КАБЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СИЛОВОЙ

Полезная модель относится к кабельной технике, а именно к конструкциям силовых электрических кабелей высокого напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена и металлическим экраном, применяемых для передачи электрической энергии.
В высоковольтных кабелях с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 6 кВ и более металлический экран выполняет роль заземляющего проводника для отвода токов короткого замыкания на землю. Дополнительно металлический экран формирует второй электрод конденсатора, образуемого кабелем. Первым электродом является токопроводящая жила кабеля. Таким образом, заземленный металлический экран обеспечивает отвод на «землю» протекающих через изоляцию емкостных токов.
Известна конструкция силового электрического кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена на номинальное напряжение от 6 до 35 кВ по ГОСТ Р 55025-2012, год ввода 2013, Россия, имеющего металлический экран из концентрического повива медных проволок и медной ленты или пасмы, спирально накладываемых поверх медных проволок в противоположном направлении. Медная лента или пасма предназначены для выравнивания потенциалов отдельных проволок и их фиксации в металлическом экране. Недостатками металлического экрана из медных проволок и медной ленты являются их большая масса и высокая стоимость, а также ускоренное разрушение изоляции под действием ионов меди.
Известен кабель электрический с изоляцией из сшитого полиэтилена по патенту №138271 от 30.07.2013, Россия, на полезную модель, который содержит по крайней мере одну токопроводящую жилу, изоляцию и металлический экран, выполненный двухслойным. При этом нижний слой экрана выполнен из множества металлических проволок, скрученных в одном направлении так, что условная линия каждой проволоки образует цилиндрическую винтовую линию, а верхний слой экрана выполнен из электропроводящей ленты или пасмы из электропроводящих проволок, скрученной в противоположном по отношению к проволокам нижнего слоя направлении так, что условная средняя линия ленты или пасмы образует цилиндрическую винтовую линию с шагом, превышающим ширину ленты или пасмы, при этом лента или пасма уложена поверх проволок нижнего слоя с обеспечением электрического контакта ленты или пасмы с указанными проволоками нижнего слоя путем поджатая ленты или пасмы к этим проволокам. В данном патенте на полезную модель приводится подробное описание конструкции металлического экрана кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена, широко известной и используемой во всем мире, в том числе на кабельных заводах России, задолго до появления патента. По этой причине ничего нового патент №138271 не содержит.
Ближайшим по своим параметрам к полезной модели является кабель электрический силовой с изоляцией из сшитого полиэтилена по патенту №113862, Россия, (прототип), содержащий металлический экран из проволок алюминия или алюминиевого сплава, скрепленных лентой или пасмой из электропроводящего материала. Электрический кабель по прототипу (фиг.) состоит из многопроволочной токопроводящей жилы 1, полимерного экрана по жиле 2, изоляции 3, полимерного экрана по изоляции 4, металлического экрана 5, разделительного слоя 6, пластмассовой оболочки 7. Электрические силовые кабели по прототипу изготавливаются по следующей технологии. На медную или алюминиевую токопроводящую жилу 1 наносится экструзией полимерный экран 2 из электропроводящей полимерной сшитой композиции толщиной (0,6±0,3)мм. Для исключения проникновения электропроводящей полимерной композиции в токопроводящую жилу сечением 1000 мм2 и выше между жилой 1 и экраном 2 накладывается обмоткой по спирали слой электропроводящей полимерной ленты с перекрытием (10-15)%. Поверх экрана 2 накладывается экструзией изоляция 3 из сшитого полиэтилена. Толщина изоляции зависит от марки кабеля. Поверх изоляции 3 накладывается экструзией и обмоткой по спирали полимерный экран 4, состоящий из электропроводящей полимерной сшитой композиции толщиной (0,6±0,3)мм и слоя из электропроводящей полимерной или бумажной ленты толщиной не менее 0,2 мм. Поверх полимерного экрана 4 накладывается металлический экран 5, выполненный в виде повива проволок номинальным диаметром (0,7-3,0)мм из алюминия или алюминиевого сплава, поверх которого накладывается по спирали в противоположном направлении лента или пасма из электропроводящего материала, например из алюминия. Поверх металлического экрана 5 накладывается обмоткой по спирали разделительный слой 6 толщиной не менее 0,15 мм из лент крепированной или кабельной бумаги или полимерных лент. Поверх разделительного слоя накладывается экструзией оболочка 7 из полиэтилена или из поливинилхлоридного пластиката.
К недостатку прототипа следует отнести повышенную жесткость и ломкость проволок металлического экрана при заземлении кабеля. Этот недостаток прототипа существенно снижает качество, надежность и технологичность кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена.
Технической задачей полезной модели является разработка силового электрического кабеля, не уступающего прототипу по основным характеристикам, но более технологичного, высококачественного и высоконадежного.
Технический результат достигается тем, что металлический экран выполнен в виде повива многопроволочных стренг из алюминия или алюминиевого сплава, поверх которого накладывается по спирали в противоположном направлении с натяжением лента или пасма из электропроводящего материала. Стренга - это проволочная прядь, состоящая из нескольких проволок, скрученных в одном направлении с определенным шагом.
Общим признаком прототипа и предлагаемого технического решения является наличие металлического экрана. В то же время предложенный кабель отличается от известного использованием в составе металлического экрана повива многопроволочных стренг из алюминия или алюминиевого сплава, поверх которого накладывается по спирали в противоположном направлении с натяжением лента или пасма из электропроводящего материала. Многопроволочная стренга в металлическом экране кабеля по сравнению с одиночной проволокой такого же сечения имеет более высокий класс гибкости по ГОСТ 22483-2012, год ввода 2013, и выдерживает существенно большее количество перегибов до излома (в 10 раз). По этой причине кабели с металлическим экраном, содержащим повив многопроволочных стренг имеют повышенную технологичность при монтаже и заземлении. Кроме того, многопроволочная стренга в металлическом экране кабеля имеет более плоскую форму. В связи с этим металлический экран кабеля, выполненный в виде повива многопроволочных стренг из алюминия или алюминиевого сплава, поверх которого накладывается по спирали в противоположном направлении с натяжением лента или пасма из электропроводящего материала, обеспечивает более равномерное распределение электрического поля по периметру кабеля и более эффективное рассеяние тепловой энергии (более эффективный отвод тепла) при токах короткого замыкания. За счет снижения толщины повива из стренг уменьшаются диаметр кабеля, его масса и расход материалов.
Ограничения на выбор материала для изготовления многопроволочных стренг металлического экрана силового кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена определяются условиями изготовления стренг и металлического экрана кабеля, а также условиями эксплуатации кабеля.
Основные требования к материалу стренг:
- диаметр отдельных проволок стренги должен быть минимальным (не более 0,6 мм);
- стренга и ее отдельные проволоки не должны разрушаться в процессе изготовления, наложения на кабель, монтажа кабельной линии и заземления металлического экрана;
- стренга должна выдерживать многократные изгибы;
2
- минимальное удельное электрическое сопротивление (не более 0,029 Ом×мм/м);
- материал должен хорошо отводить тепло;
- материал должен быть коррозионностойким;
- материал должен быть технологичным;
- удельный вес и стоимость материала должны быть минимальными.
Перечисленным выше требованиям соответствуют стренги из алюминия или алюминиевого сплава электротехнических марок.
Для увеличения термостойкости, прочности, коррозионностойкости и электропроводности металлического экрана кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена стренги могут быть выполнены из проволок алюминиевого сплава, модифицированного редкими или редкоземельными металлами из группы: цирконий, скандий, иттрий, церий, ниобий, лантан, ванадий, гафний или их смесей, в том числе с медным покрытием. Например, добавка церия в количестве 0,5 масс. % повышает прочность и термостойкость алюминиевого сплава почти в два раза. При этом уменьшается коррозия в 10 раз и существенно увеличивается электропроводность сплава. Добавка 0,3 масс. % иттрия увеличивает на 7,5% электропроводность алюминиевого сплава, а также увеличивает его прочность и термостойкость. Добавка 0,4 масс. % скандия повышает прочность алюминиевого сплава на 35%. При этом увеличивается электропроводность и термостойкость сплава. Добавка циркония до 0,5 масс. % позволяет существенно (в 2-2,5 раза) увеличить термостойкость алюминиевого сплава без снижения электропроводности. У алюминиевых сплавов, модифицированных редкими и редкоземельными металлами, практически отсутствует ползучесть под нагрузкой, что чрезвычайно важно для контактных соединений стренг при заземлении металлического экрана кабеля. Покрытие отдельных проволок стренг медью позволяет использовать стандартную соединительную и заземляющую арматуру. Авторами полезной модели предлагается использовать для изготовления многопроволочных стренг металлического экрана кабеля термостойкий алюминиевый сплав марки ТАС по ТУ 1712-043-50289046-2012, год ввода 2012, Россия, модифицированный цирконием, обладающий максимальными показателями термостойкости, прочности, коррозионностойкости и электропроводности. Сплав ТАС разработан авторами полезной модели совместно с АО «РУСАЛ». Для увеличения гибкости, прочности, технологичности и электропроводности стренги в металлическом экране могут быть выполнены из проволок сверхпластичного сплава алюминия, получаемых из заготовки, обработанной методом интенсивной пластической деформации или изготовленной при литье алюминиевого сплава в высокочастотном электромагнитном поле.
В зависимости от конструкции кабеля и условий его применения лента или пасма в металлическом экране могут быть выполнены из меди, или алюминия, или алюминиевого сплава, или алюминиевого сплава, модифицированного цирконием, или алюмополимерного материала. Полимерный экран по жиле может содержать ленту из ткани электропроводящей кабельной марки ТЭК, накладываемую на жилу по спирали с перекрытием, и слой из электропроводящей сшитой полимерной композиции, накладываемый экструзией поверх ленты. Лента ТЭК используется для исключения проникновения электропроводящей полимерной композиции в токопроводящую жилу. Лента марки ТЭК разработана авторами данной полезной модели и выпускается серийно по ТУ 8318-032-50289046-2009, год ввода 2009, Россия. Аналогов ленты марки ТЭК в РФ нет. Полимерный экран по изоляции может содержать слой из электропроводящей сшитой полимерной композиции, накладываемый экструзией поверх изоляции, и ленту из полотна нетканого электропроводящего кабельного марки ПНЭК или полотна нетканого водоблокирующего электропроводящего марки ПНВ2-ЭП, накладываемую на электропроводящий полимерный слой по спирали с перекрытием. Полотно марки ПНЭК и ПНВ2-ЭП разработано авторами данной полезной модели и выпускается серийно по ТУ 8390-011-50289046-2004, год ввода 2004, Россия, и ТУ 8390-033-50289046-2009, год ввода 2009, Россия, соответственно. Полотно марки ПНЭК и ПНВ2-ЭП предназначено для защиты полимерного экрана по изоляции от механических повреждений и влаги. Аналогов полотна марки ПНЭК и ПНВ2-ЭП в РФ нет. Защитный покров силового электрического кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена может содержать разделительную ленту из полотна нетканого клееного кабельного марки ПНКкл или полотна нетканого водоблокирующего марки ПНВ-2, накладываемую на металлический экран по спирали с перекрытием, и наружную полимерную оболочку, накладываемую экструзией поверх разделительной ленты. Полотно марки ПНКкл и ПНВ-2 разработано авторами данной полезной модели и выпускается серийно по ТУ 8397-039-50289046-2011, год ввода 2011, Россия, и ТУ 8390-033-50289046-2009, год ввода 2009, Россия, соответственно.
Преимущества нового кабеля:
- высокие технологичность и качество;
- повышенные эксплуатационные характеристики и надежность;
- повышенная экономичность.
Конструкция и технология изготовления кабеля по полезной модели аналогичны конструкции и технологии изготовления кабеля по прототипу.
Силовые электрические кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена и металлическим экраном из многопроволочных стренг прошли всесторонние испытания на кабельных заводах РФ и электросетевых компаниях РФ с положительными результатами. Налажено производство данных кабелей.