КАБЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СИЛОВОЙ

Полезная модель относится к кабельной технике, а именно к конструкциям силовых кабелей высокого напряжения с пропитанной бумажной изоляцией, применяемых для передачи электрической энергии.
Применение кабелей с пропитанной бумажной изоляцией обусловлено тем, что данная изоляция химически стабильна, стойка к воздействию электрических полей, может длительно работать при повышенных температурах (70-85)°С, более экономична по сравнению с другими типами изоляционных материалов (пластмассы, резина), применяемых в кабелях для передачи электроэнергии.
Известны конструкции силовых кабелей по британскому стандарту -аналоги (Барнес С. Силовые кабели. Москва, «Энергия», 1971 г.), применяемые для передачи и распределения электроэнергии, состоящие из токопроводящих жил, скрученных из гладких мягких медных или алюминиевых проволок, изоляции из пропитанных маслом бумажных лент и влагонепроницаемой металлической оболочки, наложенной поверх одной или нескольких изолированных жил. Металлическая оболочка в случае необходимости (определяется условиями прокладки кабеля) защищается стальной броней. Изоляция силового кабеля по аналогу состоит из трех частей: бумажной изоляции вокруг каждой жилы (фазная изоляция), заполнения междуфазных промежутков бумажными или джутовыми шпагатами и поясной изоляции.
Известны также «Кабели силовые с пропитанной бумажной изоляцией» (прототип) по ГОСТ 18410-98, год ввода 1975, Россия, изготавливаемые на кабельных заводах РФ и СНГ в соответствии с РД 16 14.505-86 «Кабели силовые. Наложение бумажной изоляции. Скрутка. Типовые технологические процессы», год ввода 1986, Россия, разработчик - ОАО «ВНИИКП», г.Москва. Настоящие нормативные документы распространяются на силовые кабели с алюминиевыми и медными жилами с бумажной изоляцией, пропитанной вязким или нестекающим диэлектрическим составом, в алюминиевой или свинцовой оболочке, с защитными покровами или без них, предназначенные для передачи и распределения электрической энергии в стационарных установках в электрических сетях на напряжение до 35 кВ переменного тока частотой 50 Гц и электрических сетях постоянного тока. В известных кабелях в качестве фазной и поясной изоляции используется кабельная бумага марки К или КМ по ГОСТ 23436-91, год ввода 1985, Россия. Кабельная бумага марки К и КМ изготавливается цвета натурального волокна из сульфатной небеленой целлюлозы хвойных пород древесины или хвойной целлюлозы с добавлением целлюлозы лиственных пород по нормативно-технической документации. Добавление целлюлозы лиственных пород древесины снижает стоимость кабельной бумаги, но при этом снижаются прочностные характеристики бумаги и ее термостойкость. Бумага выпускается машинной гладкости (с использованием машинного каландра). Кабельная бумага марки К - двухслойная, а КМ - многослойная. Главный недостаток кабельной бумаги марки К и КМ - низкие значения относительного удлинения в машинном направлении (≤2,5%), что существенно снижает технологичность данной бумаги и характеристики кабеля.
К недостаткам известных кабелей с пропитанной бумажной изоляцией на основе бумаги марки К или КМ следует отнести:
- ограничение минимального радиуса изгиба кабеля при прокладке его на сильноизогнутых участках трассы;
- снижение электрической прочности кабеля в местах изгибов вследствие образования гофр, складок, морщин, трещин, надрывов и разрывов изоляции на основе кабельной бумаги марки К или КМ;
- низкая технологичность при наложении фазной и поясной изоляции.
2
3
2
Ближайшим по своим параметрам к полезной модели является кабель электрический силовой с пропитанной бумажной изоляцией по патенту №50039, Россия, (прототип), содержащий микрокрепированную бумагу удельной массой (70-110) г/м, плотностью (0,65-0,75) г/см и энергией разрыва в машинном направлении (250-450) Дж/м, изготавливаемую из сульфатной хвойной небеленой целлюлозы и проклеенную канифольным клеем.
Электрический силовой кабель по прототипу (фиг.) содержит одну или несколько медных или алюминиевых токопроводящих жил 1, фазную изоляцию жил 2 из нескольких слоев микрокрепированной бумаги, включая наружный слой из сигнальной или маркированной бумаги, заполнители междужильного пространства 3 из волокнистых материалов, или без них, поясную изоляцию 4 из нескольких слоев микрокрепированной бумаги, включая наружный слой из маркированной бумаги, или без поясной изоляции, экран по поясной изоляции 5 из электропроводящей бумаги, или без него, диэлектрический пропиточный состав марки МП-2 или МП-5, свинцовую или алюминиевую оболочку 6, защитную подушку 7 из волокнистых материалов и полимерной пленки или без нее, пропитанных битумом, или без подушки, броню 8 из стальной оцинкованной ленты или проволоки, или без нее, наружный защитный покров 9 из волокнистых материалов и полимерной пленки или без нее, пропитанных битумом, или без покрова, наружное меловое или слюдяное покрытие или без него.
Кабель по прототипу изготавливается по следующей технологии. Микрокрепированная бумага, предварительно нарезанная на ленты определенной ширины (14-30) мм накладывается на медные или алюминиевые токопроводящие жилы 1 на изолировочных лентообмоточных машинах по спирали с определенным шагом и скоростью наложения. Одна или две первых ленты бумаги по жиле накладываются с перекрытием, а остальные ленты, включая наружный слой из сигнальной или маркированной бумаги, - с зазором. Количество лент и толщина фазной изоляции 2 зависят от марки кабеля (номинального напряжения) и толщины бумаги. Изолированные и маркированные жилы поступают на общую скрутку с заполнением промежутков между жилами бумажным или джутовым шпагатом 3. Поверх скрученных изолированных жил накладывается поясная изоляция 4 из бумажных лент определенной ширины, включая наружный слой из лент маркированной бумаги. Ленты микрокрепированной бумаги в поясной изоляции накладываются с зазором. В кабелях на напряжение 6 и 10 кВ поверх поясной изоляции накладывается экран 5 из одной ленты электропроводящей бумаги с перекрытием. После наложения бумажной изоляции кабель подвергается сушке-пропитке для удаления влаги и воздуха из изоляции и пропитки ее диэлектрическим составом, например масляно-канифольным компаундом МП-2 (75% кабельного масла КМ-22 и 25% кабельной канифоли КНМК по массе). Сушка и пропитка бумажной изоляции являются взаимосвязанными процессами, так как влага из атмосферы быстро поглощается сухой бумагой, поэтому пропитка производится немедленно после сушки без воздействия на изоляцию кабеля атмосферного воздуха или эти два процесса производят одновременно. Последовательность операций сушки-пропитки кабелей:
- загрузка кабеля в вакуумный котел с паровой рубашкой;
- нагрев кабеля под вакуумом до температуры (120±3)°С пропусканием тока по жиле и пара в рубашке котла;
- предварительная сушка под вакуумом при температуре (125±5)°С;
- сушка под вакуумом при температуре (125±5)°С;
- впуск в котел с кабелем дегазированного пропиточного состава МП-2 под вакуумом при температуре (130±10)°С;
- пропитка кабеля под вакуумом при температуре (130±10)°С;
- пропитка кабеля при атмосферном давлении и температуре (130±10)°С;
- выгрузка кабеля из вакуумного котла;
- охлаждение кабеля до температуры (60-70)°С.
Пропитанная масляно-канифольным компаундом бумага является гигроскопичным материалом, поэтому после сушки-пропитки на кабель накладывается поверх бумажной изоляции и экрана влаго- и воздухонепроницаемая защитная металлическая оболочка 6 (свинцовая или алюминиевая). Поверх металлической оболочки кабеля наносятся защитные покровы:
- защитная подушка 7, состоящая из чередующихся слоев битума, полиэтилентерефталатной пленки и крепированной бумаги или нетканого полотна;
- броня 8 из стальных оцинкованных лент или проволоки;
- наружный защитный покров 9 из чередующихся слоев битума, полиэтилентерефталатной пленки, волокнистых материалов (стеклопряжи или пропитанной кабельной пряжи или пропитанной тканевой джутовой ленты);
- наружное меловое или слюдяное покрытие.
После изготовления кабель подвергается приемо-сдаточным и периодическим испытаниям:
- определение электрического сопротивления изоляции, пересчитанного на 1 км длины и температуру 20°С по ГОСТ 3345-2003; год ввода 1976, Россия;
- испытание переменным напряжением частотой 50 Гц в течение 10 мин по ГОСТ 2990-203, год ввода 1978, Россия;
- определение тангенса угла диэлектрических потерь и приращения тангенса угла диэлектрических потерь по ГОСТ 12179-2003, год ввода 1976, Россия;
- испытание по ГОСТ 18410-98 на стойкость кабеля к навиванию на цилиндр определенного диаметра полным витком сначала в одном направлении, а затем, после выпрямления, в противоположном направлении с последующей разборкой отрезка кабеля после испытаний;
- испытание повышенным переменным напряжением частотой 50 Гц после навивания по ГОСТ 18410-98 и ГОСТ 2990-2003.
Микрокрепированная бумага, используемая для изготовления кабеля по прототипу, по сравнению с кабельной бумагой имеет повышенное содержание глинозема и пониженную плотность, что существенно снижает способность бумажной изоляции удерживать диэлектрический пропиточный состав при механическом воздействии на изоляцию (изгиб, сжатие и т.д.), а также снижает механическую и электрическую прочность изоляции. Проклейка микрокрепированной бумаги канифольным клеем существенно снижает объемную впитываемость бумажной изоляции диэлектрическим пропиточным составом, а также повышает зольность бумаги и снижает ее диэлектрические характеристики. В связи с этим кабель по прототипу имеет следующие недостатки:
- пониженное содержание диэлектрического пропиточного состава в бумажной изоляции в местах изгибов кабеля и дефектов алюминиевой оболочки («бамбуковых» колец);
- повышенная зависимость содержания диэлектрического пропиточного состава в бумажной изоляции от давления прессования металлической оболочки;
- повышенная зависимость содержания диэлектрического пропиточного состава в бумажной изоляции от технологических режимов сушки-пропитки;
- повышенное время набора требуемого электрического сопротивления изоляции после изготовления кабеля;
- пониженная электрическая прочность пропитанной бумажной изоляции;
- повышенное число прогаров (электрического пробоя изоляции) кабелей во время приемо-сдаточных и периодических испытаний;
- пониженная механическая прочность изоляции при испытаниях кабеля на изгиб (наличие продольных и поперечных надрывов бумажных лент);
- пониженная технологичность (повышенная обрывность бумажных лент при изолировании кабеля);
- повышенные толщина изоляции и расход бумажных лент.
Все эти недостатки прототипа снижают качество, надежность, технологичность и экономичность кабелей с пропитанной бумажной изоляцией.
Технической задачей полезной модели является разработка силовых кабелей с пропитанной бумажной изоляцией, не уступающих прототипу по основным характеристикам, но более качественных, надежных, технологичных и экономичных.
3
Технический результат достигается тем, что в фазной и поясной изоляции кабель содержит одно или многослойную микрокрепированную бумагу с пониженным содержанием глинозема (0,05-1,6) мас.%, без проклейки канифольным клеем, плотностью (0,70-0,80) г/см, изготавливаемую из сульфатной небеленой целлюлозы.
3
Общим признаком прототипа и предлагаемого технического решения является наличие одной или нескольких алюминиевых или медных токопроводящих жил, фазной изоляции жил из нескольких слоев микрокрепированной бумаги, включая наружный слой из сигнальной или маркированной бумаги, заполнителей междужильного пространства из волокнистых материалов или без них, поясной изоляции из нескольких слоев микрокрепированной бумаги, включая наружный слой из маркированной бумаги, или без поясной изоляции, экрана по поясной изоляции из электропроводящей бумаги или без него, диэлектрического пропиточного состава, свинцовой или алюминиевой оболочки, защитной подушки из волокнистых материалов и полимерной пленки или без нее, пропитанных битумом, или без подушки, брони из стальной оцинкованной ленты или проволоки или без нее, наружного защитного покрова из волокнистых материалов и полимерной пленки или без нее, пропитанных битумом, или без покрова, мелового или слюдяного покрытия или без него. В то же время предложенный кабель отличается от известного использованием в фазной и поясной изоляции одно или многослойной микро-крепированной бумаги с пониженным содержанием глинозема (0,05-1,6) мас.%, без проклейки канифольным клеем, плотностью (0,70-0,80) г/см, изготавливаемой из сульфатной небеленой целлюлозы.
Микрокрепированная бумага, используемая для изготовления нового кабеля имеет пониженное содержание глинозема и повышенную плотность, что существенно повышает способность бумажной изоляции удерживать диэлектрический пропиточный состав при механическом воздействии на изоляцию, а также повышает механическую и электрическую прочность изоляции. Изоляция кабеля из микрокрепированной бумаги без проклейки каннифольным клеем имеет повышенную впитываемость диэлектрического пропиточного состава, а также высокие диэлектрические характеристики. Глинозем вводят в бумажную массу для связывания смолистых веществ (таловой канифоли). Таким образом обеспечивается получение качественного бумажного полотна. Снижение содержания глинозема в бумаге может быть достигнуто за счет увеличения степени промывки целлюлозы после варки и удаления смолистых веществ. Увеличение плотности бумаги может быть достигнуто за счет увеличения степени помола целлюлозы. В связи с этим новый кабель имеет следующие преимущества:
- уменьшенное время набора требуемого электрического сопротивления изоляции после изготовления кабеля;
- повышенная электрическая прочность пропитанной бумажной изоляции;
- отсутствие прогаров (электрического пробоя изоляции) кабелей во время приемо-сдаточных и периодических испытаний;
- повышенная механическая прочность изоляции при испытаниях кабеля на изгиб (отсутствие продольных и поперечных надрывов бумажных лент);
- повышенная технологичность и производительность (повышенная скорость наложения бумажных лент без обрыва при изолировании кабеля);
- пониженный расход бумажных лент;
- повышенная надежность.
Ограничения на выбор микрокрепированной бумаги для изготовления изоляции силовых электрических кабелей накладывают условия изготовления и эксплуатации кабелей:
- механическая нагрузка на бумагу при резке ее на ленты шириной (14-30) мм со скоростью до 500 м/мин;
- механическая нагрузка на бумажные ленты при их наложении на кабель;
- термомеханическая и химическая нагрузка на бумажные ленты в составе кабеля при его сушке и пропитке масляно-канифольным составом (канифоль - органическая кислота) при температуре до 145°С;
- термомеханическая нагрузка на бумажные ленты в составе кабеля при нанесении на них алюминиевой или свинцовой оболочки в расплавленном состоянии;
- сложно-деформированное состояние бумажных лент в составе кабеля при его многократном изгибе в процессе изготовления, испытания, хранения, прокладки и эксплуатации;
- длительная (25-30) лет термохимическая нагрузка на пропитанные масляно-канифольным компаундом бумажные ленты в составе кабеля при температуре до 80°С;
- термомеханическая нагрузка на бумажные ленты в составе кабеля в процессе его хранения при температуре ±50°С в барабанах;
а также требуемые характеристики изоляционной кабельной бумаги: толщина, плотность, максимальное разрушающее усилие и относительное удлинение в обоих направлениях, максимальная электрическая прочность, максимальная термостойкость и долговечность, минимальная толщина изоляции, максимальное содержание диэлектрического пропиточного состава в изоляции, максимальное электрическое сопротивление изоляции, минимальный тангенс угла диэлектрических потерь изоляции, максимальная механическая и электрическая прочность изоляции. В большей степени этим условиям удовлетворяет микрокрепированная бумага из 100%-ной сульфатной сосновой небеленой целлюлозы.
В качестве фазной и поясной изоляции кабеля могут быть использованы:
1. Бумага-основа кабельная микрокрепированная марки БКМ-140 по ТУ 5433-004-50289046-2003, год ввода 2004, Россия.
2. Бумага мешочная полурастяжимая марки SKS-105 по СТО 51321438-002-2010 СЦБК (Сегежский целлюлозо-бумажный комбинат), год ввода 2010, Россия.
3. Крафт-бумага электротехническая изоляционная марки GSM-100 по ТТ-Э-49-2013, год ввода 2013, Россия.
4. Бумага микрокрепированная кабельная марки БМК-140 по ТУ 5456-001-88920033-2012, год ввода 2012, Россия.
В качестве сигнальной бумаги в изоляции кабеля может быть использована бумага-основа кабельная микрокрепированная сигнальная марки БКМ-140С с полосами красного, или синего или зеленого цвета, нанесенными на одну сторону бумаги нерастворимой в масле краской. В качестве маркированной бумаги в изоляции кабеля может быть использована бумага-основа кабельная микрокрепированная маркированная марки БКМ-140М с цифрами и буквами черного цвета, нанесенными на одну сторону бумаги нерастворимой в масле краской. В качестве заполнителей междужильного пространства могут быть использованы жгуты из бумаги-основы кабельной микрокрепированной марки БКМ-100, проклеенной канифольным клеем, или заполнитель кабельный джутовый однониточный марки ЗКДо. В качестве экрана по поясной изоляции может быть использована бумага электропроводящая кабельная двухцветная микрокрепированная марки БЭКДм-150 с электропроводным покрытием на основе печной сажи и графита. В качестве загустителя диэлектрического пропиточного состава может быть использован загуститель пропиточных составов кабельный марки ЗПСКм, состоящий из смеси сополимеров.
Новый кабель может также содержать:
- защитную подушку на основе ленты кабельной пропитанной бумажной марки ЛКПБ из бумаги-основы крепированной марки БОК-120, предварительно пропитанной раствором состава биокоррозионнозащитного кабельного марки АСКМ-1А в минеральном масле;
- защитную подушку на основе лент полотна нетканого кабельного клееного марки ПНКкл, изготовленного из 100%-ного полиэфирного волокна;
- защитную подушку, пропитанную составом негорючим кабельным марки СНК-70 на основе битума;
- наружный защитный покров на основе ленты кабельной пропитанной тканевой марки ЛКПТ из джутового волокна, предварительно пропитанной раствором состава биокоррозионнозащитного кабельного марки АСКМ-1А в минеральном масле;
- наружный защитный покров на основе пряжи джутовой антисептированной малокрученой марки ПДАм из джутовых волокон, предварительно пропитанной раствором состава биокоррозионнозащитного кабельного марки АСКМ-1А в минеральном масле;
- наружный защитный покров, пропитанный составом негорючим кабельным марки СНК-70 на основе битума.
Все перечисленные материалы разработаны и выпускаются в ООО «НПК «Энергия».
Конструкция нового кабеля и технология его изготовления аналогичны конструкции и технологии изготовления кабеля по прототипу.
Силовые электрические кабели на напряжение от 1 до 10 кВ с изоляцией на основе доработанной микрокрепированной бумаги прошли всесторонние испытания на кабельных заводах РФ с положительными результатами. Налажен выпуск данных кабелей.