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.
Известны конструкции силовых кабелей - аналоги (Барнес С. Силовые кабели. Москва, «Энергия», 1971 г.), применяемых 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. В силовом кабеле по аналогу (британскому стандарту) электропроводящий экран 5 накладывается на поясную изоляцию 4.
В высоковольтных кабелях на напряжение 6 кВ и более экраны из электропроводящих материалов, наложенные на бумажную изоляцию, выполняют следующие функции. Экран из электропроводящего материала шунтирует искажения электрического поля, которые возникают за счет наличия дефектов бумажной изоляции (складок, морщин и т.д.). Электропроводящие экраны шунтируют разряды в воздушных и масляных включениях системы «изоляция-металлическая оболочка» вследствие того, что входят в электрическую цепь, имея относительно большое активное сопротивление, что в конечном
итоге снижает интенсивность ионизации и увеличивает срок службы кабеля. Установлено, что электрическая прочность изоляции силовых кабелей при экранировании повышается на 20%, а импульсная прочность - на 5%. Обладая такими же теплофизическими характеристиками, что и материал изоляции, экраны предотвращают образование воздушных и масляных прослоек в системе «изоляция-металлическая оболочка» при циклах нагрева и охлаждения кабеля в процессе эксплуатации. Электропроводящая кабельная бумага с сажевым наполнителем обладает адсорбционными свойствами. Экран, который действует как адсорбент, поглощает продукты разрушения масла, возникающие в результате его окисления. Кроме того, экран защищает изоляцию от проникновения металлических мыл, образующихся в пропиточном составе, который контактирует с металлической оболочкой кабеля.
Ближайшими по своим параметрам к полезной модели являются «Кабели силовые с пропитанной бумажной изоляцией» по ГОСТ 18410-73, год ввода 1975, Россия (прототип), 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 или медными жилами, с бумажной изоляцией и электропроводящим бумажным экраном, пропитанных вязким или нестекающим диэлектрическим составом, с алюминиевой или свинцовой оболочкой, 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 кабелях по прототипу в качестве экрана используется одноцветная электропроводящая бумага ЭКУ-120 по ГОСТ 10751-85, год ввода 1987, Россия, характеристики которой приведены в таблице 1. Для придания электропроводности в композицию бумаги вводится технический углерод на стадии размола целлюлозы. Расход технического углерода составляет ~20% от массы целлюлозы. При этом в бумаге остается только 10% углерода, а остальная его часть уходит в стоки.
К недостаткам бумаги ЭКУ-120 следует отнести высокое содержание технического углерода, большую толщину электропроводящего слоя и высокое электрическое сопротивление. В процессе эксплуатации данной бумаги в составе кабеля происходит миграция технического углерода в изоляцию. Все эти недостатки бумаги ЭКУ-120 существенно снижают качество и стабильность изоляции кабеля и ухудшают ее диэлектрические характеристики. Производство данной бумаги является экологически грязным из-за большого содержания углерода в сточных водах, в связи с этим выпуск электропроводящих сажевых бумаг марок ЭКУ-120 и ЭПД-130 в РФ в настоящее время остановлен.
Взамен бумаги ЭКУ-120 в России и СНГ используется финская бумага TERKAB СВ-120, характеристики которой приведены в таблице 1. По составу и конструкции бумага TERKAB идентична бумаге ЭКУ-120, поэтому она имеет такие же недостатки.
Электрические силовые кабели по прототипу (фиг.) изготавливаются по следующей технологии. На медные или алюминиевые токопроводящие жилы 1 накладывается фазная изоляция 2 на изолировочных лентообмоточных машинах. Количество бумажных лент и толщина фазной изоляции зависят от марки кабеля (номинального напряжения) и толщины бумаги. Изолированные и промаркированные жилы поступают на общую скрутку с заполнением промежутков между жилами бумажными жгутами 3. Поверх скрученных изолированных жил и бумажных жгутов накладывается поясная изоляция 4 из бумажных лент определенной ширины. В кабелях на напряжение 6 и 10 кВ поверх поясной изоляции накладывается экран 5 из электропроводящей бумаги. После этого кабель подвергается сушке для удаления влаги и воздуха из бумажной изоляции, заполнителя и экрана и пропитке их диэлектрическим составом, например масляно-канифольным компаундом МП-2 (75% кабельного масла КМ-22 и 25% кабельной канифоли КНМК по массе). Процессы сушки и пропитки бумажной изоляции, заполнителя и экрана являются взаимосвязанными процессами, так как влага из атмосферы быстро поглощается сухой бумагой, и поэтому эти два процесса производят одновременно, или пропитка производится немедленно после сушки без воздействия атмосферного воздуха. 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, и поэтому после сушки-пропитки на кабель поверх экрана накладывается влаго- и воздухонепроницаемая защитная металлическая оболочка 6 (свинцовая или алюминиевая). Поверх металлической оболочки кабеля наносятся защитные покровы:
- подушка 7, состоящая из чередующихся слоев битума, полиэтилентерефталатной пленки и крепированной бумаги или нетканого полотна;
- броня 8 из стальных лент или проволоки;
- наружный покров 9 из битума с мелом или чередующихся слоев битума, полиэтилентерефталатной пленки, волокнистых материалов (стеклопряжи или пропитанной кабельной пряжи или пропитанной тканевой джутовой ленты), мела или пластмассовой оболочки (пластифицированный поливинилхлорид или полиэтилен).
К недостаткам прототипа следует отнести:
- пониженную механическую прочность и эластичность электропроводящего бумажного экрана;
- пониженное электрическое сопротивление изоляции;
- повышенные диэлектрические потери;
- пониженную стойкость к навиванию (многократному изгибу кабеля);
- наличие продольных трещин, складок, карманов, поперечных надрывов бумажного экрана;
- пониженную технологичность;
- повышенный расход материалов и повышенную стоимость.
Все эти недостатки прототипа существенно снижают качество, надежность, технологичность и экономичность кабелей с пропитанной бумажной изоляцией.
Технической задачей полезной модели является разработка силового электрического кабеля, не уступающего прототипу по основным характеристикам, но более технологичного, высококачественного, высоконадежного и более экономичного.
Технический результат достигается тем, что в качестве экрана кабель содержит бумагу электропроводящую кабельную двухцветную микрокрепированную марки БЭКДм с электропроводным покрытием на основе печной сажи и графита.
Общим признаком прототипа и предлагаемого технического решения является наличие экрана из электропроводящей кабельной бумаги. В то же время предложенный кабель отличается от известного использованием экрана
из бумаги электропроводящей кабельной двухцветной микрокрепированной марки БЭКДм с электропроводным покрытием на основе печной сажи и графита.
Преимущества нового кабеля:
- высокая механическая прочность и эластичность электропроводящего бумажного экрана;
- высокие диэлектрические характеристики;
- высокие технологичность и качество;
- высокая экономичность.
Ограничения на выбор бумаги с электропроводным покрытием для изготовления кабельных экранов накладывают условия изготовления и эксплуатации данной бумаги и кабеля:
- воздействие влаги и температуры до 90°С в процессе нанесения на бумагу-основу электропроводного покрытия;
- механическая нагрузка на электропроводящую бумагу при резке ее на ленты шириной (32÷42) мм на бобинорезательных станках со скоростью до 300 м/мин;
- механическая нагрузка на бумажные ленты при их наложении на кабель;
- механическая нагрузка на электропроводное покрытие при протяжке кабеля на изолировочной машине (сцепление покрытия с резиновыми кулачками тяг);
- сложно-деформированное состояние бумажных лент в составе кабеля,
уложенного в пропиточных котлах;
- термомеханическая нагрузка на электропроводное покрытие при сушке кабеля, уложенного в пропиточных котлах, под действием повышенной температуры (до 130°С), влажности и давления верхних витков кабеля на нижние;
- термомеханическая и химическая нагрузка на бумажные ленты в составе кабеля при его варке в масляно-канифольном компаунде при температуре (130-140)°С в течение 12 часов;
- термомеханическая нагрузка на бумажные ленты и электропроводное покрытие в составе кабеля при нанесении на них алюминиевой или свинцовой оболочки в расплавленном состоянии;
- сложно-деформированное состояние бумажных лент в составе готового кабеля при его многократном изгибе в процессе хранения, транспортирования, прокладке и эксплуатации;
- длительная 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 электропроводящей кабельной бумаги: толщина, плотность, максимальные разрушающее усилие, относительное удлинение и сопротивление раздиранию в обоих направлениях, максимальные влагостойкость, термостойкость и долговечность.
Для выполнения экранирующих свойств электропроводящее покрытие должно обладать следующими характеристиками:
- покрытие должно быть однородным и равномерным по толщине;
- толщина покрытия должна быть минимальной с целью снижения расхода материалов на оболочку и защитные покровы кабеля и составлять (5÷10) мкм, при этом для обеспечения максимально допустимого значения потенциала на экране (7÷8) В из условия отсутствия электрической эрозии от разряда между электропроводящим покрытием бумаги и металлической оболочкой кабеля, электрическое сопротивление покрытия должно быть не более 100 кОм;
- покрытие должно быть прочным, эластичным, термостойким, масло- и влагостойким, должно обладать высокой адгезией к бумаге-основе;
- покрытие не должно отслаиваться и выкрашиваться при многократном изгибе бумаги, не должно давать отпечатка при соприкосновении с другими предметами, в том числе влажными, не должно быть липким;
- покрытие должно выдерживать высокую температуру (до 500°С кратковременно) и большие сдвиговые напряжения при нанесении алюминиевой оболочки на электропроводящую бумагу в составе кабеля;
- покрытие должно быть стойким к вымыванию технического углерода в нефтяном масле (данный показатель определяется по ГОСТ 10751-85, год ввода 1985, Россия, при температуре масла (90±5)°С в течение 6 часов);
- покрытие должно быть проницаемым для жидких пропиточных составов на основе кабельного масла и нестекаемых пропиточных составов на основе
полибутенов при температуре (120-130)°С, при этом покрытие должно иметь минимальную воздухопроницаемость и высокую удерживающую способность, исключающую миграцию углерода и металлических мыл в бумагу-основу.
Существует бумага кабельная полупроводящая двухцветная для экранирования изоляции силовых кабелей марки БКП-120 по ТУ 84-07509103.405-93, год ввода 1993, Россия, которая изготавливается методом нанесения на изоляционную кабельную бумагу К-120 или КМ-120 электропроводного покрытия на основе технического углерода и водорастворимого связующего -поливинилового спирта. Характеристики бумаги БКП-120 приведены в таблице 1.
К недостаткам бумаги БКП-120 следует отнести:
- нетехнологичность из-за повышенной вязкости электропроводной пасты на основе поливинилового спирта;
- повышенную липкость электропроводного покрытия при попадании на него влаги;
- склеивание витков бумаги в рулоне при попадании электропроводной пасты на изоляционный слой;
- повышенную адгезию к металлической оболочке кабеля и отслаивание электропроводящего покрытия, низкую термостойкость;
- повышенную жесткость и ломкость, низкое сопротивление к растрескиванию и надрывам после испытаний кабеля на стойкость к навиванию (многократному изгибу) по ГОСТ 18410-73;
- неравномерность покрытия по ширине полотна бумаги.
Все эти недостатки бумаги БКП-120 существенно снижают технологичность и качество кабеля, в связи с этим серийное производство данной бумаги не налажено.
Перечисленным выше требованиям соответствует бумага электропроводящая кабельная двухцветная микрокрепированная марки БЭКДм, разработанная авторами данной полезной модели и выпускаемая по ТУ 5433-003-50289046-2003, год ввода 2003, Россия. Основные характеристики бумаги БЭКДм приведены в таблице 1. Для изготовления бумаги БЭКДм используется электроизоляционная микрокрепированная бумага БКМ-120 и БКМ-140 по ТУ 5433-004-50289046-2003, год выпуска 2004, Россия, из 100%-ной сульфатной небеленой хвойной целлюлозы.
Микрокрепированная бумага отличается от обычной крепированной очень мелким крепом, почти незаметным для невооруженного глаза. Эту бумагу в отличие от крепированной невозможно растянуть вручную. По сравнению с многослойными кабельными бумагами она способна выдерживать гораздо большие динамические и изгибающие нагрузки в составе кабеля. Энергия разрыва микрокрепированной бумаги в машинном направлении почти в два раза выше, чем у кабельной бумаги марки КМ. Микрокрепированная бумага имеет высокую стойкость к механическим повреждениям (надрывам, порезам, проколам, сдирам), является влагостойкой и термостойкой, имеет небольшую стоимость, поэтому в наибольшей степени удовлетворяет требованиям к бумаге-основе для бумажных кабельных экранов.
Микрокрепированная поверхность данной бумаги способствует удержанию и равномерному распределению электропроводной суспензии по всей ширине полотна, а также существенному увеличению сил сцепления электропроводного покрытия с бумагой-основой, что является крайне важным параметром для бумажных кабельных экранов, расположенных под металлической оболочкой кабеля.
Электропроводящая бумага БЭКДм изготавливается путем нанесения на бумагу-основу БКМ электропроводного покрытия на основе технического углерода и полимерного связующего. В качестве технического углерода могут быть использованы печная сажа по ГОСТ 7885-86, год ввода 1988, Россия и графит по ГОСТ 7478-75, год ввода 1977, Россия, а в качестве полимерного связующего - сополимеры эфиров акриловой и метакриловой кислот (полиакрилаты) и поливиниловый спирт. Графит введен в состав электропроводного сажевого покрытия бумаги БЭКДм в качестве электропроводящей, антипригарной, антиадгезионной и антифрикционной добавки, существенно увеличивающей технологичность и качество электрического силового кабеля с пропитанной бумажной изоляцией и бумажным экраном. Электропроводное покрытие в виде водной суспензии технического углерода и связующего наносится на бумагу-основу на бумаго-красильной машине «Yulhavaara» (Финляндия) с воздушным шабером, который обеспечивает высокое качество покрытия малой толщины на неровной микрокрепированной поверхности бумаги-основы, а также исключает дефекты покрытия типа царапин. Бумага с нанесенным слоем суспензии поступает в сушильную камеру с температурой
сушки до 90°С для удаления влаги и полимеризации покрытия.
Сущность предлагаемой полезной модели иллюстрируется следующими примерами. В таблице 1 приведены варианты образцов электропроводящей бумаги и их основные характеристики, а в таблице 2 - показатели качества образцов электрокабеля марки ААШв 3×150 ож - 10 кВ с экраном из электропроводящей бумаги TERKAB СВ-120 (Финляндия) по прототипу и экраном из новой электропроводящей бумаги БЭКДм. Электропроводящая бумага БЭКДм-130 была изготовлена на основе электроизоляционной микрокрепированной бумаги БКМ-120 с электропроводным покрытием на основе печной сажи П-803, бумага БЭКДм-130Г - на основе бумаги БКМ-120 с электропроводным покрытием на основе печной сажи П-803 и графита элементного ГЭ-3, бумага БЭКДм-150Г - на основе бумаги БКМ-140 с покрытием на основе сажи П-803 и графита ГЭ-3. Состав и содержание связующего в электропроводном покрытии всех трех вариантов бумаги были одинаковыми. Конструкция и технология изготовления всех образцов кабеля в приведенном примере были аналогичными.
Из таблицы 2 видно, что наибольшее качество и технологичность имеет электрический кабель с экраном из электропроводящей бумаги БЭКДм по ТУ 5433-003-50289046-2003, имеющей электропроводное покрытие на основе печной сажи и графита. При этом снижается себестоимость изготовления электрического кабеля.
Силовые электрические кабели на напряжение от 6 до 10 кВ с бумажным экраном на основе электропроводящей бумаги БЭКДм-130Г и БЭКДм-150Г
прошли всесторонние испытания на кабельных заводах РФ с положительными результатами. Налажено производство данных кабелей.
Таблица 1
Наименование показателейэлектропроводящей бумаги
Варианты образцов электропроводящей бумаги
ЭКУ-120
TERKAB СВ-120
БКП-120
БЭКДм-130
БЭКДМ-130Г
БЭКДМ-150Г
Толщина бумаги, мкм по ГОСТ 12769-85
125
128
127
132
133
145
Толщина электропроводящего слоя (покрытия), мкм
125
128
10
8
6
6
Плотность, г/см<sup>3 </sup>по ГОСТ 27015-86
1,00
1,05
0,79
0,75
0,76
0,76
Разруш. усилие, Н:
- в машинном напр.
120
155
140
94
95
128
- в поперечном напр.
62
75
68
77
75
96
по ГОСТ ИСО 1924-1-96
Продолжение таблицы 1
Наименование показателей электропроводящей бумаги
Варианты образцов электропроводящей бумаги
ЭКУ-120
TERKAB СВ-120
БКП-120
БЭКДм-130
БЭКДм-130Г
БЭКДМ-150Г
Относительное удлинение, %:
- в машинном напр.
1,8
2,7
2,5
8,5
8,8
8,5
- в попереч. напр.
5,2
6,4
6,6
8,5
8,2
9,6
по ГОСТ ИСО 1924-1-96
Удельное электрическое сопротивление, кОм·м, по ГОСТ 10751-85
70
50
-
-
-
-
Электрическое сопротивление, кОм, по ГОСТ 10751-85
-
-
25
6
8
10
Воздухопроницаемость, см<sup>3</sup>/мин по ГОСТ 13525.14-77
25
15
6
12
14
10
Стойкость к вымыванию углерода в масле по ГОСТ 10751-85
Углерод не вымывается
Продолжение таблицы 1
Наименование показателей
Варианты образцов электропроводящей бумаги
электропроводящей бумаги
ЭКУ-120
TERKAB СВ-120
БКП-120
БЭКДм-130
БЭКДм-130Г
БЭКДм-150Г
Стойкость покрытия в воде
Не вымывается
Вымывается
Не вымывается
Технологичность и качество
Наличие вкраплений несвязанного техуглерода на поверхности бумаги
Покрытие неравномерное, бумага нетехнологична
Покрытие равномерное, бумага нетехнологична
Технологичность и качество бумаги высокие
Таблица 2
Показатели качества электрокабелей
Кабель ААШв 3×150 ож - 10 кВ с бумагой TERKAB СВ-120 (Прототип)
Варианты кабелей ААШв 3×150 ож - 10 кВ с электропроводящей бумагой БЭКДм по табл.1
БЭКДм-130
БЭКДм-130Г
БЭКДм-150Г
Электрич. сопротивление изоляции, приведенное к 1 км длины и температуре 20°С, Мом/км по ГОСТ 3345-2003
206
232
238
245
Тангенс угла диэл. потерь, измеренный на строит. длине при напряжении 5 кВ по ГОСТ 12179-2003
0,006
0,0028
0,0030
0,0029
Продолжение таблицы 2
Показатели качества электрокабелей
Кабель ААШв 3×150 ож - 10 кВ с бумагой TERKAB СВ-120 (Прототип)
Варианты кабелей ААШв 3×150 ож - 10 кВ с электропроводящей бумагой БЭКДм по табл.1
БЭКДм-130
БЭКДм-130Г
БЭКДм-150Г
Приращение тангенса угла диэл. потерь на строит. длине при напряжении:
- от 5,0 кВ до 12,5 кВ
0,0016
0,0001
0,0002
0,0002
- от 12,5 кВ до 20,0 кВ
0,0024
0,0001
0,0001
0,0001
по ГОСТ 12179-2003
Стойкость к навиванию (многократному изгибу) По ГОСТ 18410-98
Наличие продольных трещин, складок, карманов и поперечных надрывов бумаги; бумага после пропитки жесткая
Наличие поперечных надрывов бумаги и залипание электропровод. покрытия к алюминиевой оболочке
Наличие поперечных надрывов бумаги в пределах нормы
Трещины, складки, карманы, надрывы и отслоения покрытия отсутствуют; бумага гибкая, эластичная
Продолжение таблицы 2
Показатели качества электрокабелей
Кабель ААШв 3×150 ож - 10 кВ с бумагой TERKAB СВ-120 (Прототип)
Варианты кабелей ААШв 3×150 ож - 10 кВ с электропроводящей бумагой БЭКДм по табл.1
БЭКДм-130
БЭКДм-130Г
БЭКДм-150Г
Технологичность, качество и экономичность
Технологичность и качество средние, экономичность низкая
Технологичность и качество низкие
Технологичность и экономичность высокие, качество среднее
Технологичность, качество и экономичность высокие