КАБЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СИЛОВОЙ БРОНИРОВАННЫЙ

Полезная модель относится к кабельной технике, а именно к конструкциям силовых электрических бронированных кабелей высокого напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена и металлическим экраном, применяемых для передачи и распределения электрической энергии и прокладки в местах с вероятностью возникновения радиальных и осевых растягивающих нагрузок и механических повреждений.
Известны конструкции силовых кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена по патентам №87037 и №113862, Россия, содержащие металлический экран из проволок алюминия или алюминиевого сплава. Область применения этих кабелей ограничена, так как они не защищены от радиальных и осевых растягивающих нагрузок и механических повреждений из-за отсутствия брони.
Ближайшим по своим параметрам к полезной модели является кабель силовой бронированный по патенту №85738, Россия, (прототип), содержащий токопроводящую жилу, экран по жиле, изоляцию, подушку, выполненную в виде экрана из проводящего полимера, двухслойную ленточную броню, выполненную в виде электрического экрана из немагнитного металла. При этом каждый слой брони наложен в противоположную сторону.
Основные недостатки прототипа:
- ограничение области применения кабеля из-за снижения устойчивости ленточной брони к осевым растягивающим нагрузкам;
- повышенная трудоемкость наложения брони;
- низкая технологичность, связанная с повышенной точностью наложения ленточной брони;
- возможность повреждения подушки-экрана и изоляции токопроводящей жилы ленточной броней при изгибе кабеля и пробоя изоляции кабеля;
- возможность появления частичных разрядов при изгибе и отслоении подушки-экрана от изоляции жилы;
- снижение эксплуатационных характеристик кабеля с ленточной броней из-за повышенного радиуса изгиба кабеля.
Недостатки прототипа существенно снижают эксплуатационные характеристики, надежность и область применения силовых бронированных кабелей.
Технической задачей полезной модели является разработка кабеля силового электрического бронированного, не уступающего прототипу по основным характеристикам, но более технологичного, высококачественного и высоконадежного, предназначенного для кабельных линий, прокладываемых в почвах, подверженных смещению, и для подводных кабельных линий.
Технический результат достигается тем, что подушка-экран кабеля выполнена двухслойной и содержит первый слой, примыкающий к изоляции, из электропроводящей сшитой композиции полиэтилена и второй слой из электропроводящего эластомера, а броня-экран выполнена однослойной из проволок алюминия или алюминиевого сплава, в том числе модифицированных редкими или редкоземельными металлами, в том числе покрытых медью, скрепленных лентой из электропроводящих материалов или без нее..
Общим признаком прототипа и предлагаемого технического решения является наличие подушки-экрана из проводящего полимера и брони-экрана из немагнитного металла. В то же время предложенный кабель отличается от известного использованием двухслойной подушки-экрана, содержащей первый слой, примыкающий к изоляции, из электропроводящей сшитой композиции полиэтилена и второй слой из электропроводящего эластомера, и однослойной брони-экрана, выполненной из проволок алюминия или алюминиевого сплава, в том числе модифицированных редкими или редкоземельными металлами, в том числе покрытых медью, скрепленных лентой из электропроводящих материалов или без нее. Двухслойная подушка-экран позволяет обеспечить с одной стороны высокую адгезию к изоляции, высокую механическую прочность экрана и повышенную электрическую прочность изоляции, с другой стороны высокие упругие свойства подушки для амортизации радиальных механических нагрузок со стороны брони при сохранении электропроводности. Однослойная броня-экран из проволок алюминия или алюминиевого сплава по сравнению с ленточной броней-экраном позволяет существенно увеличить защиту кабеля от осевых растягивающих нагрузок и механических повреждений и расширить область применения силовых бронированных кабелей. При использовании однослойной проволочной брони-экрана увеличивается технологичность и снижается трудоемкость изготовления кабеля, увеличиваются эксплуатационные характеристики и надежность кабеля. Скрепляющая лента обеспечивает электрический контакт между проволоками брони-экрана по всей поверхности кабеля. При этом увеличивается электрическая прочность изоляции. Лента также фиксирует проволоки брони-экрана на определенном расстоянии друг от друга и предотвращает смещение и перехлест проволок при наложении на кабель разделительного слоя и пластмассовой оболочки. Тем самым существенно улучшается технологичность изготовления кабеля и увеличивается эффективность проволочной брони-экрана. Броня-экран может быть выполнена из проволок алюминия или его сплавов, модифицированных редкими или редкоземельными металлами, например: цирконием, скандием, иттрием, церием, лантаном, ванадием, гафнием или их смесями. Небольшие добавки (до 0,5 масс.%) перечисленных выше редких и редкоземельных металлов позволяет 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 или редкоземельными металлами, практически отсутствует ползучесть под нагрузкой. Медное покрытие проволок брони-экрана позволяют увеличить надежность заземления экрана.
В качестве электропроводящих эластомеров для второго слоя подушки-экрана могут быть использованы сшитые эластомеры (резины) на основе натуральных и синтетических каучуков, термоэластопласты и полиуретаны, наполненные электропроводным техническим углеродом. Основные критерии при выборе электропроводящего эластомера:
- высокая эластичность, в том числе при низких температурах;
- высокая прочность и износостойкость;
- высокая прочность адгезии к электропроводящей сшитой композиции полиэтилена;
- повышенная электропроводность;
- высокая химическая, термическая и климатическая стойкость, влагостойкость;
- высокая технологичность и возможность вторичной переработки;
- длительный эксплуатационный период;
- низкая стоимость.
Всем этим требованиям в большей степени удовлетворяет электропроводящий алкендиеновый термоэластопласт марки АТЭПэп по ТУ 2294-044-50289046-2012, год ввода 2012, Россия, разработанный авторами полезной модели.
Ограничения на выбор электропроводящего материала скрепляющей ленты для изготовления брони-экрана из алюминиевых проволок силовых кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена накладывают условия изготовления и эксплуатации данного материала и кабеля:
- механическая нагрузка на электропроводящие ленты при их наложении на кабель;
- сложно-деформированное состояние электропроводящих лент в составе готового кабеля при его многократном изгибе в процессе хранения, транспортирования, прокладки и эксплуатации;
- длительная тепловая нагрузка на электропроводящие ленты при температуре до 90°С в составе кабеля в процессе его эксплуатации;
- термомеханическая нагрузка на электропроводящие ленты в составе кабеля в процессе его хранения при температуре ±50°С в барабанах, а также требуемые физико-механические характеристики электропроводящего материала: толщина, плотность, максимальные разрушающее усилие и относительное удлинение, минимальное электрическое сопротивление, максимальные влагостойкость, термостойкость и долговечность;
- цена.
Для выполнения экранирующих свойств и обеспечения достаточной электрической прочности изоляции электропроводящий материал должен обладать следующими характеристиками:
- материал должен быть однородным и равномерным по толщине;
- толщина материала должна быть минимальной, не более 200 мкм;
-8
- электрическое сопротивление материала должно быть не более 3,5×10 Ω·м;
- материал должен хорошо отводить тепло;
- материал не должен разрушаться при наложении на кабель.
Перечисленным выше требованиям соответствуют ленты из алюминия и алюминиевого сплава, медные ленты и алюмополимерные ленты. Наиболее легкие и дешевые металлические экраны получаются с использованием лент из алюминия и алюминиевого сплава.
Кабель электрический силовой бронированный по полезной модели (фиг.) содержит токопроводящую жилу (ТПЖ) 1, в том числе герметизированную водоблокирующей лентой или нитью, экран 2 по жиле из электропроводящей сшитой композиции полиэтилена, изоляцию 3 из сшитого полиэтилена, двухслойную подушку-экран 4 с первым слоем, примыкающим к изоляции, из электропроводящей сшитой композиции полиэтилена и вторым слоем из электропроводящего эластомера, разделительный слой 5 из электропроводящих лент, или электропроводящих водоблокирующих лент или без него, однослойную броню-экран 6 из проволок алюминия или его сплавов, в том числе модифицированных редкими или редкоземельными металлами, в том числе покрытых медью, скрепляющую ленту 7 из электропроводящих материалов или без нее, разделительный слой 8 из бумажных или полимерных лент, или электропроводящих водоблокирующих лент и ламинированной алюмополимерной ленты, или огнезащитных лент или без него и наружную защитную оболочку 9 из полиэтилена или ПВХ-пластиката.
Предложенный авторами полезной модели кабель изготавливается по следующей технологии, Токопроводящую жилу 1 скручивают на крутильной машине из одного или нескольких концентрических повивов круглых алюминиевых или медных проволок по спирали в чередующихся направлениях с определенным шагом скрутки. При этом одну проволоку размещают в центре жилы. Последний повив проволок должен иметь правое направление кручения. Во время скрутки ТПЖ уплотняют обжимными роликами. При уплотнении жилы снижается диаметр кабеля и повышаются его эксплуатационные характеристики. Для обеспечения продольной герметизации ТПЖ в жилу между проволоками вводят при скрутке водоблокирующие ленты или нити. На токопроводящую жилу 1 наносится экструзией экран 2 из электропроводящей сшитой композиции полиэтилена толщиной не менее 0,3 мм. Для исключения проникновения электропроводящей композиции полиэтилена в процессе экструзии в токопроводящую жилу между жилой и экраном может быть наложен на обмоточных машинах разделительный слой из электропроводящей полимерной ленты с перекрытием (10-15)%. Поверх экрана 2 накладывают экструзией изоляцию 3 из сшитого полиэтилена. Толщина изоляции зависит от марки кабеля. На изоляцию 3 наносится экструзией первый слой подушки-экрана 4 из электропроводящей сшитой композиции полиэтилена толщиной не менее 0,3 мм. Наложение экрана 2 по жиле, изоляции 3 и первого слоя подушки-экрана 4 проводят за один проход на линии непрерывной вулканизации типа EPL-50 фирмы Maillefer, Финляндия. Одновременное наложение в процессе тройной экструзии и одновременная сшивка всех трех слоев обеспечивает высокую прочность адгезии между экранами и изоляцией, а также высокую электрическую прочность изоляции из-за отсутствия газовых включений в изоляции и на границе с экранами. При такой технологии прочность адгезии между экранами и изоляцией соизмерима с прочностью изоляции. На первый слой подушки-экрана 4 наносится экструзией второй слой из электропроводящего эластомера, например из электропроводящего алкендиенового термоэластопласта марки АТЭПэп, имеющего полиолефиновую основу, аналогичную первому слою подушки-экрана. Тем самым увеличивается прочность адгезии первого и второго слоя подушки-экрана. Толщина второго слоя подушки-экрана выбирается в зависимости от марки кабеля. Поверх подушки-экрана 4 может быть наложен на обмоточных машинах разделительный слой 5 из электропроводящих лент или электропроводящих водоблокирующих лент. Поверх подушки-экрана 4 или поверх разделительного слоя 5 накладывается по спирали броня-экран 6 из проволок алюминия или его сплавов, в том числе модифицированных редкими или редкоземельными металлами, в том числе покрытых медью. Диаметр проволок и их количество выбираются в зависимости от марки кабеля. Наложение брони-экрана выполняется на крутильных машинах с увеличенным шагом скрутки. Проволочная броня-экран 6 может быть скреплена на крутильных машинах лентой 7 из электропроводящих материалов из группы: медь, алюминий, сплавы алюминия, алюмополимерная лента. Поверх брони-экрана 6 может быть наложен на обмоточных машинах разделительный слой 8 из бумажных или полимерных лент, или электропроводящих водоблокирующих лент и ламинированной алюмополимерной ленты или огнезащитных лент. Поверх брони-экрана 6 или разделительного слоя 8 наносится экструзией наружная защитная оболочка 9 из полиэтилена или ПВХ-пластиката.
Применяемые для изготовления предлагаемого кабеля материалы выпускаются серийно.
Преимущества нового кабеля:
- высокая технологичность при изготовлении;
- высокие эксплуатационные характеристики;
- повышенная надежность и долговечность;
- более широкая область применения;
- пониженная стоимость.
Кабели электрические силовые бронированные с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение от 10 кВ и выше с однослойной броней-экраном из проволок алюминиевого сплава, скрепленных алюминиевой лентой, и двухслойной подушкой-экраном из электропроводящих полимеров прошли всесторонние испытания на кабельных заводах РФ с положительными результатами. Налажено производство данных кабелей.