КАБЕЛЬ

Полезная модель относится к кабельной технике, к передаче энергии на большие расстояния переменным и постоянным токами.
Известен силовой гибкий кабель, содержащий токопроводящие жилы и оболочку, жилы расположены в выступах оболочки с возможностью свободного перемещения. Патент Российской Федерации №1728889, МПК: Н 01 В 7/04, 1992 г.
Кабель выдерживает большие продольные нагрузки при сохранности токопроводящих жил, но не позволяет передавать электроэнергию на большие расстояния из-за возникновения различного рода электрических помех.
Известен оптический кабель для подводной кабельной связи, содержащий оптические волокна, расположенные в заполненной слоем нейлона металлической гофрированной оболочке, металлическую оплетку и центральный стальной провод. Патент Российской Федерации №2017246, МПК: Н 01 В 7/24, 1994 г.
Кабель выдерживает большие продольные нагрузки при сохранности светопроводящих жил, но не позволяет передавать электроэнергию на большие расстояния.
Известен кабель, содержащий в поперечном сечении две подобласти материалов, один из которых проводник, другой - диэлектрик, причем по длине кабеля в каком-либо месте выполнена по крайне мере одна полость. Патент Российской Федерации №2144710, МПК: Н 01 В 7/00, 2000 г. (прототип). В данном случае наличие некоторой полости позволяет определять обрывы в кабеле. Как и предыдущие аналоги, прототип не позволяет передавать электроэнергию на переменном токе на большие расстояния.
Задачей изобретения является создание кабеля, экономично передающего электроэнергию на переменном токе на большие расстояния.
Техническим результатом полезной модели является обеспечение возможности увеличения активного сечения токоведущей жилы кабеля переменного тока для согласования ее с реальной пропускной способностью кабельной линии при улучшении условий охлаждения кабеля, уменьшение габаритных размеров кабеля, устранение ограничений на длину кабельных линий переменного тока, обеспечение возможности передачи электроэнергии по кабельным линиям до нескольких сотен километров и более.
Технический результат достигается тем, что в кабель, содержащий в поперечном сечении, по крайней мере, две подобласти материалов, один из которых токоведущая жила, другой изоляция, снабжен проводящей защитной оболочкой, а токоведущая жила выполнена с кольцевым сечением.
Поперечные размеры сечения кабеля удовлетворяют условиям:
1
-
R - внешний радиус токоведущей жилы,
0
R - внутренний радиус кабеля, жилы,
1
0
Δ=R-R. толщина токоведущей жилы кабеля.
2
R - внешний радиус изоляции (внутренний радиус оболочки)
A
F - активное сечение токоведущей жилы кабельной линии,
з
, коэффициент заполнения сечения токоведущей жилы активным материалом (например, К=0,9),
Внутри токоведущей жилы расположен оптоволоконный материал.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1-6.
0
1
2
1
0
На фиг.1 схематично представлено поперечное сечение кабеля с полым проводником, где: R - внутренний радиус кабеля, R - внешний радиус токоведущей жилы, R - радиус оболочки Δ=R-R. - толщина токоведущей жилы кабеля.
A
На фиг.2 Приведены зависимости радиусов токоведущей жилы от ее активного сечения F:
1
1 - зависимость внешнего радиуса токоведущей жилы R,
2
2-7: зависимости радиуса оболочки кабеля R, обеспечивающей необходимую электрическую прочность его изоляции для разных классов напряжений: 2 - для напряжения 110 кВ, 3 - для напряжения 220 кВ, 4 - для напряжения 330 кВ, 5 - для напряжения 500 кВ, 6 - для напряжения 750 кВ, 7 - для напряжения 1150 кВ.
На фиг.3 приведены зависимости необходимой толщины изоляции кабелей от разных классов напряжений:
8 - для напряжения 110 кВ, 9 - для напряжения 220 кВ, 10 - для напряжения 330 кВ, 11 - для напряжения 500 кВ, 12 - для напряжения 750 кВ, 13 - для напряжения 1150 кВ.
На фиг.4 приведены зависимости объема изоляции от активного сечения токоведущей жилы кабеля, необходимого для обеспечения надежной его работы для классов напряжения:
14 - для напряжения 110 кВ, 15 - для напряжения 220 кВ, 16 - для напряжения 330 кВ, 17 - для напряжения 500 кВ, 18 - для напряжения 750 кВ, 19 - для напряжения 1150 кВ.
На фиг.5 представлены зависимости от класса напряжения:
1
2
20 - внешнего радиуса R токоведущей жилы кабеля, 21 - радиуса оболочки кабеля R, 22 - отношения максимального тока к натуральному току при оптимальной конструкции кабеля.
На фиг.6 представлены зависимости активных сечений токоведущих жил кабелей от класса напряжения, соответствующих:
2.мин
23 - минимальному радиусу оболочки кабелей R,
2мин.
A
24 - 1,1 минимального радиуса оболочки кабелей R для нижней границы оптимальных сечений F токоведущей жилы кабеля.
2мин.
A
25 - 1,1 минимального радиуса оболочки кабелей R для верхней границы оптимальных сечений F токоведущей жилы кабеля.
MAKC
доп
Рассмотрим электрические параметры и работу однофазного коаксиального кабеля с полиэтиленовой изоляцией. Активное сечение токоведущей жилы кабельной линии определяется максимальным передаваемым по линии током I и допустимой плотностью тока в токоведущей жиле J
Активное сопротивление токоведущей жилы кабеля равно
t
Д
где ρ - удельное сопротивление при соответствующей температуре нагрева t токоведущей жилы, l - длина линии, К - коэффициент добавочных потерь, определяемый поверхностным эффектом (см. табл.1).
Таблица 1
F<sub>A</sub>, мм<sup>2</sup>
150
200
300
400
500
600
750
1000
R<sub>1</sub>, мм
7,3
8,4
10,3
11,9
13,9
14,6
16,3
18,8
К<sub>Д</sub>
1,006
1,012
1,026
1,04
1,068
1,145
1,239
При заданном активном сечении токоведущей жилы кабеля внешний ее радиус может быть определен согласно соотношению
1
где коэффициент 0,9 учитывает зазоры между отдельными жилками токоведущей жилы. Значения радиусов R при различных сечениях токоведущей жилы приведены в табл.1
Погонная емкость кабеля (на единицу его длины) равна
2
И
где R - радиус оболочки кабеля, ε - относительная диэлектрическая проницаемость изоляции кабеля.
Погонная индуктивность однофазного кабеля
2
макс
Радиус R - определяется из условия ограничения максимальной напряженности электрического поля в изоляции кабеля Е, которая имеет место на поверхности токоведущей жилы. С учетом (3) получаем
2
1
И необходимое отношение R/R согласно (4) и (6) определяется по формуле
Ф
макс
Величины погонных емкости и индуктивности одножильного кабеля через электрические параметры кабеля U и Е, а также активное сечение токоведущей жилы:
Таким образом, при заданном рабочем напряжении увеличение активного сечения токоведущей жилы приводит к значительному росту емкости кабеля и уменьшению его индуктивности, напряжения. Волновое сопротивление кабельных вдоль линий Z:
к
Скорость распространения электромагнитных волн вдоль кабельных линий v:.
Волновое сопротивление кабельной линии увеличивается при увеличении рабочего напряжения (при заданном сечении токоведущей жилы) из-за увеличения толщины изоляции кабеля и уменьшается при увеличении активного сечения токоведущей жилы (при заданном рабочем напряжении).
И
Скорость распространения электромагнитной волны по кабельным линиям меньше, скорости ее распространения по воздушным из-за изменения изоляционной среды. Для полиэтиленовой изоляции ε≈2,2. Соответственно волновая длина кабельных линий значительно больше, чем воздушных при одинаковой физической длине l:
ДОП
2
Параметры кабельных линий классов напряжения 110 кВ и 220 кВ приведены в табл.1 и 2 для различных сечений токоведущей жилы однофазного кабеля, прокладываемого под водой, при допустимой плотности тока J=2 А/мм.
Таблица 2Параметры однофазного кабеля 110 кВ при различных активных сечениях токопроводящей жилы (медной) с полиэтиленовой изоляцией
F<sub>a</sub>
X
С
Z
V<sub>к</sub>
I<sub>н</sub>
I<sub>макс</sub>
I<sub>макс</sub>/I<sub>н</sub>
мм<sup>2</sup>
Ом/км
мкФ/км
Ом
км/сек
А
А
-
100
0,113
0,079
67
1,87·10<sup>5</sup>
1090
200
0,18
200
0,084
0,112
48,7
1,82·10<sup>5</sup>
1500
400
0,27
300
0,072
0,137
40,6
1,78·10<sup>5</sup>
1800
600
0,33
400
0,064
0,158
35,76
1,75·10<sup>5</sup>
2040
800
0,39
500
0,059
0,177
32,44
1,73·10<sup>5</sup>
2250
1000
0,44
750
0,051
0,218
27,3
1,68·10<sup>5</sup>
2674
1500
0,56
1000
0,046
0,251
24,1
3020
2000
0,66
1,64·10<sup>5</sup>
Таблица 3Параметры однофазного кабеля 220 кВ при различных активных сечениях токопроводящей жилы (медной) с полиэтиленовой изоляцией
F<sub>a</sub>
X
С
Z
v<sub>к</sub>
I<sub>н</sub>
I<sub>макс</sub>
I<sub>макс</sub>/I<sub>н</sub>
мм<sup>2</sup>
Ом/км
мкФ/км
Ом
км/сек
А
А
-
100
0,209
0,039
128
1,94·10<sup>5</sup>
992
200
0,20
200
0,153
0,055
92
1,91·10<sup>5</sup>
1380
400
0,29
300
0,127
0,068
76
1,89·10<sup>5</sup>
1670
600
0,36
400
0,112
0,079
66,5
1,87·10<sup>5</sup>
1910
800
0,42
500
0,102
0,088
60
1,86·10<sup>5</sup>
2117
1000
0,47
750
0,086
0,108
49,8
1,83·10<sup>5</sup>
2550
1500
0,59
1000
0,077
0,124
43,8
1,77·10<sup>5</sup>
2900
2000
0,69
Волновые сопротивления кабельных линий низки и уменьшаются при увеличении активного сечения токоведущей жилы, а при увеличении рабочего напряжения кабеля Z значительно увеличивается. При этом скорость распространения электромагнитной волны вдоль кабельных линий примерно в 1,5÷2 раза меньше, чем вдоль воздушных линий. Соответственно, волновые длины кабельных линий в 1,5÷2 раза больше, чем воздушных, при одинаковой физической длине этих линий.
В табл.2 и табл.3 приведены также значения натуральных токов кабельных линий и допустимых токов по нагреву проводов по формуле (1). Как видно, допустимые по нагреву проводов токи в кабельных линиях с обычными сечениями токоведущих жил значительно меньше натуральных токов тех же линий.
н
По кабельным линиям может передаваться мощность, значительно меньшая их натуральной мощности. Это обстоятельство определяет дополнительное ограничение передаваемой мощности по кабельным линиям, поскольку при Р<Р кроме тока нагрузки по линии протекает емкостный ток. При наличии компенсаторов избыточной реактивной мощности на обоих концах линий этот добавочный емкостный ток посередине линии равен нулю, а по концам достигает максимума. В результате суммарный ток по концам кабельных линий оказывается значительно больше передаваемого.
доп
н
При увеличении активного сечения токоведущей жилы кабеля отношение I/I увеличивается, что приводит к более благоприятным условиям работы кабельных линий, поскольку при этом уменьшается емкостная составляющая тока. Увеличение активного сечения токоведущей жилы кабеля ограничено условиями охлаждения кабеля и увеличением коэффициента добавочных потерь (см. табл.1). При увеличении активного сечения токоведущей жилы увеличивается ее толщина от оси до поверхности, что затрудняет теплоотвод и увеличивает поверхностный эффект. Поэтому обычный радиус цилиндрической токоведущей жилы кабеля ограничивают 15 мм.
Рассмотрим возможности кабеля с неизменной допустимой по условиям теплоотвода и поверхностного эффекта толщиной токоведущей жилы кабеля Δ.
Увеличение активного сечения токоведущей жилы не приводит к ухудшению теплоотвода и глубины проникновения электромагнитной волны. Следовательно, коэффициент добавочных потерь сохранится на таком же уровне, как для сплошной токоведущей жилы с радиусом жилы R=Δ. Активное сечение такой токоведущей жилы определится соотношением:
0
1
0
A
где R - радиус внутренней поверхности токоведущей жилы, Δ=R-R. Из соотношения (13) определен внешний радиус токоведущей жилы в зависимости от активного ее сечения F и толщины проводящего слоя Δ
и соответственно внутренний ее радиус
Как следует из формулы (14), внешний радиус токоведущей жилы такого кабеля линейно возрастает при увеличении ее активного сечения, тогда как при обычной конструкции токоведущей жилы ее радиус согласно формуле (3) увеличивается пропорционально , т.е. значительно медленнее.
1
2
1
Подставляя полученное выражение для радиуса R в формулу (7), получаем другое выражение для логарифма отношения R/R
Соответственно изменяются все формулы для электрических параметров кабельной линии:
2
МАКС
Зависимость внешнего радиуса токоведущей жилы кабеля от ее активного сечения, при Δ=15 мм, приведена на фиг.2. Там же приведены зависимости радиуса оболочки кабеля R от активного сечения жилы, при Е=8 кВ/мм:
2
Для кабельных линий класса 330 кВ и выше эти зависимости имеют минимум, причем уменьшение радиуса оболочки при увеличении активного сечения токоведущей жилы свыше 1000 мм значительно, и чем выше класс напряжения, тем больше это уменьшение, т.к. при увеличении радиуса токоведущей жилы уменьшается напряженность электрического поля на ее поверхности, что приводит к уменьшению необходимой толщины изоляции.
Уменьшение радиуса оболочки при увеличении радиуса токоведущей жилы приводит и к уменьшению толщины изоляции кабеля
возрастающему при увеличении класса напряжения кабеля (см. фиг.3). Уменьшение толщины изоляции кабеля существенно увеличивает теплоотдачу в окружающую кабель среду и таким образом способствует улучшению условий охлаждения кабеля. Уменьшение необходимой толщины изоляции кабеля приводит также к уменьшению объема изоляции при увеличении активного сечения токоведущей жилы
ИЗ.0
где V - объем изоляции, отнесенный к единице длины кабеля (см. фиг.4). Таким образом, увеличение активного сечения токоведущей жилы кабелей высших классов напряжения не только приводит к увеличению пропускной способности кабелей, но и улучшает их технико-экономические показатели. Оптимальное значение радиуса токоведущей жилы кабеля равно:
Оптимальное значение радиуса оболочки равно:
где е - основание натуральных логарифмов. Зависимости радиусов токоведущей жилы и оболочки кабеля оптимальной конструкции от класса напряжения приведены на фиг.5.
При оптимальном отношении радиусов оболочки и внешней поверхности жилы , все соотношения для параметров кабельной линии упрощаются:
И
где подставлено значение ε=2,2.
2
1
8
Волновое сопротивление кабельной линии при оптимальном отношении R/R в 5÷8 раз меньше, чем у воздушных линий традиционного исполнения. Соответственно пропускная способность кабельных линий оптимальной конструкции в 5÷8 раз выше, чем у воздушных линий традиционного исполнения. Скорость распространения электромагнитной волны вдоль кабельных линий оптимальной конструкции составит 1,81×10 м/с
Таким образом, электромагнитная волна распространяется вдоль кабельной линии оптимальной конструкции со скоростью, равной 60% от скорости света. Соответственно волновая длина кабельной линии оптимальной конструкции составит 1,66 λ. на 66% больше волновой длины линии λ традиционного исполнения.
Активное сечение токоведущей жилы кабеля оптимальной конструкции согласно (13) и (23) равно:
и погонный объем его изоляции (объем изоляции на единицу длины кабеля) согласно (22) и (23) равен
2
A
A
A
2
Необходимо отметить, что зависимости R=f(F) вблизи минимума изменяются очень незначительно, особенно в сторону больших значений F. В связи с этим целесообразно определить область изменения значений F, в которой радиус оболочки R незначительно отличается от минимального, например, не более, чем на 10% (см. фиг.2 и 6). Как следует из фиг.6, область оптимальных сечений токоведущих жил кабелей, в пределах которой радиус их оболочки отличается от минимального не более, чем на 10%, очень широка, что позволяет создавать широкую номенклатуру кабелей необходимой пропускной способности. Кабели с сечениями токоведущих жил, выходящих за пределы, ограниченные линиями 23 и 25 на фиг.6 имеют худшие технико-экономические показатели. В табл.4÷8 приведены параметры кабелей разных классов напряжения оптимальной конструкции.
Таблица 4Параметры однофазного кабеля 220 кВ с медной токоведущей жилой оптимальной конструкции
F<sub>A</sub>, мм<sup>2</sup>
R<sub>2</sub>, мм
С<sub>0</sub>, мкФ/км
z, Ом
v<sub>к</sub>, км/с
I<sub>н</sub>, А
I<sub>макс</sub>, А
<img he="11" wi="11" file="00000039.tif" img-content="undefined" img-format="tif" />
Р<sub>доп</sub>, МВт
750
43
0,124
44,1
1,80 10<sup>3</sup>
2880
1500
0,52
491.6
1000
43,9
0,146
40,1
1,77 10<sup>5</sup>
3340
2000
0,60
701,1
1250
45,4
0,168
33,6
1,74 10<sup>5</sup>
3780
2500
0,66
900,2
1500
47,3
0,190
30,1
1,71 10<sup>5</sup>
4219
3000
0,71
1108,8
Таблица 5Параметры однофазного кабеля 330 кВ с медной токоведущей жилой оптимальной конструкции
F<sub>A</sub>, мм<sup>2</sup>
R<sub>2</sub>, мм
R<sub>0</sub>, мм
С<sub>0</sub>, мкФ/км
z, Ом
v<sub>к</sub>, км/с
I<sub>н</sub>, А
I<sub>макс</sub>, А
<img he="11" wi="11" file="00000039.tif" img-content="undefined" img-format="tif" />
Р<sub>доп</sub>, МВт
750
70,2
1,3
0,082
63,8
1,86 10<sup>5</sup>
2986
1500
0,5
720,1
1000
66,3
4,3
0,097
54,8
1,84 10<sup>5</sup>
3476
2000
0,58
1040
1250
64,7
7,2
0,112
48,2
1,82 10
3952
2500
0,63
1350,4
1500
64,8
10,2
0,127
43
1,80 10<sup>5</sup>
4430
3000
0,68
1645,9
1750
65,6
13,1
0,141
39
1,77 10<sup>5</sup>
4885
3500
0,72
1932
2000
66,8
16,0
0,156
35,7
1,76 10<sup>5</sup>
5336
4000
0,75
2240,3
2250
68,5
19,0
0,171
33,7
1.73 10<sup>5</sup>
5653
4500
0,79
2510
2500
70,3
22,0
0,186
30,8
1,71 10<sup>5</sup>
6185
5000
0,81
2800,4
2750
72,5
24,9
0,201
28,8
1,69 10<sup>5</sup>
6615
5500
0,83
3100
Таблица 6Параметры однофазного кабеля 500 кВ с медной токоведущей жилой оптимальной конструкции
F<sub>A</sub>, мм<sup>2</sup>
R<sub>2</sub>, мм
R<sub>0</sub>, мм
С<sub>0</sub>, мкФ/км
z, Ом
v<sub>к</sub>, км/с
I<sub>н</sub>, А
I<sub>макс</sub>, А
<img he="11" wi="11" file="00000040.tif" img-content="undefined" img-format="tif" />
Р<sub>доп</sub>, МВт
1500
105
10,2
0,084
62,8
1,86 10<sup>5</sup>
4597
3000
0,65
249
2000
99,3
16
0,103
51,8
1,83 10<sup>5</sup>
5573
4000
0,72
336
2500
98,1
22
0,123
44,2
1,80 10<sup>5</sup>
6532
5000
0,765
424
3000
99,7
27,8
0,142
38,8
1.77 10<sup>5</sup>
7440
6000
0,806
514
3500
102,1
33,7
0,162
34,6
1,74 10<sup>5</sup>
8344
7000
0,84
602
4000
105,6
39,6
0,182
31,3
1,72 10<sup>5</sup>
9224
8000
0,87
690
4500
109,8
45,5
0,201
28,7
1,69 10<sup>5</sup>
10059
9000
0,895
776
Таблица 7Параметры однофазного кабеля 750 кВ с медной токоведущей жилой оптимальной конструкции
F<sub>A</sub>, мм<sup>2</sup>
R<sub>2</sub>, мм
R<sub>0</sub>, мм
С<sub>0</sub>, мкФ/км
z, Ом
v<sub>к</sub>, км/с
I<sub>н</sub>, А
I<sub>макс</sub>, А
<img he="11" wi="11" file="00000040.tif" img-content="undefined" img-format="tif" />
Р<sub>доп</sub>, МВт
3000
151
27,8
0,095
56
1,84 10<sup>5</sup>
7743
6000
0,77
7638
4000
145
39,6
0,123
45
1,80 10<sup>5</sup>
9644
8000
0,83
10300
5000
150
51,4
0,147
38
1,77 10<sup>5</sup>
11470
10000
0,87
12910
6000
156
63,2
0,174
33
1,75 10<sup>5</sup>
13262
12000
0,88
15522
Таблица 8Параметры однофазного кабеля 1150 кВ с медной токоведущей жилой оптимальной конструкции
F<sub>A</sub>, мм<sup>2</sup>
R<sub>2</sub>, мм
R<sub>0</sub>, мм
С<sub>0</sub>, мкФ/км
z, Ом
v<sub>к</sub>, км/с
I<sub>н</sub>, А
I<sub>макс</sub>, А
<img he="11" wi="11" file="00000039.tif" img-content="undefined" img-format="tif" />
Р<sub>доп</sub>, МВт
4000
250
39,6
0,079
66.4
1,87 10<sup>5</sup>
10010
8000
0,80
15712
5000
232
51,4
0,096
55,4
1,84 10<sup>5</sup>
12000
10000
0,83
19720
6000
226
63,2
0,113
47,7
1,82 10<sup>5</sup>
13900
12000
0,86
23735
7000
226
74,9
0,130
41,9
1,79 10<sup>5</sup>
15846
14000
0,884
27746
8000
230
86,7
0,146
37,7
1,77 10<sup>5</sup>
17600
16000
0,91
31770
9000
236
98,5
0,164
34,3
1,74 10<sup>5</sup>
19359
18000
0,93
35780
10000
243
110
0,1805
31,6
1,72 10<sup>5</sup>
21012
20000
0,95
39757
0
Анализ параметров кабельных линий показал, что по кабельным линиям может быть передана любая мощность при приемлемых размерах кабелей и при высоких отношениях допустимой передаваемой мощности к натуральной мощности кабельной линии. При этом целесообразно создавать кабели с увеличенным активным сечением токоведущей жилы, по сравнению с используемыми в настоящее время, при ограничении толщины токоведущей жилы Δ. Свободную полость внутри токоведущей жилы таких кабелей использют для их охлаждения, например путем прокачки по внутренней полости токоведущей жилы, охлаждающей жидкости. Размеры внутренней полости кабелей больших сечений достаточно велики (см. данные по R в табл.4-8).
Если внутри кабеля расположить оптические волокна, то его можно использовать и как силовой, и как оптический кабель.