КАБЕЛЬ СИЛОВОЙ С ОПТИКО-ВОЛОКОННЫМ МОДУЛЕМ

Полезная модель относится к кабельной технике, а именно к конструкциям кабелей силовых с изоляцией из сшитого полиэтилена, применяемых для передачи и распределения электрической энергии в стационарных установках на номинальное переменное напряжение 6, 10, 15, 20, 30, 35, 45, 66, 110, 132, 150, 220, 275,330 кВ.
Известен электрический кабель для установок погружных электронасосов, содержащий уложенные параллельно в одной плоскости или скрученные между собой токопроводящие жилы, покрытые изоляцией из пластмассы или резины и заключенные в коррозионностойкую ленточную броню, отличающийся тем, что в пространствах между жилами проложены один или несколько оптических модулей, каждый из которых представляет собой пучок оптико-волоконных световодов, помещенных внутри полимерной оболочки, (патент RU №74004, М.кл. Η01В 9/00, опубликовано 10.06.2008).
Наиболее близким аналогом (прототипом) является силовой кабель однофазный, содержащий медную или алюминиевую токопроводящую жилу, экран по жиле из электропроводящей сшитой композиции полиэтилена, изоляцию из сшитой композиции полиэтилена, экран по изоляции из электропроводящей сшитой композиции полиэтилена, слой из электропроводящей ленты, металлический экран, разделительный слой, внутреннюю и наружную оболочки, при этом разделительный слой выполнен в виде обмотки как минимум одной огнезащитной лентой, внутренняя оболочка выполнена из поливинилхлоридного пластиката с кислородным индексом не менее 28, наружная оболочка выполнена из поливинилхлоридного пластиката с кислородным индексом не менее 32. (патент RU №148885, М.кл. Η01В 7/295, опубликовано 20.12.2014).
Признаки известного кабеля, совпадающие с признаками заявленной полезной модели, заключаются в выполнении однофазного кабеля с медной или алюминиевой токопроводящей жилой, экраном по жиле из электропроводящей сшитой полимерной композиции, изоляции из сшитой композиции полиэтилена, экраном по изоляции из электропроводящей сшитой полимерной композиции, наличие металлического экрана, разделительного слоя, внутренней оболочки и брони (в частных случаях исполнения), наружной оболочки.
Отличительными признаками предложенной полезной модели и известной конструкции кабеля является наличие волоконно-оптических модулей, расположенных между проволоками металлического экрана с коэффициентом затухания не более 0,8 дБ/км при длине волны 1300÷1310 нм.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в повышении надежности работы силового кабеля и в расширении арсенала кабелей, выполненных с применением в конструкции волоконно-оптических модулей для контроля различных параметров при работе кабеля, в частности, для силового однофазного кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена на среднее и высокое напряжение.
Технический результат достигается тем, что кабель силовой, содержащий одну токопроводящую жилу, экран по жиле из электропроводящей сшитой полимерной композиции, изоляцию из сшитой композиции полиэтилена, экран по изоляции из электропроводящей сшитой полимерной композиции, слой из электропроводящей ленты, металлический экран и наружную оболочку, при этом кабель содержит волоконно-оптические модули, уложенные между проволоками экрана с коэффициентом затухания не более 0,8 дБ/км при длине волны (1300÷1310) нм. Волоконно-оптические модули могут быть одномодовыми или многомодовыми. При этом токопроводящая жила может быть выполнена медной или алюминиевой, металлический экран выполнен из медных проволок, обмотанных медной лентой, или пасмой из медных проволок или из алюминиевых (или из алюминиевого сплава) проволок, обмотанных алюминиевой (или из алюминиевого сплава) лентой. Наружная оболочка кабеля выполнена из полиэтилена, либо из поливилхлорида, либо из поливинилхлорида пониженной горючести, либо поливинилхлорида пониженной горючести в хладостойком исполнении, либо из поливинилхлорида пониженной пожароопасности, либо из поливинилхлорида пониженной пожароопасности с низким дымовыделением в холодостойком исполнении, либо из полимерной композиции, не содержащей галогенов, либо из полимерной композиции, не содержащей галогенов в холодостойком исполнении. Наружная оболочка может быть выполнена также в усиленном двухслойном исполнении. Кабель также может быть выполнен в герметизированном варианте с герметизацией токопроводящей жилы и с наложением поверх металлического экрана и поверх электропроводящего экрана по изоляции водоблокирующей ленты. Поверх металлического экрана может быть дополнительно наложен разделительный слой, поверх разделительного слоя может быть дополнительно наложена ламинированная или алюмополимерная лента, а поверх внутренней оболочки - термический барьер. Кроме того, для дополнительной защиты от механических повреждений предлагаемая конструкция силового кабеля может быть выполнена с броней из металлических проволок и/или лент, наложенной поверх внутренней оболочки. Между броней и наружной оболочкой может быть наложен выпрессованный термобарьер, а поверх наружной оболочки наложен электропроводящий слой.
Опыт работы с силовыми кабелями на среднее и высокое напряжение показал, что для оптимизации работы кабеля в различных условиях, необходимо обеспечить постоянный контроль параметров работы кабеля, чтобы в случае возникновения неисправностей в энергосистеме, которые могут привести к выходу из строя кабеля, например, участков повышенного нагрева, эти причины были своевременно устранены. Необходимо постоянно следить, чтобы пределы максимально допустимой рабочей температуры не были превышены по всей длине кабельной линии. В качестве датчика контроля температуры предлагается использовать волоконно-оптический модуль. Оптико-волоконные системы могут работать в качестве распределенных измерительных датчиков. Физические величины, например, температура или давление воздействуют на стекловолокно и меняют свойства световодов. Импульс, распространяющийся вдоль оптико-волоконной жилы, взаимодействует с материалом световедущей жилы, по изменению возвращенного (или отраженного) сигнала можно получить информацию о температуре вдоль оптико-волоконного модуля и, следовательно, о температуре силового кабеля, в конструкцию которого он входит.
Такие датчики, имея малый вес, малые размеры и обладая высокой чувствительностью, могут контролировать параметры на расстоянии до нескольких километров, при этом они нечувствительны к электромагнитным помехам и абсолютно взрывопожаробезопасны.
Волоконно-оптические модули, встроенные в конструкцию силового кабеля среднего и высокого напряжения обеспечивают объективный контроль температуры кабеля с целью обнаружения критических мест на трассе. Основное преимущество такой системы заключается в ее мультиплексности, то есть контроль температуры в сотнях точек производится одним датчиком, в то время как дискретная система обеспечивает передачу данных только из одной точки, и эти данные считаются средним показателем какого-либо конкретного участка. Эта технология практически не зависит от возможных потерь на затухание в оптическом волокне и дает возможность измерить температуру. Для кабельных линий небольшой протяженности (до 10 км) и/или с минимальным количеством соединительных муфт, используется многомодовое оптоволокно при длине волны до 1300 нм, для кабельной трассы большей протяженности (до 20 км) и/или с большим количеством соединительных муфт, когда оптические потери при мониторинге становятся проблемой, используется одномодовое волокно с низкими потерями при длине волны более 1300 нм. Можно производить одностороннее и двустороннее измерение встроенного в кабель оптического волокна. Таким образом, обеспечивается точное и непрерывное измерение температуры вдоль всей длины оптического волокна. Благодаря встроенному в конструкцию силового кабеля волоконно-оптическому модулю можно осуществлять:
мониторинг температуры кабеля вдоль всей длины кабельной линии;
расчет на основании полученных данных допустимой пропускной способности кабельной линии;
определение расстояния до места разрыва при повреждении кабеля;
повысить оперативность в принятии решений по работе определения мест перегрева и, таким образом, снизить количество случаев перегрева;
управление кабельной линией на основе данных контроля.
В соответствии со своим назначением, кабель с волоконно-оптическим модулем должен обладать теми же эксплуатационными характеристиками, что и стандартный кабель без оптико-волоконного модуля, т.е. использование оптико-волоконного модуля в конструкции силового кабеля не ухудшает его эксплуатационных характеристик. В расчет принимаются следующие граничные условия для кабеля:
максимально допустимая температура токопроводящей жилы - 90÷95°С;
максимально допустимая температура металлического экрана в режиме короткого замыкания - 350°С;
максимально допустимая температура оптического волокна при кратковременных перегрузках - 200°С;
максимальное время короткого замыкания металлического замыкания - 5 с.
В кабельных системах, в которых применяется распределенное измерение температуры, волоконно-оптический модуль может быть расположен в различных местах. Волоконно-оптический модуль может быть расположен радом с кабельной системой, но вне ее. Волоконно-оптический модуль может быть расположен внутри кабельной системы, т.е. являться элементом конструкции кабеля в различных вариантах:
расположение под металлическим экраном;
расположение под наружной оболочкой над металлическим экраном;
как элемент в конструкции металлического экрана; -как элемент конструкции токопроводящей жилы.
В качестве оптимального выбран вариант, при котором оптический модуль является элементом конструкции кабеля, т.е. является частью металлического экрана. Волоконно-оптические модули укладываются между проволоками экрана, т.к. после проведения экспериментов выяснилось, что только в этом месте конструкции есть достаточно свободного пространства для прокладки модулей. При этом диаметр модулей не должен превышать диаметр проволок экрана и не допускается перехлест модулей с проволоками экрана. Такая конструкция кабеля обеспечивает надежную защиту модуля от механических повреждений.
После изготовления кабеля, волоконно-оптический модуль проверяется на целостность и соответствие значения затухания. Проверка оптоволокна на целостность проводится методом замера длины оптоволокна по МЭК 60793-1-22 (метод В) с обеих сторон кабеля. Оптоволокно считается целым, если длины оптоволокна совпадают.
Проверка оптоволоконного модуля на затухание проводится по МЭК 60793-1-40 (метод С). Коэффициент затухания должен быть не более 0,8 дБ/км, при длине волны не менее 1300÷1310 нм.
Процесс производства силового кабеля с волоконно-оптическим модулем соответствует стандартной схеме.
Кабель силовой однофазный содержит одну токопроводящую жилу, выполненную медной или алюминиевой, скрученную из множества проволок и уплотненную, предназначенную для прохождения электрического тока.
На токопроводящую жилу методом экструзии накладывается первый экран из электропроводящей сшитой полимерной композиции, служащий для равномерного распределения напряженности электрического поля на границе токопроводящей жилы и слоя изоляции.
Поверх первого экрана методом экструзии накладывается изоляция из композиции сшитого полиэтилена, служащая основным электроизоляционным элементом и выдерживающая воздействие электрического поля.
Поверх изоляции методом экструзии накладывается второй экран из электропроводящей сшитой полимерной композиции, служащий для равномерного распределения напряженности между изоляцией и металлическим экраном.
Поверх второго экструдированного экрана накладывается слой из ленты электропроводящей бумаги или электропроводящей полимерной ленты, или электропроводящего полотна, или электропроводящей водоблокирующей ленты, служащий защитой от механического повреждения второго электропроводящего экрана, а также служащий для выравнивания электрического поля в кабеле.
Поверх обмотки из электропроводящей ленты накладывается металлический экран. Металлический экран выполняется из металлических проволок, скрученных в одном направлении, поверх которых методом обмотки с обеспечением электрического контакта наложена металлическая лента (или пасьма из металлических проволок), при этом проволоки и лента могут быть выполнены из меди, либо из алюминия или алюминиевого сплава.
Наложение модуля с оптическими волокнами между проволоками металлического экрана производится одновременно с наложением проволок металлического экрана с использованием специального отдающего устройства. Наличие специального отдающего устройства предотвращает превышение допустимого тягового усилия и продольное закручивание волоконно-оптического модуля.
Поверх металлического экрана методом обмотки допускается накладывать разделительный слой в виде обмотки огнезащитной лентой, необходимый для предотвращения затекания материала оболочки между проволок экрана в процессе изготовления. Поверх разделительного слоя накладывается внутренняя оболочка.
Поверх внутренней оболочки кабель может содержать термический барьер из медной или алюминиевой ленты, или из огнезащитных лент.
Кабель силовой также может иметь броню, выполненную из металлических проволок и/или лент (алюминиевых или из алюминиевого сплава) и служащую защитой от механических и растягивающих воздействий. Поверх брони и под ней допускается прокладывать полимерную ленту или огнезащитную ленту.
Поверх разделительного слоя или поверх термического барьера, или поверх наложенной брони, методом экструзии накладывается наружная оболочка.
Кабель силовой может быть выполнен в исполнении «г» и содержать поверх второго электропроводящего экрана и поверх металлического экрана слой из электропроводящей водоблокирующей ленты, а поверх разделительного слоя содержать водоблокирующую ленту, что позволяет защищать кабель от распространения влаги. Кабель силовой может быть выполнен в исполнении «гж» и дополнительно к конструкции в исполнении «г» содержать герметизированную токопроводящую жилу, путем введения водоблокирующих нитей в процессе скрутки.
Кабель может быть выполнен в исполнении «2г» и «2гж» и дополнительно к конструкции в исполнении «г» или «гж» содержать поверх разделительного слоя обмотку с перекрытием из ламинированной алюмополимерной ленты.
Конструкция заявленной полезной модели успешно опробована в условиях производства.