ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ КАБЕЛЬ
HIGH-VOLTAGE CABLE

Изобретение относится к электротехнике, а именно к передаче электрической энергии высоковольтными кабелями с газовой, жидкой или вакуумной изоляцией.
Известен высоковольтный кабель с изоляцией из сжатого газа (Авторское свидетельство СССР №557421, МПК Н01В 9/06, 1977 г.), содержащий металлическую оболочку и внутренний проводник, центрируемый относительно оболочки с помощью изоляционных растяжек стержневого типа, закрепленных в установленных на внутреннем проводнике промежуточных металлических втулках, концевой участок растяжки, обращенный к внутреннему проводнику, выполнен с утолщением конусной формы и снабжен резьбовым наконечником в виде стакана, установленного в промежуточной втулке, причем по оси распорки расположен гальванически соединенный с указанным наконечником электрод.
Недостатками указанного высоковольтного кабеля являются интенсивное старение изоляционной растяжки в месте соединения с внутренним проводником, что приводит к снижению надежности высоковольтного кабеля и препятствует повышению уровня номинального напряжения кабелей с газовой изоляцией. Для крепления изоляционных растяжек используют выступающую втулку, что приводит к сокращению длины газового промежутка между внутренним проводником и оболочкой в месте крепления изоляционной растяжки. В указанном устройстве невозможно использование специальных полупроводниковых и диэлектрических покрытий на внутреннем проводнике, обеспечивающих стабилизацию электрической прочности газовой изоляции.
Известен газонаполненный высоковольтный кабель (Авторское свидетельство СССР №1099327 МПК Н01В 9/06 1984 г.) содержащий оболочку, внутренние проводники и расположенные между оболочкой и проводниками изоляторы, в каждом из которых находятся электроды, и газовым анализатором, один из электодов выполнен с закрытой полостью, граничащей с изолятором и соединенной с газовым анализатором для дискрестного или непрерывного контроля дефектов изолятора.
Недостатком этого кабеля является увеличение напряженности электрического поля в месте расположения изолятора, что проводит к старению изоляционного материала и снижению электрической прочности изоляции кабеля. Кроме того, затруднено применение специальных полупроводниковых и диэлектрическых покрытий на внутреннем проводнике, обеспечивающих электрическую прочность газовой изоляции.
Известен секционированный высоковольтный кабель с газовой изоляцией (Авторское свидетельство СССР №662976, МПК H01B 9/06, H02G 5/06, 1979 г), содержащий металлическую оболочку, по крайней мере одну токопроводящую жилу, удерживаемую относительно оболочки при помощи опорных изоляторов, часть из которых выполнена герметичными, и узлы соединения секций, корпус каждого из которых выполнен одинаковой с оболочкой диаметром, фланцы узла наклонены в противоположные стороны относительно плоскости перпендикулярной оси кабеля, при этом в центре корпуса закреплен герметичный изолятор.
Недостатком этого кабеля является увеличение напряженности электрического поля в месте расположения изолятора, что проводить к старению изоляционного материала и снижению электрической прочности изоляции кабеля. Кроме того, затруднено применение специальных полупроводниковых и диэлектрических покрытий на внутреннем проводнике, обеспечивающих стабильную электрическую прочность газовой изоляции.
Известен высоковольтный кабель (патент на изобретение RU №2602513, МПК Н01В 9/06, 2016 г), принятый за прототип, содержащий металлическую оболочку, изоляцию и внутренний проводник, центрируемый относительно оболочки с помощью изоляционных растяжек стержневого типа с наконечниками, закрепленными на промежуточных металлических втулках, установленных на внутреннем проводнике, узлы крепления растяжек расположены в полости промежуточных втулок, в радиальных отверстиях, сопряженных с патрубками, выполненными в форме усеченного конуса с криволинейной образующей, обращенного вершиной к оси промежуточной втулки, при этом глубина расположения узла крепления не менее наименьшего радиуса радиального отверстия и не более радиуса промежуточной втулки, на поверхности внутреннего проводника и промежуточных втулок нанесено покрытие из полупроводникового или диэлектрического материала, а изоляция кабеля - газовая, жидкая или вакуумная.
Недостатками указанного высоковольтного кабеля являются сложная конструкция и технология изготовления промежуточной втулки. В местах соединения проводника с промежуточными втулками может возникать усиление напряженности электрического поля, приводящее к снижению электрической прочности. Также через промежуточную втулку протекает весь рабочий ток внутреннего проводника, втулка должна обеспечивать прохождение такого тока.
Общим недостатком рассмотренных конструкций и кабельных линий вообще является более высокие значения электрической емкости изоляции по сравнению с воздушными линиями. Это приводит к значительному росту реактивной (зарядной) мощности в кабельных линиях при передаче по ним электрической мощности на переменной напряжении, особенно на повышенных частотах. В результате снижается пропускная способность линий (по активной мощности) и их предельная длина.
Техническим результатом предполагаемого изобретения является повышение электрической прочности и снижение электрической емкости изоляции кабеля при упрощении его конструкции и монтажа.
Технический результат достигается тем, что высоковольтный кабель, содержащий металлическую оболочку с газовой, жидкой или вакуумной изоляционной средой и внутренний проводник с покрытием из полупроводникового или диэлектрического материала, изоляционные растяжки стержневого типа с наконечниками, содержит не менее двух внутренних полых проводников, заполненных газовой, жидкой или вакуумной изоляционной средой, которые закреплены на промежуточных держателях, выполненных из изоляционного материала, центрируемых относительно оболочки с помощью изоляционных растяжек.
Сущность изобретения поясняется чертежами: на фиг. 1 изображен высоковольтный кабель, вариант исполнения с тремя внутренними полыми проводниками, на фиг. 2 приведена электрическая схема испытательной установки и использованы следующие обозначения: РТ - регулировочный трансформатор, S2 - рубильник, T1, Т2 - трансформаторы типа ИОМ, D - диодный мост, ОИ - образец для испытаний, на фиг. 3 приведена зависимость пробивного напряжения (электрической прочности) высоковольтного кабеля от соотношения радиуса внутреннего проводника (эквивалентного радиуса внутренних проводников) r и радиуса R внешней оболочки: линия а - кабель с тремя внутренними проводниками, точка б - кабель с единичным внутренним проводником.
Высоковольтный кабель содержит металлическую оболочку 1 заполненную газовой, жидкой или вакуумной изоляционной средой, в которой размещены внутренние проводники 2. Каждый внутренний проводник 2 выполнен полым, заполнен газовой или жидкой изоляционной средой и покрыт полупроводниковым или диэлектрическим материалом. Высоковольтный кабель содержит не менее двух внутренних проводников, на чертеже приведен высоковольтный кабель с тремя внутренними проводниками. Изоляционная среда оболочки 1 и проводников 2 может быть одинаковой, например газовой, или различной, например изоляционная среда проводников жидкая, а оболочки газовая. Внутренние проводники 2 закреплены на промежуточных держателях 3 с помощью фиксаторов 4. Держатели 3 центрированы относительно оболочки 1 с помощью изоляционных растяжек 5 стержневого типа с наконечниками 6. Наконечники обеспечивают фиксацию держателей 3 с растяжками 4.
При протекании электрического тока по проводникам 2 высоковольтного кабеля создается достаточно равномерное электромагнитное поле в промежутке между проводниками 2 и внешней оболочкой 1 высоковольтного кабеля. Использование не менее двух проводников приводит уменьшению рабочей напряженности в промежутке между проводниками 2 и внешней оболочкой 1, между самими проводниками 2, что способствует повышению пробивного напряжения (электрической прочности). Исключение промежуточных держателей 3 из электрической цепи снижает напряженность электрического поля, обеспечивает повышение электрической прочности кабеля по сравнению с прототипом. Промежуточные держатели 3 имеет меньшие размеры и вес, чем в налогах и прототипе, а также изготовлены из изоляционных материалов, что снижает скорость старения твердой изоляции растяжек 5.
Применение очищенного жидкого диэлектрика (например, трансформаторного масла) внутри оболочки или проводников позволяет повысить электрическую прочность более чем в 30 раз по сравнению с применением в них только газовой изоляции (воздуха) - с 3 МВ/м до 100 МВ/м и выше, тем самым значительно увеличивая эксплуатационные показатели высоковольтного кабеля. Наибольшая электрическая прочность высоковольтного кабеля может быть получена путем применения и в оболочке и в проводниках жидкого диэлектрика.
Проведены испытания на высоковольтной установке (фиг. 2) высоковольтного кабеля с единичным внутренним проводником (прототип) и заявляемого высоковольтного кабеля с тремя внутренними проводниками. Эквивалентный диаметр внутренних проводников в обоих случаях составил D=70 мм. Полученные результаты позволяют сделать вывод о повышении пробивного напряжения (электрической прочности) в заявляемом высоковольтном кабеле на 10% (66 кВ в заявляемом высоковольтном кабеле и 60 кВ в прототипе) (фиг. 3).
Удельная емкость высоковольтного кабеля с единичным внутренним проводником (прототип) составила 71,12 пФ, в то время как применение заявляемого высоковольтного кабеля с тремя внутренними проводниками позволяет снизить емкость до 55 пФ, т.е. на 23%, а, значит, позволяет уменьшить зарядную мощность кабельной линии, увеличить ее пропускную способность и предельную длину.
Таким образом, применение заявляемого технического решения позволяет повысить электрическую прочность изоляции при упрощении конструкции и монтажа, уменьшить электрическую емкость кабеля и снизить зарядную мощность линии.