Кабель силовой

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области электротехники, а именно к конструкциям силовых кабелей с полимерной изоляцией, предназначенных для передачи и распределения электрической энергии в стационарных электротехнических установках при переменном напряжении от 6 до 20 кВ.
Уровень техники
В качестве наиболее близкого аналога выбран известный силовой кабель, содержащий три токопроводящие алюминиевые или медные жилы секторной формы, поверх каждой из которых последовательно наложены методом экструзии первый экран из электропроводящей полимерной композиции, изоляция из сшитой полиэтиленовой композиции или этиленпропиленовой резины, второй экран из электропроводящей полимерной композиции, при этом изолированные жилы скручены в сердечник, поверх которого последовательно расположены скрепляющий слой, металлический экран из медных проволок, соединенных спирально наложенной медной лентой, разделительный слой и экструдированная наружная оболочка, при этом участки изоляционного слоя с преимущественной ориентацией материала вдоль силовых линий электрического поля расположены вне углов образованных секторов (патент РФ на изобретение №2546644, опубликован 10.04.2015 г.). Данный известный силовой кабель имеет широкий диапазон рабочих напряжений. Недостатком данного известного силового кабеля является массогабаритные характеристики, обусловленные неоптимальной геометрической формой конструктивных элементов кабеля.
Сущность полезной модели
Полезная модель решает задачу улучшения массогабаритных характеристик силового кабеля.
В результате решения указанной технической задачи достигаются следующие технические результаты: уменьшение материалоемкости изоляции кабеля за счет оптимизации геометрической формы сечения токопроводящих жил при сохранении электрической прочности и рабочего диапазона напряжений; повышение гибкости и уменьшение диаметра кабеля.
Указанные технические результаты достигаются тем, что кабель силовой содержит три токопроводящие жилы, каждая из которых имеет в поперечном сечении форму сектора и поверх каждой из которых последовательно наложены первый экран из электропроводящей полимерной композиции, изоляция из полиолефиновой композиции и второй экран из электропроводящей полимерной композиции, упомянутые изолированные жилы скручены в сердечник, поверх которого последовательно наложены скрепляющий слой, экран из проволок, соединенных спирально наложенной лентой, разделительный слой и защитная оболочка, при этом упомянутая изоляция имеет участки с преимущественной ориентацией материала вдоль силовых линий электрического поля, которые расположены вне углов упомянутого сектора, а радиус закругления первого экрана в углах упомянутого сектора имеет величину в диапазоне от 1,0 мм до 2,5 мм.
Отличительной особенностью конструкции является то, что геометрические параметры сечения токопроводящих жил обеспечивают сохранение электрической прочности изоляции, несмотря на увеличение напряженности электрического поля (Емакс) в угловых участках изоляции.
Перечень фигур чертежей
На Фиг. 1 показано поперечное сечение кабеля.
Осуществление полезной модели
Известно, что при формировании полимерных изоляционных и электропроводящих слоев методом экструзии при изготовлении электрических кабелей, в частности силовых кабелей на напряжение от 6 до 20 кВ включительно, в указанных слоях в готовом изделии образуются участки, в которых полимерный материал ориентирован вдоль силовых линий электрического поля. В частности, это имеет место в зоне стыка двух потоков материала, поперечно обтекающих экранируемую и изолируемую жилу в экструзионной головке.
Данный факт имеет место практически для всех промышленных технологий изготовления силовых кабелей.
Ориентированные вдоль силовых линий электрического поля участки являются в электрическом отношении слабыми местами, т.к. их локальная электрическая прочность в среднем в два раза ниже, чем электрическая прочность остальной части изоляционной системы, которая состоит из электропроводящего полимерного экрана по жиле, изоляции, и электропроводящего полимерного экрана по изоляции. Изоляционный материал, например, химически сшиваемый полиэтилен низкой плотности, является аморфно-кристаллическим полимером. Ориентация материала вдоль поля означает выстраивание вдоль поля в процессе формирования изоляционного слоя при производстве кабеля цепочек относительно крупномасштабных кристаллических образований (зародышевых сферолитов) и одновременно - образования между этими цепочками вытянутых вдоль поля через весь изоляционный слой областей с повышенным содержанием аморфной фазы. Кроме того, в областях с преимущественной ориентацией материала вдоль поля скапливаются дефекты в виде микроскопических частиц загрязнений, которые также снижают электрическую прочность кабеля. Именно эти области и являются электрически слабыми.
Максимальные значения напряженности электрического поля расположены в местах закругления экрана по жиле, то есть на «углах» сектора. В этих же местах расположены области изоляционного слоя, в которых изоляционный материал ориентирован преимущественно вдоль силовых линий поля. Вследствие этого области «углов» сектора обычно оказываются менее электрически прочными, поскольку в этих участках одновременно и изоляционная система кабеля оказывается более электрически слабой и напряженность поля - наибольшая.
Вместе с этим, технологическими средствами возможно управлять расположением ориентированных участков (так называемых «стыков потока») по сечению кабеля.
Сущностью настоящей полезной модели является размещение участков изоляции, в которых материал ориентирован преимущественно параллельно силовым линиям электрического поля, не в угловых областях сектора сечения токопроводящих жил, а на их плоских и/или на цилиндрических участках с большим радиусом кривизны, где напряженность электрического поля ниже, чем в углах. Это приведет к увеличению электрической прочности изоляционного слоя в углах сектора в среднем в два раза, что позволяет уменьшить количество материала без снижения надежности кабеля, обеспечивая при этом требования национального стандарта РФ на кабели на напряжения от 6 до 35 кВ (ГОСТ Р 55025-2012) по электрической прочности: пробивное напряжение кабеля в исходном состоянии должно быть не менее 150 кВ, электрическая прочность изоляции по завершении длительных испытаний на стойкость к электрохимическому старению - не менее 23 кВ/мм.
Кабель силовой содержит три токопроводящие жилы 1, каждая из которых имеет в поперечном сечении форму сектора и поверх каждой из которых последовательно наложены первый экран 2 из электропроводящей полимерной композиции, изоляция 3 из полиолефиновой композиции и второй экран 4 из электропроводящей полимерной композиции.
Изолированные жилы 1 скручены в сердечник, поверх которого последовательно наложены скрепляющий слой 5, экран 6 из проволок, соединенных спирально наложенной лентой 7, разделительный слой 8 и защитная оболочка 9. Для обеспечения стабильности геометрической формы кабеля отношение шага скрутки упомянутых жил в сердечнике к диаметру сердечника может составлять величину от 35 до 56.
Изоляция 3 имеет участки 11 с преимущественной ориентацией материала вдоль силовых линий электрического поля, которые расположены вне углов упомянутого сектора. Радиус 10 закругления первого экрана 2 в углах упомянутого сектора имеет величину в диапазоне от 1,0 мм до 2,5 мм.
Величина нижнего предела радиуса закругления первого экрана в углах упомянутого сектора (1,0 мм) обусловлена доступными на сегодняшний день технологиями наложения первого электропроводящего полимерного экрана. Значение верхней границы (2,5 мм) диапазона обусловлено оптимальными массогабаритными показателями и гибкостью изделия.
Наряду с описанным выше «сдвигом» стыков потоков в области с меньшей напряженностью электрического поля, повышение электрической прочности кабеля среднего напряжения с токопроводящими жилами секторной формы обеспечивается следующими дополнительными мерами:
- применением электроизоляционной композиции и электропроводящей композиции повышенной чистоты, обеспечивающим уменьшение размеров инородных частиц в изоляционном слое и выступов электропроводящих экранов в изоляцию;
- фильтрацией экструдата (расплава полимера в экструдере) через сетки с размером отверстий не более 60 мкм;
- применением «чистой комнаты» или «чистого бокса» в зоне загрузки материалов в экструдер;
- регулярной чисткой оборудования экструзионной группы по завершении каждого пуска технологической линии, на которой производится кабель, с обязательным удалением частиц полимерных материалов из так называемых «мертвых зон», в которых экструдат задерживается более или менее длительное время в процессе эксплуатации технологической линии, что приводит к окислению и избыточному сшиванию материала и снижению его электрической прочности.
Таким образом, конструкция силового кабеля в соответствии с настоящей полезной моделью позволяет оптимизировать массогабаритные характеристики при сохранении показателей электрической прочности и повышении гибкости кабеля.