СИСТЕМА ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ЭНЕРГИИ ИЗ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В СИЛОВЫХ КАБЕЛЯХ
SYSTEM FOR GENERATING ENERGY FROM AN ELECTRIC FIELD IN POWER CABLES

ОПИСАНИЕ УРОВНЯ ТЕХНИКИ
Область применения настоящего изобретения.
В настоящее время некоторые отрасли промышленности являются прибыльными благодаря значительному и устойчивому росту цен на продукты, продаваемые в результате их активности. Это наблюдается в горнодобывающей промышленности, в которой в течение некоторого времени наблюдается рост цен извлеченных минералов. Как следствие этого явления, активность в этой отрасли в последнее время сосредоточена на увеличении добычи для использования преимущества высоких цен на эти продукты. Это относится к некоторым минералам, таким как железо, медь, алюминий, серебро, золото, и т.п.
Для увеличения производства и использования преимущества высоких цен на минералы очень важное значение имеет хорошее управление некоторыми критическими механизмами. Фактически, в каждой отрасли промышленности с интенсивным использованием машин и в горнодобывающей отрасли важная часть эффективности работы может быть достигнута в первом процессе, названном "горные работы". Этот набор операций включает среди других этапов: (i) "бурение", при котором бурят породу с использованием некоторых специализированных машин; (ii) "подрыв", при котором в каждую пробуренную скважину загружают взрывчатый заряд. После взрыва порода уменьшается до размеров, подходящих для обработки на последующих этапах; и последний этап (iii) "погрузка", при которой породу укладывают на большегрузные грузовики с использованием погрузочного ковшового экскаватора.
В горных работах обычно один погрузочный ковшовый экскаватор обслуживает 5-10 большегрузных грузовиков, так что отказ одного из таких погрузочных ковшовых экскаваторов немедленно превращается в узкое место для всей горной разработки.
Следовательно, одним из критических механизмов в горных работах является погрузочный ковшовый экскаватор. В дополнение к данному механизму имеются другие критические механизмы, такие как буровые установки и проходческие комбайны.
Идентичные операции выполняются при подземной выемке, но в данном случае модели механизмов отличаются, в частности, высотой, ограниченной доступным пространством, значительно суженным.
Таким образом, любое усовершенствование, обеспечивающее возможность повышения эффективности работы этого типа механизмов, может повысить эксплуатационную эффективность горной разработки в целом.
Механизмы этого типа, такие как ковшовые погрузчики и некоторые буровые машины, питаются электроэнергией от трехфазного высоковольтного источника (8 кВ или 15 кВ). Таким образом, источник питания, который обеспечивает возможность надлежащей работы оборудования, также является критическим оборудованием. Электропитание подают посредством многожильных изолированных гибких средневольтовых трейлинговых кабелей, размещенных на том же самом участке, по которому свободно и постоянно перемещаются крупногабаритные механизмы (буровые машины, ковшовые погрузчики и грузовики).
Перемещение указанных большеразмерных механизмов по той же самой области, где проложены средневольтовые кабели, представляет угрозу для источника питания и безопасности рабочих, управляющих оборудованием, если в конечном счете они повреждают кабели вследствие механического разрушения или значительного абразивного износа при непрерывном перемещении поверх указанных кабелей.
С другой стороны, горные работы обычно ведут круглосуточно, в том числе и в периоды полной темноты. В таких условиях кабели с наибольшей вероятностью будут повреждены, поскольку определение их местонахождения становится затруднительным. Следовательно, пригодность механизмов уменьшается, в результате чего снижается производительность горных работ.
При этих условиях использование силовых кабелей, местоположение которых может быть определено и особенно в темноте световой эмиссией или любой другой сигнализацией, является реальным вкладом в повышение производительности и безопасности и усовершенствование режимов работы для промышленной деятельности.
Далее в настоящей заявке добывающая отрасль использована только в качестве примера конкретной области промышленности, но это не означает, что применение настоящего изобретения ограничено только к этой отраслью.
Применение настоящего изобретения не ограничивается исключительно добычей конкретной руды, а также любым эксплуатационным средством: открытой горной выработкой или карьерным и/или подземным способами. Применение настоящего изобретения также не ограничивается ни объемом добычи (разработки больших, средних и малых месторождений), ни конкретными механизмами, за исключением тех, которые питаются электроэнергией низкого, среднего и/или высокого напряжения, постоянного или переменного тока или напряжения (постоянного или переменного).
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В настоящее время известны технические решения, облегчающие визуализацию кабелей для минимизации их повреждения, вызванного перемещением в основном крупноразмерных горношахтных механизмов.
Фактически, это пять решений, известных до настоящего времени:
а) Первое решение состоит в кабеле с наружным флуоресцентно окрашенным слоем. Однако, поскольку это трейлинговый кабель, краситель служит недолго вследствие прямого контакта с абразивной почвой, воздухом, водой и ультрафиолетовым излучением. Кроме того, флюоресценция длится короткие периоды времени в темноте, поскольку этот тип красителя излучает люминесценцию за счет отдачи энергии электронами, которые предварительно были возбуждены солнечным светом, (в целом, это пигменты с резонансными химическими структурами), и электрохимические процессы этого типа имеют короткий срок действия, как представлено в патенте ЕР2072571 В1.
b) Второе решение состоит в использовании отражательных лент со спиральной намоткой, навитых поверх наружного слоя кабеля. Эта технология используется в "кабелях с отражающими тигровыми полосами", которые являются продукцией компании Nexans-Amer Cable (WO 2017/032933 А1). Однако, поскольку это трейлинговый кабель, указанные ленты в значительной степени подвержены почвенному абразивному износу и быстро разрушаются. Светоотражающие ленты действуют путем преломления и отражения внешнего света, падающего на кабель. Это явление основано на перевозбуждении и отрыве быстрых электронов в резонансных химических структурах, что вызывает сияние ленты в ответ на освещение, но затем лента теряет яркость в отсутствие падающего света.
c) Третье решение состоит в сочетании двух описанных выше решений. Это означает, что кабель содержит флуоресцентный или фотолюминесцентный слой вместе с отражающим слоем, оба из которых защищены прозрачной термопластичной оболочкой. Это решение обеспечивает повышенное сопротивление абразивному износу, но (i) отражающий слой высвечивает кабель только если световые лучи падают на кабель в пределах определенного угла. Если угол падения находится вне пределов отражения, кабель не отражает свет и, таким образом, остается темным, как и окружающая его среда; и (ii) люминесцентный эффект фотолюминесцентного слоя имеет низкую интенсивность и срок действия в пределах только одного часа, несмотря на облучение в течение многих часов дневным светом. Эти технологии защищены патентами CL1705-2009, PCT/IB2009/056024 и US 2010/0282491 А1, зарегистрированными компанией Nexans.
Другим примером этого типа кабеля является кабель, разработанный компанией Condumex, модель Seguriflex, с отражающей лентой и наружным покрытием из TPU (полиуретана). В этом кабеле светоотражающие ленты защищены полиуретановым покрытием, но истирание почвой повреждает наружную оболочку кабеля, препятствуя отражению света от лент, и, следовательно, правильному функционированию с течением времени. Это можно видеть в патентной заявке WO2014128522.
d) Четвертым решением является решение, предложенное авторами настоящей заявки, которое соответствует силовому кабелю, который светится, используя преимущество магнитного поля, когда ток протекает через сам кабель. Эта циркуляция тока происходит, когда оборудование, которое питается от кабеля, потребляет энергию. Это четвертое решение соответствует заявке на патент PCT/CL2012/000044. Это решение определенно является усовершенствованием с точки зрения длительности и интенсивности света, излучаемого кабелем, однако, для этого требуется переменный ток, циркулирующий через проводники (101), и соответствующее генерируемое переменное магнитное поле (103). Это магнитное поле необходимо для возбуждения индукции в сборщиках или экстракторах энергии, которыми являются катушки. Кабель излучает свет от этой магнитной энергии, следовательно, он светится не постоянно, а лишь частичное время в течение работы. Кроме того, как элемент для сбора энергии тока, так и светоизлучающий элемент являются относительно большими (по высоте) по сравнению с диаметром (1101, 1401) фазного провода кабеля (приблизительно 6 мм по сравнению с 26 мм). Таким образом, даже когда силовой кабель (606, 801, 1201) с технологическими устройствами внутри соответствует требуемым стандартам в отношении конечного наружного диаметра (ICEA S-75-381-2008, часть 3.22), диаметр кабеля (606, 801, 1201) оказывается примерно на 10% больше, чем диаметр кабеля (606, 801, 1201) без технологических устройств. Это приводит к более высоким производственным затратам, меньшей гибкости и большему весу силового кабеля. Эти три фактора имеют важное значение, причем последние два фактора имеют весьма важное значение для полевых операций. Наконец, чтобы быть экономически жизнеспособной и надежной (небольшое количество соединений), система освещения должна иметь очень длинные элементы, что делает ее малоизбыточной и, в конечном итоге, ненадежной.
е) Пятое решение соответствует силовым кабелям (606, 801, 1201), которые соединены с внешним источником питания. Эти кабели предлагаются на коммерческой основе компаниями Telefonika и Prysmian (Tenax-Lumen). В этих решениях используются маломощные, хорошо видимые светодиодные световые ленты и электролюминесцентные ленты соответственно. Однако эти решения зависят от внешнего источника питания и поэтому ненадежны в этой связи. Такая надежность вряд ли допустима в жестких условиях эксплуатации шахтных кабелей. Кроме того, они могут питаться от кабеля только одной длины, и соединение с ним удлинителей зависит от возможности соединения данной системы кабельного освещения с промышленными разъемами с использованием кабелей гораздо меньшего размера и, следовательно, очень слабых в отношении фазных проводов (1101, 1401) кабеля. На сегодняшний день эти разъемы, необходимые для удлинения кабелей, отсутствуют как в давно существующем парке промышленных соединителей, так и в новых разработках промышленных соединителей.
Таким образом, очевидно, что отрасль все еще нуждается в решениях, учитывающих недостатки предыдущих решений.
ТРЕБОВАНИЯ К РЕШЕНИЮ
Понимание решения как системы, способной извлекать энергию из силовых кабелей (606, 801, 1201) для различных случаев применения, включая освещение кабеля, обуславливает следующие требования, которым должно соответствовать решение ранее поставленных технических задач:
i) Система, которая получает энергию от силового кабеля (606, 801, 1201) в дневное или в темное время суток таким образом, что эта энергия всегда доступна для любого из случаев ее применения. В частности, для функции освещения, которая делает силовой кабель (606, 801, 1201) видимым и/или обнаруживаемым в дневное или темное время суток путем использования световых, звуковых и/или телекоммуникационных сигналов.
(ii) Система, которая извлекает энергию из силового кабеля (606, 801, 1201) в любое время, когда оборудование соединено с электрической сетью, так что эта энергия всегда доступна для любого из случаев ее применения. В частности, функция освещения делает обнаруживаемым силовой кабель для его защиты, поэтому световой, звуковой и/или телекоммуникационный сигналы должны быть доступны по меньшей мере до тех пор, пока работает оборудование, питаемое таким кабелем. Другими словами, в идеальном случае не только при протекании тока, но и до тех пор, пока подключен провод (606, 801, 1201) с присутствующим напряжением.
iii) Система, которая надежным и избыточным способом получает энергию от силового кабеля (606, 801, 1201), так что эта энергия доступна для любого из случаев ее применения с высокой степенью доступности и вероятности. В частности, что касается функциональности освещения, указанная система освещения кабеля (606, 801, 1201) является надежной и избыточной до такой степени, что отказ одного из ее компонентов (из-за обрыва кабеля или какого-либо внутреннего отказа составляющих его компонентов) не подразумевает отказ всей системы.
iv) система, которая получает энергию из силового кабеля (606, 801, 1201) и которая устойчива к внешним воздействиям и условиям работы с тем, что эта энергия всегда доступна для любого из случаев ее применения. В частности, для функции освещения, которая противостоит абразивному износу, а также действию воздуха, воды и ультрафиолетового излучения, характерного для среды, в которой используется кабель (606, 801, 1201).
(v) Система, которая извлекает энергию из силового кабеля (606, 801, 1201) в любое время, когда оборудование соединено с электрической сетью, так что эта энергия всегда доступна для любого из случаев ее применения. В частности, для функции освещения, которая не требует внешнего освещения, чтобы быть видимой (отражательной).
vi) Система, обеспечивающая постоянное извлечение достаточного количества энергии из силового кабеля и соединение оборудования с электрической сетью таким образом, что эта энергия всегда доступна для любого из случаев ее применения. В частности, для функции освещения, указанный сигнал, излучаемый кабелем (606, 801, 1201), имеет достаточную интенсивность для его обнаружения на расстоянии нескольких метров, учитывая размеры рабочей площадки и механизмов.
vii) Система, которая получает энергию от силового кабеля (606, 801, 1201) все время, пока оборудование соединено с электрической сетью, с тем что эта энергия всегда была доступна для любого из случаев ее применения. В частности, для функции освещения, указанный сигнал, излучаемый системой, имеет наименьшее количество ограничений с точки зрения приема сигнала. В случае светового сигнала кабель должен быть виден без ограничения угла наблюдения (ограничения светоотражающих лент).
viii) Система, которая получает энергию от силового кабеля (606, 801, 1201) все время, пока оборудование соединено с электрической сетью, таким образом, что эта энергия всегда доступна для любого из случаев ее применения. В частности, для функции освещения, которая не требует дополнительного и/или внешнего источника питания, кроме самого силового кабеля (606, 801, 1201).
(ix) Система, которая извлекает энергию из силового кабеля (606, 801, 1201), но которая электрически не соединена с основными проводниками (101) фазных проводов (1101, 1401), потому что, учитывая высокое напряжение, средства изоляции или трансформаторы, необходимые для предотвращения электрической дуги, имеют недопустимые размеры для работы силового кабеля (606, 801, 1201).
(x) Система, которая извлекает энергию из силового кабеля (606, 801, 1201) таким образом, что ее применение в кабеле не вызывает существенного увеличения его размеров.
(xi) Система, которая извлекает энергию из силового кабеля (606, 801, 1201) и которая ограничена размерами кабеля (которая находится в пределах его конструкции). В частности, трехфазный кабель среднего напряжения, используемый для питания погрузочного ковшового экскаватора (606), должен отвечать стандарту ICEA (Ассоциация производителей изолированных кабелей) S-75-381-2008, часть 3.22, который ограничивает наружный диаметр силовых кабелей.
xii) Система для извлечения энергии из силового кабеля (606, 801, 1201), которая не предполагает значительного увеличения стоимости тех же материалов, используемых в кабеле без указанных осветительных технологических средств. Недопустимы ни существенное увеличение веса, ни существенное уменьшение гибкости.
(xiii) Система, которая извлекает энергию из силового кабеля (606, 801, 1201), и устройство, которое обеспечивает возможность придания ей новых функциональных средств (606, 801, 1201) (свет, сигнал напряжения, звук, мониторинг переменных и т.п.), имеют низкую стоимость изготовления.
(xiv) Система, которая получает энергию от силового кабеля (606, 801, 1201), которая может быть реализована в кабеле (606, 801, 1201) с использованием известных технологий производства и тех же механизмов, доступных на кабельных заводах.
(xv) Так что она может быть встроена в как можно большее количество типов кабелей и с наименьшими ограничениями в отношении наружного диаметра кабеля, заданными сочетаниями класса напряжения и калибра кабеля. В частности, она не ограничивается высоковольтными (большого диаметра) крупногабаритными кабелями, но также может быть реализована в кабелях меньшего размера, более низкого напряжения (меньшего диаметра).
(xvi) Система, которая извлекает энергию из силового кабеля (606, 801, 1201), независимо от типа энергии, которой питается этот кабель, либо переменного, либо постоянного тока.
(xvii) Система, которая извлекает энергию из силового кабеля (606, 801, 1201), независимо от типа энергии, которой питается этот кабель, независимо от того, является ли он низковольтным, средневольтным или высоковольтным.
Решение таких специфичных для отрасли промышленности задач требует надежного источника энергии, который обеспечен путем извлечения указанной энергии из самого кабеля (606, 801, 1201), но опосредованно, т.е. без установления электрического контакта с проводниками (101) кабеля. Таким образом, сам кабель становится надежным и самостоятельным источником энергии.
Внутренними и внешними источниками питания, присутствующими в кабеле (606, 801, 1201), являются:
i) Электрическая энергия, передаваемая силовым кабелем (606, 801, 1201). Силовой кабель (606, 801, 1201) переносит в виде тока через свои проводники (101) электрическую энергию, которая существует посредством напряжения между проводниками (101) его фазных проводов (1101, 1401). Для непосредственного извлечения этой энергии требуется электрическое соединение по меньшей мере с одним из проводников (101) фазовых проводов (1101, 1401) кабеля. Это имеет ряд технических трудностей, учитывая высокое напряжение, которое может достигать нескольких тысяч вольт: до 1000 вольт при низком напряжении, до 69000 вольт при среднем напряжении и до 500000 вольт при высоком напряжении.
Учитывая вышесказанное, электрическая изоляция требуется при подключении и/или использовании трансформаторов, что делает эту возможность нецелесообразной в связи с размерами, которые потребуются в кабеле, и отсутствием безопасности в электрической установке.
(ii) Солнечная и световая энергия, которая достигает его поверхности. Наружная световая энергия в сочетании с существующими материалами (использование фотолюминесцентных и отражающих материалов отдельно или вместе) не обеспечивают эффективного решения проблемы.
Это потому, что фотолюминесцентные материалы не обеспечивают достаточное количество энергии в отношении мощности (интенсивности света) и длительности. С другой стороны, отражающие материалы только отражают падающий свет, который уменьшается с увеличением угла падения. Наконец, оба материала снижают свою эффективность из-за непрозрачности, вызванной абразивным износом наружного покрытия.
2
iii) Тепло, которое вырабатывается в результате протекания тока в силовом кабеле. Электрический ток, протекающий в кабеле, вырабатывает значительное количество тепла при достаточно высокой плотности тока (А/мм) в условиях вентиляции. Кабели сконструированы таким образом, что тепловые потери пренебрежимо малы, поэтому этот источник энергии на самом деле не является ни доступным, ни желательным.
(iv) Магнитное поле, создаваемое током, протекающим внутри силового кабеля. Оно является несомненным источником энергии, присутствующим в монополярном (одножильном) кабеле. Фактически, в этой связи имеется следующая документация: "ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ, СОБИРАЮЩИЙ ЭНЕРГИЮ ЛИНИИ ПИТАНИЯ", US 2010/0084920 А1, датированная апрелем 2010.
Однако кабели, которые должны быть освещены и/или подсвечены, предпочтительно являются кабелями, имеющими больше чем один проводник (не пренебрегая монополярными), в которых внутренние электрические токи являются нефазными (многофазные кабели).
Для кабелей этого типа ситуация усложнена по двум причинам:
Во-первых, для получения энергии от кабеля, имеющего внутри больше чем один проводник, должна использоваться конфигурация, удерживающая размер кабеля (конечный наружный диаметр) в пределах приемлемого диапазона. Решение, предложенное в патенте "ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ, СОБИРАЮЩИЙ ЭНЕРГИЮ ЛИНИИ ПИТАНИЯ", US 2010/0084920 А1, датированном апрелем 2010, является нецелесообразным в кабеле с одним или более проводниками, если оно предназначено для поддержки конечного диаметра кабеля в пределах диапазонов, принятых стандартом ICEA (Ассоциация инженеров изолированных кабелей) S-75-381-2008, часть 3.22, который ограничивает наружный диаметр силовых кабелей.
На ФИГ. 6 показан традиционный трехфазный силовой кабель (606) среднего напряжения, который питает погрузочный ковшовый экскаватор для горнодобывающей промышленности. Кабель является сложным, с несколькими элементами и несколькими слоями на каждом элементе.
Во-вторых, для извлечения энергии из кабеля среднего напряжения, имеющего внутри больше чем один проводник (606), необходимо учитывать протекание тока в каждом из трехфазных проводов и последующую геометрию магнитных полей, генерируемых каждым из этих токов.
Циркуляция токов в каждом из фазных проводов трехфазного кабеля (со сдвигом фаз 120° между фазами) генерирует магнитное поле по наружному периметру кабелей этого типа. Однако векторная сумма электрических токов равна нулю, таким образом, магнитное поле, генерируемое этими тремя фазами, также равно нулю.
Поэтому, на первый взгляд, кажется, что данный кабель не является жизнеспособным источником энергии, поскольку магнитный поток в сердечнике тороидальной формы, расположенном вокруг наружного периметра кабеля, будет нулевым по всему объему сердечника. При этих условиях нет возможности извлечь энергию из кабеля, имеющего описанную выше конструкцию.
Указанные источники энергии (электрической энергия как в виде напряжения, так и в виде тока, солнечной и световой энергии, тепловой энергии и энергии магнитного поля) могут быть реализованы способами, которые не являются наиболее адекватными для эффективного извлечения энергии из силового кабеля. Таким образом, они имеют слишком серьезные недостатки, чтобы рассматривать их в качестве реальных источников для целей, которые должны быть достигнуты.
В патентной заявке PCT/CL2012/000044 предложено использование существующего магнитного поля, возбуждаемого протеканием тока в каждом фазном проводе (1101, 1401), по отдельности. Настоящее изобретение обеспечивает возможность извлечения электрической энергии из трехфазного кабеля, с фазного провода (1101, 1401) по фазный провод (1101, 1401), без электрического контакта с самими проводниками, тем самым обеспечивая питание определенных устройств, которые позволяют обнаруживать присутствие кабеля (606, 801, 1201) в земле. Устройства могут быть разнообразными, такими как световые излучатели, любая звуковая и/или телекоммуникационная сигнализация (радиочастотные сигналы GPS и т.п.), и могут питать определенные удаленные механические устройства, не ограничивая отбор энергии и применение энергии этими случаями применения.
Тем не менее, эффект данного изобретения зависит от протекания тока для получения энергии от кабеля.
v) Электрическое поле (102), присутствующее в определенных слоях кабеля, только потому, что он соединен с электрической сетью и, следовательно, имеет разность напряжений между его фазными проводами. Когда кабель соединен с его источником питания, обычно мобильной электрической подстанцией, между его фазными проводами и между каждым фазным проводом и заземлением существует напряжение. Таким образом, кабель класса 8 кВ имеет напряжение между фазными проводами 8000 В и между фазным проводом и заземлением 4,6 кВ (8/V3). Это напряжение обуславливает присутствие электрического поля (102), которое ориентировано радиально между проводником (101) и его заземленным экраном (105). Электрическое поле (102) имеет то преимущество, что оно всегда присутствует, пока кабель соединен с электрической сетью и находится под напряжением.
Таким образом, электрическое поле (102) может быть использовано для извлечения энергии из силового кабеля (606, 801, 1201), хранящего электрический заряд, для того, чтобы использовать для какой-либо надобности эту запасенную энергию. Эта энергия может быть использована для генерации света в кабеле (606, 801, 1201) или любой другой полезной функции кабеля (606, 801, 1201) с большим преимуществом при этом всякий раз, когда кабель подключен, и в него подано напряжение.
Настоящее изобретение использует электрическое поле (102), присутствующее вблизи проводников (101) кабеля (606, 801, 1201) для генерирования света внутри силового кабеля (606, 801, 1201), и с учетом предложенной конфигурации оно решает проблемы уровня техники, представляя собой реальное решение для промышленности, поскольку оно удовлетворяет каждому из требований к обнаружению присутствия кабелей, которые питают критически важное оборудование.
Альтернативные области применения настоящего изобретения.
В дополнение к областям применения, описанным выше (добыча полезных ископаемых и освещение в кабеле), настоящее изобретение решает проблемы в различных других областях. Ниже названы определенные области применения, не подразумевая при этом, что они ограничивают области применения настоящего изобретения.
Области применения могут быть классифицированы по меньшей мере в три категории:
I. Местоположение:
а. Местоположение подводных кабелей: система для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401) обеспечивает возможность электрического питания нагрузки (404), что, в свою очередь, обеспечивает возможность размещения подводных кабелей со световыми, звуковыми и/или телекоммуникациями сигналами.
b. Местоположение высоковольтного силового кабеля: система для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401) обеспечивает возможность электропитания нагрузки (404), что в свою очередь обеспечивает возможность предупреждения о присутствии высоковольтных линий на расстоянии посредством световых, звуковых и/или телекоммуникационных сигналов.
c. Местоположение воздушных кабелей в зонах, близких к воздушному движению: система для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401) обеспечивает возможность электропитания нагрузки (404), что в свою очередь обеспечивает возможность предупреждения о наличии высоковольтных линий на расстоянии посредством световых, звуковых и/или телекоммуникационных сигналов.
II. Освещение и идентификация с помощью освещения
a. Подземные туннели: система для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401) обеспечивает возможность электропитания нагрузки (404), что в свою очередь обеспечивает возможность идентификации кабелей в подземных туннелях с помощью освещения различных цветов и дополнительно обеспечивает освещение указанного туннеля. Кроме того, обозначает маршрут эвакуационного выхода в сети туннелей.
b. Городское и сельское освещение: система для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401) обеспечивает возможность электропитания нагрузки (404), что в свою очередь обеспечивает возможность освещения участков вблизи распределительных линий электропередач.
с. Идентификация кабелей: система для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401), обеспечивает возможность электропитания нагрузки (404), что в свою очередь обеспечивает возможность дифференцирования фазных проводов (1101, 1401) от других проводов, цепей друг от друга и даже кабелей друг от друга, которые проложены в лотках или коробах рядом со многими другими подобными кабелями.
Аналогичным образом, система для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401) обеспечивает возможность электропитания нагрузки (404), что, в свою очередь, обеспечивает возможность цветового кодирования с помощью разноцветных индикаторов и/или телекоммуникационных сигналов различных напряжений, кабельных калибров, начальных или конечных точек кабеля и т.п.
III. Отслеживание переменных и/или параметров:
Система для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401) обеспечивает возможность электропитания нагрузки (или датчика) (404), что в свою очередь обеспечивает возможность: (i) отслеживания рабочих переменных; (ii) хранения в конечном итоге этих переменных; и (iii) передачи в конечном итоге этих переменных в качестве информации.
Система для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401) имеет то преимущество, что в то же время, когда она освещает кабель, этот же свет указывает на наличие напряжения в нем.
Примером области применения может служить отслеживание переменных и/или параметров в сетях передачи и/или распределения электроэнергии.
Отслеживание физических элементов и линий питания этих сетей, особенно вне электрической подстанции, является серьезной проблемой из-за больших расстояний, которые необходимо преодолевать, а также из-за неблагоприятных погодных условий и условий окружающей среды.
Решение для отслеживания этих параметров состоит в создании сети небольших датчиков, которые передают захваченную информацию в центр мониторинга посредством беспроводных средств телекоммуникации.
В качестве примера параметров, представляющих интерес для мониторинга в системах для распределения электроэнергии, могут быть указаны следующие параметры:
а. Находящиеся вне пределов электрической подстанции: напряжение и электрический ток определенных критических пунктов; стрелка, которую имеет контактная сеть подвесного кабеля (минимальное расстояние кабеля от земли); температура кабелей, влияющая на их длину и проводимость; мощность; переходные процессы и гармоники; сдвиги фазы между электрическим током и напряжением (коэффициент мощности), нарушения качества электроэнергии и т.п.
b. Находящиеся в электрической подстанции: температура обмоток трансформаторов; качество диэлектрика и количество (уровень) трансформаторного масла; линия газовой хроматографии трансформатора; рабочие температуры переключателей и другого оборудования помимо прочего.
Кроме того, могут быть отслежены метеорологические и экологические параметры, такие как давление, температура, скорость ветра, загрязнение, количество твердых частиц, солнечное излучение, уровни освещенности и т.п. Также могут представлять интерес аварийные сигналы для предотвращения или обнаружения кражи кабеля.
IV. Испускание звуков для отпугивания животных на кабелях:
Система для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401) обеспечивает возможность питания нагрузки (404), что в свою очередь обеспечивает возможность генерации звуковых, инфразвуковых и/или ультразвуковых сигналов для отпугивания животных, таких как птицы, грызуны, насекомые.
V. Использование накопителей заряда (1002):
Система для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401) обеспечивает возможность накапливания электроэнергии в элементах, таких как батареи, конденсаторы, суперконденсаторы, и т.п.
Накопленная энергия используется для поддержки питания нагрузок (404), указанных в предыдущих параграфах, даже если электрический ток не протекает в основном проводнике.
Длительность питания от аккумуляторов (1002) каждой из нагрузок зависит от энергопотребления нагрузок, емкости аккумуляторов (1002) и соотношения времени зарядки и разрядки каждого из них.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ ИЗОБРЕТЕНИЕМ
Среди различных областей применения настоящего изобретения наиболее отвечающей текущим и насущным потребностям промышленности является область применения для освещения силовых кабелей (606, 801, 1201). В частности, трехфазные трейлинговые кабели среднего напряжения, используемые в открытых горных работах (606). Таким образом, в области освещения силовых кабелей (606, 801, 1201) техническими проблемами, решаемыми настоящим изобретением, являются по меньшей мере следующие 12, причем они не являются единственными техническими проблемами, которые решает настоящее изобретение:
1) Устойчивость к внешним условиям, таким как истирание, влажность, ультрафиолетовое излучение:
В качестве одной из альтернатив предложенного изобретения представлена система для извлечения энергии из электрического поля. Она извлекает энергию из силовых кабелей (701, 1301, 1701, 2401) для освещения кабелей, используя преимущество электрического поля (102), присутствующего вблизи каждого из основных проводников (101) силового кабеля (606, 801, 1201), соединенного с электрической сетью и находящегося под напряжением. Решение представляет собой конкретную конфигурацию из медных листов (402, 403) очень малой толщины (предпочтительно меньше чем одна десятая миллиметра), расположенных между определенными существующими слоями фазных проводов (1101, 1401) силового кабеля (606, 801, 1201). В частности, медные листы расположены между любым из слоев (102) управления электрическим полем силового кабеля (606, 801, 1201). Это решение полностью ограничено фазным проводом (1101, 1401) кабеля ниже электростатического экрана (105), поэтому защищено наружной оболочкой (605, 802) кабеля. Таким образом, предлагаемое изобретение представляет собой усовершенствование по сравнению с теми решениями, которые имеют проблемы устойчивости к механическому истиранию, вызываемые волочением кабеля (606, 801, 1201), такого как кабели с отражающими лентами на наружной стороне ("кабели с отражающими тигровыми полосами"). Кроме того, благодаря защите наружной оболочки кабеля решены такие проблемы, как влияние влажности и ультрафиолетового излучения.
2) Интенсивность света:
В настоящем изобретении предложены сбор и/или извлечение энергии из электрического поля (102), и/или хранение электрического заряда в конденсаторах для использования этой энергии при излучении света. Интенсивность этого света соответствует интенсивности свечения одного или более светодиодов (светоизлучающих диодов) высокой яркости холодного белого цвета (со световой температурой 6500 К), составляющей приблизительно 20 люмен на один светодиод. Интенсивность свечения каждого из этих элементов достаточна для обеспечения его видимости на расстоянии в несколько метров (более 100 метров). Например, в кабеле длиной 300 метров могут быть размещены от одной тысячи до пяти тысяч мигающих светоизлучающих элементов с такой интенсивностью излучения на светодиод. Это является существенным усовершенствованием над решениями с отражающей и фотолюминесцентной лентами, которые имеют низкую интенсивность света.
3) Продолжительность свечения и независимость от других внешних источников энергии:
В качестве одной из альтернатив предложенного изобретения представлена система для извлечения энергии из электрического поля. Она извлекает энергию из силовых кабелей (701, 1301, 1701, 2401) для освещения кабелей, используя преимущество электрического поля (102), присутствующего вблизи каждого из основных проводников (101) силового кабеля (606, 801, 1201), соединенного с электрической сетью и находящегося под напряжением. Таким образом, пока силовой кабель (606, 801, 1201) подключен к электрической сети и находится под напряжением, световой сигнал остается включенным. Кроме того, указанный световой сигнал не требует, чтобы внешние источники, такие как внешний свет, излучали или отражали свет. Это является усовершенствованием по сравнению с теми решениями, которые имеют короткую продолжительность светового сигнала, или которые требуют наличия света снаружи для последующего отражения, как в случае, описанном патентах №№: CL 1705-2009, PCT/IB2009/056024 и US 2010/0282491 А1.
4) Время, когда излучается световой сигнал:
Силовой кабель (606, 801, 1201) может быть подключен или не подключен к источнику напряжения. При подключении ток может протекать или не протекать через его проводники. Таким образом, время подключения кабеля к источнику напряжения всегда будет продолжительнее времени протекания тока. Настоящее изобретение предлагает силовой кабель (606, 801, 1201), в котором обеспечена возможность извлечения энергии из электрического поля (102), чтобы помимо прочего излучать свет в течение всего времени, когда указанный кабель соединен с источником напряжения. Поэтому он будет излучать свет дольше, чем кабель (606, 801, 1201), который зависит от протекания тока для излучения света. Это приводит к тому, что кабель (606, 801, 1201), который освещается напряжением, защищен в течение более длительного времени, чем кабель (606, 801, 1201), который освещается током. Это представляет собой усовершенствованием настоящего изобретения по сравнению с патентной заявкой PCT/CL2012/000044.
5) Размер кабеля с системой освещения внутри: стоимость, гибкость и вес:
В качестве одной из альтернатив предложенного изобретения представлена система для извлечения энергии из электрического поля. Она извлекает энергию из силовых кабелей (701, 1301, 1701, 2401) для освещения кабелей, используя преимущество электрического поля (102), присутствующего вблизи каждого из основных проводников (101) силового кабеля (606, 801, 1201), соединенного с электрической сетью и находящегося под напряжением. Решение представляет собой конкретную конфигурацию, начиная с медных листов (402, 403) очень малой толщины (предпочтительно меньше чем одна десятая миллиметра), расположенных между слоями фазных проводов кабеля. Это решение, по сравнению с ранее предложенными решениями, представляет собой усовершенствование, поскольку в патентной заявке PCT/CL2012/000044 как элемент, который использует ток, так и элемент, который излучает свет, являются относительно большими по сравнению с фазным проводом (1101, 1401) кабеля (примерно 6 мм против 26 мм). Таким образом, даже если кабель из патентной заявки PCT/CL2012/000044 с технологическими средствами внутри соответствует требуемым стандартам в отношении конечного диаметра (ICEA S-75-381-2008, часть 3.22), этот кабель имеет диаметр примерно на 10% больше. Это приводит к более высоким производственным затратам, меньшей гибкости и большему весу. Эти три фактора имеют важное значение, причем последние два фактора имеют весьма важное значение для полевых операций.
6) Надежность:
В качестве одной из альтернатив предложенного изобретения представлена система для извлечения энергии из электрического поля. Она извлекает энергию из силовых кабелей (701, 1301, 1701, 2401) для освещения кабелей, используя преимущество электрического поля (102), присутствующего вблизи каждого из основных проводников (101) силового кабеля (606, 801, 1201), соединенного с электрической сетью и находящегося под напряжением. Решение представляет собой конкретную конфигурацию, состоящую из полностью независимых друг от друга медных листов (402, 403), которые повторяются в виде модулей и имеют такую длину, которая позволяет добавить множество элементов извлечения электрического поля. На самом деле, например, 300-метровый кабель может иметь от тысячи до пяти тысяч светоизлучающих элементов. Это обеспечивает высокую надежность системы за счет множественного резервирования. Таким образом, предлагаемое изобретение представляет собой усовершенствование по сравнению с патентной заявкой PCT/CL2012/000044, поскольку описанная в ней система не может быть экономически жизнеспособной и надежной (иметь малое количество соединений), так как имеет очень длинные элементы при отсутствии избыточности и, в конечном счете, является ненадежной.
7) Необходимость ремонта:
В качестве одной из альтернатив предложенного изобретения представлена система для извлечения энергии из электрического поля. Она извлекает энергию из силовых кабелей (701, 1301, 1701, 2401) для освещения кабелей, используя преимущество электрического поля (102), присутствующего вблизи каждого из основных проводников (101) силового кабеля (606, 801, 1201), соединенного с электрической сетью и находящегося под напряжением. Решение представляет собой конкретную конфигурацию, состоящую из полностью независимых друг от друга медных листов (402, 403), которые повторяются в виде модулей и имеют такую длину, что позволяют добавить множество элементов (102) для извлечения электрического поля. На самом деле, например, 300-метровый кабель может иметь от тысячи до пяти тысяч светоизлучающих элементов. Учитывая многократное резервирование и независимость составляющих систему элементов, нет необходимости ремонтировать всю систему освещения, потому что если один элемент выходит из строя, он делает это независимо от остальных элементов. Этот возможный отказ не влияет на всю систему освещения, так как в кабеле имеется множество других элементов, излучающих свет. То же самое относится и к случаю отказа кабеля (701, 1301, 1701, 2401). Если потребуется отремонтировать кабель (701, 1301, 1701, 2401), ремонтировать вместе с кабелем (701, 1301, 1701, 2401) поврежденный светоизлучающий элемент не требуется, так как этот элемент вполне может быть исключен без нарушения работы указанной системы освещения. Таким образом, предлагаемое изобретение представляет собой усовершенствование по сравнению с решением из патентной заявки PCT/CL2012/000044, поскольку последнее не может быть экономически жизнеспособным, так как должно иметь очень длинные элементы, которые обязательно подлежат ремонту в полевых условиях при повреждении кабеля.
8) Независимость от внешних источников энергии:
Среди существующих решений, относящихся к освещению силовых кабелей, имеются такие, в которых предполагается соединение с внешним источником питания. Эти кабели предлагаются на коммерческой основе компаниями Telefonika и Prysmian (Tenax-Lumen). В этих решениях используются маломощные, хорошо видимые светодиодные световые ленты и электролюминесцентные ленты соответственно. Однако эти решения зависят от внешнего источника питания и поэтому ненадежны в этой связи. Такая надежность вряд ли допустима в жестких условиях эксплуатации шахтных кабелей. Кроме того, они зависят от возможности подключения системы для освещения кабеля к промышленным разъемам. На сегодняшний день такие разъемы отсутствуют как в давно существующем парке промышленных соединителей, так и в новых разработках промышленных соединителей.
В настоящем изобретении требуется только соединение с электрической сетью, которое кабель должен иметь для работы в качестве кабеля, и не требуется дополнительный внешний источник энергии параллельно с основным соединением. Система для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401) позволяет их освещать только при основном соединении. Кроме того, она не зависит от соединения с использованием специальных разъемов.
9) Индикация наличия напряжения:
В качестве одной из альтернатив предложенного изобретения представлена система для извлечения энергии из электрического поля. Она извлекает энергию из силовых кабелей (701, 1301, 1701, 2401) для освещения кабелей, используя преимущество электрического поля (102), присутствующего вблизи каждого из основных проводников (101) силового кабеля (606, 801, 1201), соединенного с электрической сетью и находящегося под напряжением. Таким образом, изобретение обеспечивает достижение двух целей одновременно: освещение кабеля и обеспечение световой индикации наличия напряжения. Эта функция отсутствует в других решениях, существующих до настоящего времени, и является весьма важным вкладом в обеспечение эксплуатационной безопасности при добыче полезных ископаемых.
10) Длины отрезания кабеля не накладывают никаких ограничений:
В качестве одной из альтернатив предложенного изобретения представлена система для извлечения энергии из электрического поля. Она извлекает энергию из силовых кабелей (701, 1301, 1701, 2401) для освещения кабелей, используя преимущество электрического поля (102), присутствующего вблизи каждого из основных проводников (101) силового кабеля (606, 801, 1201), соединенного с электрической сетью и находящегося под напряжением. Решение представляет собой конкретную конфигурацию, основанную на полностью независимых друг от друга медных листах (402 и 403), которые повторяются в виде модулей и имеют такую длину, что позволяют добавить множество элементов извлечения электрического поля. Фактически, 300-метровый кабель может иметь от одной тысячи до пяти тысяч светоизлучающих элементов. Учитывая множество светоизлучающих элементов системы освещения, силовой кабель может быть отрезан в любом месте без ограничений. Таким образом, предлагаемое изобретение представляет собой усовершенствование по сравнению с решением из патентной заявки PCT/CL2012/000044, поскольку последнее не может быть экономически жизнеспособным, так как должно иметь очень длинные элементы, которые не допускают отрезания силового кабеля (606, 80, 1201) в любом месте кабеля, не вызывая повреждения элементов, которые извлекают энергию, и их необходимого ремонта. Например, 300-метровый кабель может быть разрезан только на 75-метровые участки. Если силовой кабель (606, 801, 1201) разрезан в любом другом месте, система освещения подлежит обязательному ремонту для восстановления ее работоспособности. Это представляет собой ограничение решения этого типа, и поэтому настоящее изобретение представляет собой соответствующее усовершенствованием за счет простоты использования.
11) Работа с постоянным напряжением/током (не переменным напряжением/током):
В качестве одной из альтернатив предложенного изобретения представлена система для извлечения энергии из электрического поля. Она извлекает энергию из силовых кабелей (701, 1301, 1701, 2401) для освещения кабелей, используя преимущество электрического поля (102), присутствующего вблизи каждого из основных проводников (101) силового кабеля (606, 801, 1201), соединенного с электрической сетью и находящегося под напряжением. Таким образом, предложенное изобретение представляет собой усовершенствование по сравнению с патентной заявкой PCT/CL2012/000044, поскольку в ней допустима работа только с переменным током, возбуждающим индукцию посредством изменяющегося во времени магнитного поля. Вместо этого, настоящее изобретение обеспечивает работу как при постоянном, так и при переменном токе.
12) Ограничения по размеру кабеля (606, 801, 1201), при которых он может быть реализован:
В качестве одной из альтернатив предложенного изобретения представлена система для извлечения энергии из электрического поля. Она извлекает энергию из силовых кабелей (701, 1301, 1701, 2401) для освещения кабелей, используя преимущество электрического поля (102), присутствующего вблизи каждого из основных проводников (101) силового кабеля (606, 801, 1201), соединенного с электрической сетью и находящегося под напряжением. Решение представляет собой конкретную конфигурацию из медных листов (402, 403) очень малой толщины (меньше чем одна десятая миллиметра), расположенных между слоями управления электрическим полем фазных проводов кабеля. Собирающие энергию элементы имеют такую малую толщину, что они не обладают большим сопротивлением изгибу и легко деформируются в случаях изгиба с радиусом кривизны, намного меньшим, чем допустимый радиус кривизны изгиба кабелей, в которых они должны быть в конечном итоге установлены.
Таким образом, это решение, по сравнению с ранее предложенными решениями, представляет собой усовершенствование, поскольку в патентной заявке PCT/CL2012/000044 указан минимальный радиус кривизны, при котором происходит повреждение светоизлучающих лент. Таким образом, диаметры фазного провода меньше 20 мм (в сочетании класса напряжения 8 кВ и калибра 1/0 AWG) могут привести к повреждению светодиодной светоизлучающей ленты при реализации в фазном проводе (1101, 1401) кабеля.
Настоящее изобретение решает ранее выявленные технические проблемы и представляет собой реальное решение для промышленности, которое удовлетворяет каждому из требований к обнаружению присутствия кабелей (606, 801, 1201), которые питают энергией критически важное оборудование, и дополнительно указывает на наличие напряжения в линии с использованием той же самой световой индикации.
Описание самого изобретения
Следует понимать, что настоящее изобретение не ограничивается конкретными способом, композитами, материалами, технологиями изготовления, способами использования и случаями применения, описанными в настоящей заявке, поскольку они могут изменяться. Также следует понимать, что терминология, используемая в настоящей заявке, используется с единственной целью описания конкретного представления и не предназначена для ограничения объема охраны и потенциала настоящего изобретения.
Изолированный силовой кабель определяется как проводник (в целом медный или алюминиевый) или набор проводников (101), покрытых различными слоями различных изолирующих или полупроводниковых материалов и защитным наружным покрытием. Можно выделить однофазные низковольтные силовые кабели (1201), однофазные средневольтные или высоковольтные силовые кабели (801), трехфазные низковольтные или трехфазные средневольтные или высоковольтные силовые кабели (606), которые являются наиболее распространенными, но не единственно возможными, а являющиеся лишь примером.
Фазный провод изолированного силового кабеля определен как основной составной элемент силового кабеля. Начиная с одного фазного провода строится однофазный кабель, а с несколькими фазными проводами - многофазный кабель. Фазным проводом является проводник (обычно медный или алюминиевый) или набор проводников (101), покрытых различными слоями различных изоляционных или полупроводниковых материалов, но который, в отличие от силового кабеля, не имеет защитного наружного покрытия. Таким образом, могут быть выделены фазные провода низковольтных силовых кабелей (1401) и средневольтных или высоковольтных силовых кабелей (1101), которые являются наиболее распространенными, но это не единственно возможные кабели, а приведенные только для примера.
Нагрузка (404) определяется как любое устройство или электронная схема, соединенная с листами устройства для извлечения энергии из электрического поля (408). Такими нагрузками могут быть электронные схемы, световые излучатели, звуковые излучатели, телекоммуникационные излучатели и т.п. Действие нагрузок придает кабелю (606, 801, 1201) новые функциональные возможности.
Трехфазный силовой кабель (606) определяется как кабель, состоящий из трехфазных проводов (1101) среднего напряжения. Каждый фазный провод (1101) представляет собой проводник (101), покрытый различными слоями различных изоляционных или полупроводниковых материалов. Весь узел покрыт защитным наружным покрытием (605).
Когда используется выражение «подключенный силовой кабель», следует понимать, что к двум из проводников (101) силового кабеля (606, 801, 1201) приложено напряжение.
Когда используется термин "опорное напряжение", следует понимать, что напряжение не является абсолютной величиной, а представляет собой разность электрических потенциалов между двумя элементами, один из которых является носителем «опорного напряжения". Как правило, термин «заземление" или "заземленный" используется для обозначения элемента, находящегося под напряжением нулевой величины, которое обычно является опорным.
Электрическое поле (область пространства, в которой действует электрическая сила) определяется как физическое поле, представленное посредством модели, описывающей взаимодействие между телами и системами со свойствами электрической природы. Его можно описать как векторное поле, в котором точечный электрический заряд Е величиной q подвергается действию электрической силы F, которая выражается следующим уравнением:
F=q*E
Следует отметить, что использование в настоящем документе в формуле и по всему тексту форм единственного числа не исключает форм множественного число, если это явно не подразумевается в контексте. Так, например, ссылка на "элемент" относится к одному или более элементам и включает в себя эквивалентные формы, известные специалистам в данной области техники. Аналогичным образом, в качестве другого примера, ссылка на "этап", «стадию" или "режим" относится к одному или более этапам, стадиям или режимам и может включать подэтапы, стадии или режимы, подразумеваемые и/или последующие.
Все используемые союзы должны пониматься в наименее ограничительном и наиболее включительном смысле. Таким образом, например, союз "или" следует понимать в его ортодоксальном логическом смысле, а не как «исключительное или", если это явно не следует или не вытекает из контекста или текста. Описанные конструкции, материалы и/или элементы также следует понимать как относящиеся к функциональному эквиваленту и, таким образом, избавлены от бесконечных ограничительных перечислений.
Выражения, используемые для обозначения приближения или концептуализации, должны толковаться именно таким образом, если из контекста не следует иное толкование.
Все технические и/или научные названия и термины, используемые в настоящем документе, имеют общее значение, придаваемое им обычным лицом, квалифицированным в этих вопросах, если непосредственно не указано иное.
В настоящей заявке описаны способы, технологии, элементы, оборудование и материалы, но несмотря на это могут быть использованы или предпочтены при практическом и/или испытательном осуществлении настоящего изобретения способы, технологии, элементы, оборудование и материалы подобные и/или эквивалентные описанным.
Конструкции, описанные в настоящей заявке, также следует понимать как относящиеся к любой подобной или функционально эквивалентной конструкции.
Размеры, значения, единицы измерения (в общих количествах), которые приведены в описаниях настоящего документа, являются только ссылочными и приведены в качестве примеров, но не ограничивают объем охраны настоящего изобретения только этими количествами.
Все патенты и другие публикации включены по ссылке с целью описания и/или информирования, например, в отношении способов, описанных в таких публикациях, которые могут быть подходящими в связи с настоящим изобретением. Эти публикации включены только для информации на дату подачи настоящей заявки на патент.
В этом отношении, ничто не должно рассматриваться как признание или одобрение, отклонение или исключение того, что авторы и/или изобретатели не являются законными, или что такие публикации датированы в силу предыдущих, или по любой другой причине.
Областью применения настоящего изобретения является система для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401), использующая преимущество электрического поля (102), присутствующего вблизи каждого из основных проводников (101) силового кабеля (606, 801, 1201), соединенного с электрической сетью и находящегося под напряжением. Система содержит: изолированный силовой кабель (606, 801, 1201) с одним или более фазных проводов низкого, среднего или высокого напряжения; и устройство для извлечения энергии из электрического поля (408) с различными способами ее использования.
Областью применения настоящего изобретения является система для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401), использующая преимущество электрического поля (102), присутствующего вблизи каждого из основных проводников (101) силового кабеля (606, 801, 1201), соединенного с электрической сетью и находящегося под напряжением. Кабель имеет один или более фазных проводов и содержит по меньшей мере одно устройство для извлечения энергии из электрического поля (408), такое как указанное выше, и различные способы ее использования.
Областью применения настоящего изобретения является система для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401), использующая преимущество электрического поля (102), присутствующего вблизи каждого из основных проводников (101) силового кабеля (606, 801, 1201), соединенного с электрической сетью и находящегося под напряжением. Кабель соединен с источником постоянного напряжения и содержит по меньшей мере одно устройство для извлечения энергии из электрического поля (408), такое как указанное выше, и различные способы ее использования.
Областью применения настоящего изобретения является система для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401), использующая преимущество электрического поля (102), присутствующего вблизи каждого из основных проводников (101) силового кабеля (606, 801, 1201), соединенного с электрической сетью и находящегося под напряжением. Кабель соединен с источником переменного напряжения и содержит по меньшей мере одно устройство для извлечения энергии из электрического поля (408), такое как указанное выше, и различные способы ее использования.
Областью применения настоящего изобретения является система для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401), которая также обеспечивает возможность накапливания извлеченной энергии посредством батарей, конденсаторов, суперконденсаторов и т.п. и различные способы ее использования.
Областью применения настоящего изобретения является устройство для извлечения энергии из электрического поля (408), такое как указанное выше.
Областью применения настоящего изобретения является процесс изготовления системы для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401). В указанном процессе предусмотрено включение в один или более фазных проводов силового кабеля (606, 801, 1201) устройства для извлечения энергии из электрического поля (408) и/или ранее указанного устройства для накопления и различных способов его применения.
Областью применения настоящего изобретения является ремонт силовых кабелей (606, 801, 1201), которые не имеют устройства для извлечения энергии из электрического поля (408), встроенного первоначально, что обеспечивает возможность встраивания устройства для извлечения энергии из электрического поля (408) и/или указанной выше системы накопления и различных способов ее использования.
Силовые кабели (606, 801, 1201) среднего напряжения сконструированы таким образом, что каждый из их слоев играет определенную роль. В общих чертах, функции различных слоев являются следующими: (i) проводить электрический ток; (ii) управлять электрическим полем или изолировать; и (iii) механически защищать кабель.
На ФИГ. 2 показано поперечное сечение фазного провода (1101, 1401) кабеля (606, 801) среднего напряжения со всеми его слоями, ограниченными последним слоем: электростатическим экраном (105). В этом случае электростатический экран (105) не заземлен, и радиальные линии (102) электрического поля выходят из него, всегда стремясь к опорному напряжению, равному нулю (заземлению (203)). Этот физический эффект тесно связан с конструкцией электрических кабелей среднего напряжения (606, 801), поскольку управление этим электрическим полем является жизненно важным для его правильного функционирования с точки зрения производительности и безопасности.
Как можно видеть на ФИГ. 2, радиальные линии (102) электрического поля не управляются на 100% первичной изоляцией (104) кабеля. Это означает, что напряжение на наружной поверхности первичной изоляции (104) не имеет нулевой величины. Таким образом, для управления этим радиальным электрическим полем (102) на 100% потребуется большая толщина изоляции. Это подразумевает кабель больших размеров, большей стоимости, большего веса и меньшей гибкости.
Однако изготовители кабелей решили эту проблему путем принудительного обнуления напряжения на наружной поверхности первичной изоляции (104). Таким образом, не требуется большая толщина первичной изоляции (104), вследствие чего обеспечены более компактные, гибкие и менее дорогостоящие кабели. Это имеет особое значение для гибких трейлинговых кабелей (606), используемых в горнодобывающей промышленности, поскольку для обеспечения гибкости они должны быть изготовлены из специальных материалов, но также иметь небольшой диаметр.
Силовые кабели (606, 801) среднего напряжения с малым наружным диаметром имеют небольшую толщину первичной изоляции (104), благодаря заземлению электростатического экрана (105). Это видно на ФИГ. 3, на котором радиальные линии (102) электрического поля ограничены электростатическим экраном (105), заземленным путем его соединения с землей (203). Таким образом, на наружной поверхности первичной изоляции (104) присутствует напряжение, заданное радиальным электрическим полем (102), еще не управляемым на 100%, и при этом присутствует напряжение нулевой величины, поскольку этот наружный слой первичной изоляции (104) находится в контакте с заземленным электростатическим экраном (105). Это означает, что в этом наружном слое первичной изоляции (104) имеет место резкий переход напряжения от определенной величины до нулевой величины. Однако в природе резких переходов, как правило, не существует, поскольку обычно это приводит к появлению точек концентрации напряжений и повреждению материалов.
В этом случае принудительное приведение потенциала наружной поверхности первичной изоляции (104) к нулевой величине за счет заземления (203) может означать переход от напряжения определенной величины к напряжению нулевой величины в крошечном пространстве. Это может привести к концентрации электрических напряжений в изоляции и ее повреждению с течением времени. Поэтому имеется переходной элемент, который является наружным полупроводниковым слоем (106). В указанном полупроводниковом слое происходит переход величины напряжения, затухающего через его толщину, от наружной поверхности первичной изоляции (104) к заземленному электростатическому экрану (105).
Затем, благодаря наружному полупроводниковому слою (106), кабель «разряжается» через заземление.
В настоящем изобретении используется эта разность потенциалов между наружным полупроводниковым слоем (106) и заземленным электростатическим экраном (105) таким образом, что кабель (606, 801, 1201) разряжается через нагрузки (404), которые расположены между листами, составляющими устройство для извлечения энергии из электрического поля (408).
Конструкция устройства для извлечения энергии из электрического поля (408) состоит из: (i) электропроводящего листа (402), который извлекает энергию из радиального электрического поля (102) и находится в контакте с наружным полупроводниковым слоем (106), причем этот лист представляет собой внутренний лист (402), поскольку он обращен внутрь к проводнику; (ii) второго электропроводящего листа (403), который находится в электрическом контакте с заземленным электростатическим экраном (105), при этом этот лист является наружным листом (403), поскольку он обращен наружу от проводника. Таким образом, электрическое поле (102), захваченное внутренним собирающим энергию листом (402), направлено от цепей или зарядов (404) к заземленному электростатическому экрану (105).
Описание системы для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401).
Система для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401):
(i) Система для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401), из источника энергии (того же самого силового кабеля (606, 801, 1201)) без непосредственного контакта с проводниками (101) кабеля для придания любой из функциональных возможностей, которые предназначены для их придания силовому кабелю (606, 801, 1201).
(ii) Система для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401), которая поддерживает размер силового кабеля (606, 801, 1201). Т. е. она поддерживает его конечный диаметр в допустимых пределах. Для конкретного случая силового кабеля, используемого для питания погрузочного ковшового экскаватора (606), он должен соответствовать стандарту ICEA (Ассоциации производителей изолированных кабелей) S-75-381-2008, часть 3.22, который ограничивает наружный диаметр гибких силовых кабелей (606) среднего напряжения для горных работ.
(iii) Система для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401), которая минимально изменяет современный процесс изготовления однофазных или многофазных кабелей (606, 801, 1201).
(iv) Система, работающая на переменном токе (АС) или на постоянном токе (DC), с учетом того, что в настоящее время существуют обе системы.
Система для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401) содержит два компонента. Два компонента представляют собой: один или более фазных проводов (1101, 1401) силового кабеля (606, 801, 1201) для извлечения энергии из электрического поля (102) того же самого силового кабеля (606, 801, 1201); и устройство для извлечения энергии из электрического поля (408), реализованное для каждого из фазных проводов (1101, 1401).
Устройство для извлечения энергии из электрического поля (408) предусматривает использование четырех основных компонентов с определенными материальными свойствами и расположением в кабеле. Этими компонентами являются:
2
2
1) Внутренний прямоугольный лист (402), электропроводящий, предпочтительно медный, очень малой толщины, порядка десятых долей миллиметра, поверхность которого может варьироваться в зависимости от функциональности, придаваемой кабелю, но находится в диапазоне от 50 см до 500 см. Эта поверхность необходима, например, для освещения одного или более мигающих светоизлучающих диодов со световым потоком 20-26 люмен, которые могут быть видны на расстоянии более 100 метров. Если требуется больше энергии, следует рассмотреть возможность увеличения площади поверхности. Этот внутренний проводящий лист может быть нанесен на изоляцию (104) проводника или на полупроводниковую ленту (106) продольным или спиральным образом. Этот внутренний лист (402) захватывает радиальное электрическое поле (102) между проводником (101) и заземленным электростатическим экраном (105) кабеля (606, 801, 1201).
2) Второй наружный электропроводящий элемент (лист или провод) (403), который имеет электрический контакт с любым элементом, имеющим разность потенциалов с проводником кабеля. Этот элемент является наружным листом или проводом (403) опорного напряжения.
3) Изолирующий слой (401), на который нанесены медные листы путем адгезии, наплавления и т.п., и который имеет несколько функций:
a. Он поддерживает и изолирует внутренний электропроводящий лист (402) одной из своих поверхностей.
b. Он поддерживает и изолирует наружный электропроводящий лист (403) одной из своих поверхностей.
c. Он разделяет оба проводящих листа, так что каждый из них может выполнять соответствующую функцию, так что устройство для извлечения энергии из электрического поля (408) работает правильно. Таким образом, внутренний электропроводящий лист (402) должен быть обращен внутрь кабеля и контактировать с полупроводниковым слоем (106), а наружный электропроводящий лист (403) должен быть обращен наружу от кабеля и контактировать с заземленным электростатическим экраном (105) кабеля.
d. В нем размещена нагрузка (404) и/или цепь, которая соединена с каждым из проводящих листов, в соответствии с ФИГ. 4.
e. Он изолирует наружный полупроводниковый слой (106) от заземленного электростатического экрана (105), обеспечивая правильную работу системы для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401). Это актуально, поскольку при наличии такого электрического контакта кабель «разряжается» через наружный полупроводниковый слой (106) непосредственно в заземленный электростатический экран (105), а не через нагрузки (404), так что нагрузки (404) перестают принимать собранную энергию и перестают работать.
f. Он обеспечивает разделение (407) унитарных извлекающих энергию устройств (внутреннего листа (402), наружного листа (403) и нагрузок (404)). Это разделение (407) является важным, поскольку каждый лист должен иметь определенную поверхность наружного полупроводникового слоя (106), свободную для извлечения энергии из электрического поля (102). Таким образом, если внутренние собирающие энергию листы (402) находятся очень близко друг к другу, они создают взаимные помехи между собой, и нагрузки (404) не получают электрическую энергию постоянно.
g. Он обеспечивает возможность для всех унитарных извлекающих энергию устройств (внутреннего листа (402), наружного листа (403) и нагрузок (404)) образовывать единый элемент, который является устройством для извлечения электрической энергии из электрического поля (408).
4) Нагрузки (404), которые определены любой из возможных новых функциональных средств для силовых кабелей (701, 1301, 1701, 2401). Например, кабельное освещение, передача телекоммуникационных сигналов, звуковых сигналов и т.п.
5) Аккумуляторы (1002). Извлеченная из кабеля энергия может быть предварительно накоплена в батареях, конденсаторах и/или суперконденсаторах перед потреблением соответствующими нагрузками с их различными способами использования.
Как показано на ФИГ. 4, внутренний собирающий энергию лист (402), наружный лист (403) и нагрузки (404) прикреплены к ленте (401) таким образом, что все независимые элементы (модульные устройства) ведут себя физически как единый элемент, представляющий собой устройство для извлечения энергии из электрического поля (408). Это дает возможность встраивать его в кабель во время его изготовления, используя те же самые механизмы, которые в настоящее время имеются у изготовителей кабелей, простым добавлением еще одного этапа к процессу изготовления кабеля.
Описание способа изготовления силового кабеля (606, 801, 1201) с устройством для извлечения энергии из электрического поля (408) одного или более фазных проводов. Система для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401).
Для встраивания устройства для извлечения энергии из электрического поля (408) в многофазный силовой кабель в основном используются те же самые механизмы и процедуры, действующие на любом заводе по производству электрических кабелей. Этот способ является тем же самым, который применяют для изготовления кабелей, проводов и тросов и который известен уже более чем 50 лет. На ФИГ. 9 показана типичная процедура изготовления кабелей различных типов. Источник относительно этой процедуры описан на сайте: http://turnkey.taiwantrade.com.tw/en/Content.aspx?ID=65, хотя данная процедура не ограничивается только этим источником, поскольку ее описание широко распространено в Интернете.
Независимо от типа материала, будь то шелковые нити, полиэфирные волокна, стальные провода, медные провода, швейная нить и т.п., известна технология, используемая для удерживания вместе нескольких тонких элементов (с учетом конечного диаметра, который должен быть получен), которые предназначены для образования единого нового элемента, состоящего из нескольких элементов меньшего диаметра или сечения.
Процесс состоит из этапа, на котором подают каждый из элементов, составляющих новый элемент, и по мере того, как элементы собираются вместе, два (или более) элемента поворачивают, скручивая их вдоль продольной оси самого набора, оставляя все элементы намотанными вокруг продольной оси.
После объединения и скручивания спирально вокруг продольной оси набора указанные элементы наматывают на катушки или бобины.
Процесс скручивания и наматывания может быть осуществлен в отношении двух или более элементов, которые затем могут стать элементами нового процесса скручивания и наматывания, и так далее до получения требуемого конечного продукта, состоящего из необходимого количества элементов.
Этот процесс является основой для изготовления кабелей и встраивания устройства для извлечения энергии из электрического поля (408), предложенного для извлечения энергии из многофазного кабеля. Таким образом, он идеально подходит для современной технологии изготовления кабелей, проводов и тросов.
Таким образом, процесс изготовления системы для извлечения энергии на основе электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401) подробно описан ниже и является частью настоящего изобретения, предмет которого состоит из изолированного кабеля (606, 801, 1201) с устройством для извлечения энергии из электрического поля (408), встроенным между его слоями (102) управления электрическим полем.
Процесс изготовления кабеля с каждыми из стадий и задействованных элементов в обобщенном виде представлен на ФИГ. 25, на котором показаны наиболее частые случаи изготовления системы для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401). Эти случаи не являются единственными случаями, в которых устройство для извлечения энергии из электрического поля (408) может быть встроено в изолированный кабель (606, 801, 1201).
На ФИГ. 25 подробно показан процесс изготовления систем для извлечения энергии из электрического поля в однофазных и трехфазных силовых кабелях низкого, среднего и высокого напряжения, а также подробно показаны случаи, в которых устройство для извлечения энергии из электрического поля (408) наносится на первичную изоляцию (104) и на наружный полупроводниковый слой (105). Таким образом, на ФИГ. 25 подробно показаны 6 систем для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях, 4 из которых представлены на чертежах: ФИГ. 7 (701), ФИГ. 13 (1301), ФИГ. 17 (1701) и ФИГ. 24 (2401).
1. На первом этапе процесса изготовления системы для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401) определяют калибр (диаметр) каждого из проводников (101), которые составляют силовой кабель (606, 801, 1201), согласно его спецификации. Из стержней проволоки (в случае жесткого кабеля) или проводов меньшего диаметра (в случае гибкого кабеля), каждый из которых первоначально находится на катушке, группируют единый проводник (101), состоящий из проводов, спирально скрученных в пучок, и имеющий соответствующий калибр согласно спецификации силового кабеля. На ФИГ. 11 показан фазный провод (1101) трехфазного силового кабеля (606) среднего напряжения. Проводник (101) состоит из 7 стержней.
Каждый из проводников (101), которые на этом этапе процесса соответствуют только неизолированному проводнику, наматывают на новую катушку, большего размера, чем любая из предыдущих.
2. Затем, в случае низковольтных силовых кабелей (1201), к каждому из проводников (101) кабеля посредством экструзии добавляют первичную изоляцию (104), необходимую для снижения напряженности электрического поля. На ФИГ. 14 показан узел проводника (101) с соответствующей первичной изоляцией (104). Каждый из уже изолированных проводников (101) остается на новой катушке.
3. Для силовых кабелей (606, 801) среднего и высокого напряжения к каждому из фазных проводов (1101) силового кабеля (606, 801) (ФИГ. 6, номера (601А, 601В и 601С)) путем экструзии или наложения лент добавляют каждый из перечисленных ниже слоев, которые управляют электрическим полем:
a. Внутренний полупроводниковый слой (201).
b. Первичную электрическую изоляцию (104).
c. Наружный полупроводниковый слой (106).
На ФИГ. 18, 19 и 21 показаны кабели (1801, 1901, 2101) среднего или высокого напряжения, полученные на этом этапе изготовления.
4. В случае, если силовой кабель является кабелем (606, 801) среднего напряжения, устройство для извлечения энергии из электрического поля (408) должно быть установлено на первичной электрической изоляции (104) проводника (101), как показано на ФИГ. 19 (кабель 1901), или на наружном полупроводниковом слое (106), как показано на ФИГ. 22 (кабель 2201). Если кабель является кабелем низкого напряжения, устройство для извлечения энергии будет нанесено только на первичную изоляцию (104) проводника (101), как показано на ФИГ. 15 (кабель 1501).
Внутренний проводящий медный лист (402), который собирает энергию электрического поля (102), должен оставаться в контакте с первичной изоляцией (104) или наружным полупроводником (106), в зависимости от обстоятельств. Если внутренний проводящий медный лист (402), который собирает энергию электрического поля (102), остается в контакте с наружной полупроводниковой лентой (106), следует убедиться, что вся наружная полупроводниковая лента (106) изолирована от электростатического экрана (105). Это может быть достигнуто несколькими способами, которые при этом не являются единственно возможными:
(i) применение устройства для извлечения энергии из электрического поля (408) спиральным способом с обеспечением достаточно малого шага, так что набор лент устройства, извлекающего энергию из электрического поля (408), покрывает всю поверхность наружной полупроводниковой ленты (106), не оставляя на ней открытых участков;
(ii) Применение устройства для извлечения энергии из электрического поля (408) продольно или спирально с очень длинным шагом параллельно изолирующей ленте, следя за тем, чтобы обе ленты (устройство для извлечения энергии из электрического поля (408) и изолирующая лента) покрывали всю наружную поверхность полупроводниковой ленты (106), не оставляя на ней открытых участков.
Правильная работа системы для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401) позволяет участкам наружной полупроводниковой ленты (106) находиться в непосредственном контакте с заземленным электростатическим экраном (105), но энергия, собираемая вблизи участков контакта наружной полупроводниковой ленты (106) и заземленного электростатического экрана (105) с помощью устройства для извлечения энергии из электрического поля (408), существенно меньше.
Устройство для извлечения энергии из электрического поля (408) имеет множество внутренних элементов (402), собирающих энергию электрического поля, на непрерывном элементе (401) и уже имеет каждую из нагрузок (404), встроенную по месту, и в случае необходимости накопители (1002) электрического заряда, причем все это определяется спецификацией кабеля. Эта спецификация определяет расстояние (407) между внутренними элементами (402), собирающими энергию электрического поля, и тип рассматриваемых нагрузки и аккумуляторов (1002).
Устройство для извлечения энергии из электрического поля (408) находится на катушке в ожидании встраивания в каждый из фазных проводов, указанных в спецификации кабеля.
5. Устройство для извлечения энергии из электрического поля (408) встроено по меньшей мере в один из фазных проводов кабеля (ФИГ. 7, 13, 17, 24) таким образом, что путь поверх фазного провода является спиральным или продольным. Любой из этих двух вариантов возможен для работы системы для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401), а способ применения будет определяться спецификацией кабеля. Каждый из фазных проводов со встроенным в него устройством для извлечения энергии из электрического поля (408) наматывают на новую независимую катушку по фазам.
6. На устройстве, извлекающем энергию из электрического поля (408), электростатический экран (105) заземлен. Каждый из фазных проводов со всеми его слоями остается на новой катушке. Они показаны на ФИГ. 16, 20, 23.
7. Все фазные провода, которые включают в себя устройство для извлечения энергии из электрического поля (408), с заземляющими кабелями (604) и проводом (603) для проверки заземления объединены вместе. Набор скручивают спирально с образованием единого набора и наматывают на новую катушку.
8. На все фазные провода, составляющие кабель, путем экструзии добавляют наружную оболочку к кабелю (605) с учетом того, что если нагрузки (404) системы для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401) являются элементами, которые излучают свет, указанная наружная оболочка должна быть просвечивающей и прозрачной. Таким образом, система для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401) уже завершена и намотана на конечную катушку, при этом ее можно отрезать на любую длину.
Описание процесса изготовления устройства для извлечения энергии из электрического поля (408).
Процесс изготовления устройства для извлечения энергии из электрического поля (408) включает следующие этапы:
2
2
В этом разделе, как и в других разделах по всему тексту, формы (прямоугольные), площади поверхности (мм, см), световые потоки (люмены) и способы крепления (адгезия, фиксация) используются только в качестве примера и для ясности в пояснениях и описаниях. Формы, способы крепления и значения в этих пояснениях зависят от спецификации кабеля.
2
2
a. - Внутренний электропроводящий прямоугольный лист (402), предпочтительно медный, с площадью поверхности в диапазоне от 50 см до 500 см и толщиной в десятые доли миллиметра. Эта поверхность, подвергающаяся воздействию электрического поля (102), выполнена с возможностью его собирания, предоставляя необходимую энергию для питания светодиода со световым потоком 20-26 люмен, периодически излучающего свет. Если требуется больше энергии, следует рассмотреть возможность увеличения площади поверхности. Количество листов может быть настолько большим, насколько это необходимо.
b. - Внутренний электропроводящий лист (402) наносят на одну из адгезивных поверхностей изолирующей ленты (401) с адгезивом с обеих сторон (двойной контакт) таким образом, что одна из поверхностей всего проводящего листа изолирована. Другая поверхность внутреннего электропроводящего листа (402) должна быть открытой (неизолированной), поскольку эта открытая поверхность является поверхностью, которая будет собирать электрическое поле (102). Этот первый внутренний проводящий лист (402) является листом, который собирает электрическое поле (102) на первичной изоляции (104) проводника (101) или на его наружном полупроводнике (106), в зависимости от обстоятельств. Задача состоит в том, чтобы приклеить внутренний проводящий лист (402) к изолирующему листу (401), что также может быть осуществлено путем сплавления обоих листов вместе или с помощью способов печати. Это замечание также применимо к различным этапам изготовления.
с. - На другую адгезивную сторону изолирующей ленты (401) нанесен второй лист, т.е. наружный электрический проводник (403), который должен находиться в электрическом контакте с электростатическим экраном (105), заземленным на кабеле. Таким образом, одна из поверхностей этого второго листа (403) будет контактировать с изолирующей лентой (401), а другая поверхность будет открыта (остается неизолированной) и готова к контакту с заземленным электростатическим экраном (105) кабеля.
d. - Пространство (407) между листами (402), собирающими энергию электрического поля (102) при размещении последовательности собирающих энергию элементов одного за другим, будет зависеть от функциональных средств, придаваемых кабелю (801). Например, пространство (407), необходимое для извлечения достаточной энергии для включения мигающих светодиодов высокой яркости, в два раза превышает длину собирающей энергию ленты (402).
e. - Между внутренним и наружным проводящими листами (402 и 403) должны быть присоединены нагрузки (404), обеспечивающие желательные функциональные средства для кабеля (801), питаемые собранной энергией.
d. - Все вышеуказанные элементы объединены изолирующей лентой (401) таким образом, что все элементы ведут себя так, как будто они являются одним единым элементом. Все они оставлены на катушке для способствования их нанесения на фазный провод кабеля.
Характеристики системы для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401).
Согласно описаниям, как система для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401) в конфигурации с многофазным кабелем, так и устройство для извлечения энергии из электрического поля (408) в отношении процесса его изготовления и встраивания в кабель, характеризуются следующим:
1) Соответствуют современным методам изготовления силовых кабелей (606, 801, 1201). Т.е. включают технологию в процесс изготовления любого изолированного кабеля (606, 801, 1201), учитывают то же самое оборудование, в настоящее время установленное на предприятиях по изготовлению кабелей, и те же самые современные технологии изготовления.
2) Поддерживают размер изолированного провода (606, 801, 1201) (конечный наружный диаметр) в пределах приемлемых диапазонов для использования.
3) Сами по себе являются источником энергии, для правильной работы которого требуется только подключение изолированного кабеля (606, 801, 1201) к источнику напряжения.
4) Устройство, которое извлекает энергию из электрического поля (408), не имеет электрического контакта с проводниками (101), поскольку оно наносится поверх первичной изоляции (104) или внутреннего полупроводника (201), или поверх наружного полупроводникового слоя (106) в зависимости от спецификации силового кабеля.
5) Они питаются только энергией из электрического поля (102), доступного вне каждого из фазных проводов силового кабеля, и могут быть реализованы в одном или более фазных проводах.
6) Требуют только того, чтобы реализованный фазный провод был соединен с источником напряжения. Поскольку кабели питают оборудование, которое работает 24 часа в сутки, и всегда подключены, система для извлечения энергии из электрического поля (701, 1301, 1701, 2401) в силовых кабелях является постоянным источником энергии.
7) Устройство, которое извлекает энергию из электрического поля (408), является модульным. Т.е. набор устройств, которые извлекают энергию из электрического поля (408), установлены на силовом кабеле по спирали или в продольном направлении и работают таким образом, что устройство, которое извлекает энергию из электрического поля (408), действует независимо от остальных устройств, которые извлекают энергию из электрического поля (408). Все устройства, которые извлекают энергию из электрического поля (408), могут принадлежать тому же самому блоку (той же самой изолирующей ленте (401), которая объединяет их), что способствует их встраиванию в силовой кабель (606, 801, 1201), но они работают независимо друг от друга. Это имеет особое значение в случае возможного повреждения определенной секции системы для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401). Если система для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401) повреждена в какой-либо секции силового кабеля (606, 801, 1201), остальные устройства, которые извлекают энергию из электрического поля (408), могут без помехи продолжать работу.
8) Могут быть использованы в кабелях (606, 801, 1201), предназначенных для эксплуатации в условиях с высоким механическим напряжением. Технология может быть встроена в силовой кабель внутри наружной оболочки, которая защищает его, так что она может быть использована в средах с тяжелыми условиями работы (при высоких механических напряжениях на растяжение, абразивном износе, скручивании, под водой и т.п.).
9) Они могут быть использованы в кабелях, которые работают с постоянным током (DC) или переменным током (АС). Это соображение имеет важное значение с учетом растущего производства, распространения и использования систем постоянного тока.
10) Поскольку система для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401) получает энергию из кабеля, когда он соединен с источником напряжения, при наличии напряжения система для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401) способна доставлять энергию нагрузке (404), которая излучает сигнал, указывающий на наличие напряжения. Это особенно важно в электрических сетях, к которым постоянно подключаются и отключаются без элементов, указывающих на наличие напряжения, например, в открытых карьерах.
Учитывая эти условия, система для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401), предложенная и реализованная в силовом кабеле, является важным вкладом в промышленность.
Пример применения системы для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401).
Практический вариант применения системы для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401) представлен на примере трехфазного силового кабеля (606) среднего напряжения, изображенного на ФИГ. 24 (2401), на котором показан один из трех его фазных проводов со встроенным устройством для извлечения энергии из электрического поля (408), состоящим из элементов (401), (402), (403), (404), (405), (406), (407). На ФИГ. 24 показано практическое осуществление одного из фазных проводов. Этот пример применения состоит из кабеля, основная функция которого заключается в освещении с использованием переменного напряжения между его проводниками (101) и его заземленным электростатическим экраном (105). Освещенность кабеля достигается тем, что между контактами (405) и (406) соединена нагрузка (404), содержащая светоизлучающий диод (LED) (702).
Используемый кабель имеет марку Prysmian и соответствует трейлинговому трехфазному кабелю среднего напряжения класса 8 кВ калибра 4/0 AWG, широко используемому в промышленности на крупных открытых горных разработках в Чили для питания ковшовых экскаваторов и электрических буровых установок. Используемый кабель имеет такую же конфигурацию, как и конфигурация кабеля (606), показанного на ФИГ. 6. Из этого кабеля были извлечены один из фазных проводов (1101), и был удален электростатический экран (105). Таким образом, фазный провод (2101) остается неполным, при этом полупроводниковая лента (106) открыта, как показано на ФИГ. 21. На открытую полупроводниковую ленту (106) спирально наносят устройство для извлечения энергии из электрического поля (408). Во время нанесения следили за тем, чтобы устройство покрывало всю полупроводниковую ленту, не оставляя открытых участков.
Устройство изготовлено из медных полос шириной 35 мм и толщиной 0,06 мм. Длина полос составляет 200 мм, как для внутренней собирающей энергию ленты (402), так и для ленты (403) опорного напряжения. Медные полосы были расположены (приклеены) на изоляционной ленте (401), армированной стекловолокном, шириной 48 мм, как показано на ФИГ. 4, таким образом, что собирающая энергию лента (402) находится на одной стороне изоляционной ленты (401), а лента (403) опорного напряжения находится на противоположной стороне. Внутренний собирающий энергию лист (402) расположен ниже изолирующего листа (401) по направлению к внутренней части кабеля и прикреплен к указанному листу.
Разделяющее пространство (407) между каждым отдельным устройством составляет 550 мм и обеспечено той же самой изолирующей лентой таким образом, что все отдельные устройства объединены изолирующей лентой, образуя единый набор, называемый «устройством для извлечения энергии из электрического поля (408)». Все эти элементы образуют устройство для извлечения энергии из электрического поля (408), которое повторяется в виде модулей на протяжении всего фазного провода.
Цепи, изготовленные для этого случая практического применения, были соединены с полосами. Имеются только два контакта между полосами и цепями, которые являются контактам (405) и (406).
Схема является такой же, как показанная на ФИГ. 10, в котором выпрямительный мост (1001) выполнен из 4 диодов 1N4007, при этом конденсатор (1002) является электролитическим (с полярностью) конденсатором с емкостью 4,7 мкФ на 50 В, элемент (1003) является диаком DB30, а элемент (1004) является светодиодом (702) высокой яркости с напряжением питания 3,6 В и током 20 мА, включенным последовательно с токоограничивающим резистором с сопротивлением 480 Ом.
На протяжении всего фазного провода кабеля имеются множество устройств для извлечения энергии из электрического поля (408), повторяющихся в виде модулей, независимых друг от друга, но все они установлены на одной и той же изолирующей ленте (401). Таким образом, устройство для извлечения энергии из электрического поля (408) после его нанесения спиральным способом без перекрытия содержит светодиоды (702), расположенные через каждые 550 мм, причем светодиоды (702) расположены в фазном проводе кабеля через каждые 275 мм с вращением по периметру фазного провода, так что фазный провод покрыт полностью.
Проводники кабеля (101) подключены к источнику переменного напряжения 8 кВ. Напряжение подается трансформатором марки TUSAN. Электростатический экран (105) кабеля заземлен, причем между его проводниками имеется разность потенциалов 8 кВ, а между каждым проводником и его экраном имеется разность потенциалов 4,6 кВ (8/√3).
Внутренняя собирающая энергию лента (402) получает напряжение радиального электрического поля (102), существующего благодаря разности напряжений, составляющей 4,6 кВ, между проводником (101) и электростатическим экраном (105), заземленным в фазном проводе. Этот внутренний собирающий энергию лист (402) в данном конкретном примере расположен на наружном полупроводниковом слое (106) кабеля. Другими словами, внутренний собирающий энергию лист (402) способен собирать энергию электрического поля (102), которое все еще существует на наружной поверхности первичной изоляции (104) и наружного полупроводникового слоя (106) фазного провода (1101) силового кабеля (606).
2
Для этого конкретного примера внутренний собирающий энергию лист (402) изготовлен из меди толщиной 0,06 мм и имеет поверхность, составляющую примерно 70 см (35 мм в ширину и 200 мм в длину). Эта поверхность необходима для свечения мигающего светоизлучающего диода со световым потоком 20 люмен, которое можно увидеть на расстоянии больше чем 100 м. Указанный внутренний лист (402) и все устройство для извлечения энергии из электрического поля (408) нанесены на наружную полупроводниковую ленту (106) в винтовой форме с минимальным перекрытием.
Между контактами (405) и (406) соединена нагрузка, позволяющая генерировать свет. Эта нагрузка представлена цепью, блок-схема которой показана на ФИГ. 10. Переменная электрическая энергия, поступающая из внутренней собирающей энергию ленты (402), выпрямляется. Выпрямитель (1001) также должен быть подключен к опорному напряжению, задаваемому соединением (203) заземления электростатического экрана (105). Это соединение с опорным напряжением достигается тем, что наружный лист (403) находится в электрическом контакте с заземленным экраном (105), поэтому контакт (405) заземлен.
Выпрямитель (1001) преобразует переменное напряжение в постоянное напряжение, и электрический заряд от внутренней собирающей энергию ленты (402) накапливается в конденсаторе (1002).
Конденсатор (1002) увеличивает напряжение между своими выводами по мере того, как он все больше и больше накапливает электрический заряд до тех пор, пока напряжение не достигнет значения срабатывания. Как только это значение срабатывания превышено, элемент (1004) пропускает ток путем уменьшения своего внутреннего сопротивления, регистрируя более высокое напряжение между его выводами. С учетом вышеизложенного, устройство 1004 представляет собой любой элемент, имеющий характеристику с отрицательным сопротивлением. Это может быть диак, неоновая лампа и т.п. В случае использования неоновой лампы устройство (1004) и устройство (1003) являются одним элементом, поскольку неоновая лампа излучает свет и имеет характеристику с отрицательным сопротивлением. В случае использования светодиода (LED) устройство (1004) может быть диаком, а устройство (1003) светодиодом (LED) с его соответствующим сопротивлением защиты по току.
На протяжении всего фазного провода кабеля существует множество устройств для извлечения энергии из электрического поля (408), повторяющихся модульным способом.
Этот пример представляет собой трехфазный силовой кабель (606) среднего напряжения, в котором устройство для извлечения энергии из электрического поля (408) выполнено таким образом, что кабель освещается при наличии переменного напряжения между его фазными проводами. Однако он представляет собой только пример случая применения, который не ограничивает использование устройства для извлечения энергии из электрического поля (408) и его возможных вариантов в силовом кабеле (606, 801, 1201) другого типа или в случае электрической энергии другого типа.
Пример применения способа изготовления системы для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401)
На схеме, представленной на ФИГ. 9, показан процесс изготовления системы для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401), и показано, как встраивание устройства, извлекающего энергию из электрического поля (408), происходит на конкретной стадии процесса, в частности, после наружного полупроводникового слоя (106).
Производственный процесс с каждым из этапов и задействованными элементами обобщен на ФИГ. 25, на котором описаны наиболее частые случаи изготовления системы для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401), причем эти случаи не являются единственными, в которых устройство для извлечения энергии из электрического поля (408) может быть встроено в изолированный кабель (606, 801, 1201).
На ФИГ. 25 подробно описан процесс изготовления систем для извлечения энергии из электрического поля в однофазных и трехфазных силовых кабелях низкого, среднего и высокого напряжений, а также подробно описаны случаи, в которых устройство для извлечения энергии из электрического поля (408) наносят поверх первичной изоляции (104) и наружного полупроводникового слоя (105). Так, на ФИГ. 25 подробно описаны 6 систем для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях, 4 из которых показаны на: ФИГ. 7 (кабель 701), ФИГ. 13 (кабель 1301), ФИГ. 17 (кабель 1701) и ФИГ. 24 (кабель 2401).
Далее на каждом из чертежей показаны этапы, составляющие процесс встраивания устройства, которое извлекает энергию из электрического поля (408), в процессе изготовления системы для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401) для трехполюсного гибкого кабеля среднего напряжения, предназначенного для горных работ, причем этот конкретный случай применения не ограничивает использование устройства для извлечения энергии из электрического поля (408) и его вариантов для силового кабеля (606, 801, 1201) другого типа.
На ФИГ. 11 показан фазный провод силового кабеля (606) среднего напряжения. Проводник (101) состоит из 7 стержней. В этот фазный провод уже встроены слои, соответствующие силовому кабелю, работающему под средним напряжением (под средним напряжением понимается диапазон напряжений от 2 кВ до 69 кВ). Все эти слои выполняют функцию управления электрическим полем, генерируемым разностью потенциалов между проводником (101) и экраном (105) электростатического заземления.
Таким образом, проводник (101) уже имеет калибр (диаметр) согласно его спецификации со своим внутренним полупроводниковым слоем (201), первичной электрической изоляцией (104), наружным полупроводниковым слоем (106), как показано на ФИГ. 21 (кабель 2101). В этом примере способа применения устройства, которое извлекает энергию из электрического поля (408), будет подробно описано, как устройство, которое извлекает энергию из электрического поля (408), устанавливается между наружными полупроводниковыми слоями (106) и электростатическим экраном (105).
Множество устройств для извлечения энергии из электрического поля (408) (изолирующая лента (401) с проводящими листами (402 и 403) с обеих сторон) с их нагрузками (404), расположенными вдоль изолирующей ленты (401), находятся на катушке, ожидая встраивания в каждый из фазных проводов, указанных в спецификации кабеля.
Устройство для извлечения энергии из электрического поля (408) встроено по меньшей мере в один из фазных проводов кабеля (801, 606) в данном конкретном случае поверх наружного полупроводникового слоя (106). Его встраивание может быть продольным или спиральным. Если встраивание спиральное, как показано на ФИГ. 22 (кабель 2201), необходимо следить за тем, чтобы шаг спирали (количество витков, выполненных устройством для извлечения энергии из электрического поля (408) вокруг фазного провода на один метр длины фазного провода) был таким, чтобы обеспечивать оптимальную работу системы для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401). Этот этап также определяется спецификацией кабеля. Каждый из фазных проводов со встроенным устройством для извлечения энергии из электрического поля (408), намотан на новую катушку.
Когда устройство для извлечения энергии из электрического поля (408) встраивают в один или более фазных проводов в соответствии со спецификацией кабеля, на фазные провода наносят электростатический экран (105), как показано на ФИГ. 23 (кабель 2301). Спецификация кабеля может указывать на то, что электростатический экран (105) должен быть нанесен на каждый фазный провод, а затем фазные провода должны быть собраны и оплетены, или сначала они должны быть оплетены, а затем должен быть установлен электростатический экран (105).
После встраивания устройств для извлечения энергии из электрического поля (408) накладывают электростатический экран (105) и наматывают указанный фазный провод кабеля на новую катушку.
Каждый из трехфазных проводов (кабеля 606) (фазные провода (601А), (601В) и (601С)) силового кабеля со всеми уже встроенными в них слоями находится на новой катушке в ожидании: (i) скручивания вместе с другими двумя фазными проводами, проводом для проверки заземления (провод (603)) и заземляющим проводом (провод (604)); и (ii) встраивания электростатического экрана (105) в набор только что перечисленных элементов; или (ii) встраивания электростатического экрана (105) в каждый фазный провод, а затем оплетки набора только что перечисленных элементов. Порядок этих этапов зависит от спецификации кабеля. По завершении этого процесса указанный набор наматывают на новую катушку.
Поверх всех фаз, составляющих набор, посредством экструзии к кабелю добавляют наружную оболочку (605) с учетом того, что если нагрузки системы для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401) являются элементами, которые излучают свет, наружное покрытие должно быть светопроницаемым и/или прозрачным. Система для извлечения энергии из электрического поля в трехфазных силовых кабелях среднего напряжения показана на ФИГ. 24 (кабель 2401). Эта система для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях, уже завершенная, наматывается на конечную катушку.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
ФИГ. 1.
На ФИГ. 1 показаны слои управления электрическим полем одного из фазных проводов электрического кабеля (606, 801) среднего напряжения.
Если кабель соединен с электрической сетью и в сети присутствует напряжение, то между проводником (101) и электростатическим экраном (105) (обычно заземленным для ограничения электрического поля (102)), имеется радиальное электрическое поле (102). Теперь, если в дополнение к этому через силовой кабель (606, 801) протекает электрический ток, генерируется магнитное поле (ЮЗ), концентрические периметральные линии которого видны на чертеже и обозначены позиционным номером (103).
101 - Проводник (606, 801) электрической энергии.
102 - Радиальные линии электрического поля.
103 - Концентрические периметральные линии магнитного поля.
104 - Первичная изоляция фазного провода силового кабеля (606, 801).
105 - Электростатический экран фазного провода силового кабеля (606, 801).
106 - Наружный полупроводниковый слой фазного провода силового кабеля (606, 801).
ФИГ. 2
На ФИГ. 2 показан вид в разрезе фазного провода электрического кабеля (1101) среднего напряжения, который имеет напряжение, приложенное к его проводнику (101), относительно земли (203).
На этом чертеже видно, что электростатический экран (105) не заземлен, что приводит к тому, что электрическое поле и его радиальные линии (102) не ограничены пределами области, охватываемой электростатическим экраном (105). Проводящая поверхность (202), удаленная от электростатического экрана (105), заземлена и способна ограничивать электрическое поле.
Позиционным номером 201 обозначен внутренний полупроводниковый слой, который внутри контактирует с проводником (101) и снаружи с первичной изоляцией (104) кабеля.
Позиционным номером 202 обозначена проводящая заземленная поверхность, которая способна ограничивать электрическое поле.
203 - Заземление.
ФИГ. 3
На ФИГ. 3 показан вид в разрезе фазного провода электрического кабеля (1101) среднего напряжения, имеющего напряжение, приложенное к его проводнику (101), относительно заземления (203).
На этом чертеже показано, что электростатический экран (105) заземлен, в результате чего электрическое поле и его радиальные линии (102) ограничены пределами области, охваченной электростатическим экраном (105). В этом случае проводящая поверхность (202), удаленная от электростатического экрана (105), который не заземлен, не оказывает электрического воздействия.
ФИГ. 4
На ФИГ. 4 показаны:
А: вид сбоку устройства для извлечения энергии из электрического поля (408) и схема электронной цепи, представляющей нагрузку (404), электрически питаемую устройством для извлечения энергии из электрического поля (408).
В: вид сверху устройства для извлечения энергии из электрического поля (408) и схема электронной цепи, представляющей нагрузку (404), электрически питаемую устройством для извлечения энергии из электрического поля (408).
401 - изолирующий лист, который отделяет лист (402), собирающий энергию из электрического поля, от листа (403) опорного напряжения, который контактирует с заземленным электростатическим экраном (105) фазного провода силового кабеля.
402 - внутренний лист, собирающий энергию из электрического поля.
403 - наружный лист опорного напряжения.
Позиционным номером 404 обозначена схема электронной цепи, которая представляет нагрузку, питаемую электрически устройством для извлечения энергии из электрического поля (408).
405 - электрический контакт между наружным листом (403) опорного напряжения и электронной цепью, представляющей нагрузку (404).
406 - электрический контакт между внутренним листом (402), собирающим энергию из электрического поля, и электронной цепью, представляющей нагрузку (404).
407 - Пространство, оставленное между внутренними листами (402), собирающими энергию из электрического поля.
Позиционным номером 408 обозначено устройство для извлечения энергии из электрического поля (408), состоящее из внутреннего листа (402), собирающего энергию из электрического поля, электрического изолирующего листа (401) и второго наружного листа (403) опорного напряжения.
Позиционным номером 409 обозначена граница широкой стороны наружного листа (403) опорного напряжения, который контактирует с электростатическим экраном (105).
Позиционным номером 410 обозначена граница широкой стороны внутреннего листа (402), собирающего энергию из электрического поля, который контактирует с наружным полупроводниковым слоем (106).
Позиционным номером 411 обозначена граница длинной стороны наружного листа (403) опорного напряжения, который находится в контакте с электростатическим экраном (105).
Позиционным номером 412 обозначена граница длинной стороны внутреннего листа (402), собирающего энергию из электрического поля, который контактирует с наружным полупроводниковым слоем (106).
ФИГ. 5
На ФИГ. 5 показан вид сбоку устройства для извлечения энергии из электрического поля (408) и схема электронной цепи, которая представляет нагрузку (404), питаемую от устройства для извлечения энергии из электрического поля (408).
Дополнительно показаны: (i) полупроводниковый слой (106) кабеля, который контактирует с внутренним собирающим энергию листом (402); и (ii) электростатический экран (105) кабеля, который контактирует с наружным листом (403) опорного напряжения.
ФИГ. 6
На ФИГ. 6 показан трехфазный силовой кабель среднего напряжения.
Позиционным номером 601А обозначен собранный фазный провод А силового кабеля.
Позиционным номером 601В обозначен собранный фазный провод В силового кабеля.
Позиционным номером 601С обозначен собранный фазный провод С силового кабеля.
Позиционным номером 603 обозначен провод для проверки заземления кабеля среднего напряжения, который является изолированным электрическим проводником.
Позиционным номером 604 обозначены два заземляющих провода кабеля среднего напряжения.
Позиционным номером 605 обозначена наружная оболочка, покрывающая все указанные выше элементы кабеля среднего напряжения.
Позиционным номером 606 обозначен трехфазный кабель среднего напряжения со всеми его слоями.
ФИГ. 7
На ФИГ. 7 показана система для извлечения энергии из электрического поля в однофазных кабелях среднего или высокого напряжения (701), устройство для извлечения энергии из электрического поля (408), которое спирально встроено на наружном полупроводниковом слое (106).
Позиционным номером 701 обозначена система для извлечения электрической энергии из электрического поля в силовых кабелях для однофазных кабелей среднего напряжения.
Позиционным номером 702 обозначена электронная цепь (404), которая использует собранную энергию. В частности, светоизлучающий диод показан как нагрузка (404) устройства, извлекающего энергию из электрического поля (408). Дополнительную информацию см. на ФИГ. 25.
ФИГ. 8
На ФИГ. 8 показан однофазный кабель среднего напряжения со всеми его слоями.
Позиционным номером 801 обозначен изолированный провод.
Позиционным номером 802 обозначена наружная оболочка изолированного кабеля.
ФИГ. 9
На ФИГ. 9 показана блок-схема различных способов изготовления кабеля. Согласно всем из них возможна реализация системы для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях (701, 1301, 1701, 2401) во время изготовлении кабеля. Нумерация на чертеже соответствует следующим элементам:
1 - Медный провод
2 - Обработка и отжиг
3 - Процесс нанесения изоляции ПВХ
4а - Простой кабель как продукт
4b - Многожильный кабель
4с - Гибкий кабель как продукт
4d - Ленточный кабель с двумя проводами как продукт
4е - Силовой кабель как продукт
4f - Бронированный кабель
5 - ПВХ
6 - Процесс сплетания и скручивания
7 - Процесс нанесения наружного слоя облицовки
8 - от 7 до 61 скрученных проводов
9 - Скручивание и конфигурирование
10 - Проектирование сердечника
11 - Стальной трос
12 - Бронированный сталью кабель
13 - XLPE (Поперечно сшитый полиэтилен)
14 - Линия CCV
ФИГ. 10
На ФИГ. 10 показана блок-схема обобщенной цепи, в данном случае соединенной с источником переменного напряжения, представляющей собой нагрузку (404), которая соединена с внутренней собирающей энергию лентой (402), посредством контакта (406) и с наружным листом (403) посредством контакта (405).
Позиционным номером 1001 обозначен каскад выпрямителя, который преобразует переменное напряжение в постоянное напряжение для питания последующих каскадов цепи.
Позиционным номером 1002 обозначен каскад накопления энергии, который может быть конденсатором любого типа (электролитическим, керамическим, поляризованным, неполяризованным и т.п.).
Позиционным номером 1003 обозначен каскад, в котором цепь придает нагрузке конкретную функциональность. Например, это может быть светодиод для функции освещения.
Позиционным номером 1004 обозначен каскад, который содержит устройство с отрицательным сопротивлением, обеспечивающим протекание тока путем снижения своего сопротивления, когда напряжение между его выводами больше, чем напряжение срабатывания. Это может быть диак или неоновая лампа и т.п.
ФИГ. 11
На ФИГ. 11 показан изолированный фазный провод (1101) электрического кабеля среднего напряжения (однофазного (801) или трехфазного (606)). Этот изолированный фазный провод может находиться в однофазном кабеле (801), который в добавление ко всем слоям фазного провода имеет изолирующую наружную оболочку (802), которая защищает его от механических повреждений, или он также может находиться в трехфазном кабеле (606) вместе с двумя другими изолированными фазными проводами (1101), и все они защищены изолирующим наружным покрытием (605), которое защищает их от механических повреждений.
Позиционным номером 1101 обозначен изолированный фазный провод, который состоит из проводника (101) и всех слоев управления электрическим полем: внутреннего полупроводникового слоя (201), первичного изоляционного слоя (104), наружного полупроводникового слоя (106) и электростатического экрана (105), обычно заземленного.
ФИГ. 12
На ФИГ. 12 показан низковольтный изолированный силовой кабель, в котором единственным средством управления электрическим полем (102) является первичная изоляция (104).
Позиционным номером 1201 обозначен низковольтный изолированный силовой кабель.
ФИГ. 13
На ФИГ. 13 показана система для извлечения энергии из электрического поля в низковольтных однофазных кабелях (1301), устройство для извлечения энергии из электрического поля (408) которого встроено спиральным способом поверх первичной изоляции (104). Дополнительную информацию см. на ФИГ. 25.
Позиционным номером 1301 обозначена система для извлечения энергии из электрического поля в низковольтных однофазных силовых кабелях. Т.е. это низковольтный однофазный силовой кабель, в который встроено устройство для извлечения энергии из электрического поля (408), состоящее из элементов (401, 402, 403, 404, 405, 406 и 407).
ФИГ. 14
На ФИГ. 14 показан фазный провод низковольтного кабеля, состоящий из проводника (101) с его первичной изоляцией (104). Это первый этап процесса изготовления системы для извлечения энергии из электрического поля в низковольтных кабелях, однофазных (кабель 1301) и трехфазных (кабель 1701). Дополнительную информацию см. на ФИГ. 25.
Позиционным номером 1401 обозначен проводник (101) с его первичной изоляцией (104).
ФИГ. 15
На ФИГ. 15 показан проводник (101) с его первичной изоляцией (104), устройство для извлечения энергии из электрического поля (408) которого встроено спирально поверх первичной изоляции (104). Это второй этап процесса изготовления системы для извлечения энергии из электрического поля в низковольтных кабелях, однофазных (кабель 1301) и трехфазных (кабель 1701). Дополнительную информацию см. на ФИГ. 25.
Позиционным номером 1501 обозначен проводник (101) с его первичной изоляцией (104), устройство для извлечения энергии из электрического поля (408) которого встроено спирально на первичной изоляции (104).
ФИГ. 16
На ФИГ. 16 показаны проводник (101) с его первичной изоляцией (104), устройство для извлечения энергии из электрического поля (408) которого встроено поверх первичной изоляции (104), и, наконец, электростатический экран (105). Это третий этап процесса изготовления системы для извлечения энергии из электрического поля в низковольтных кабелях, однофазных (кабель 1301) и трехфазных (кабель 1701). Дополнительную информацию см. на ФИГ. 25.
ФИГ. 17
На ФИГ. 17 показана система для извлечения энергии из электрического поля в низковольтных трехфазных кабелях (1701), устройство для извлечения энергии из электрического поля (408) которого было встроено спиральным способом поверх первичной изоляции (104). Дополнительную информацию см. на ФИГ. 25.
Позиционным номером 1701 обозначена система для извлечения энергии из электрического поля в низковольтных трехфазных силовых кабелях. Иными словами, это низковольтный трехфазный силовой кабель с устройством для извлечения энергии из электрического поля (408), встроенным спирально и состоящим из элементов (401, 402, 403, 404, 405, 406 и 407).
ФИГ. 18
На ФИГ. 18 показан проводник (101) с его внутренним полупроводником (201) и его первичной изоляцией (104). Это первый этап процесса изготовления системы для извлечения энергии из электрического поля в однофазных и трехфазных кабелях среднего или высокого напряжения. Дополнительную информацию см. на ФИГ. 25.
ФИГ. 19
На ФИГ. 19 показан проводник (101) с его внутренним полупроводником (201) и его первичной изоляцией (104), и устройство для извлечения энергии из электрического поля (408) которого встроено спирально поверх первичной изоляции (104). Это второй этап процесса изготовления системы для извлечения энергии из электрического поля в однофазных и трехфазных кабелях среднего напряжения. Дополнительную информацию см. на ФИГ. 25.
Позиционным номером 1901 обозначены проводник (101), имеющий внутренний полупроводник (201), имеющий первичную изоляцию (104), и устройство для извлечения энергии из электрического поля (408), встроенное по спирали поверх первичной изоляции (104).
ФИГ. 20
На ФИГ. 20 показаны проводник (101) с его внутренним полупроводником (201) и его первичной изоляцией (104), устройство для извлечения энергии из электрического поля (408) которого встроено спирально поверх первичной изоляции (104), и, наконец, электростатический экран (105). Это третий этап процесса изготовления системы для извлечения энергии из электрического поля в однофазных и трехфазных кабелях среднего или высокого напряжения. Дополнительную информацию см. на ФИГ. 25.
Позиционным номером 2001 встроены проводник (101) с внутренним полупроводником (201), с первичной изоляцией (104), устройство для извлечения энергии из электрического поля (408) которого встроено спирально поверх первичной изоляции (104), и, наконец, электростатический экран (105).
ФИГ. 21
На ФИГ. 21 показан проводник (101) с внутренним полупроводником (201), первичной изоляцией (104) и наружным полупроводниковым слоем (106). Это первый этап процесса изготовления системы для извлечения энергии из электрического поля в кабелях среднего или высокого напряжения, как однофазных (кабель 701), так и трехфазных (кабель 2401). Дополнительную информацию см. на ФИГ. 25.
Позиционным номером 2101 обозначен проводник (101) с его внутренним полупроводником (201), первичной изоляцией (104) и наружным полупроводниковым слоем (106).
ФИГ. 22
На ФИГ. 22 показан проводник (101) с его внутренним полупроводником (201), с его первичной изоляцией (104), с его наружным полупроводником (106), устройство для извлечения энергии из электрического поля (408) которого встроено спирально поверх наружного полупроводника (106). Это второй этап процесса изготовления системы для извлечения энергии из электрического поля в кабелях среднего напряжения, как однофазных (кабель 701), так и трехфазных (кабель 2401). Дополнительную информацию см. на ФИГ. 25.
Позиционным номером 2201 обозначен проводник (101) с его внутренним полупроводником (201), его первичной изоляцией (104), его наружным полупроводником (106) и устройством для извлечения энергии из электрического поля (408), встроенным спирально поверх наружного полупроводника (106).
ФИГ. 23
На ФИГ. 23 показан проводник (101) с его внутренним полупроводником (201), его первичной изоляцией (104), его наружным полупроводником (106), устройство для извлечения энергии из электрического поля (408) которого встроено спирально поверх наружного полупроводника (106), и, наконец, электростатическим экраном (105). Это третий этап процесса изготовления системы для извлечения энергии из электрического поля в кабелях среднего или высокого напряжения, однофазных (кабель 701) и трехфазных (кабель 2401). Дополнительную информацию см. на ФИГ. 25.
Позиционным номером 2301 обозначен проводник (101) с его внутренним полупроводником (201), его первичной изоляцией (104), его наружным полупроводником (106), устройство для извлечения энергии из электрического поля (408) которого встроено спирально поверх наружного полупроводника (106), и, наконец, электростатическим экраном (105).
ФИГ. 24
На ФИГ. 24 показана система для извлечения энергии из электрического поля в трехфазных кабелях среднего или высокого напряжения (кабель 2401), устройство для извлечения энергии из электрического поля (408) которой встроено поверх наружного полупроводникового слоя (106). Дополнительную информацию см. на ФИГ. 25.
Позиционным номером 2401 обозначена система для извлечения энергии из электрического поля в трехфазных силовых кабелях среднего или высокого напряжения. Т. е. это трехфазный силовой кабель среднего напряжения с устройством для извлечения энергии из электрического поля (408), встроенным спирально и состоящим из элементов (401, 402, 403, 404, 405, 406 и 407).
ФИГ. 25
На ФИГ. 25 подробно описан процесс изготовления систем для извлечения энергии из электрического поля в однофазных и трехфазных силовых кабелях низкого, среднего и высокого напряжений, а также подробно описаны случаи, в которых устройство для извлечения энергии из электрического поля (408) наносят поверх первичной изоляции (104) и наружного полупроводникового слоя (105). Таким образом, на ФИГ. 25 подробно описаны 6 систем для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях. Однако эти 6 систем для извлечения энергии из электрического поля в силовых кабелях являются лишь примерами и не являются единственно возможными.