Помехоподавляющий кабель

Полезная модель относится к кабельной технике, а именно к конструкциям силовых электрических кабелей с экранирующей оболочкой, обеспечивающей помехозащищенность токопроводящих жил от электромагнитного и магнитного воздействия со стороны внешней среды. Рассматривается конструкция силового кабеля для однофазных и трехфазных линий электропередач и для передачи и распределения электрической энергии в стационарных электротехнических установках.
Так, известен из US 2005133245 кабель для передачи сигнала с разъемом, содержащий экранированный кабель, имеющий множество изолированных проводов, экранирующий слой и слой изолирующего покрытия, причем указанный экранирующий слой и слой изолирующего покрытия покрывают периферию указанных изолированных проводов. Разъем электрически и механически соединен, по меньшей мере, с одним концом указанного экранированного кабеля и имеет экранирующую металлическую крышку, простирающуюся от части корпуса до конца кабеля и замкнутый магнитный сердечник, который установлен на отдельной части указанного слоя изолирующего покрытия на конце указанного экранированного кабеля. В указанном сердечнике изолирующая лента намотана вокруг указанного экранирующего слоя в периферийной части указанного сердечника, а концевая часть указанного экранирующего слоя соединена с указанной защитной металлической крышкой в состоянии, в котором указанный сердечник размещен в указанной защитной металлической крышке.
Известно использование в помехозащищенных кабелях в качестве экрана обмотки или оплетки из медной или медной луженой проволокой (RU112489, RU77721).
Также известно использование магнитопровода на концевой части кабеля в качестве элемента подавления электромагнитных волн и уменьшения электромагнитного шума, причем элемент подавления электромагнитных волн содержит ограничительный элемент и кольцевой магнитный сердечник, который содержит нанокристаллический магнитомягкий материал (US 2018247758).
В FR 2793593 (реферат) описан кабель, содержащий слой из ферромагнитного сплава, и обеспечивающий требуемое магнитное экранирование. Низкочастотный кабель включает в себя ряд коаксиальных слоев. Кабель содержит проводящий сердечник, включающий пучок проводов, окруженный первым диэлектрическим слоем. Затем он окружен дополнительным слоем, состоящим из магнитопоглощающего слоя, изготовленного из ферромагнитного сплава с аморфной или нанокристаллической структурой. Второй диэлектрический слой окружает магнитопоглощающий слой, и он, в свою очередь, заключен в экранирующую оплетку. Внешняя изолирующая оболочка окружает всю конструкцию. Слой магнитного поглощения включает 80% +/- 10% атомов, выбранных из Со, Fe, Mn и Ni, а остальная часть выбрана из В, Si.
Исследования, проводимые в течение уже многих лет, однозначно доказывают, что магнитные поля являются неблагоприятным экологическим фактором, который оказывает негативное влияние на работу электрических и магнитных устройств, а также на здоровье и работоспособность людей. Одним из наиболее распространенных и трудно контролируемых источников избыточного магнитного фона являются кабельные трассы силовых источников электроснабжения. С точки зрения воздействия электромагнитного поля на технические средства и, особенно, на биологические объекты, наиболее «вредными» следует считать именно магнитные поля вследствие их большой проникающей способности. Для снижения магнитного поля, возникающего при работе кабеля, до значений, удовлетворяющих действующим нормативным документам, необходимо использовать силовой кабель с электромагнитным экраном.
3
В качестве прототипа принято решение, описанное в RU 2444075, Н01В 9/02, опубл. 27.02.2012 г. В этом патенте описан силовой кабель, содержащий многослойный экран, выполненный из лент аморфных и/или нанокристаллических магнитомягких сплавов на основе железа и/или кобальта с начальной магнитной проницаемостью не ниже 10⋅10. Экран изготавливается навивкой такой ленты вокруг кабеля внахлест с перекрытием не менее толщины самой ленты. Относительно друг друга ленты фиксируются с помощью полимерной диэлектрической пленки. Для фиксации экрана на него накладывается внешняя защитная оболочка. Помимо этого, в конструкции экрана для достижения необходимого уровня экранирования применен многослойный экран, в котором чередуются слои из сплавов с различными магнитными свойствами. Внутренние слои экранирующего материала, обладающие высокой индукцией насыщения, поглощают основную часть избыточного магнитного поля, генерируемого работающим силовым кабелем. Оставшуюся часть, обладающую значительно меньшей интенсивностью, поглощают внешние слои экранирующего материала за счет высокой магнитной проницаемостью.
Недостаток данного решения заключается в том, что в данном силовом кабеле решена задача защиты от индуктивных помех, но не решена задача по защите от кондуктивных помех, которые в своем большинстве имеют импульсный характер, и от собственных помех, обусловленных неравномерностью передачи напряжения.
Настоящая полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в повышении помехозащищенности силового кабеля за счет снижения влияния индуктивных и кондуктивных помех.
Указанный технический результат достигается тем, что помехоподавляющий кабель, содержащий токопроводящую жилу, помещенную в экранирующую помехоподавляющую оболочку, выполненную из лент метастабильных быстроохлажденных сплавов, которые по длине жилы расположены внахлест с величиной перекрытия не меньше толщины ленты, причем снаружи экранирующая оболочка покрыта внешним изоляционным покрытием, снабжен дополнительной экранирующей помехоподавляющей медной оболочкой в виде кабельного чулка, расположенного под внешним изоляционным покрытием и охватывающего экранирующую помехоподавляющую оболочку из лент метастабильных быстроохлажденных сплавов, и магнитопроводом кольцевой формы, размещенным на концевой части кабеля и охватывающим экранирующую помехоподавляющую оболочку из лент метастабильных быстроохлажденных сплавов.
Указанные ленты могут быть выполнены из аморфных сплавов и/или из нанокристаллических магнитомягких сплавов. А магнитопровод может быть выполнен в виде литого феррита или из навитой ленты из метастабильных быстроохлажденных сплавов. Магнитопровод может быть расположен в зажимной муфте, закрепленной на концевой части кабеля.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг. 1 - конструкция силового кабеля с демонстрацией слоистой структуры обмоток;
фиг. 2 - общий внешний вид силового кабеля;
фиг. 3 - продольное сечение кабеля в области расположения муфты с магнитопроводом.
Согласно настоящей полезной модели рассматривается конструкция помехозащищенного силового кабеля, разработанного для использования в однофазных и трехфазных линиях электропередач.
Помехозащищенный силовой кабель (фиг. 1) содержит токопроводящую жилу 1, которая может быть представлена как в виде одиночного провода, так и в виде нескольких проводов 2, которые на выходе оснащены наконечниками 3, используемыми для оконцевания с целью последующего присоединения, например, к потребителю или к монтажным элементам распределительного блока.
Токопроводящая жила помещена в экранирующую помехоподавляющую оболочку 4, выполненную из лент метастабильных быстроохлажденных сплавов (аморфных или нанокристаллических), которые по длине жилы расположены внахлест с величиной перекрытия не меньше толщины ленты. Ленты выполнены из аморфных и нанокристаллических сплавов на основе кобальта, железа-кобальта и железа-никеля. Применении ленты из метастабильных быстроохлажденных сплавов (аморфных или нанокристаллических) в качестве помехоподавляющего экрана обеспечивает качественное помехоподавление, главным образом, от воздействия магнитного поля. Из-за того, что ленты располагаются внахлест в такой оболочке защитного покрытия исключено присутствие магнитных «дыр». Слой экранирующего материала обладает высокой индукцией насыщения и поглощает значительную часть избыточного магнитного поля, генерируемого работающим силовым кабелем. Эффективность применения такого лент метастабильных быстроохлажденных сплавов (аморфных или нанокристаллических) в качестве экранирующей магнитное поле оболочки доказано в прототипе. При этом эта же оболочка также экранирует магнитное поле, поступающее из внешней среды.
При экранировании силового кабеля за счет применения ленточной оболочки из метастабильных быстроохлажденных сплавов уровень магнитного поля снижается до 500%, что позволяет обеспечить выполнение требований СанПиН 2.2.4.1191-03 «Электромагнитные поля в производственных условиях» и ГН 2.1.8/2.2.4.2262-07 «Нормы (предельно допустимые уровни) магнитных полей частотой 50 Гц в помещениях жилых, общественных зданий и на селитебных территориях».
Кабель, как электротехническое устройство подвергается воздействию помех со стороны внешней среды и сам является источником помех, главными из которых является электромагнитное излучение. Для защиты кабеля от внешнего электромагнитного излучения и исключения передачи от токопроводящей жилы такого же излучения во внешнюю среду, используется дополнительна экранизация токопроводящей жилы экранирующей помехоподавляющей медной оболочкой 5 в виде кабельного чулка, который расположен под внешним изоляционным покрытием 6 и охватывает экранирующую помехоподавляющую оболочку 4 из лент метастабильных быстроохлажденных сплавов. Свойства медной экранирующей оболочки для защиты токопроводящих жил от электромагнитных, индуктивных, емкостных и других видов помех, широко известны. Эта оболочка позволяет обеспечить защиту от кондуктивных помех и наводок. Так, медная оплетка с 85-% покрытием кабеля позволяет снизить помехи, выраженные, например, в виде шума, в 100 раз.
Снаружи экранированная жила покрыта внешним изоляционным покрытием 6 из спектра изоляционных материалов, разрешено используемых для изоляции кабельной продукции.
Электромагнитные помехи распространяются не только в радиальном направлении от вектора токопроводящей жилы, но и вдоль этой жилы. В связи с этим необходимо ограничить передачу таких продольно распространяющихся помех на конечный потребитель, то есть на наконечники кабеля. Для этого на кабеле устанавливается магнитопровод 7 кольцевой формы, размещаемый на концевой части кабеля и охватывающий экранирующую помехоподавляющую оболочку 4 из лент метастабильных быстроохлажденных сплавов. Для изоляции этого магнитопровода на конце кабеля монтируется муфта зажимная (фиг. 2 и 3), которая состоит из закрепленной на конце кабеля неподвижной части 8 (через которую проходят концы проводов жилы) - корпус муфты и подвижной части 9 - гайки или крышки, наворачиванием которой обеспечивают изоляцию магнитопровода от внешней среды. Эта муфта, кроме функции изоляции от внешней среды, так же решает задачу позиционирования магнитопровода и удержания его на конце кабеля.
Магнитопровод может быть выполнен в виде литого феррита или из навитой ленты из метастабильных быстроохлажденных сплавов. Магнитопровод в виде литого феррита - это пассивный электрический компонент, изготовленный из феррита в виде кольца, использующийся в качестве фильтра, для подавления высокочастотных помех в электрических цепях. Ферритовое кольцо увеличивает индуктивность проходящего через него участка провода в несколько сотен (вплоть до тысяч) раз, что и обеспечивает подавление помех высокой частоты. Чаще всего имеют форму цилиндров или параллелепипедов; могут быть съемными с защелками или несъемными литыми. Такой фильтр, установленный на одножильный провод, работает как:
- индуктивность: часть мощности ВЧ-волны отражается обратно в кабель;
- поглотитель: часть мощности ВЧ-волны рассеивается в феррите, что более предпочтительно.
А ферритовый фильтр, установленный на многожильный кабель, создает на данном участке кабеля синфазный трансформатор, который, пропуская противофазные сигналы, отражает (не пропускает) синфазные помехи.
Но магнитопроводы, например, серии MSB, которые изготавливаются из тонкой аморфной ленты (18±2 мкм) на основе кобальта, имеют прямоугольную петлю гистерезиса и существенно более высокую магнитную проницаемость по сравнению с магнитопроводами из пермаллоевых сплавов на основе Fe-Ni и ферритовыми аналогами. Имея очень большую индуктивность в момент перехода тока через нуль, эти изделия эффективно блокируют быстрые изменения электрического тока, которые могли бы привести к электрическим шумам и помехам, а также к повреждению приборов короткими высокопотенциальными выбросами. Этот класс изделий обеспечивает более высокое эффективное подавление помех, по существу устраняя причину их возникновения, значительно уменьшает потери по сравнению с классическими RC демпферами и ферритовыми магнитопроводами аналогичного назначения. Конструктивно магнитопровод из ленты выполнен следующим образом. Витой ленточный магнитопровод помещен в жесткий защитный цилиндрический контейнер из стеклонаполненного полиамида и механически зафиксирован силиконовым герметиком. Контейнер обеспечивает надежную механическую защиту аморфного материала и сохранение его свойств.
Настоящая полезная модель промышленно применима и позволяет создать силовой кабель с высокой защитой от помех. При этом известно, что эффективность применения экранирующей помехоподавляющей оболочки 4, выполненной из лент метастабильных быстроохлажденных сплавов (аморфных или нанокристаллических), сильно зависит от количества ленточных слоев в этой оболочке. Внутренние слои экранирующего материала, обладающие высокой индукцией насыщения, поглощают основную часть избыточного магнитного поля, генерируемого работающим силовым кабелем. Оставшуюся часть, обладающую значительно меньшей интенсивностью, поглощают внешние слои экранирующего материала за счет высокой магнитной проницаемостью. В заявленной полезной модели указан только один слой ленточной обмотки из быстроохлажденных сплавов, который поглощает часть избыточного магнитного поля. Но ничто не исключает возможности применения нескольких слов в такой оболочке. Ток по кабелю протекает переменный, промышленной частоты, значит поле должно быть тоже переменное, а переменное поле бывает только электромагнитным, т.е. электрическое создает магнитное, которое в свою очередь порождает опять электрическое и т.д. Медный экран экранирует от электрического поля, а от магнитного поля не защищает. Именно то, что поле переменное и мешает магнитному существовать без электрического. Переменное магнитное порождает переменное электрическое, а переменное электрическое порождает переменное магнитное. Поэтому переменное поле бывает только электромагнитным. А расположенная поверх этой оболочки 4 слой помехоподавляющей медной оболочкой 5 позволяет проглотить электростатического поле.