ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КАБЕЛЬ ДЛЯ УСТАНОВОК ПОГРУЖНЫХ ЭЛЕКТРОНАСОСОВ

Заявляемая полезная модель относится к кабельной технике и может быть использована преимущественно для питания электродвигателей погружных электронасосов.
Известен электрический кабель для установок погружных электронасосов, содержащий уложенные параллельно токопроводящие жилы, каждая из которых покрыта изоляцией, заключенные в общую броню из металлической ленты, причем изоляция состоит из термообработанных четырех слоев полиамидно-фторопластовой пленки, наложенных непосредственно на токопроводящую жилу, поверх которых наложен слой из экструдируемого фторполимера [патент РФ №62478, H01B 7/00, 10.04.2007]. Кабель рассчитан на рабочую температуру до 250°C и работает в условиях высоких давлений до 25 МПа.
К недостаткам данного кабеля относятся трудоемкость обмотки из-за необходимости запекания четырех слоев полиамидно-фторопластовой пленки, налагаемых на токопроводящую жилу, а также недостаточная механическая прочность полиамидно-фторопластовой пленки, запеченной из четырех слоев.
Благодаря, в частности, высокой термостойкости нашли применение, например, в автомобилестроении, многослойные электроизоляционные покрытия для кабелей; например (медный проводник / покрытие на основе поликарборансилоксана / покрытие на основе полиэфирэфиркетона (PEEK)) [Ю.А.Михайлин. Термоустойчивые полимеры и полимерные материалы. СПб.: ПРОФЕССИЯ, 2006 - 624 с., с.174].
Полиэфиркетоны представляют собой ароматические полимеры (полиарилены), молекулярные цепи которых построены из фениленовых циклов, карбонильных групп и атомов кислорода. Синтезировано несколько типов полиарилэфиркетонов, свойства которых определяются содержанием кетонных групп [Ю.А.Михайлин. Термоустойчивые полимеры и полимерные материалы. СПб.: ПРОФЕССИЯ, 2006 - 624 с., с.131-182].
Также известен выбранный прототипом электрический кабель для установок погружных электронасосов, содержащий скрученные между собой или уложенные параллельно токопроводящие жилы, каждая из которых покрыта двумя слоями изоляции, имеющие общую охватывающую все жилы подушку под броню и броню из металлической ленты, причем первый слой изоляции выполнен из полиэфиркетонов (РЕК), а второй слой изоляции выполнен, например, из упрочненного углеродными нитями полиэфиркетона (РЕК) или полиэфирэфиркетонкетона (РЕЕКК) [патент РФ №84618, H01B 1/14, 10.07.2009]. Кабель-прототип рассчитан на рабочую температуру до 260°C и имеет другие высокие эксплуатационные характеристики.
Однако изоляционные слои кабеля-прототипа, при высокой термостойкости, имеют недостаточно высокие электрические характеристики, обусловленные выполнением их из полиэфиркетонов.
Решаемая задача и ожидаемый технический результат заключаются в повышении эффективности кабеля для установок погружных электронасосов за счет повышения электрических характеристик внешнего изоляционного слоя - оболочки. В свою очередь, повышение электрических характеристик оболочки обеспечивает улучшение соответствующих эксплуатационных характеристик кабеля, в частности, повышение надежности кабеля в условиях перепадов электрического напряжения. Предлагаемый кабель выдерживает высокий ток нагрузки.
Поставленная задача решается тем, что электрический кабель для установок погружных электронасосов, содержащий скрученные между собой или уложенные параллельно токопроводящие жилы, каждая из которых покрыта слоем изоляции, выполненным из полиэфиркетонов, и дополнительной изолирующей оболочкой, имеющие общую подушку под броню и броню из металлической ленты, отличается тем, что в качестве полиэфиркетона использован экструдируемый полиэфирэфиркетон, а оболочка выполнена из экструдируемого фторсополимера. В качестве фторсополимера использован, например, сополимер тетрафторэтилена марки Ф-4МБ (ТУ 301-05-73-90):
(собственно полимер тетрафторэтилена ПТФЭ соответствует ГОСТ 10007-80).
Ненаполненные материалы на основе полиэфирэфиркетона (PEEK) подробно описаны: [Ю.А. Михайлин. Термоустойчивые полимеры и полимерные материалы. СПб.: ПРОФЕССИЯ, 2006 - 624 с., с.141-147]. Они могут представлять собой порошки - для экструзии или гранулы - для литья под давлением или экструзии. Применяются, например, в автомобилестроении для изоляции кабелей [там же, с.174].
Согласно предлагаемому техническому решению, для изготовления изоляционного слоя применяют экструдируемый PEEK марок 151G; 351G, представляющий собой гранулы и имеющий уникальную термостойкость и стойкость к воздействию агрессивных сред, характерную для всех PEEK вообще.
На фиг.1 представлена схема поперечного сечения заявляемого кабеля. Здесь:
1 - токопроводящая (например, медная) жила;
2 - изоляция из экструдированного полиэфирэфиркетона (PEEK);
3 - оболочка из экструдированного фторсополимера;
4 - подушка, например, из лент нетканого полотна;
5 - броня, например, из стальной оцинкованной ленты.
В таблице 1 представлены предпочтительные конструктивные параметры заявляемого кабеля.
Таблица 1
Конструктивный параметр
Значение
Количество жил
3
Номинальное сечение жил, мм<sup>2</sup>
16
Номинальный диаметр жилы, мм
4,45
Предельные отклонения по диаметру жилы, мм
±0,04
Номинальная радиальная толщина изоляции (первый слой, выполненный из PEEK), мм
0,20
Предельные отклонения от номинальной радиальной толщины изоляции (первый слой), мм
±0,05
Номинальный расчетный диаметр по первому слою, мм
4,85
Номинальная радиальная толщина оболочки, мм
1,0
Предельные отклонения от номинальной толщины оболочки (второй слой, выполненный из фторсополимера), мм
±0,2
Номинальный расчетный диаметр по оболочке, мм
6,85
Номинальные размеры ленты из нетканого полотна, мм
60×0,60
Номинальные размеры бронеленты, мм
15×0,45
Максимальные наружные размеры кабеля, мм
11,49×26,27
Материалы, применяемые для изготовления кабеля, должны соответствовать требованиям по таблице 2.
Таблица 2
Конструктивный элемент кабеля
Наименование материала
Нормативный документ
токопроводящая жила
проволока медная круглая электротехническая
ТУ 16-705.492-2005
изоляция
экструдируемый полиэфирэфиркетон
Марки 151G, 351G
оболочка
фторсополимер
ГОСТ 10007-80; ТУ 301-05-73-90
подушка
лента из полотна нетканого термоскрепленного
ТУ 8390-008-05283280-96
броня
лента стальная оцинкованная типа Апр II-1
ГОСТ 3559-75
Фторсополимеры (фторопласты), рассчитанные на максимальную рабочую температуру 230°C, должны отвечать требованиям, изложенным в таблице 3.
Таблица 3
Параметр
Значение
Показатель текучести расплава, г/10 мин
4-8
Механическая прочность при разрыве, МПа, не менее
22
Относительное удлинение, %, не менее
200
Электрическая прочность при толщине 0,2 мм, кВ/мм, не менее
60
Тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 1 МГц, не более
0,001
В таблице 4 приведено сопоставление характеристик фторопласта (фторсополимера)* и PEEK**, подтверждающее преимущества выполнения внешнего изоляционного слоя - оболочки - из фторопласта (фторсополимера) для повышения электрических характеристик оболочки. В свою очередь, повышение электрических характеристик оболочки обеспечивает улучшение соответствующих эксплуатационных характеристик кабеля, в частности, повышение надежности кабеля в условиях перепадов электрического напряжения, а также высокий допустимый ток нагрузки кабеля.
Таблица 4
Параметр
PEEK*
фторопласт (фторсополимер)**
Диэлектрическая прочность кВ/мм
16
20-40 (лучше)
Диэлектрическая проницаемость при 50 Гц
3,2
2,1 (лучше)
Тангенс угла диэлектрических потерь при 50 Гц
3,2×10-<sup>3</sup>
3×10-<sup>4</sup> (лучше)
Удельное объемное электрическое сопротивление Ом·см
5×10<sup>16</sup>
10<sup>18</sup>-10<sup>20</sup> (лучше)
Температура стеклования, °C
Плюс 143
Минус 90 (лучше)
Водопоглощение при 23°C, %
0,5
0,01 (лучше)
* Ю.А.Михайлин. Термоустойчивые полимеры и полимерные материалы. СПб.: ПРОФЕССИЯ, 2006 - 624 с., с.131-182; www.victrex.com.
** Ю.А.Михайлин. Термоустойчивые полимеры и полимерные материалы. СПб.: ПРОФЕССИЯ, 2006 - 624 с., с.32-77.
Токопроводящая жила предпочтительно должна быть изготовлена из медной проволоки марки ММ и соответствовать классу 1 по ГОСТ 22483. Допускается лужение проволоки оловянно-свинцовым припоем. Поверх токопроводящей жилы должна быть наложена изоляция из PEEK методом экструзии. Слой изоляции должен плотно прилегать к жиле. Поверх изолированной с помощью PEEK жилы должна быть наложена оболочка фторсополимера, также методом экструзии. Оболочка должна плотно прилегать к изоляции, не отслаиваться от нее и обеспечивать продольную герметичность.
Три изолированные и в оболочке заготовки должны быть уложены в кабеле, например, параллельно друг другу в одной плоскости. Поверх изолированных и в оболочке заготовок, уложенных параллельно, должна быть наложена подушка под броню. Подушка под броню должна быть выполнена в виде обмотки лентами с перекрытием не менее 70%. Подушка должна быть плотно наложена и легко отделяться без повреждения. Поверх подушки должна быть наложена броня из стальной оцинкованной ленты номинальными размерами: ширина от 15 мм до 20 мм; толщина 0,45 мм.
При бронировании кабеля лента стальная должна иметь противозадирный профиль, который обеспечивает противозадирные свойства кабеля в обоих направлениях. Не допускается расхождений, набеганий друг на друга витков брони. Броня должна быть наложена методом обмотки с перекрытием (35-50)%. Возможно изготовление брони с применением ленты из коррозионностойкой стали.
Электрические параметры предлагаемого кабеля испытаны. Электрическое сопротивление токопроводящих жил постоянному току, пересчитанное на длину 1 км и температуру 20°C, должно соответствовать ГОСТ 22483, при этом удельное сопротивление жилы должно быть не более 0,001724 Ом/м. Электрическое сопротивление изоляции жил кабеля, пересчитанное на длину 1 км и температуру 20°C, должно быть не менее 2500 МОм. Изолированные жилы кабеля должны выдерживать испытание напряжением постоянного тока в течение 5 мин.
Значения испытательного напряжения и ток утечки, замеренный в конце испытания напряжением и пересчитанный на 1 км и температуру 20°C, приведены в таблице 5.
Таблица 5
Номинальное напряжение, кВ
Испытательное напряжение, кВ
Ток утечки изоляции (слой PEEK и оболчка фторсополимера) при испытательном напряжении, А, не более
3,3
18,0
1·10<sup>-5</sup>
Допустимые токи нагрузки кабеля при температуре скважинных сред и воздуха от 20°C указаны в таблице 6.
Таблица 6
Температура, °C
Допустимый ток нагрузки кабеля, А
в скважинной среде
в воздушной среде
20
145
127
30
142
124
40
138
121
50
135
118
60
131
115
70
127
111
80
123
108
90
119
104
100
114
100
110
110
96
120
105
92
130
100
88
140
95
83
150
90
79
160
84
74
170
78
68
180
71
62
190
63
56
200
55
48
210
45
39
230
32
28
Результаты испытаний кабеля, приведенные в таблицах 5, 6, подтверждают высокие электрические характеристики изоляции, выполненной из слоя экструдируемого PEEK и оболочки экструдируемого фторсополимера (фторопласта), и кабеля в целом.
Кабель стоек к изгибам при навивании на цилиндр диаметром, равным 15-кратному максимальному диаметру кабеля. Кабель выдерживает раздавливающую нагрузку [пластинами размером (140×140) мм, момент раздавливания определяется по короткому замыканию между жилой и броней] не менее 158 кН (16 тс). Изолированные жилы кабеля остаются герметичными в продольном направлении при перепаде давления жидкости (масла) 0,02 МПа на 1 м длины.
Кабель стоек в статическом состоянии к воздействию смены температур от минус 60°C до плюс 230°C. Допускаемый минимальный радиус изгиба в процессе эксплуатации не менее 380 мм. Допускаются перемотки кабеля и спускоподъемные операции с ним при температуре воздуха вплоть до минус 40°C.
Таким образом, предлагаемый кабель для установок погружных электронасосов эффективнее прототипа за счет повышения электрических характеристик внешнего изоляционного слоя - оболочки. В свою очередь, повышение электрических характеристик оболочки обеспечивает улучшение соответствующих эксплуатационных характеристик кабеля, в частности, повышение надежности кабеля в условиях перепадов электрического напряжения; кабель имеет высокий допустимый ток нагрузки.