быть выполнены медными или алюминиевыми. По токопроводящим жилам может быть дополнительно наложен слой из электропроводящей полимерной ленты. При наложении металлического экрана он выполняется из медных проволок, обмотанных медной лентой, или пасмой из медных проволок, или из алюминиевых (или из алюминиевого сплава) проволок, обмотанных алюминиевой (или из алюминиевого сплава) лентой, либо обмотанных арамидной или полимерной нитью, или полимерной лентой. Металлический экран может быть наложен либо на каждую токопроводящую жилу, либо на скрутку жил (общий экран) поверх внутренней оболочки. На металлический экран может быть дополнительно наложен разделительный слой.
Наружная оболочка кабеля выполнена из полиэтилена, либо из поливилхлорида, либо из поливинилхлорида пониженной горючести, либо поливинилхлорида пониженной горючести в хладостойком исполнении, либо из поливинилхлорида пониженной пожароопасности, либо из поливинилхлорида пониженной пожароопасности с низким дымовыделением в холодостойком исполнении, либо из полимерной композиции, не содержащей галогенов, либо из полимерной композиции, не содержащей галогенов в холодостойком исполнении, либо из огнестойкой полимерной композиции, не содержащей галогенов. Наружная оболочка кабеля может быть выполнена также в усиленном или двухслойном исполнении. В зависимости от сложности кабельной трассы, для которой предназначен изготавливаемый кабель, выполняется и наружная оболочка: либо номинальной толщиной от 2,3 мм (для кабелей с расчетным диаметром под оболочкой до 40 мм) до 2,7 мм (для кабелей с расчетным диаметром под оболочкой 50 мм), либо в усиленном варианте, т.е. с увеличенной толщиной наружной оболочки от 2.8 мм до 3,2 мм соответственно для кабелей с тем же расчетным диаметром кабеля под оболочкой; или с продольными ребрами жесткости (110 кВ и более) для предотвращения повреждений оболочки и повышения механической прочности. Данная конструкция обеспечивает дополнительную защиту кабеля в процессе монтажа и эксплуатации для прокладки в сложных кабельных трассах с большим числом изгибов. Также в зависимости от выполняемой задачи и места эксплуатации наружная оболочка кабеля может быть выполнена в двухслойном варианте, т.е. каждый слой наружной оболочки выполнен из одного материала, но разных марок в зависимости от поставленной задачи. Например, оба слоя наружной оболочки выполнены из поливинилхлоридного пластиката, но внешний слой выполнен из поливинилхлоридного пластиката марок, обеспечивающих повышенные механические характеристики для защиты кабеля от внешних механических повреждений, а внутренний слой наружной оболочки выполнен из марок поливинилхлоридного пластиката с улучшенными пожароопасными характеристиками (пониженной горючести или пониженной пожароопасности), но не обладающими достаточно высокими механическими характеристиками для защиты кабеля от внешних механических повреждений. Таким образом, наружная оболочка силового кабеля благодаря двухслойной наружной оболочке надежно защищает кабель от механических повреждений и защищает кабель в условиях пожароопасной экстремальной обстановки.
Кабель может быть выполнен в герметизированном варианте, с герметизацией токопроводящей жилы и с наложением поверх металлического экрана, поверх электропроводящего экрана по изоляции и поверх внутренней оболочки водоблокирующей ленты, с выполнением жгута в центре сердечника с водоблокирующими нитями (помимо волоконно-оптического модуля). А поверх наружной оболочки наложен электропроводящий слой.
Опыт работы с силовыми кабелями на среднее и высокое напряжение показал, что для оптимизации работы кабеля в различных условиях, необходимо обеспечить постоянный контроль параметров работы кабеля, чтобы в случае возникновения неисправностей в энергосистеме, которые могут привести к выходу из строя кабеля, например, участков повышенного нагрева, эти причины были своевременно устранены. Необходимо постоянно следить, чтобы пределы максимально допустимой рабочей температуры не были превышены по всей длине кабельной линии. В качестве датчика контроля температуры предлагается использовать волоконно-оптический модуль. Оптико-волоконные системы могут работать в качестве распределенных измерительных датчиков. Физические величины, например, температура или давление воздействуют на стекловолокно и меняют свойства световодов. Импульс, распространяющийся вдоль оптико-волоконной жилы, взаимодействует с материалом световедущей жилы, по изменению возвращенного (или отраженного) сигнала можно получить информацию о температуре вдоль оптико-волоконного модуля и, следовательно, о температуре силового кабеля, в конструкцию которого он входит.
Такие датчики, имея малый вес, малые размеры и обладая высокой чувствительностью, могут контролировать параметры на расстоянии до нескольких километров, при этом они нечувствительны к электромагнитным помехам и абсолютно взрывопожаробезопасны.
Волоконно-оптические модули, встроенные в конструкцию силового кабеля среднего и высокого напряжения обеспечивают объективный контроль температуры кабеля с целью обнаружения критических мест на трассе. Основное преимущество такой системы заключается в ее мультиплексности, то есть контроль температуры в сотнях точек производится одним датчиком, в то время как дискретная система обеспечивает передачу данных только из одной точки, и эти данные считаются средним показателем какого-либо конкретного участка. Эта технология практически не зависит от возможных потерь на затухание в оптическом волокне и дает возможность измерить температуру. Для кабельных линий небольшой протяженности (до 10 км) и/или с минимальным количеством соединительных муфт, используется многомодовое оптоволокно при длине волны до 1300 нм, для кабельной трассы большей протяженности (до 20 км) и/или с большим количеством соединительных муфт, когда оптические потери при мониторинге становятся проблемой, используется одномодовое волокно с низкими потерями при длине волны более 1300 нм. Можно производить одностороннее и двустороннее измерение встроенного в кабель оптического волокна. Таким образом, обеспечивается точное и непрерывное измерение температуры вдоль всей длины оптического волокна. Благодаря встроенному в конструкцию силового кабеля волоконно-оптическому модулю можно осуществлять
мониторинг температуры кабеля вдоль всей длины кабельной линии;
расчет на основании полученных данных допустимой пропускной способности кабельной линии;
определение расстояния до места разрыва при повреждении кабеля;
повысить оперативность в принятии решений по работе определения мест перегрева и, таким образом, снизить количество случаев перегрева;
управление кабельной линией на основе данных контроля.
В соответствии со своим назначением, кабель с волоконно-оптическим модулем должен обладать теми же эксплуатационными характеристиками, что и стандартный кабель без оптико-волоконного модуля, т.е. использование оптико-волоконного модуля в конструкции силового кабеля не ухудшает его эксплуатационных характеристик. При этом, важное значение имеет выбор волоконно-оптического модуля с определенными характеристиками. Выбранный волоконно-оптический модуль имеет коэффициент затухания не более 0,8 дБ/км при длине волны 1300÷1310 нм. Затухание является важнейшим атрибутом описания линий связи, в частности в стандартах на волоконно-оптический модуль этот параметр является одним из основных. Отдельное значение затухания называют коэффициентом затухания. Затухание представляет собой обобщенную характеристику линий связи, т.к. позволяет судить о мощности сигнала, сигнал затухания должен быть такого уровня, чтобы чувствительность прибора на приемной стороне смогла распознать сигнал, т.е. от выбора волоконно-оптического модуля с определенным коэффициентом затухания зависит надежность передачи этого сигнала к приемному устройству, следовательно, выбор волоконно-оптического модуля с указанной характеристикой позволяет повысить надежность работы силового кабеля. Практически во всех устройствах, эксплуатационных оборудованиях и системах связи один из главных параметров - это уровень сигнала. Как известно, будь то проводная, беспроводная или оптоволоконная линия, в них будут присутствовать затухания, которые характеризуются множеством различных параметров. Возникает вопрос, что лучше выбрать в той или иной ситуации, чтобы при учете затухания сигнал был такого уровня, что чувствительность прибора на приемной стороне смогла распознать сигнал. В датчиковых системах мы можем использовать оптоволоконный кабель или металлический. В коаксиальных кабелях на частоте 1.7 ГГц затухание варьируется от 9,2 дБ на 100 м до 35,8 дБ, поэтому при работе с высокими частотами он не подходит. В то время как оптоволоконный кабель работает на длинах волн 800-1600 нМ, что соответствует -187,5 Гц, можно передавать большие потоки информации при меньших потерях. Затухание - это колебания, энергия которых уменьшается с течением времени. Бесконечно длящийся процесс невозможен из-за потерь различного рода. В оптоволокне, несмотря на то, что сигнал распространяется в нем практически без потерь, существует затухание. Затухание в оптоволокне складывается из трех основных составляющих: потери на поглощение, на рассеяние, потери из-за микроизгибов, чтобы минимизировать микроизгибы волоконно-оптический модуль скручивается с шагом общей скрутки не более 50 Бскр. При наличии дефектов в ОВ будут отображаться искажения замеряемых параметров (механических нагрузок или температуры кабеля). Поэтому чистота оптоволокна очень важна. Таким образом, показатель надежности волоконно-оптических модулей - коэффициент затухания, допустимый в соответствии с технической документацией и оптическая целостность волоконно-оптического модуля, то есть способность расположенных в нем оптических волокон передавать оптический сигнал по всей строительной длине. Основным контролируемым параметром при проведении испытаний волоконно-оптического модуля является коэффициент затухания оптического сигнала.
Как следует из приведенного графика, при требуемой длине волны 1300÷1310 нм оптимальным является выбор волоконно-оптического модуля с коэффициентом затухания не более 0,8 дБ/км.
В кабельных системах, в которых применяется распределенное измерение температуры, волоконно-оптический модуль может быть расположен в различных местах. Волоконно-оптический модуль может быть расположен рядом с кабельной системой, но вне ее. Волоконно-оптический модуль может быть расположен внутри кабельной системы, т.е. являться элементом конструкции кабеля в различных вариантах:
расположение под металлическим экраном;
расположение под наружной оболочкой над металлическим экраном;
как элемент в конструкции металлического экрана;
как элемент конструкции токопроводящей жилы.
Эмпирическим путем был выбран вариант расположения волоконно-оптического модуля, при котором оптический модуль является элементом конструкции кабеля. Волоконно-оптический модуль прокладывается в центре сердечника. В случае изготовления кабеля, к которому не предъявляются особые требования по пожаро- или взрывобезопасности можно использовать в центре сердечника один волоконно-оптический модуль, в случае изготовления кабеля герметизированного, используется оптико-волоконный модуль совместно с водоблокирующими нитями или лентами, а в случае изготовления кабеля в пожаро- и взрывобезопасных вариантах «нг», «нг-LS» для исключения попадания воздуха и газов в межфазное пространство, в центре сердечника вместе с волоконно-оптический модулем используют нити из волокнистых либо полимерных материалов. Место расположения волоконно-оптического модуля также способствует достижению поставленной технической задачи (повышению надежности силового кабеля), т.к. расположенный в центре скрученного сердечника волоконно-оптический кабель более всего защищен от различного рода повреждений всеми последующими слоями кабеля и, соответственно, способствует более надежной передаче сигнала на принимающие устройства, а, следовательно повышает надежность работы кабеля. В случае изготовления кабеля в герметизированном варианте или с водоблокирующими нитями (лентами) еще и способствует более плотной герметизации от воздушных включений или воды, что также повышает надежность работы кабеля. На эскизе показан данный вариант расположения волоконно-оптического модуля.
Процесс изготовления силового кабеля на среднее и высокое напряжение с волоконно-оптическим модулем выглядит следующим образом:
Кабель силовой содержит три токопроводящие жилы, медные или алюминиевые, скрученные из множества проволок и уплотненные, круглой формы, предназначенные для прохождения электрического тока.
На каждую токопроводящую жилу обмоткой накладывается слой из электропроводящей полимерной ленты - огнестойкий барьер (в случае изготовления огнестойкого кабеля), затем методом экструзии накладывается первый слой из электропроводящей сшитой композиции полиэтилена (либо на огнестойкий барьер, либо непосредственно на токопроводящую жилу), служащий для равномерного распределения напряженности электрического поля на границе токопроводящей жилы и слоя изоляции.
Поверх первого слоя из электропроводящей сшитой композиции полиэтилена методом экструзии накладывается слой из изоляционной композиции сшитого полиэтилена, служащий основным электроизоляционным элементом и выдерживающий воздействие электрического поля.
Поверх изоляционного слоя методом экструзии накладывается второй слой из электропроводящей сшитой композиции полиэтилена, служащий для равномерного распределения напряженности между изоляцией и металлическим экраном.
Поверх второго слоя из электропроводящей сшитой композиции полиэтилена наложен слой из ленты электропроводящей бумаги или электропроводящей полимерной ленты, или электропроводящего нетканого полотна, или электропроводящей водоблокирующей ленты, служащий защитой от механического повреждения второго электропроводящего экрана, а также служащий для выравнивания электрического поля в кабеле.
Поверх обмотки из электропроводящей ленты накладывается металлический экран (при его наличии). Основным назначением металлического экрана является равномерное распространение нулевого потенциала по поверхности изоляции кабеля и пропускания токов короткого замыкания. Металлический экран выполняется из металлических проволок, скрученных в одном направлении, поверх которых методом обмотки с обеспечением электрического контакта наложена металлическая лента (или пасма из металлических проволок), при этом проволоки и лента могут быть выполнены из меди, либо из алюминия или алюминиевого сплава, а обмотка может быть выполнена и из арамидных нитей или полимерных нитей или полимерных лент. Металлический экран может быть наложен либо по каждой токопроводящей жиле, либо по скрутке жил по внутренней оболочке кабеля.
Изолированные и экранированные токопроводящие жилы скручиваются в сердечник вокруг жгута с волоконно-оптическим модулем, проложенном при помощи отдающего устройства с открутом для предотвращения перегибания или скручивания волоконно-оптического модуля на линии общей скрутки.
Поверх сердечника из скрученных жил методом экструзии накладывается внутренняя оболочка с заполнением межфазного пространства (для придания кабелю практически круглой формы) и металлический экран (при его наличии). Поверх внутренней оболочки накладывается обмотка из водоблокирующих, электропроводящих лент или полимерных лен, или лент из стекловолокна.
Поверх металлического экрана методом обмотки допускается накладывать разделительный слой в виде обмотки, необходимый для предотвращения затекания материала оболочки между проволок экрана в процессе изготовления. В случае изготовления кабеля с повышенными требованиями к защите от механических повреждений, поверх внутренней оболочки накладывается подушка под броню и ленточная, проволочная или комбинированная броня.
Затем накладывается наружная оболочка.
Кабель силовой может быть выполнен в исполнении «г» и содержать поверх второго электропроводящего экрана и поверх металлического экрана слой из электропроводящей водоблокирующей ленты, а поверх разделительного слоя содержать водоблокирующую ленту, что позволяет дополнительно защищать кабель от распространения влаги. Кабель силовой может быть выполнен в исполнении «гж» и дополнительно к конструкции в исполнении «г» содержать герметизированную токопроводящую жилу, путем введения водоблокирующих нитей в процессе скрутки, и водоблокирующие нити в центральном жгуте скрутки токопроводящих жил.
Конструкция заявленной полезной модели успешно опробована в условиях производства.