КАБЕЛЬ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ КОАКСИАЛЬНЫЙ ТРЕХФАЗНЫЙ
COAXIAL THREE-PHASE HEATING CABLE

Изобретение относится к электрическим нагревательным кабелям, а именно к конструкциям кабелей нагревательных коаксиальных трехфазных, которые предназначены для обогрева объектов различной формы, размеров и назначения (антиобледенительные кабельные системы для кровель крыш, теплые полы в жилых и административных помещениях, различные трубопроводы, дороги, аэродромы, стадионы, грунт в теплицах и т.п.) и могут быть использованы в различных отраслях промышленности, строительстве, на транспорте, в коммунальном и сельском хозяйстве и т.д.
Известен кабель нагревательный, включающий один центрально ориентированный по всей длине кабеля проводник, заключенный в термоэлектроизоляционную оболочку, размещенную на ней металлическую оплетку, соединенную с защитным заземлением, и внешнюю термоэлектроизоляционную оболочку [1]
Кабели указанного типа нашли широкое практическое применение, просты и технологичны в изготовлении, обладают достаточной безопасностью и гибкостью. Однако они требует повышенного расхода электроэнергии, так как при одном центрально ориентированном проводнике не представляется возможным учитывать и полезно использовать различные физические эффекты и поля, возникающие при протекании электрического тока по проводникам.
Ближайшим техническим решением к заявленному является кабель нагревательный коаксиальный трехфазный, включающий три жилы, каждая из которых покрыта внешней герметичной термоэлектроизоляционной оболочкой, имеет внутренний и наружный проводники, последовательно соединенные между собой и коаксиально размещенные с кольцевым зазором между ними, и внутреннюю термоэлектроизоляционную оболочку, заполняющую этот кольцевой зазор, и общую защитную оболочку, в которую заключены указанные три жилы [2].
Отдельные жилы кабеля расположены в одной плоскости и параллельны друг другу, а защитная оболочка выполнена плоской из герметичного термоэлектроизоляционного материала. Внутренние проводники жил кабеля подключают к фазным шинам, а наружные - к нулевой шине. Для повышения электробезопасности в аварийных ситуациях наружные проводники могут быть в этом же электрическом щите дополнительно подключены к защитному заземлению.
Такое выполнение кабеля позволяет замкнуть электромагнитные поля внутри проводников жил кабеля, усилить их и наиболее полно использовать возникающий при этом эффект близости, что дает кабелю существенные преимущества перед широко применяемыми кабелями нагревательными [1], обеспечивая, прежде всего, значительное снижение энергоемкости процесса нагревания. Однако при испытаниях и опытной эксплуатации этого кабеля выявлены ряд недостатков, существенно снижающих его технико-экономическую эффективность и область применения. К этим недостаткам следует отнести следующие:
- недостаточная электрическая и пожарная безопасность при его эксплуатации в опасных и особо опасных условиях (кровли и крыши зданий, подвалы, дорожные покрытия и др.), так как заземление кабеля предусмотрено только с одного его конца;
- выполнение кабеля плоским предопределяет его ограниченную гибкость в плоскости расположения жил, что резко сужает область его применения, особенно при обогреве поверхностей сложных объемных форм, требующих укладки нагревательного кабеля змейкой с небольшим шагом укладки, и затрудняет его монтаж;
- при отсутствии симметрии токов в отдельных фазах сети не обеспечивается симметричная нагрузка в различных жилах кабеля, что снижает возможную линейную тепловую мощность, надежность, срок службы кабеля и повышает расход электроэнергии;
- выполнение общей защитной оболочки однослойной из термоэлектроизоляционного материала при заданной гибкости кабеля по всем направлениям в пространстве также снижает его надежность и срок службы.
Задачей изобретения является повышение технико-экономических показателей кабеля и расширение области его применения.
Достигаемый при этом технический результат состоит в повышении электрической и пожарной безопасности кабеля, гибкости в любом направлении, линейной тепловой мощности, надежности, срока службы, снижении расхода электроэнергии и расширении области применения.
Указанный технический результат достигается тем, что в кабеле нагревательном коаксиальном трехфазном, включающем три жилы, каждая из которых покрыта внешней герметичной термоэлектроизоляционной оболочкой и имеет внутренний и наружный проводники, последовательно соединенные между собой и коаксиально размещенные с кольцевым зазором между ними, внутреннюю термоэлектроизоляционную оболочку, заполняющую этот кольцевой зазор, и общую защитную оболочку, в которую заключены указанные три жилы, жилы скручены между собой и идентичны, общая защитная оболочка имеет три слоя, нижний и верхний из которых выполнены из герметичного термоэлектроизоляционного материала, а средний слой - в виде металлической проволочной оплетки с возможностью ее заземления в месте подключения кабеля к электрической сети и в месте последовательного соединения внутреннего и наружного проводников жил, причем наружные проводники каждой жилы соединены между собой в конечной точке и образуют искусственную нулевую точку, электрически не связанную с нулевым проводом электрической сети.
Кроме того, форма поперечного сечения нижнего слоя общей защитной оболочки с внешней стороны ограничена металлической проволочной оплеткой среднего слоя, а с внутренней - замкнутой кривой, соответствующей форме поперечного сечения скрутки жил кабеля.
В указанную в самостоятельном пункте формулы изобретения совокупность признаков включены существенные признаки, каждый из которых необходим, а все вместе достаточны для получения технического результата.
Только выполнение каждой жилы кабеля с внутренним и наружным проводниками, последовательно соединенными между собой и коаксиально размещенными с кольцевым зазором между ними, заполненным внутренней термоэлектроизоляционной оболочкой, с покрытием внешней герметичной термоэлектроизоляционной оболочкой обеспечивает при определенном кольцевом зазоре [2] проявление эффекта близости, то есть переменный ток в наружном проводнике будет проходить не по внешней поверхности этого проводника, а по его внутреннее поверхности. Одновременно усиливается влияние скин-эффекта (поверхностного эффекта) на эффективную глубину проникновения переменного тока или условную эквивалентную глубину проникновения электромагнитного поля, которая уменьшается во много раз. При этом возникающее электромагнитное поле замыкается в кольцевом зазоре между коаксиальными проводниками и нагрев осуществляется не только за счет сопротивления проводников, но и, прежде всего, за счет этого поля. Нагревание внутренней термоэлектроизоляционной оболочки, заполняющей указанный кольцевой зазор, также осуществляется в существенно большей степени электромагнитным полем, а не теплопередачей от проводников. Это повышает технико-экономические показатели кабелей нагревательных коаксиальных по сравнению с применяемыми нагревательными кабелями, жилы которых имеют один центрально ориентированный по всей длине проводник.
Скрутка жил кабеля позволяет обеспечить его одинаковую заданную гибкость в любом направлении по всей длине кабеля, что расширяет область его применения за счет возможности использования для обогрева поверхностей сложных объемных форм и облегчает его монтаж. Кроме того, это повышает линейную тепловую мощность кабеля, так как увеличивает длину жил на одном погонном метре длины кабеля.
Все три жилы кабеля, являющиеся однофазными коаксиальными нагревательными кабелями, идентичны, то есть выполнены с одинаковыми конструктивными параметрами из одинаковых материалов. В результате во всех жилах влияние эффекта близости и скин-эффекта будут одинаковыми. Это предопределяет возможность обеспечения симметрии тока во всех жилах кабеля.
Выполнение общей защитной оболочки кабеля трехслойной, нижний и верхний слои которой выполнены из герметичного термоэлектроизоляционного материала, а средний слой представляет собой металлическую проволочную оплетку, увеличивает прочность оболочки кабеля без ущерба для его гибкости, снижая при этом вредное воздействие атмосферных осадков, перепадов температур и случайных ударных и других механических нагрузок. Это повышает электрическую и пожарную безопасность кабеля, надежность и срок его службы, особенно при эксплуатации в опасных условиях.
Возможность заземления металлической оплетки (среднего слоя общей защитной оболочки) в месте подключения кабеля к электрической сети и в месте последовательного соединения внутреннего и наружного проводников жил дополнительно повышает электрическую и пожарную безопасность кабеля, так как заземление кабеля осуществляется в двух точках, в которых имеет место максимальный потенциал электрического тока на обоих проводниках жил. В первой точке заземления на внутреннем проводнике каждой жилы (в месте подключения кабеля к электрической сети) электрический потенциал практически равен потенциалу фазы электрической сети. Выбор второй точки заземления обусловлен тем, что в месте последовательного соединения внутреннего и наружного проводников каждой жилы на поверхности наружного проводника возникает такой же потенциал, что и на поверхности внутреннего проводника жилы, то есть практически такой же, как и в первой точке заземления. Через несколько десятков сантиметров электрический ток в результате влияния эффекта близости и скин-эффекта уходит вглубь тела наружного проводника и на его поверхности остается совершенно безопасный потенциал, порядка нескольких десятков милливольт.
Соединение наружных проводников каждой жилы кабеля между собой в конечной точке с образованием искусственной нулевой точки, электрически не связанной с нулевым проводом сети, совместно с выполнением жил идентичными, обеспечивает симметричную нагрузку в жилах кабеля даже при отсутствии симметрии токов в отдельных фазах сети. Это также повышает возможную линейную тепловую мощность, надежность, срок службы, электрическую и пожарную безопасность кабеля и снижает расход электроэнергии.
Таким образом, в указанную в самостоятельном пункте формулы изобретения совокупность признаков включены существенные признаки, каждый из которых необходим, а все вместе достаточны для решения задачи изобретения и получения технического результата.
Выполнение нижнего слоя общей защитной оболочки с формой поперечного сечения, ограниченной с внешней стороны металлической проволочной оплеткой среднего слоя, а с внутренней - замкнутой кривой, соответствующей форме поперечного сечения скрутки жил кабеля, позволяет заполнить пустоты непосредственно в самой скрутке. Это обеспечивает сохранение взаимного положения жил кабеля при его изгибах и, следовательно, сохраняет его преимущества не только на прямоугольных участках укладки.
На чертеже показан предложенный кабель с разрезами по вводной муфте (верхняя часть чертежа) и концевой муфте (нижняя часть чертежа).
Кабель состоит из трех жил 1, 2 и 3, являющимися однофазными идентичными коаксиальными нагревательными кабелями, то есть выполненными с одинаковыми конструктивными параметрами и из одинаковых материалов. Каждая из жил покрыта внешней герметичной термоэлектроизоляционной оболочкой 4, имеет внутренний 5 и наружный 6 проводники. Внутренний проводник 5 может быть выполнен одно- или многопроволочным из стальной малоуглеродистой оцинкованной проволоки. Наружный проводник 6 - в виде оплетки с плотностью не менее 85% из стальных проволок. Проводники 5 и 6 внутри каждой жилы последовательно соединены между собой в концевой муфте, например, опрессовкой места соединения 7 в медной или латунной гильзе с заливкой эпоксидной смолой и покрытием термоусаживаемой полиэтиленовой трубкой (на чертеже не показаны), и коаксиально размещены с кольцевым зазором между ними, заполненным внутренней термоэлектроизоляционной оболочкой 8.
Жилы 1, 2 и 3 кабеля скручены между собой с шагом скрутки 150-200 мм и заключены в общую защитную оболочку 9. Такой шаг скрутки при применяемых диаметрах жил от 5,5 до 8,5 мм обеспечивает необходимую гибкость кабеля при одновременном замыкании электромагнитных полей внутри коаксиального зазора между внутренним и наружным проводниками жил. При меньшем или большем шаге скрутки взаимодействие электромагнитных полей уменьшается и увеличиваются потери электроэнергии.
A,B,C
Оболочка 9 имеет три слоя, нижний 10 и верхний 11 из которых выполнены из герметичного термоэлектроизоляционного материала, а средний слой - в виде металлической проволочной оплетки 12 с плотностью не менее 85% и возможностью заземления PE в месте подключения кабеля к электрической сети и в месте последовательного соединения 7 внутреннего 5 и наружного 6 проводников жил. Наружные проводники 6 каждой жилы соединены между собой в конечной точке и образуют искусственную нулевую точку N электрически не связанную с нулевым проводом электрической сети (на чертеже не показан). При этом форма поперечного сечения нижнего слоя 10 общей защитной оболочки 9 с внешней стороны ограничена металлической проволочной оплеткой 12 среднего слоя, а с внутренней - замкнутой кривой, соответствующей форме поперечного сечения скрутки жил кабеля. Оболочки 4, 8 и слои 10 и 11 оболочки 9 могут быть выполнены из термостойкого поливинилхлоридного пластиката, сшитого полиэтилена, фторопласта, стекловолокна или других аналогичных материалов.
Кабель работает следующим образом.
Подсоединение кабеля к сети осуществляется известным образом в соответствии с действующими Правилами устройства электроустановок (ПУЭ).
A,B,C
Во вводной муфте со свободного конца жил 1, 2 и 3 кабеля снимается часть изоляции. Затем с помощью клеммных зажимов в герметизированной распаячной коробке (на чертеже не показано) внутренние проводники 5 каждой жилы подключают к фазам A, B и C электрической сети, а концы всех наружных проводников 6 этих жил соединяют в общую искусственную нулевую точку N, которая изолируется, чтобы не иметь контакта с нулевой точкой сети. При этом во всех жилах, имеющих одинаковые конструктивные параметры и выполненные из одинаковых материалов, автоматически устанавливается симметрия токов. Металлическую проволочную оплетку 12 среднего слоя общей защитной оболочки 9 соединяют с проводником защитного заземления PE электрической сети.
В концевой муфте концы внутренних проводников 5 каждой из жил соединяют с началом наружных проводников 6, а металлическую проволочную оплетку 12 соединяют с проводником защитного заземления PE электрической сети.
При подаче напряжения переменные токи во внутренних 5 и наружных 6 проводниках текут в каждой жиле 1, 2 и 3 навстречу друг другу. Поэтому возникает эффект близости и в этих проводниках происходит перераспределение плотности токов по их токопроводящим сечениям. Переменный ток в наружных проводниках 6 будет проходить не по внешним поверхностям проводников, а по их внутренним поверхностям. Одновременно усиливается влияние скин-эффекта (поверхностного эффекта) на эффективную глубину проникновения электромагнитного поля, которая за счет этого эффекта дополнительно уменьшается в несколько раз. Возникшее электромагнитное поле замыкается в кольцевом зазоре между коаксиальными проводниками, что обеспечивает нагрев не только за счет электрического сопротивления проводников, но и, прежде всего, за счет этого поля. Нагревание внутренней термоэлектроизоляционной оболочки 8, заполняющей указанный кольцевой зазор, также осуществляется в существенно большей степени электромагнитным полем, что обеспечивает более эффективную передачу тепла к наружной поверхности проводников 6. В совокупности все это повышает технико-экономические показатели работы кабеля.
В первой точке заземления PE металлической проволочной оплетки 12 на внутреннем проводнике 5 каждой жилы (верхняя часть чертежа) электрический потенциал практически равен потенциалу фазы электрической сети. Во второй точке заземления в месте 7 последовательного соединения внутреннего 5 и наружного 6 проводников жил кабеля на поверхности наружных проводников возникает такой же потенциал, что и на поверхности внутреннего проводника жилы, то есть практически такой же, как и в первой точке заземления. Через несколько десятков сантиметров электрический ток в результате совместного влияния эффекта близости и скин-эффекта уходит вглубь тела наружных проводников 6 и на их поверхности остается совершенно безопасный потенциал порядка нескольких десятков милливольт.
Работа кабеля поддерживается известным образом автоматически с помощью датчиков, например температуры, влажности и осадков, связанных с микропроцессором и исполнительным органом (магнитным пускателем, контактором и др.).
Источники информации
1. Кабельная система обогрева «CEILHIT». Инструкция по установке и эксплуатации. 2000, с.1-3.
2. Патент РФ №2236769 C2, кл. H05B 3/56 с приоритетом от 25.07.2002 (прототип).