ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРОВОД ИЛИ КАБЕЛЬ (ВАРИАНТЫ)

Предлагаемая полезная модель относится к кабельной технике, а именно, к электрическим изолированным проводам, используемым для обмоток трансформаторов, электродвигателей, обмоток импульсных магнитов и т.д., а также в качестве токопроводящих жил кабелей повышенной прочности - в этом случае токопроводящие жилы изготавливаются скруткой из проволок без изоляции.
Для многих электротехнических изделий требуются изолированные электрические провода с повышенными прочностными характеристиками, как электрическими, так и механическими. Также ко многим видам электрических кабелей предъявляются повышенные требования к электрической и механической прочности. В известных конструкциях кабелей требования к механической прочности удовлетворяются с помощью использования изоляции повышенной прочности, или наложения брони, или какого-либо другого упрочняющего элемента, например, арамидных нитей. Это существенно усложняет конструкцию кабеля, а также увеличивает его размеры и вес. Для повышения электрической прочности изолированных проводов или кабелей (т.е. для предотвращения механического повреждения токопроводящих элементов вследствие внутренних сил, возникающих при больших токах) используются специальные конструкции с криогенным охлаждением с использованием эффекта сверхпроводимости, в некоторых случаях за счет значительного увеличения сечения токопроводящих элементов, за счет использования параллельных токопроводящих жил или нескольких кабелей, за счет использования сверхчистой меди.
Известен провод изолированный (варианты) по патенту РФ №61934, в котором для повышения механической прочности используется изоляция из термопластичного полиуретанового эластомера.
Известен электрический провод или кабель по патенту РФ №2278433. В этом патенте электрический провод или кабель с металлическим проводником заключен в полученную спеканием изоляцию, образованную намотанной в один или несколько слоев с взаимным перекрытием краевых участков не спеченной обмоточной лентой, выполненной на основе политетрафторэтилена и имеющей в поперечном сечении плосковыпуклую форму, при этом между проводником и изоляцией расположена намотанная в один или несколько слоев полиамидная обмоточная лента, обращенный в сторону изоляции, по меньшей мере, самый верхний слой которой соединен с силовым замыканием с обращенным в сторону проводника слоем образующей изоляцию обмоточной ленты, выполненной на основе политетрафторэтилена. Изобретение позволяет повысить электрическую и механическую прочность.
Этот провод выбран в качестве прототипа, поскольку совокупность его признаков наиболее близка к совокупности существенных признаков предлагаемой полезной модели.
Известные конструкции не обеспечивают повышенную прочность на разрыв электрических проводов или кабелей, а также повышенную электрическую прочность при передаче больших токов и в аварийных ситуациях при больших скачках напряжений, поскольку во всех известных конструкциях в качестве материала для токопроводящих жил (ТПЖ) используется медь или медь с нанесенным металлическим покрытием типа олова или серебра. Медь имеет хорошую электропроводность, гибкость и эластичность, однако она имеет низкую разрывную способность. В ряде случаев, когда к ТПЖ прилагаются растягивающие усилия, при прокладке, например, монтажных проводов в труднодоступных местах, когда их необходимо протягивать по протяженным и сложным по конфигурации трассам, это приводит к необходимости увеличения диаметра провода или усложнению конструкции кабеля введением дополнительных конструктивных элементов, выполняющих только функции по повышению механической прочности кабеля.
В применениях, связанных с необходимостью передачи больших токов, в особенности, импульсных, медный провод разрушается под действием возникающих под действием таких токов механических усилий.
Кроме того, мировые запасы меди истощаются, медь на мировом рынке становится дефицитом, что приводит к постоянному росту цен на этот широко используемый в самых разнообразных применениях металл.
Существует обширная сфера применения кабелей разнообразного назначения, где кабели, выполняя свою стандартную функцию передачи сигналов и/или электроэнергии, работают при приложенной продольной нагрузке - например, геофизические кабели, кабели, обеспечивающие соединение наземного пункта к буксируемыми по воде или под водой объектами, с объектами воздушного базирования (аэростаты, аэрозонды, телекоммуникационные антенны, прокладка кабелей по трассам сложной конфигурации, в особенности при больших протяженностях трасс и большом весе кабелей - например, в подводных лодках, кораблях, разнообразных наземных и воздушных объектах и др). В этих применениях допустимая разрывная нагрузка и вес кабеля имеют критическое значение.
Таким образом, недостатком известных кабелей с медными ТПЖ является необходимость обеспечивать повышенную прочность кабелей увеличением диаметра ТПЖ или введением в конструкцию кабеля специальных упрочняющих элементов, что приводит к увеличению веса кабеля (во многих практических случаях это неприемлемо), к усложнению конструкции кабеля, к усложнению технологического процесса изготовления кабеля, к повышению его цены и др.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение электрической и механической прочности электрического провода или кабеля без усложнения конструкции и без увеличения его размеров и веса.
Решение поставленной задачи обеспечивается за счет того, что в электрическом проводе, включающем одно- или многопроволочную токопроводящую жилу, поверх которой наложена изоляция и наружная оболочка, предлагается проволоки токопроводящей жилы выполнить из двухфазного металломатричного композиционного материала, имеющего электропроводность, сравнимую с электропроводностью меди. Например, система медь - ниобий - Cu-Nb или система медь - железо - Cu-Fe.
Дополнительным отличием электрического провода является то, что многопроволочная токопроводящая жила может быть скручена в сердечник.
Решение поставленной задачи в электрическом кабеле, включающем одно- или многопроволочные токопроводящие жилы, поверх которых наложена изоляция, и которые скручены в сердечник и помещены в наружную оболочку, предлагается также проволоки токопроводящей жилы выполнить из двухфазного металломатричного композиционного материала, имеющего электропроводность, сравнимую с электропроводностью меди. Например, система медь - ниобий - Cu-Nb или система медь - железо - Cu-Fe.
Дополнительным отличием предлагаемого кабеля является то, что он может содержать оптические модули и оплетку, выполненную полностью или частично также из двухфазного металломатричного композиционного материала, имеющего электропроводность, сравнимую с электропроводностью меди. Например, система медь - ниобий - Cu-Nb или система медь - железо - Cu-Fe. Материалы изолирующих слоев и оболочки - любые.
На фиг.1 приведен пример выполнения изолированного электрического провода с однопроволочной токопроводящей жилой из двухфазного металломатричного композиционного материала, где
1 - токопроводящая жила,
2 - изоляция,
3 - оболочка
На фиг.2 приведен пример выполнения изолированного электрического провода, выполненного из многопроволочной токопроводящей жилы, скрученной из нанопроволок (проволок, изготовленных из двухфазного металломатричного композиционного материала), где
1 - проволоки токопроводящей жилы,
2 - изоляция,
3 - оболочка
На фиг.3 приведен пример выполнения электрического кабеля, состоящего из семи многопроволочных токопроводящих жил, выполненных скруткой из нанопроволок, скрученных, в свою очередь, в сердечник, где
1 - многопроволочная токопроводящая жила,
2 - изоляция,
3 - оболочка,
4 - обмотка,
5 - оплетка
На фиг.4 приведен пример выполнения комбинированного кабеля, состоящего из шести токопроводящих жил, каждая из которых выполнена из нанопроволок, изготовленных из двухфазного металломатричного композиционного материала, и одной жилы, состоящей из семи оптических модулей (буферных трубок, внутри которых находится оптическое волокно).
1 - токопроводящие жилы,
2 - изоляция,
3 - оболочка,
4 - обмотка,
5 - оплетка,
6 - силовой диэлектрический элемент,
7 - оптические волокна,
8 - оптический модуль,
9 - гидрофобный заполнитель
Технология изготовления и материалы.
Изготовление кабелей с токопроводящими жилами и/или экранирующей оплеткой из двухфазных металломатричных композиционных материалов осуществляется с использованием стандартных (известных) технологических процессов на стандартных технологических линиях. ТПЖ могут быть применены готовыми или изготавливаться на соответствующем этапе общего технологического цикла, состоящего, как правило, из следующих основных операций:
1. изготовление однопроволочной или многопроволочной изолированной ТПЖ - нанесение изоляции на исходную нанопроволоку (нанопруток) из двухфазного металломатричного композиционного материала и/или скрутка нанопроволок без изоляции с последующим уплотнением и нанесением изоляции - используются машины и линии для нанесения изоляции (например, экструзионные линии).
2. Из изолированных ТПЖ (и если кабель комбинированный, дополнительно - модули, содержащие оптическое волокно) на крутильном оборудовании изготавливается сердечник кабеля, на который затем наносятся необходимые покрытия - герметизирующие, водоблокирующие, противодействующие возгоранию и распространению огня, обеспечивающие разнообразные виды защиты кабеля и любые другие, в случае необходимости на отдельные ТПЖ или группы ТПЖ накладывается экранирующая оплетка (используется оплеточная машина).
3. Далее, если это предусмотрено конструкцией кабеля, на сердечник кабеля наносится внешняя экранирующая оплетка (используется оплеточная машина) и затем с помощью экструзионного оборудования наносится необходимое покрытие на экранирующую оплетку.
4. Нанесение оболочки или наложение брони с последующим нанесением на нее защитной оболочки (используется оборудование для наложения брони и экструзионное оборудование)
5. Готовый кабель поступает на приемное оборудование, где наматывается на катушки (барабаны).
2
Нанопроволока - это проволока, изготовленная их двухфазного металломатричного композиционного материала (например, меднониобиевый композит), представляющего собой медную матрицу, пронизанную ниобиевыми ленточками толщиной менее нм. В проволоке сечением до 2,5 мм таких ленточек находится до 450 миллионов.
Разработчиком и производителем нанопроволоки является ВНИИНМ им. академика А.А.Бочвара.
Нанопроволока обладает повышенной прочностью на разрыв, величина этой прочности превосходит прочность медной проволоки того же сечения в пять раз, а электропроводность при этом сохраняется на уровне 70-80% электропроводности чистой меди.
Технико-экономический эффект.
Применение в конструкции кабелей ТПЖ и экранирующей оплетки, изготовленных из двухфазного металломатричного композиционного материала, обеспечивает существенное увеличение прочности на разрыв, тем самым обеспечивается повышенная надежность кабеля или повышенная грузонесущая способность. Замеренная разрывная прочность таких ТПЖ (при оговоренном составе компонентов микрокомпозита) в 3,5 раза превышает разрывную прочность медного провода того же диаметра.
Это дает возможность уменьшить внешний диаметр кабеля, если требуется частичное увеличение его разрывной прочности. Уменьшение внешнего диаметра кабеля приводит к снижению расхода материалов, используемых для изготовления кабеля, к уменьшению диаметра катушки или барабана, на который наматывается кабель для фиксированной длины кабеля, или к увеличению длины кабеля, наматываемого на приемный барабан фиксированного (стандартного) диаметра.
Возможно также изготовление очень тонких проводов (с диаметром сердечника до 10 мкм) и миниатюрных кабелей с токопроводящими жилами из таких проводов, в которых диаметр токопроводящей жилы может быть порядка 10 мкм (и больше).
Применение в кабелях ТПЖ из двухфазного металломатричного композиционного материала позволяет осуществлять передачу электрический ток больших величин без разрушения ТПЖ.