КАБЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СИЛОВОЙ

Полезная модель относится к кабельной технике, а именно к конструкциям экранированных силовых электрических кабелей высокого напряжения, применяемых для передачи электрической энергии.
Экраны силовых кабелей обеспечивают симметрию электрического поля вокруг токопроводящих жил кабеля. Многопроволочные и секторные жилы кабеля имеют неровную поверхность, что и приводит к появлению на поверхности жил повышенной местной напряженности Е электрического поля. Увеличение Е может достигать 30% и более. Чтобы уменьшить влияние проволочности и секторной жилы на напряженность электрического поля и исключить частичные разряды ЧР между жилой и изоляцией на токопроводящую жилу ТПЖ наносят электропроводящий экран, который сглаживает пики напряженности электрического поля. Экраны по изоляции шунтируют искажения электрического поля, которые возникают за счет наличия дефектов изоляции, а также шунтируют разряды в воздушных и масляных включениях системы «изоляция - металлическая оболочка» вследствие того, что входят в электрическую цепь, имея относительно большое активное сопротивление. Это в конечном итоге снижает интенсивность ионизации и увеличивает срок службы кабеля. Установлено, что электрическая прочность изоляции силовых кабелей при экранировании повышается на 20%, а импульсная прочность - на 5%. Электропроводящие экраны служат также тепловым барьером между токопроводящей жилой и изоляцией. Они предотвращают образование воздушных и масляных прослоек в системе «изоляция - металлическая оболочка» при циклах нагрева и охлаждения кабеля в процессе эксплуатации. Кроме того, экраны защищают изоляцию от проникновения металлических мыл, образующихся в пропиточном составе, который контактирует с токопроводящими жилами и металлической оболочкой кабеля. При увеличении электропроводности экранов до определенных значений увеличивается электрическая прочность изоляции силовых кабелей. Особенно это актуально для силовых кабелей на напряжение более 10 кВ.
Известны конструкции силовых электрических кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена, например «Кабели силовые с пластмассовой изоляцией на номинальное напряжение от 6 до 35 кВ включительно» по ГОСТ Р 55025-2012, год ввода 2013, Россия. Силовые кабели по ГОСТ Р 55025-2012 состоят из токопроводящей жилы, полимерного экрана по жиле из электропроводящей полимерной сшитой композиции, монолитной изоляции из сшитого полиэтилена, полимерного экрана по изоляции из электропроводящей полимерной сшитой композиции, металлического экрана из медных проволок и медной ленты, разделительного слоя и полимерной оболочки. Монолитная полимерная изоляция из сшитого полиэтилена в отличие от бумажной пропитанной изоляции является более чувствительной к разного рода посторонним микровключениям, пустотам, выступам на электропроводящих экранах, влаге, ионам меди и другим факторам, которые повышают локальную напряженность электрического поля в толще твердого монолитного диэлектрика и создают предпосылки для образования триингов (проводящих каналов). Основные недостатки кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена:
способность изоляции из сшитого полиэтилена к триингообразованию;
отсутствие эффекта самозалечивания данной изоляции;
пониженная электрическая прочность изоляции;
существенное снижение электрической прочности изоляции из сшитого полиэтилена при повышенном рабочем напряжении кабеля и перенапряжениях;
повышенные механические напряжения монолитной изоляции при изгибе кабеля;
повышенное термическое старение изоляции из сшитого полиэтилена, особенно в присутствии ионов меди от медных экранов кабеля;
пониженная живучесть изоляции из сшитого полиэтилена и повышенное число отказов кабелей с данной изоляцией;
пониженная надежность и долговечность кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена;
использование импортных материалов и технологии при изготовлении кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена;
увеличенные габариты и масса кабельных линий из трех одножильных кабелей;
повышенная цена.
Известны также конструкции силовых электрических кабелей с пропитанной бумажной изоляцией, например «Кабели силовые с пропитанной бумажной изоляцией» по ГОСТ 18410-73, год ввода 1975, Россия, изготавливаемые на кабельных заводах РФ. Силовые кабели по ГОСТ 18410-73 содержат одну или несколько медных или алюминиевых токопроводящих жил, фазную изоляцию жил из лент кабельной бумаги марки К или КМ, включая наружный слой из сигнальной или маркированной бумаги, заполнители междужильного пространства из бумажных жгутов или пряжи, поясную изоляцию из лент кабельной бумаги, включая наружный слой из маркированной бумаги, экран по поясной изоляции из электропроводящей бумага, вязкий или нестекающий диэлектрический пропиточный состав, свинцовую или алюминиевую оболочку и защитные покровы. Основные недостатки силовых кабелей с бумажной пропитанной изоляцией:
пониженное значение длительно допустимой температуры нагрева токопроводящих жил кабеля до 70°С;
пониженное значение длительно допустимой токовой нагрузки и передаваемой мощности кабеля;
пониженная механическая прочность изоляции при испытании кабеля на изгиб (наличие продольных и поперечных надрывов бумажных лент);
ограничение минимального радиуса изгиба кабеля при его прокладке на сильноизогнутых участках трассы;
миграция ионов металла (проводников электрического тока) по толщине изоляции;
пониженная электрическая прочность бумажной пропитанной изоляции;
повышенное число прогаров (электрического пробоя изоляции) кабелей во время приемо-сдаточных и периодических испытаний;
снижение электрической прочности кабеля вследствие образования гофр, складок, морщин, трещин, надрывов и разрывов лент бумажной изоляции, а также обеднения бумажной изоляции пропиточным составом в местах изгибов кабеля и дефектов алюминиевой оболочки («бамбуковых» колец);
повышенная зависимость содержания диэлектрического пропиточного состава в бумажной изоляции от давления прессования металлической оболочки кабеля;
повышенная зависимость содержания диэлектрического пропиточного состава в бумажной изоляции от технологических режимов сушки-пропитки и от качества бумаги;
пониженное электрическое сопротивление бумажной пропитанной изоляции и повышенное время его набора до требуемого значения после изготовления кабеля;
пониженная технологичность (повышенная обрывность бумажных лент при изолировании кабеля);
повышенная толщина бумажной пропитанной изоляции и повышенный расход материалов кабеля: бумаги, пропиточного состава, металлической оболочки и защитных покровов;
повышенные габариты и масса кабеля с бумажной пропитанной изоляцией;
повышенная стоимость кабеля с бумажной пропитанной изоляцией.
Ближайшим по своим параметрам к предлагаемой конструкции является кабель электрический силовой с пропитанной бумажно-пластиковой изоляцией по патенту №188351 от 28.12.2018, Россия, на полезную модель (прототип). Кабель по прототипу содержит токопроводящие жилы, фазную и поясную изоляцию жил из электроизоляционного композиционного материала, состоящего из бумажной основы и многослойного полимерного покрытия, заполнение промежутков между изолированными жилами, экран по поясной изоляции, диэлектрический пропиточный состав, металлическую оболочку и защитные покровы. Данная конструкция кабеля с экраном по поясной изоляции рассчитана на номинальное напряжение до 10 кВ, поэтому ее недостатком является ограничение области применения кабеля по напряжению. Увеличение номинального напряжения кабеля по прототипу выше 10 кВ приводит к существенному увеличению напряженности электрического поля, появлению частичных разрядов между жилой и изоляцией и пробою изоляции.
Технической задачей полезной модели является разработка конструкции силового электрического кабеля, не уступающего прототипу по основным характеристикам и имеющего более широкую область применения по напряжению до 110 кВ включительно.
Поставленная задача достигается применением дополнительных экранов по жилам с электрическим сопротивлением не более 500 Ом и удельным электрическим сопротивлением не более 100 Ом⋅м. В предлагаемой конструкции кабель электрический силовой содержит токопроводящие жилы, экраны по жилам, фазную и поясную изоляцию жил из электроизоляционного композиционного материала, состоящего из бумажной основы и многослойного полимерного покрытия, заполнение промежутков между изолированными жилами, экран по поясной изоляции, диэлектрический пропиточный состав, металлическую оболочку и защитные покровы.
Технический результат, достигаемый при реализации заявленной полезной модели, обеспечивается за счет использования в конструкции силового электрического кабеля с пропитанной бумажно-пластиковой изоляцией дополнительных экранов по жилам из электропроводящих материалов на бумажной основе с электропроводным покрытием, имеющим электрическое сопротивление не более 500 Ом, и электропроводящих материалов на синтетической и минеральной основе с удельным электрическим сопротивлением не более 100 Ом⋅м, разработанных авторами полезной модели и впервые примененных в конструкции силовых кабелей с пропитанной бумажно-пластиковой изоляцией. При увеличении электрического сопротивления экранов по токопроводящим жилам более 500 Ом и удельного электрического сопротивления более 100 Ом⋅м в силовых кабелях на номинальное напряжение более 10 кВ появляются частичные разряды между жилой и изоляцией, приводящие к электрическому пробою изоляции. С целью уменьшения электрического сопротивления экранов по жилам, снижения частичных разрядов и исключения электрического пробоя кабелей на 20; 35 и 110 кВ с пропитанной бумажно-пластиковой изоляцией авторами полезной модели разработаны новые электропроводящие материалы марки ЭКРАН-Б на бумажной основе с электрическим сопротивлением (150-250) Ом, ЭКРАН-Т - на тканевой основе с удельным электрическим сопротивлением (5-15) Ом⋅м, ЭКРАН-Н - на нетканой основе с удельным электрическим сопротивлением (10-20) Ом⋅м и ЭКРАН-С - на основе стеклоткани с удельным электрическим сопротивлением (40-50) Ом⋅м. Электропроводящий материал ЭКРАН-С на основе стеклоткани может быть использован также в качестве термоэкрана под алюминиевую оболочку кабеля для предохранения поясной изоляции от воздействия высокой температуры (более 500°С) и давления при наложении алюминиевой оболочки и экранирования поясной изоляции. С целью уменьшения времени сушки-пропитки и улучшения качества пропитанной бумажно-пластиковой изоляции кабеля авторами полезной модели разработаны электроизоляционный композиционный материал марки ЭКМ по ТУ 22.29.29.-57-50289046-2018, год ввода 2018, Россия, на основе целлюлозной бумаги с многослойным микропористым полимерным покрытием, а также нестекающий диэлектрический состав марки СКДн по ТУ 19.20.41.190-060-50289046-2018, год ввода 2018, Россия, с температурой каплепадения не менее 110°С, на основе электроизоляционного масла марки МЭИ-20 по ТУ 0253-052-50289046-2014, год ввода 2014, Россия, (разработка авторов полезной модели) и загустителя нестекающих пропиточных составов кабельного марки ЗПСКн по ТУ 19.20.41.190-059-50289046-2018, год ввода 2018, Россия, (разработка авторов полезной модели).
Новый кабель в трудногорючем исполнении может также содержать в защитном покрове ленту стеклотканевую кабельную марки СК, пропитанную полимерным связующим (разработка авторов полезной модели).
Преимущества новых силовых кабелей с пропитанной бумажно-пластиковой изоляцией и дополнительными экранами по жилам с пониженным электрическим сопротивлением:
более широкая область применения силовых кабелей по номинальному напряжению - до 110 кВ включительно;
повышенная надежность силовых кабелей по пробивному напряжению;
применение полностью отечественных материалов, позволяющее исключить зависимость от импортных материалов.
В результате проведенного поиска по патентным и научно-техническим источникам информации не выявлено решений, содержащих всей совокупности существенных признаков независимого пункта формулы полезной модели, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой полезной модели критерию патентоспособности «новизна».
Заявляемая конструкция силового электрического кабеля с пропитанной бумажно-пластиковой изоляцией приведена на (фиг.) и содержит токопроводящие жилы 1, экран по жилам 2 из электропроводящих материалов с электрическим сопротивлением не более 500 Ом и удельным электрическим сопротивлением не более 100 Ом⋅м, фазную изоляцию жил 3 из слоев электроизоляционного композиционного материала, состоящего из бумажной основы и многослойного полимерного покрытия, заполнители междужильного пространства 4 из бумажных жгутов или пряжи, поясную изоляцию 5 из слоев электроизоляционного композиционного материала, состоящего из бумажной основы и многослойного полимерного покрытия, экран 6 по поясной изоляции из электропроводящих материалов, диэлектрический пропиточный состав для пропитки фазной и поясной изоляции, а также экранов по жилам и поясной изоляции, металлическую оболочку 7, защитную подушку 8, броню 9, наружный защитный покров 10. Силовые электрические кабели с пропитанной бумажно-пластиковой изоляцией и дополнительными экранами по токопроводящим жилам изготавливаются по следующей технологии. На токопроводящие жилы 1 накладывается экран 2 из ленты электропроводящего материала с перекрытием на изолировочных лентообмоточных машинах по спирали с определенным шагом и скоростью наложения. Лента из электропроводящего материала марки ЭКРАН-Б на бумажной основе накладывается электропроводящим слоем к жиле. На экран 2 по жиле накладывается фазная изоляция 3 из лент электроизоляционного композиционного материала шириной (14-30) мм на изолировочных лентообмоточных машинах по спирали с определенным шагом и скоростью наложения. Ленты из электроизоляционного композиционного материала, включая наружный слой из сигнальной или маркированной бумаги, накладываются с зазором. Количество лент и толщина фазной изоляции 3 зависят от марки кабеля (номинального напряжения) и толщины материала. Изолированные и маркированные жилы поступают на общую скрутку с заполнением промежутков между жилами бумажным или джутовым шпагатом 4. Поверх скрученных изолированных жил накладывается поясная изоляция 5 из лент композиционного материала определенной ширины, включая наружный слой из ленты маркированной бумаги. Ленты композиционного материала в поясной изоляции накладываются с зазором. Поверх поясной изоляции накладывается экран 6 из одной ленты электропроводящего материала с перекрытием. После наложения изоляции из композиционного материала и экранов кабель подвергается сушке-пропитке для удаления влаги и воздуха из изоляции и экранов и пропитки их диэлектрическим составом, например нестекающим диэлектрическим составом марки СКДн с температурой каплепадения более 105°С. Сушка и пропитка изоляции из композиционного материала являются взаимосвязанными процессами, так как влага из атмосферы быстро поглощается сухой бумажной основой материала, поэтому пропитка производится немедленно после сушки без воздействия на изоляцию кабеля атмосферного воздуха или эти два процесса производят одновременно. Последовательность операций сушки-пропитки кабеля:
загрузка кабеля в вакуумный котел с паровой рубашкой;
нагрев кабеля под вакуумом до температуры (120±3)°С пропусканием тока по жиле и пара в рубашке котла;
предварительная сушка под вакуумом при температуре (125±5)°С;
сушка под вакуумом при температуре (125±5)°С в течение (8-10) час;
впуск в котел с кабелем дегазированного пропиточного состава СКДн под вакуумом при температуре (130±10)°С;
пропитка кабеля под вакуумом при температуре (130±10)°С;
пропитка кабеля при атмосферном давлении и температуре (130±10)°С;
выгрузка кабеля из вакуумного котла;
охлаждение кабеля до температуры (60-70)°С.
Пропитанный нестекающим составом СКДн композиционный материал является гигроскопичным материалом, поэтому после сушки-пропитки на кабель накладывается поверх экрана влаго-воздухонепроницаемая металлическая оболочка 7 (свинцовая или алюминиевая). Поверх металлической оболочки кабеля наносятся защитные покровы.
После изготовления кабель подвергается приемо-сдаточным и периодическим испытаниям.
Силовые электрические кабели на номинальное напряжение более 10 кВ с пропитанной бумажно-пластиковой изоляцией и дополнительными экранами по токопроводящим жилам из электропроводящих материалов с электрическим сопротивлением не более 500 Ом и удельным электрическим сопротивлением не более 100 Ом⋅м прошли технологическое опробование и всесторонние испытания на кабельных заводах РФ с положительными результатами. В связи с этим заявляемое техническое решение соответствует критерию патентоспособности «промышленная применимость».