АДАПТЕР ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СИЛОВОГО КАБЕЛЯ И СПОСОБ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ADAPTER OF ELECTRIC POWER CABLE, AND MANUFACTURING METHOD THEREOF

Уровень техники
Настоящее изобретение в общем относится к управлению напряженностью электрического поля в силовых электрических кабелях, а конкретнее, к изделию и способу управления напряженностью электрического поля в области сильного электрического поля, обусловленного электрическими силовыми кабелями и связанными с ними комплектующими.
Используемое здесь выражение «высокое напряжение», как правило, относится к напряжениям достаточно высоким, чтобы вызвать пробой кабельной изоляции в непрерывной оболочке кабеля. Не ограничивая объем настоящего изобретения, в некоторых вариантах осуществления выражение «высокое напряжение», как правило, относится к напряжениям 50 кВ и более, хотя настоящее изобретение также выгодно использовать и с меньшими напряжениями.
Стандартный кабель высокого напряжения включает в себя центральный электрический проводник, полупроводящий слой (также упоминаемый здесь как оболочка проводника), окружающий электрический проводник, электроизоляционный слой, закрывающий оболочку проводника, и полупроводящий слой (также упоминаемый здесь как оболочка изоляции) поверх изоляционного слоя. При обрезке такого кабеля принято удалять или срезать каждый последующий слой кабеля, чтобы вскрыть слой, расположенный ниже. Срезание полупроводящих кабельных оболочек вызывает неоднородность электрического поля в кабеле, приводящую к высокой напряженности электрического поля на срезанных концах оболочек. Высокая электрическая напряженность может вызывать появление электрических разрядов, которые, в свою очередь, стремятся нарушить изоляционный слой кабеля.
Толщина изоляционного слоя кабеля зависит от категории напряжения кабеля, причем более высоковольтные кабели имеют более толстый изоляционный слой. Зачастую, толщина изоляционного слоя может быть уменьшена, если в качестве изолирующего использован материал высокого качества (т.е. более чистый). Например, в США толщина изоляции у кабеля категории 69 кВ приблизительно равна 650 мил (тысячных долей дюйма). Подобный кабель в Европе - кабель категории 72 кВ - имеет толщину изоляции, изменяющуюся от 400 мил до 470 мил. Уменьшенная толщина изоляции обеспечивает такие преимущества, как сниженные размер, вес и стоимость кабеля, обусловленные сокращением количества используемого изолирующего материала.
Несмотря на преимущества, обеспечиваемые уменьшением толщины изоляционного слоя, уменьшенная толщина изоляции к тому же требует, чтобы кабельная арматура, такая как кабельные выводы, выдерживала повышенную электрическую напряженность на разрывах кабельной оболочки. Если это не учтено должным образом, дополнительная электрическая напряженность может приводить к повреждению кабеля и (или) кабельной арматуры. В некоторых случаях дополнительная электрическая напряженность компенсируется заменой кабельной арматуры, предназначенной для кабеля с более высокой категорией напряжения (к примеру, использование арматуры, рассчитанной на 138 кВ, в кабеле на 110 кВ, имеющем уменьшенную толщину изоляции). Несмотря на такую работу по замене арматуры, разница в стоимости арматуры с повышенным номиналом является зачастую значимой. Соответственно, желательной является конструкция, которая позволяет использовать кабели, имеющие уменьшенную толщину изоляции, с арматурой существующих кабелей в той же категории напряжения.
Сущность изобретения
В одном объекте описанное здесь изобретение обеспечивает адаптер управления электрической напряженностью в электрическом силовом кабеле такого типа, который включает в себя: внутренний проводник; оболочку проводника, покрывающую электрический проводник; электроизоляцию с уменьшенной толщиной, окружающую оболочку проводника; и полупроводящую оболочку, окружающую изоляцию. В одном варианте осуществления адаптер содержит продольную изолирующую деталь, имеющую первый конец и второй конец; и полупроводящую деталь, соприкасающуюся с первым концом изолирующей детали; при этом изолирующая деталь выполнена с возможностью перекрытия открытой части окружающей кабель электроизоляции с уменьшенной толщиной, и при этом полупроводящая деталь выполнена с возможностью перекрытия открытой части кабельной полупроводящей оболочки.
В другом объекте описанное здесь изобретение обеспечивает концевую систему для электрического силового кабеля того типа, который включает в себя: внутренний проводник; оболочку проводника, покрывающую электрический проводник; электроизоляцию с уменьшенной толщиной, покрывающую оболочку проводника; и полупроводящую оболочку над изоляцией. В одном варианте осуществления концевая система содержит вывод, выполненный с возможностью установки на кабель, имеющий по меньшей мере первую толщину изоляции; и адаптер, выполненный с возможностью установки на кабель, имеющий вторую толщину изоляции, причем вторая толщина изоляции меньше, чем первая толщина изоляции, при этом адаптер включает в себя изолирующую деталь, выполненную с возможностью перекрытия открытой части кабельной изоляции, и полупроводящую деталь, соприкасающуюся с изолирующей деталью и кабельной полупроводящей оболочкой.
В другом объекте описанное здесь изобретение обеспечивает способ снижения электрической напряженности в арматуре электрического силового кабеля. В одном варианте осуществления этот способ содержит этапы, на которых подготавливают электрический силовой кабель, включающий в себя внутренний проводник; оболочку проводника, окружающую электрический проводник; слой электроизоляции с уменьшенной толщиной, покрывающий оболочку проводника; и полупроводящую оболочку над изоляционным слоем; удаляют заранее заданную длину полупроводящей оболочки, чтобы открыть часть слоя кабельной изоляции, и удаляют меньшую заранее заданную длину открытой части слоя кабельной изоляции и оболочки проводника, чтобы открыть кабельный проводник; устанавливают адаптер поверх подготовленного кабеля, чтобы повысить общую эффективную толщину изоляции подготовленного кабеля; и устанавливают кабельную арматуру поверх адаптера.
Краткое описание чертежей
Варианты осуществления изобретения лучше понятны со ссылкой на нижеследующие чертежи. Элементы чертежей не обязательно масштабированы относительно друг друга. Одинаковые ссылочные позиции обозначают соответствующие сходные части.
Фиг.1 является иллюстрацией электрического силового кабеля, подготовленного для установки адаптера управления напряженностью согласно изобретению.
Фиг.2А является изображением поперечного сечения одного варианта осуществления адаптера управления напряженностью согласно изобретению.
Фиг.2В является изображением поперечного сечения адаптера управления напряженностью по Фиг.2А, расположенного на несущем сердечнике, согласно изобретению.
Фиг.2С является изображением поперечного сечения адаптера управления напряженностью по Фиг.2А применительно к электрическому силовому кабелю согласно изобретению.
Фиг.3А является изображением поперечного сечения другого варианта осуществления адаптера управления напряженностью согласно изобретению.
Фиг.3В является изображением поперечного сечения адаптера управления напряженностью по Фиг.3А, расположенного на несущем сердечнике, согласно варианту осуществления изобретения.
Фиг.3С является изображением поперечного сечения адаптера управления напряженностью по Фиг.3А, применительно к электрическому силовому кабелю, согласно изобретению.
Подробное описание
В нижеследующем подробном описании предпочтительных вариантов осуществления делаются ссылки на прилагаемые чертежи, которые образуют часть данного описания и на которых показаны в качестве иллюстрации конкретные варианты осуществления, в которых может быть воплощено изобретение. Показанные варианты осуществления не предназначены исчерпывать все вариантами осуществления согласно изобретению. Следует понимать, что могут быть использованы и другие варианты осуществления, а структурные или логические изменения могут быть сделаны без отхода от объема настоящего изобретения. Например, хотя настоящее изобретение прежде всего описано применительно к концевой системе кабеля, оно также пригодно для воплощения с соединителями высоковольтных кабелей и другим высоковольтным оборудованием, в том числе электрическими вставками и проходниками. Поэтому нижеследующее подробное описание не должно пониматься в ограничительном смысле, а объем настоящего изобретения определяется приложенной формулой изобретения.
На Фиг.1 показан типовой силовой кабель 10. Типовой силовой кабель 10 включает в себя центральный электрический проводник 12, полупроводящий слой 14 (также упоминаемый здесь как оболочка 14 проводника), окружающий электрический проводник 12, слой электроизоляции 16, покрывающий оболочку 14 проводника, и полупроводящий слой 18 (также упоминаемый здесь как оболочка 18 изоляции) поверх изоляции 16. Изоляция 16 может содержать такой материал как сшитый полиэтилен (XLPE), полиэтилен (РЕ) или этиленпропиленовый каучук (EPR), либо другие материалы, как известно в уровне техники. Дополнительные защитные слои (не показаны) могут дополнительно предусматриваться поверх оболочки 18 изоляции.
Как описано здесь, понимается, что электроизоляция 16 кабеля 10 имеет уменьшенную толщину, которая в отсутствие добавочных мер управления электрической напряженностью требует использования арматуры кабеля более высокого класса напряжения, чем класс напряжения кабеля (к примеру, использования арматуры кабеля, рассчитанной на 138 кВ, с кабелем на 110 кВ, имеющим уменьшенную толщину изоляции). Такой кабель, имеющий уменьшенную толщину изоляции, может упоминаться как кабель с тонкой оболочкой. В отличие от этого, кабель, имеющий довольно толстую электроизоляцию, позволяющую использовать арматуру кабеля того же класса напряжения, что и класс напряжения данного кабеля, без использования добавочных мер управления электрической напряженностью упоминается здесь как стандартный кабель.
Как показано на Фиг.1, кабель 10 подготавливается для завершения путем удаления заранее заданной длины оболочки 14 проводника, такой же заранее заданной длины изоляции 16, покрывающей оболочку 14 проводника, и большей заранее заданной длины оболочки 18 изоляции, покрывающей изоляцию 16. Следует отметить, что масштаб чертежей искажен для простоты описания. Срезание оболочки 18 изоляции порождает неоднородность электрического поля, окружающего проводник 12, которая приводит к высокой напряженности электрического поля на срезанных концах оболочки 18 изоляции. Как описано выше, высокая электрическая напряженность может вызывать появление электрических разрядов, что, в свою очередь, может вызвать пробой в изоляции 16 и возможный отказ места соединения.
В одном варианте осуществления управление электрической напряженностью кабеля 10, имеющего уменьшенную толщину электроизоляции 16, дополнено установкой изолирующего адаптера поверх изоляции 16, чтобы повысить общую эффективную толщину изоляции, окружающую проводник 12, а затем установкой кабельной арматуры поверх этого адаптера. В одном варианте осуществления общая эффективная толщина изоляции по меньшей мере такая же, как толщина изоляции стандартного кабеля.
r
На Фиг.2А-2С изображен адаптер 20 согласно одному варианту осуществления изобретения. Адаптер 20 включает в себя продольную электрически изолирующую часть 22 и полупроводящую часть 24. Изолирующая часть 22 определяет исходную толщину t и имеет первый конец 26 и второй конец 28. Полупроводящая часть 24 упирается в первый конец 26 и соприкасается с первым концом 26 изолирующей части 22. Концы изолирующей части 22 и полупроводящей части 24 сформированы так, чтобы избежать острых углов в областях высокой напряженности электрического поля. В варианте осуществления по Фиг.2А изолирующая часть 22 и полупроводящая часть 24 отлиты вместе для формирования единого или неразъемного адаптера 20.
s
r
В одном варианте осуществления, как изображено на Фиг.2 В, эластично восстанавливающийся адаптер 20 поддерживается в радиально расширенном или предварительно растянутом состоянии на съемном жестком несущем сердечнике 30. В этом варианте осуществления адаптер 20 может в общем упоминаться как предварительно растянутая труба холодной усадки. В этом радиально расширенном состоянии изолирующая часть 22 определяет растянутую толщину t, которая меньше, чем исходная толщина t на Фиг.2А. Выражения «эластично восстанавливающийся», «эластично усаживающийся» и «холодной усадки» используются взаимозаменяемо для обозначения того, что изделие дает усадку при температурах приблизительно от примерно -20°С до примерно 50°С без дополнительного нагрева.
i
r
s
На Фиг.2С адаптер 20 по Фиг.2А и 2В показан установленным на кабель 10 и далее имеющим кабельную арматуру 40, установленную поверх адаптера 20. Хотя в общем она изображена как концевая система, кабельная арматура 40 может быть любым типом известной арматуры, предназначенной для установки на кабель 10, и не ограничиваться концевой системой. Зачищенный проводник 12 подключается к наконечнику 42, который обжимается на проводнике 12. Изолирующая часть 22 выполнена с возможностью перекрытия и контактирования с зачищенной частью электроизоляции 16 с уменьшенной толщиной, окружающей кабельный проводник 12, что повышает общую эффективную толщину изоляции тонкостенного кабеля 10 до толщины, которая равна или больше, чем толщина изоляции стандартного кабеля, или, альтернативно, до толщины, которая снижает электрическую напряженность до уровня, который может выдержать кабель и комбинация кабеля с кабельной арматурой. В своем установленном состоянии изолирующая часть 22 определяет установленную толщину t, которая обычно меньше, чем исходная толщина t по Фиг.2А, и больше, чем растянутая толщина tпо Фиг.2В. Полупроводящая часть 24 располагается так, чтобы проходить по срезанному концу оболочки 18 изоляции, и выполнена с возможностью перекрытия и контактирования с открытой частью оболочки 18 изоляции и для восстановления оболочки изоляции поверх кабельной изоляции 16 и изолирующей части 22 адаптера. Адаптер 20 использует геометрический рельеф напряженности, чтобы восстановить оболочку изоляции поверх композитного материала кабельной изоляции 16 и изоляции 22 адаптера.
r
s
r
На Фиг.3А-3С изображен адаптер 120 согласно другому варианту осуществления изобретения. Адаптер 120 включает в себя продольную электрически изолирующую часть 122 и полупроводящую часть 124. Изолирующая часть 122 определяет исходную толщину t и имеет первый конец 126 и второй конец 128. Полупроводящая часть 124 соприкасается с первым концом 126 изолирующей части 122. Концы изолирующей части 122 и полупроводящей части 124 сформированы так, чтобы избежать острых углов в областях высокой напряженности электрического поля. В варианте осуществления по Фиг.3А-3С изолирующая часть 122 и полупроводящая часть 124 являются разъемными и образуют состоящий из двух частей адаптер 120. На Фиг.3В эластично восстанавливающийся адаптер 120 показан поддерживаемым в радиально расширенном или предварительно растянутом состоянии на съемном жестком несущем сердечнике 30. В этом радиально расширенном состоянии изолирующая часть 122 определяет растягиваемую толщину t, которая меньше, чем исходная толщина t по Фиг.3А.
i
r
s
На Фиг.3С показан адаптер 120, установленный на кабель 10 и далее имеющий кабельную арматуру 40, установленную поверх адаптера 120. Хотя в общем она иллюстрируется как концевая система, эта кабельная арматура 40 может быть любым типом известной кабельной арматуры, предназначенной для установки на кабеле 10, и может не ограничиваться концевой системой. Зачищенный проводник 12 соединяется с наконечником 42. Изолирующая часть 122 выполнена с возможностью перекрытия зачищенной части электроизоляции 16 с уменьшенной толщиной, окружающей кабельный проводник 12, тем самым повышая общую эффективную толщину кабельной изоляции тонкостенного кабеля 10 до толщины, которая равна или больше, чем толщина изоляции стандартного кабеля, или, альтернативно, до толщины, допустимой для кабель и комбинации кабеля с кабельной арматурой. В установленном состоянии изолирующая часть 122 определяет установленную толщину t, которая обычно меньше, чем исходная толщина t по Фиг.3А, и больше, чем растянутая толщина t по Фиг.3В. Полупроводящая часть 124 располагается так, чтобы проходить по срезанному концу оболочки 18 изоляции, и выполнена с возможностью перекрытия и контактирования как с зачищенной частью оболочки 18 изоляции, так и первого конца 126 изолирующей части, чтобы восстанавливать оболочку изоляции поверх кабельной изоляции 16 и изолирующей части 122 адаптера. Адаптер 120 использует геометрический рельеф напряженности, чтобы восстановить оболочку изоляции поверх композитного материала кабельной изоляции 16 и изоляции 122 адаптера.
Хотя любой стандартный тип несущего сердечника 30 может использоваться в вариантах осуществления по Фиг.2В и 3В, более подходящими являются жесткие цилиндрические сердечники в виде спирально намотанной ленты, например, раскрытые в патентах США №3.515.798, 4.503.105, 4.871.599 и 4.934.227. Как видно из Фиг.2 В и 3 В, смежные витки ленты 32, формирующие несущий сердечник 30, взаимосвязаны по периферийным областям так, чтобы сердечник 30 мог выдерживать свойственные растягиваемому адаптеру 20 радиальные силы. Часть ленты 32, т.е. удаляемая полоса 34, отводится назад через центр сердечника 30 и может быть вручную захвачена на одном конце сердечника 20. За счет вытягивания удаляемой полосы 34 витки сердечника 30 будут отделяться поодиночке. За счет вынимания несущего сердечника 30 из адаптера 20, 120 по одному витку спиральной ленты за раз адаптеру 20, 120 обеспечивают постепенную радиальную усадку на кабель 10. Ручное вытягивание удаляемой полосы 34 обеспечивает полностью соответствующее усилие для разматывания и удаления съемного сердечника 30, оставляя адаптер 20, 120 плотно закрепленным на кабеле 10.
Сердечник 30 может быть сделан из различных материалов, например, поливинилхлорида, полиэтилентерефталата, ацетобутирата целлюлозы и тому подобного. Материалом сердечника 30 должен быть материал достаточно жесткий, чтобы удерживать адаптер 20 в его радиально расширенном состоянии и обеспечивать ручное удаление всего сердечника 30, и в то же время достаточно гибкий, чтобы обеспечить требуемое разматывание.
Материалы адаптера 20, 120 имеют достаточную эластичность, чтобы радиально расширяться и ослабляться для помещения на кабель 10. В одном варианте осуществления материалы адаптера 20, 120 представляют собой силиконовые эластомеры или силиконовые каучуки. Используемые выражения «силиконовый эластомер» и «силиконовый каучук» означают любые полиограносилоксаны. Силиконовые эластомеры или каучуки, применяемые в адаптере 20, 120, включают в себя проводящие силиконы, имеющие минимальную прочность на разрыв по меньшей мере примерно 20 Н/мм, предпочтительно 30 Н/мм, и растяжимость по меньшей мере примерно 400%, предпочтительно по меньшей мере примерно 500%. Силикон может быть жидким силиконом или тягучим силиконом и может выбираться исходя из простоты смешивания и обработки. Однако большое разнообразие материалов может быть использовано при условии, что они обладают требуемыми свойствами, чтобы растягиваться и восстанавливать исходные габаритные размеры, когда несущий сердечник 30 удаляется.
Для использования изолирующих частей 22, 122 адаптеров 20, 120, соответственно, подходящие силиконовые эластомеры включают в себя - но не ограничиваются ими - жидкие силиконы, доступные как Baysilone LSR с номером серии 2030-2040, доступные от Bayer Corp., Elastosil от LR3013/40 до 3003/50, доступные от Wacker Silicones Corp., Silastic серии от 9280-30 до -40 от Dow Corning, «KE 1950-30 до 1950-40», доступные от Shincor Silicones Inc., и «LIM 6030-D1 и 6040-D1», доступные от General Electric Corp.; кроме того, тягучие силиконы доступны как Silastic M2809 от Dow Coming, Elastosil 4000/40 до 4000/70 от Wacker Silicones Corporation, Tufel I SE846 и Tufel(R) II 94405, доступные от General Electric, «SVX-14007B», доступный от Shincor Silicones Inc., и «HVVP AC3537», доступный от Bayer Corp.
Для использования полупроводящих частей 24, 124 адаптеров 20, 120, соответственно, подходящие силиконы включают в себя - но не ограничиваются ими - Elastosil R573/50, доступный от Wacker Silicones, и «КЕ-361 IU», доступный от Shincor Silicones. В одном варианте осуществления материал, образующий полупроводящую часть 24, 124, имеет объемное удельное сопротивление от примерно 30 до примерно 270 Ом-см, предпочтительно примерно 150 Ом-см.
Силиконовые полимеры, применяемые в адаптере 20, 120, могут включать в себя далее добавки, такие как пигменты или красители, для окраски адаптера или одной из его частей; такие пигменты включают в себя технический углерод, пигмент Red 101 и т.д.; наполнители усиливающей двуокиси кремния, такие как гели и аэрозоли, дисперсанты, огнестойкие добавки и тому подобное, при условии, что количество и тип добавки не оказывают неблагоприятного воздействия на физические или электрические свойства состава.
Для формирования изолирующих частей 22, 122 и полупроводящих частей 24, 124 адаптеров 20, 120, соответственно, состав силикона, используемый для каждой части 22, 24, 122, 124, смешивается и отверждается или вулканизируется при высоких температурах. Изолирующие части 22, 122 и полупроводящие части 24, 124 могут быть сформированы любым подходящим способом, таким как экструзия или литье. В одном варианте осуществления изолирующие части 22, 122 и полупроводящие части 24, 124 сформированы литьем под давлением.
При установке на кабеле 10, имеющем изоляцию 16 с уменьшенной толщиной, адаптеры 20, 120 снижают электрическую напряженность за счет введения кабельной арматуры, перекрывающей адаптер. Адаптеры 20, 120, таким образом, позволяют использовать стандартные кабельные арматуры в кабелях, которые предназначены для работы со значительно повышенной электрической напряженностью.
В одном типовом варианте осуществления адаптер 20 используется в комбинации с тонкостенным кабелем на 69 кВ, имеющим толщину изоляции в диапазоне 400-470 мил, и кабельной арматурой на 69 кВ, предназначенной для использования со стандартным кабелем, имеющим толщину изоляции примерно 650 мил. При установке на кабель 10 изолирующая часть 22 имеет достаточную толщину, чтобы обеспечить в комбинации с уменьшенной толщиной изоляции 16 кабеля 10 полную эффективную толщину изоляции не менее 650 мил. Таким образом, в типовом варианте осуществления, когда изолирующая часть 22 установлена на кабеле 10, она имеет толщину по меньшей мере 250 мил. Толщина изолирующей части 22, когда она сформирована (т.е. в полностью ослабленном состоянии), может быть больше, чем толщина изолирующей части 22, когда она поддерживается на сердечнике 30 или установлена на кабеле 10, вследствие утонения, вызванного растяжением. Таким образом, в типовом варианте осуществления толщина изолирующей части 22, когда она сформирована, может быть примерно 450 мил, чтобы компенсировать утонение, вызванное растяжением. Увеличенная толщина изолирующей части 22 и полупроводящей части 24 может также потребоваться, чтобы повысить усилие прижатия к кабелю 10, тем самым улучшая контактное взаимодействие между адаптером 20 и кабелем 10. Надо принять во внимание, что такой типовой вариант осуществления - только один из многих различных вариантов осуществления, имеющих различные напряжения, толщины и т.д., и не должен рассматриваться как ограничивающий каким-либо образом объем применения изобретения.
Хотя здесь проиллюстрированы и описаны конкретные варианты осуществления для целей описания предпочтительного варианта осуществления, специалистам будет понятно, что большое разнообразие альтернативных или эквивалентных вариантов осуществления может быть использовано вместо конкретного представленного и описанного варианта осуществления без отхода от объема настоящего изобретения. Специалисты оценят, что настоящее изобретение может быть осуществлено в большом разнообразии вариантов осуществления. Эта заявка предназначена для охвата любых обсуждаемых в ней модификаций или вариантов осуществления. Поэтому она очевидно направлена на то, чтобы данное изобретение было ограничено только формулой изобретения и ее эквивалентами.