КАБЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СИЛОВОЙ

Полезная модель относится к кабельной технике, а именно к конструкциям силовых электрических кабелей высокого напряжения с пластмассовой изоляцией и экраном, применяемых для передачи электрической энергии.
В высоковольтных кабелях на напряжение 6 кВ и более экраны из электропроводящих материалов, наложенные поверх изоляции, выполняют следующие функции. Экран из электропроводящего материала шунтирует искажения электрического поля, которые возникают за счет наличия дефектов изоляции. Электропроводящие экраны шунтируют разряды в воздушных полостях между изолированными жилами вследствие того, что входят в электрическую цепь, имея относительно большое активное сопротивление, что 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%.
Известна конструкция силового электрического кабеля по патенту №65682, Россия, с экраном из электропроводящей двухцветной бумаги марки БЭКДм.
Особенностью данной бумаги является малая толщина электропроводного покрытия (5÷10 мкм), недостаточная для шунтирования разрядов в воздушных полостях силовых кабелей с пластмассовой изоляцией. По этой причине бумага марки БЭКДм используется только в кабелях с пропитанной бумажной изоляцией.
Известны также кабели силовые для нестационарной прокладки (шахтные кабели) по ГОСТ 24334-80, год ввода 1982, Россия, с графитополимерным или металлическим экраном, или экраном из электропроводящей резины. Минимальная толщина экрана из электропроводящей резины составляет 0,2 мм. Материал изоляции токопроводящих жил - резина или поливинилхлоридный (ПВХ) пластикат. Основные недостатки кабелей с данными экранами - повышенные трудоемкость изготовления и себестоимость.
Ближайшими по своим параметрам к полезной модели являются кабели силовые с пластмассовой изоляцией по ГОСТ 16442-80, год ввода 1982, Россия (прототип), изготавливаемые на кабельных заводах РФ и СНГ. Настоящий стандарт распространяется на силовые кабели с алюминиевыми или медными жилами, с пластмассовой изоляцией, в пластмассовой или алюминиевой оболочке, с защитными покровами или без них, предназначенные для передачи и распределения электрической энергии в стационарных установках на номинальное переменное напряжение до 6 кВ частоты 50 Гц. Электрические кабели на напряжение 6 кВ по прототипу (фиг.) состоят из токопроводящих жил 1, изоляции 2 токопроводящих жил, заполнения 3 между изолированными жилами, поясной изоляции 4, экрана 5, разделительного слоя 6, пластмассовой оболочки 7, защитного покрова 8. В качестве экрана кабелей по прототипу с ПВХ - изоляцией используется электропроводящая прорезиненная ткань по ТУ 38.105.1849-88, год ввода 1988, Россия, толщиной 0,3 мм, или полупроводящая одноцветная кабельная бумага ЭКУ-120 по ГОСТ 10751-85, год ввода 1987, Россия, толщиной 0,125 мм. В качестве экрана кабелей
с изоляцией из полиэтилена или вулканизованного (сшитого) полиэтилена может быть использован электропроводящий полиэтилен по ТУ 6-05-1779-82, год ввода 1982, Россия, или электропроводящий вулканизующийся полиэтилен по ТУ 6-05-041-737-87, год ввода 1987, Россия, толщиной не менее 0,2 мм. Для придания электропроводности в композицию перечисленных материалов вводится технический углерод (сажа). Расход технического углерода составляет до 20% от массы материалов. При этом в материале, например, в бумаге, остается только 10% углерода, а остальная его часть уходит в стоки.
К недостаткам электропроводящих материалов для экранирования кабелей по прототипу следует отнести высокое содержание технического углерода и высокое электрическое сопротивление. Эти недостатки существенно снижают качество, стабильность и электрическую прочность изоляции кабеля. Производство данных материалов является экологически грязным из-за большого содержания углерода в сточных водах, в связи с этим выпуск полупроводящей бумаги марки ЭКУ-120 в РФ в настоящее время остановлен, а выпуск электропроводящей прорезиненной ткани ограничен. Взамен бумаги ЭКУ-120 в России и СНГ используется бумага ТЕRКАВ СВ-120, производства Финляндии, характеристики которой приведены в таблице 1. По составу и основным характеристикам бумага СВ-120 идентична бумаге ЭКУ-120, поэтому она имеет такие же недостатки.
Электрические силовые кабели по прототипу изготавливаются по следующей технологии. На медные или алюминиевые токопроводящие жилы
наносится экструзией фазная изоляция 2 из ПВХ-пластиката или полиэтилена, или сшитого полиэтилена. Толщина фазной изоляции зависит от марки кабеля (номинального напряжения) и материала изоляции. Изолированные и промаркированные жилы поступают на общую скрутку с заполнением 3 промежутков между жилами.
Заполнение должно быть:
- для кабелей с изоляцией из ПВХ-пластиката - ПВХ-пластикат или невулканизированная резиновая смесь;
- для кабелей с изоляцией из полиэтилена или сшитого полиэтилена - соответственно из материала изоляции или из ПВХ-пластиката, или из невулканизированной резиновой смеси. Заполнение промежутков между изолированными жилами может быть выполнено в виде жгутов из соответствующего изоляционного материала. Для кабелей на напряжение до 3 кВ включительно заполнение может быть также из кабельной пряжи. Поверх скрученных изолированных жил и заполнения наносится поясная изоляция 4 из полиэтилена или из ПВХ-пластиката экструзией или из лент полиэтилентерефталатной пленки, ПВХ-пластиката, или другого равноценного материала. Толщина поясной изоляции выбирается в зависимости от марки кабеля и используемого материала. При наложении поясной изоляции прессованием должно быть исключено ее сваривание с изоляцией жил. Ленты накладываются с перекрытием. В кабелях на напряжение 6 кВ поверх поясной изоляции накладывается прессованием или обмоткой лентами электропроводящий экран 5. Выпресованный экран изготавливается из электропроводящего
материала толщиной не менее 0,2 мм. Экран, наложенный обмоткой, изготавливается из электропроводящей прорезиненной тканевой ленты толщиной 0,3 мм с перекрытием или из двух лент полупроводящей кабельной бумаги СВ-120 толщиной 0,130 мм с зазором. Поверх электропроводящего экрана 5 накладывается металлический экран из двух медных лент или медной фольги толщиной не менее 0,06 мм с зазором и разделительный слой 6 из двух лент полиэтилентерефталатной пленки, ПВХ-пластиката или другого равноценного материала с перекрытием, а также оболочка 7 из ПВХ-пластиката. Поверх оболочки 7 накладывается защитный покров 8, включающий броню из стальных лент, битум, ленты из полиэтилентерефталатной пленки и выпрессованный поливинилхлоридный шланг. Вместо оболочки из ПВХ-пластиката поверх электропроводящего экрана 5 может быть наложена алюминиевая оболочка. Поверх алюминиевой оболочки накладывается аналогичный защитный покров без брони.
К недостаткам прототипа следует отнести:
- пониженную электрическую прочность изоляции;
- пониженную технологичность;
- повышенный расход материалов и повышенную стоимость.
Все эти недостатки прототипа существенно снижают качество, надежность, технологичность и экономичность кабелей с пластмассовой изоляцией.
Технической задачей полезной модели является разработка силового электрического кабеля, не уступающего прототипу по основным
характеристикам, но более технологичного, высококачественного, высоконадежного и более экономичного.
Технический результат достигается тем, что в качестве экрана кабель содержит полотно нетканое электропроводящее кабельное марки ПНЭК, пропитанное электропроводным составом на основе печной сажи и связующего из смеси поливинилового спирта и полиакрилата.
Общим признаком прототипа и предлагаемого технического решения является наличие экрана из электропроводящего материала. В то же время предложенный кабель отличается от известного использованием экрана из полотна нетканого электропроводящего кабельного марки ПНЭК, пропитанного электропроводным составом на основе печной сажи и связующего из смеси поливинилового спирта и полиакрилата.
Преимущества нового кабеля:
- высокая механическая прочность и эластичность электропроводящего экрана;
- высокая электрическая прочность изоляции;
- высокие технологичность и качество;
- высокая экономичность.
Ограничения на выбор электропроводящего материала для изготовления экранов силовых кабелей с пластмассовой изоляцией накладывают условия изготовления и эксплуатации данного материала и кабеля:
- воздействие влаги и температуры до 120°С в процессе пропитки материала-основы электропроводным составом и сушки;
- механическая нагрузка на электропроводящий материал при резке его на ленты на бобинорезательных станках со скоростью до 300 м/мин;
- механическая нагрузка на электропроводящие ленты при их наложении на кабель:
- термомеханическая нагрузка на электропроводящие ленты в составе кабеля при нанесении на них алюминиевой оболочки;
- сложно-деформированное состояние электропроводящих лент в составе готового кабеля при его многократном изгибе в процессе хранения, транспортирования, прокладке и эксплуатации;
- длительная тепловая нагрузка на электропроводящие ленты при температуре до 80°С в составе кабеля в процессе его эксплуатации;
- термомеханическая нагрузка на электропроводящие ленты в составе кабеля в процессе его хранения при температуре ±50°С в барабанах, а также требуемые физико-механические характеристики электропроводящего материала: толщина, максимальные разрушающее усилие и относительное удлинение в обоих направлениях, максимальные влагостойкость, термостойкость и долговечность.
Для выполнения экранирующих свойств и обеспечения достаточной электрической прочности изоляции электропроводящий материал должен обладать следующими характеристиками:
- материал должен быть однородным и равномерным по толщине;
- толщина материала должна быть (250±50) мкм;
5
- электрическое сопротивление материала должно быть не более 5×10 Ω·см;
- материал не должен давать отпечатка при соприкосновении с другими предметами, в том числе влажными, не должен быть липким, не должен выкрашиваться при многократном изгибе.
Перечисленным выше требованиям соответствует полотно нетканое электропроводящее кабельное марки ПНЭК, разработанное авторами данной полезной модели и выпускаемое по ТУ 8390-011-50289046-2004, год ввода 2004, Россия. Основные характеристики полотна ПНЭК приведены в таблице 1. Для изготовления электропроводящего полотна ПНЭК используется полотно нетканое клееное для технических целей по ТУ 8390-007-05283280-96, год ввода 1996, Россия:
- для марки ПНЭК-150 - артикул С1.100.030.00 или С1.100.040.00;
- для марки ПНЭК-250 - артикул С1.100.050.00 или С1.100.060.00;
- для марки ПНЭК-400 - артикул С1.100.080.00 или С1.100.090.00.
Для изготовления клееного нетканого полотна используется следующее сырье:
- волокно вискозное по ГОСТ 10546-80, год ввода 1982, Россия, длиной (38÷70) мм в количестве (20÷30) % по массе;
- волокно полиэфирное по ГОСТ 10435-94, год ввода 1996, Россия, длиной 66 мм в количестве (70÷80) % по массе;
- связующее на основе акриловой дисперсии.
Для изготовления клееного нетканого полотна может быть использовано 100%-ное полиэфирное волокно и связующее на основе акриловой дисперсии.
Клееное нетканое полотно из синтетических волокон отличается от термоскрепленного нетканого полотна и бумаги СВ-120 более высокими
физико-механическими характеристиками. Клееное нетканое полотно по сравнению с термоскрепленным и бумажным имеет более высокую влагостойкость, стойкость к механическим повреждениям, пропитывающую способность. Клееное полотно более технологично. Поверхность клееного полотна способствует удержанию и равномерному распределению электропроводной суспензии по всей толщине и ширине полотна.
Полотно нетканое электропроводящее кабельное марки ПНЭК изготавливается путем пропитки нетканого полотна-основы электропроводным составом на основе технического углерода и полимерного связующего. Технический углерод, предварительно обработанный на бисерной мельнице, вводится в состав для достижения требуемой электропроводности нетканого полотна. В качестве технического углерода может быть использована печная сажа по ГОСТ 7885-86, год ввода 1988, Россия. В качестве полимерного связующего могут быть использованы сополимеры эфиров акриловой и метакриловой кислот (полиакрилаты) и поливиниловый спирт. Электропроводный состав в виде водной суспензии технического углерода, связующего и поверхностно-активного вещества (ПАВ) наносится на нетканое полотно-основу на бумаго-красильной машине «Yulhavaara» (Финляндия) с воздушным шабером. Пропитанное полотно поступает в сушильную камеру с температурой сушки до 120°С для удаления влаги и полимеризации покрытия.
Сущность предлагаемой полезной модели иллюстрируется следующими примерами. В таблице 1 приведены варианты образцов электропроводящих материалов и их основные характеристики, а в таблице 2 - показатели
2
2
2
качества образцов трехжильного электрического кабеля с пластмассовой (ПВХ) изоляцией марки АВБбШв 3×95 (ож) - 6 кВ с экраном из двух лент электропроводящей бумаги TERKAB СВ-120 (Финляндия) с зазором по прототипу и экраном из одной ленты электропроводящего полотна ПНЭК с перекрытием. Электропроводящее полотно ПНЭК -150 было изготовлено на основе клееного нетканого полотна арт. С1.100.030.00 массой 30 г/м, полотно ПНЭК-250 изготовлено на основе клееного нетканого полотна арт. С1.100.060.00 массой 60 г/м, полотно ПНЭК-400 - на основе клееного нетканого полотна арт. С1.100.080.00 массой 80 г/м. Клееное нетканое полотно пропитывалось электропроводным составом на основе печной сажи П-803 и полимерного связующего из смеси поливинилового спирта и полиакрилата. Состав электропроводной пропитки всех трех вариантов полотна ПНЭК был одинаковым. Конструкция и технология изготовления всех образцов кабеля, включая прототип, в приведенных примерах были аналогичными.
Из таблицы 1 видно, что новый электропроводящий материал ПНЭК существенно превосходит аналоги по электропроводности, физико-механическим характеристикам и технологичности.
Из таблицы 2 видно, что наибольшее качество и технологичность имеет электрический кабель с экраном из электропроводящего полотна ПНЭК по ТУ 8390-011-50289046-2004. При этом снижается себестоимость изготовления электрического кабеля.
Силовые электрические кабели с ПВХ-изоляцией и изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение от 6 кВ и выше с экраном на основе
электропроводящего полотна ПНЭК-250 прошли всесторонние испытания на кабельных заводах РФ с положительными результатами. Налажено производство данных кабелей.
Таблица 1
Наименование характеристик электропроводящих материалов
Варианты образцов электропроводящих материалов
Бумага ЭКУ-120
Бумага СВ-120
Электропроводящая прорезиненная ткань
ПНЭК-150
ПНЭК-250
ПНЭК-400
Толщина, мкм по ГОСТ 12769-85
125
128
300
150
250
400
Масса 1 м<sup>2</sup>, г по ГОСТ 13199-88
125
125
360
50
80
120
Разрушающее усилие, Н
- в машинном напр.
120
140
140
90
160
220
- в поперечном напр. по ГОСТ ИСО 1924-1-96
62
75
68
77
95
140
Продолжение таблицы 1
Наименование характеристик электропроводящих материалов
Варианты образцов электропроводящих материалов
Бумага ЭКУ-120
Бумага СВ-120
Электропроводящая прорезиненная ткань
ПНЭК-150
ПНЭК-250
ПНЭК-400
Относительное удлинение, %
- в машинном напр.
1,8
2,7
12
19
17
16
- в поперечном напр. по ГОСТ ИСО 1924-1-96
5,2
6,4
8
14
12
12
Удельное электрическое сопротивление,  Ω·см по ГОСТ 10751-85
7·10<sup>6</sup>
5·10<sup>6</sup>
2·10<sup>7</sup>
8·10<sup>3</sup>
2·10<sup>4</sup>
5·10<sup>4</sup>
Технологичность и качество
Материал нетехнологичен
Технологичность средняя
Технологичность и качество высокие
Технологичность средняя
Таблица 2
Показатели качества электрических кабелей
Кабель АВБбШв 3×95 (ож) - 6 кВ с бумагой TERCAB СВ-120 (прототип)
Варианты кабелей АВБбШв 3×95 (ож) - 6 кВ с электропроводящим полотном ПНЭК по табл.1.
ПНЭК-150
ПНЭК-250
ПНЭК-400
Электрическое сопротивление изоляции, приведенное к 1 км длины и температуре 20°С, МОм/км по ГОСТ 3345-76
64
95
110
108
Испытание на пробой переменным напряжением 15 кВ частотой 50 Гц в течение 10 минут по ГОСТ 2990-78
Выдержал
Выдержали
Испытание переменным напряжением 18 кВ частотой 50 Гц в течение 4 ч по ГОСТ 2990-78
Не выдержал
Выдержали
Продолжение таблицы 2
Показатели качества электрических кабелей
Кабель АВБбШв 3×95 (ож) - 6 кВ с бумагой TERCAB СВ-120 (прототип)
Варианты кабелей АВБбШв 3×95 (ож) - 6 кВ с электропроводящим полотном ПНЭК по табл.1.
ПНЭК-150
ПНЭК-250
ПНЭК-400
Стойкость к навиванию (многократному изгибу) по ГОСТ 16442-80
Наличие продольных трещин, складок и карманов бумаги СВ-120
Наличие продольных складок полотна
Разрывы, трещины, складки и карманы полотна отсутствуют
Наличие карманов полотна
Испытание после навивания на пробой переменным напряжением 11 кВ частотой 50 Гц в течение 5 мин по ГОСТ 2990-78
Выдержал
Выдержали
Продолжение таблицы 2
Показатели качества электрических кабелей
Кабель АВБбШв 3×95 (ож) - 6 кВ с бумагой TERCAB СВ-120 (прототип)
Варианты кабелей АВБбШв 3×95 (ож) - 6 кВ с электропроводящим полотном ПНЭК по табл.1.
ПНЭК-150
ПНЭК-250
ПНЭК-400
Технологичность, качество и экономичность
Технологичность, качество и экономичность низкие
Технологичность и качество средние, экономичность высокая
Технологичность, качество и экономичность высокие
Технологичность и качество средние, экономичность низкая