Кабель силовой трёхфазный

Полезная модель относится к кабельной технике, а именно, к конструкциям кабелей силовых с изоляцией из сшитого полиэтилена, применяемых для передачи и распределения электрической энергии в стационарных установках на номинальное переменное напряжение 6, 10, 15, 20, 30, 35 кВ.
Известен силовой кабель, являющийся близким аналогом (прототипом) заявляемой конструкции силового кабеля, это кабель силовой, содержащий три металлические токопроводящие жилы, каждая из которых покрыта первым слоем из электропроводящей сшитой композиции полиэтилена, изоляцией из сшитой композиции полиэтилена, вторым слоем из электропроводящей сшитой композиции полиэтилена, слоем из электропроводящей ленты и металлическим экраном, при этом токопроводящие жилы, покрытые указанными слоями, скручены в сердечник вокруг жгута из полимерного материала, а поверх скрученных жил содержится разделительный слой и наружная оболочка, при этом разделительный слой выполнен из поливинилхлоридного пластиката с кислородным индексом не менее 28, а наружная оболочка выполнена из поливинилхлоридного пластиката с кислородным индексом не менее 32.  (патент RU № 148879, М.кл. Н 01 В 7/295, опубликовано 20.12.2014).
Признаки известного кабеля, совпадающие с признаками заявленной полезной модели, заключаются в выполнении трёхфазного кабеля  с медными или алюминиевыми токопроводящими жилами, экраном по жиле из электропроводящей сшитой полимерной композиции, изоляции из сшитой композиции полиэтилена, экраном по изоляции из электропроводящей сшитой полимерной композиции, наличии внутренней оболочки с кислородным индексом не менее 28. Наличие  разделительного слоя, слоя из электропроводящей ленты,  и металлического экрана в частных случаях исполнения.
2
Отличительными признаками предложенной полезной модели и известной конструкции кабеля является наличие наружной оболочки из поливинилхлорида пониженной пожароопасности с кислородным индексом не менее 35, максимальной оптической плотностью дыма при горении и тлении не более 200 Дмакс, с прочностью при разрыве не менее 10 Н/мм и относительным удлинением при разрыве не менее 150%.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в повышении надёжности силового кабеля при эксплуатации в экстремальных условиях повышенных механических и температурных нагрузок.
Технический результат: получение надёжного силового кабеля при эксплуатации в экстремальных условиях  повышенных механических и температурных нагрузок.
2
Технический результат достигается тем, что кабель силовой, содержит три круглые металлические токопроводящие жилы, каждая из которых покрыта первым слоем - из электропроводящей сшитой композиции полиэтилена, изоляцией из сшитой композиции полиэтилена, вторым слоем - из электропроводящей сшитой композиции полиэтилена, при этом токопроводящие жилы, покрытые изоляцией и двумя электропроводящими слоями скручены в сердечник, а поверх скрученных жил содержится внутренняя оболочка с кислородным индексом не менее 28 и наружная оболочка с кислородным индексом не менее 35, отличающийся тем, что наружная оболочка изготовлена из поливинилхлорида пониженной пожароопасности с максимальной оптической плотностью дыма при горении и тлении не более 200 Дмакс, с прочностью при разрыве не менее 10 Н/мм и относительным удлинением при разрыве не менее 150%.
Токопроводящие жилы могут быть выполнены медными или алюминиевыми. По токопроводящим жилам может быть дополнительно наложен слой из электропроводящей полимерной ленты. Металлический экран может быть наложен либо на каждую токопроводящую жилу, либо на скрутку жил (общий экран) поверх внутренней оболочки. На металлический экран может быть дополнительно наложен разделительный слой или термобарьер. Поверх внутренней оболочки дополнительно может быть наложена металлическая оболочка, либо броня, либо подушка под броню и броня.
Наружная оболочка кабеля может быть выполнена также в усиленном или двухслойном исполнении. Кабель может быть выполнен в герметизированном варианте, с герметизацией токопроводящей жилы и с наложением поверх металлического экрана, поверх электропроводящего экрана по изоляции и поверх внутренней оболочки водоблокирующей ленты. А поверх наружной оболочки может быть наложен электропроводящий слой.
В условиях экстремальной пожарной ситуации очень важно обеспечить защиту и возможно долгую работоспособность силового кабеля. В результате возникновения подобной ситуации на силовой кабель воздействуют повышенные температуры, возможно и открытое пламя, а в результате падения на кабель различных предметов возможно и механическое повреждение кабеля. Предложенная конструкция силового кабеля обеспечивает пожаробезопасность силового кабеля в сочетании со стойкостью к механическим воздействиям за счёт свойств материалов конструктивных элементов, входящих в состав предложенного силового кабеля. Так, например, предложенный силовой кабель в качестве изоляции содержит сшитый полиэтилен. Известно, что сшитый полиэтилен обладает отличными диэлектрическими свойствами и большей пропускной способностью за счёт увеличения допустимой температуры нагрева токопроводящих жил: длительной (90°С вместо 70°С) и при перегрузке (130°С вместо 80°С), более высокой термической устойчивостью при коротком замыкании (250°С вместо 160°С), т.е. при большей токовой нагрузке на токопроводящие жилы и, соответственно, при более высоких температурах на токопроводящих жилах, изоляция из сшитого полиэтилена способна гораздо более эффективно защитить кабель от внутреннего возгорания, чем, например, изоляция силовых кабелей с бумажно-пропитанной изоляцией. Способ вулканизации (пероксидная сшивка), применяемый при его изготовлении, позволяет получить достаточную степень сшивки по всей толщине изоляции и обеспечить отсутствие воздушных включений, а, следовательно, и появление частичных разрядов, приводящих к преждевременному старению изоляции, появлению коротких замыканий и возникновению пожароопасной ситуации из-за пробоя изоляции и возгорания кабеля изнутри. Помимо хороших диэлектрических свойств изоляция из сшитого полиэтилена обладает отличными механическими характеристиками, отсюда следует низкая повреждаемость, процент пробоев силовых кабелей из сшитого полиэтилена на 2-3 порядка ниже, чем у кабелей с бумажно-пропитанной изоляцией. Таким образом, применение изоляции из сшитого полиэтилена наряду с применением других конструктивных элементов кабеля полностью соответствует решению поставленной технической задачи и получению заявленного технического результата: получение надёжного силового кабеля на среднее и высокое напряжение при эксплуатации в экстремальных условиях  повышенных механических и температурных нагрузок.
Применение двух экранов для выравнивания электрического поля из электропроводящей сшитой полимерной композиции также увеличивает прочность изоляции. Материал изоляции и экранов должны быть одинаковыми, т. к. у экрана и изоляции должны быть равные или близкие по значению температурные коэффициенты расширения. При несоблюдении этого условия между экранами и изоляцией могут образовываться пустоты, которые являются очагами ионизации в изоляции кабеля, а, следовательно, являются факторами появления в изоляции частичных разрядов со всеми вытекающими последствиями. Таким образом, такие конструктивные элементы кабеля как электрические экраны также являются существенными признаками полезной модели и служат решению поставленной технической задачи.
2
Несмотря на отличные диэлектрические и механические свойства сшитого полиэтилена, у него есть и недостатки. Так, солнечный свет может повредить сшитый полиэтилен. Деградация происходит довольно быстро, поэтому полиэтилен обычно используют для оболочек кабелей при прокладке в земле. Кроме того, полиэтилен не обладает достаточной степенью необходимой пожаробезопасности. Поэтому в качестве наружной оболочки кабеля используется поливинилхлоридный пластикат пониженной пожарной опасности с кислородным индексом не менее 35, с максимальной оптической плотностью дыма при горении и тлении не более 200 Дмакс и с указанными физико-механическими характеристиками: прочностью при разрыве не менее 10 Н/мм и относительным удлинением при разрыве не менее 150%, использование которого приводит к созданию кабеля с классом пожарной опасности П1а.8.2.2.2 или П1а.8.2.2.2 по ГОСТ 31565-2012. Данный пластикат обладает высокой степенью пожаробезопасности в сочетании с высокими физико-механическими характеристиками, которые обеспечивают в конечном итоге получение пожаробезопасного кабеля, обладающего достаточной прочностью и устойчивостью к механическим повреждениям, повышают надёжность эксплуатации кабеля в экстремальных пожароопасных ситуациях и решают поставленную техническую задачу. При этом, кислородный индекс поливинилхлоридного пластиката указывает на то, что выбранный поливинилхлоридный пластикат согласно ГОСТ 31565-2021 относится к классу трудногорючих, не распространяющих горение при групповой прокладке, а такая характеристика как максимальная оптическая плотность дыма при горении и тлении (не более 200 Дмакс) указывает на низкое дымовыделение поливинилхлоридного пластиката при горении и тлении, что является важной характеристикой пожаробезопасности кабеля в ситуации повышенной пожароопасности. Внутренняя оболочка кабеля изготавливается также из поливинилхлоридного пластиката с кислородным индексом не более 28, является трудногорючим, что и наружная оболочка, т.е. является дополнительной пожарной защитой кабеля в экстремальных условиях пожароопасной ситуации и, кроме того, дополнительно защищает внутреннюю конструкцию кабеля от механических и коррозионно-активных продуктов, следовательно, также является существенным признаком полезной модели. Все дополнительные элементы конструкции силового кабеля, используемые в частных случаях исполнения кабеля, такие как обмотка по токопроводящим жилам, металлическая оболочка, металлические экраны, термобарьер, броня являются дополнительными средствами, повышающими надёжность эксплуатации кабеля в экстремальной ситуации пожара, т.е. повышают пожаростойкость и механическую прочность силового кабеля.
Испытания полученного силового кабеля по ГОСТ 28114-89 (измерение уровня частичных разрядов), по ГОСТ 12179-76 (измерение тангенса угла диэлектрических потерь), по ГОСТ 2990-78 (испытание импульсным напряжением на пробой изоляции), проверка стойкости при механических воздействиях при различных температурах и времени воздействия, проверка стойкости оболочки к деформации при повышенной температуре  по ГОСТ IEC 60811-3-1-2011, определение физико-механических характеристик по ГОСТ IEC 60811-501, испытание силового кабеля в условиях воздействия пламени (на нераспространение горения при групповой прокладке по категории А) по ГОСТ IEC 60332-3-22-2011 показали получение кабеля, решающего поставленную техническую задачу с указанным техническим результатом. При этом, каждый из признаков, указанных в формуле  полезной модели является необходимым для достижения указанного технического результата, а совокупность существенных признаков достаточна для достижения обеспечиваемого полезной моделью технического результата.
Процесс изготовления силового кабеля с наружной оболочкой из пожаробезопасного поливинилхлоридного пластиката с указанными характеристиками выглядит следующим образом.
Кабель силовой содержит три токопроводящие жилы, медные или алюминиевые, круглой или секторной формы, скрученные из множества проволок и уплотненные, предназначенные для прохождения электрического тока.
На каждую токопроводящую жилу обмоткой накладывается слой из электропроводящей полимерной ленты – огнестойкий барьер (в случае изготовления огнестойкого кабеля), затем методом экструзии накладывается первый слой из электропроводящей сшитой композиции полиэтилена (либо на огнестойкий барьер, либо непосредственно на токопроводящую жилу), служащий для равномерного распределения напряженности электрического поля на границе токопроводящей жилы и слоя изоляции.
Поверх первого слоя из электропроводящей сшитой композиции полиэтилена методом экструзии накладывается слой из изоляционной композиции сшитого полиэтилена, служащий основным электроизоляционным элементом и выдерживающий воздействие электрического поля.
Поверх изоляционного слоя методом экструзии накладывается второй слой из электропроводящей сшитой композиции полиэтилена, служащий для равномерного распределения напряженности между изоляцией и металлическим экраном (или металлической оболочкой в случае отсутствия экрана).
Поверх второго слоя из электропроводящей сшитой композиции полиэтилена наложен слой из ленты электропроводящей бумаги или электропроводящей полимерной ленты, или нетканого полотна, или электропроводящей водоблокирующей ленты, служащий защитой от механического повреждения второго электропроводящего экрана, а также служащий для выравнивания электрического поля в кабеле.
Поверх обмотки из электропроводящей ленты накладывается металлический экран (в случае его наличия). Основным назначением металлического экрана является равномерное распространение нулевого потенциала по поверхности изоляции кабеля и пропускания токов короткого замыкания.  Металлический экран выполняется из металлических проволок, скрученных в одном направлении, поверх которых методом обмотки с обеспечением электрического контакта наложена металлическая лента (или пасьма из металлических проволок), при этом проволоки и лента могут быть выполнены из меди, либо из алюминия или алюминиевого сплава, а обмотка может быть выполнена из арамидных нитей или полимерных нитей или полимерных лент. Металлический экран может быть наложен либо по каждой токопроводящей жиле,  либо по скрутке жил по внутренней оболочке кабеля поверх обмотки из электропроводящей полимерной ленты. По металлическому экрану может быть наложен термобарьер из огнезащитных лент.
Изолированные и экранированные токопроводящие жилы скручены в сердечник вокруг жгута, выполненного из полимерного материала или скрученной полимерной ленты.
Поверх сердечника из скрученных жил методом экструзии наложена внутренняя оболочка с заполнением межфазного пространства  и металлический экран (при его наличии).
Поверх металлического экрана методом обмотки допускается накладывать разделительный слой в виде обмотки, необходимый для предотвращения затекания материала оболочки между проволок экрана в процессе изготовления. Поверх разделительного слоя накладывается металлическая внутренняя оболочка (при её наличии). Поверх металлической оболочки выполнена обмотка из лент кабельной бумаги или  полимерной ленты, или нетканого полотна, или стеклоленты. Поверх металлической оболочки выпрессовывается термобарьер из поливинилхлорида пониженной горючести, а в случае изготовления кабеля с повышенными требованиями к защите от механических повреждений, поверх металлической оболочки накладывается подушка под броню и ленточная, проволочная или комбинированная броня. При отсутствии металлической оболочки ленточная, проволочная или комбинированная броня накладывается на внутреннюю оболочку, которая в данном случае является и подушкой под броню.
При отсутствии металлической оболочки и брони на внутреннюю оболочку может быть наложен термобарьер из огнезащитных лент.
Затем накладывается наружная оболочка с указанными характеристиками.
Кабель силовой может быть выполнен в исполнении «г» и содержать поверх второго электропроводящего экрана и поверх металлического экрана слой из электропроводящей водоблокирующей ленты, а поверх разделительного слоя содержать водоблокирующую ленту, что позволяет дополнительно защищать кабель от распространения влаги. Кабель силовой может быть выполнен в исполнении «гж» и дополнительно к конструкции в исполнении «г» содержать герметизированную токопроводящую жилу, путем введения водоблокирующих нитей в процессе скрутки.
Конструкция заявленной полезной модели успешно опробована в условиях производства.