КАБЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ

Полезная модель относится к кабельной технике, а именно к конструкциям электрических кабелей, применяемых для подачи электрической энергии к погружным электронасосам установок добычи нефти, водоподъема и перекачки жидкостей из шурфов.
Известна конструкция кабеля по патенту №14473, Россия, (аналог), содержащая три уложенные параллельно или скрученные между собой медные токопроводящие жилы, покрытые полимерной изоляцией и оболочкой, и последовательно наложенные поверх них подушку под броню и бронепокров из стальных оцинкованных лент. Недостатками данной конструкции являются: большой вес, отрицательное воздействие меди на полимерную изоляцию (ускоренное разрушение изоляции), большая стоимость.
Ближайшим по своим параметрам к полезной модели является кабель электрический по патенту №57959, Россия, (прототип), содержащий токопроводящие жилы из алюминия, или из плакированного медью алюминия или его сплавов. Электрический кабель по прототипу (фиг.) состоит из токопроводящих жил 1, изоляции жил 2, оболочки жил 3, подушки под броню 4, брони 5. Кабели по прототипу изготавливаются по следующей технологии. На токопроводящую жилу 1 наносится экструзией двухслойная полимерная изоляция 2 и полимерная оболочка 3. Поверх токопроводящих жил, уложенных параллельно или скрученных между собой, накладывается подушка 4 из полимерных лент и бронепокров 5 из стальных оцинкованных лент.
К недостаткам прототипа следует отнести:
- пониженную длительно допустимую температуру нагрева жил (до 90°C);
- пониженный длительно допустимый ток нагрузки.
Недостатки прототипа существенно снижают эксплуатационные характеристики и область применения кабелей для установок погружных электронасосов, в особенности в нефтяных скважинах. Кабель по прототипу с алюминиевыми токопроводящими жилами нельзя использовать в нефтяных скважинах с большой глубиной и температурой окружающей среды выше 90°C, так как при температуре выше 90°C существующие марки электротехнического алюминия и его сплавов значительно теряют прочность и становятся ломкими. Использование существующих жаропрочных алюминиевых сплавов для токопроводящих жил проблематично из-за их высокого удельного электрического сопротивления и низкой технологичности.
Технической задачей полезной модели является разработка электрического кабеля с более высокими эксплуатационными характеристиками.
Технический результат достигается тем, что токопроводящие жилы кабеля выполнены из алюминия, или из омедненного гальваническим способом алюминия или его сплавов, модифицированных редкими или редкоземельными металлами из группы: цирконий, скандий, иттрий, церий, лантан, ванадий, гафний или их смесями.
Общим признаком прототипа и предлагаемого технического решения является наличие токопроводящих жил из алюминия, или из омедненного алюминия или его сплавов. В то же время предложенный кабель отличается от известного использованием токопроводящих жил из алюминия, или из омедненного гальваническим способом алюминия или его сплавов, модифицированных редкими или редкоземельными металлами из группы: цирконий, скандий, иттрий, церий, лантан, ванадий, гафний или их смесями.
Небольшие добавки (до 1 масс.%) перечисленных выше редких и редкоземельных металлов позволяют существенно увеличить прочность, термостойкость и коррозионностойкость алюминия и его сплавов без снижения электропроводности. Например, добавка церия в количестве 0,5 масс.% повышает прочность и термостойкость алюминия почти в два раза. При этом уменьшается коррозия в 10 раз и существенно увеличивается электропроводность алюминия. Добавка 0,3 масс.% иттрия увеличивает на 7,5% электропроводность алюминия, а также увеличивает его прочность и термостойкость. Добавка 0,4 масс.% скандия повышает прочность алюминия на 35%. При этом увеличивается электропроводность и термостойкость алюминия. Добавка циркония до 0,5 масс.% позволяет существенно (в 2-2,5 раза) увеличить термостойкость алюминия и его сплавов без снижения электропроводности. У алюминия и его сплавов, модифицированных редкими и редкоземельными металлами, практически отсутствует ползучесть под нагрузкой.
Гальванический способ нанесения меди на алюминий позволяет существенно увеличить прочность адгезии медного покрытия к алюминиевой жиле за счет сил молекулярного сцепления. Тем самым значительно увеличивается сопротивление омедненной токопроводящей жилы коррозии.
Преимущества нового кабеля:
- высокие эксплуатационные характеристики;
- повышенная надежность и долговечность;
- более широкая область применения.
Ограничения на выбор марки алюминия или алюминиевого сплава для токопроводящих жил накладывают условия изготовления, монтажа, демонтажа и эксплуатации кабеля:
- изготовление токопроводящей жилы из катанки методом волочения;
- эксплуатация кабеля в нефтяных скважинах на больших глубинах в агрессивной среде при температуре до 160°C;
- требуемые физико-механические характеристики токопроводящих жил: максимальные разрушающее усилие и относительное удлинение, минимальная ползучесть, минимальное электрическое сопротивление, максимальная термостойкость и долговечность;
- цена.
Перечисленным выше требованиям соответствуют алюминий и его сплавы, модифицированные редкими или редкоземельными металлами или их смесями. Наиболее доступными и дешевыми являются алюминиевые сплавы, модифицированные цирконием. Авторами полезной модели предлагается использовать для изготовления токопроводящих жил кабеля катанку из термостойкого алюминиевого сплава марки ТАС по ТУ 1712-043-50289046-2012, год ввода 2012, Россия, модифицированного цирконием.
Сущность предлагаемой полезной модели иллюстрируется следующими примерами. В таблице 1 приведены варианты образцов проволоки для токопроводящих жил из алюминия и алюминиевого сплава и их основные характеристики. Для изготовления проволоки использовалась катанка диаметром (9-9,5) мм:
- катанка по ГОСТ 13843-78, Россия, из электротехнического алюминия марки А5Е;
- катанка по ГОСТ 20967-75, Россия, из алюминиевого сплава марки ABE;
- катанка по ТУ 1712-042-50289046-2012, год ввода 2012, Россия, из термостойкого алюминиевого сплава марки ТАС, модифицированного цирконием с содержанием, масс.%: 0,05; 0,25; 0,35.
В таблице 2 приведены показатели качества образцов трехжильного электрического кабеля:
2
- марки КПвТБП-160 3×16 по ТУ 3542-015-10995863-2005, год ввода 2006, Россия, с медными токопроводящими жилами сечением 16 мм (аналог);
2
- марки АКПвТБП-90 3×25 по ТУ 3542-015-10995863-2005 с токопроводящими жилами из алюминиевого сплава марки ABE сечением 25 мм (прототип);
- марки АКПвТБП-160 3×25 ЭЛКА по ТУ 3542-044-50289046-2012, год ввода 2012, Россия, с токопроводящими жилами из термостойкого алюминиевого сплава марки ТАС, модифицированного цирконием с содержанием масс.%: 0,05; 0,25; 0,35 (полезная модель).
Все образцы кабеля состоят из трех параллельно уложенных токопроводящих жил, двухслойной изоляции жил из сшитого полиэтилена, защитной оболочки жил из термоэластопласта, подушки из лент нетканого полотна, брони из стальной оцинкованной ленты. Конструкция и технология изготовления всех образцов кабеля, включая прототип, в приведенных примерах были аналогичными.
Из таблицы 1 видно, что термостойкий алюминиевый сплав марки ТАС, модифицированный цирконием, обладает лучшими характеристиками.
Из таблицы 2 видно, что новый кабель имеет более высокие эксплуатационные характеристики.
Новые электрические кабели для установок погружных электронасосов прошли всесторонние испытания на кабельных заводах РФ с положительными результатами. Планируется серийное производство данных кабелей.
Таблица 1
Наименование характеристик
Варианты образцов проволоки из алюминия и алюминиевого сплава
А5Е
ABE
TAC-0,05
TAC-0,25
TAC-0,35
Временное сопротивление разрыву, МПа, по ГОСТ 10446-80
147
180
182
189
190
Относительное удлинение при разрыве, %, по ГОСТ 10446-80
2
1,5
2,5
3
3
Удельное электрическое сопротивление при 20°C постоянного тока, Ом×мм<sup>2</sup>/м, по ГОСТ 7229-76
0,0282
0,0300
0,0285
0,0283
0,0282
Температура начала рекристаллизации, °C
130
170
210
310
320
Предел ползучести при 200°C, МПа, по ГОСТ 3248-81
7
12
30
46
48
Таблица 2
Показатели качества электрических кабелей
Кабель КПвТБП-160 3×16 с медными жилами (аналог)
Кабель АКПвТБП-90 3×25 с жилами из алюминиевого сплава ABE (прототип)
Варианты кабелей АКПвТБП-160 3×25 ЭЛКА с жилами из алюминиевого сплава, модифицированного цирконием
ТАС-0,05
ТАС-0,25
ТАС-0,35
Расчетная масса 1 км, кг
1016
872
870
865
867
Длительно допустимая температура нагрева жил, °C
160
90
140
160
160
Длительно допустимый ток нагрузки при температуре 90°C, А, по ГОСТ Р 51777-2001
106
20
92
104
105