СИЛОВОЙ КАБЕЛЬ, СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ
POWER CABLE, MANUFACTURING METHOD AND APPLICATION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящая заявка относится к силовым кабелям, способу их изготовления и использованию их в под водой.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
За последние десятилетия участились неожиданные нарушения подводных высоковольтных силовых кабелей. В большинстве случаев причиной таких нарушений является использование сшитого полиэтилена (PEX), материала высокой сложности. PEX был впервые представлен как материал для изготовления высоковольтных кабелей в ответ на изменение требований к конструкции наземных кабелей, допускающих рабочие температуры проводников до 90°C, а не до 70°C. Это температурное требование кажется неуместным в обычно холодной подводной среде океана, где температура окружающей среды едва достигает более чем нескольких градусов выше 0°C.
С точки зрения материалов, нет причин, по которым несшитые полимеры, такие как этилен, полиэтилен и этиленпропиленовый каучук, нельзя использовать в высоковольтных кабелях, работающих при напряжении до 66 кВ, особенно когда напряжения электрического поля проводника поддерживаются на пониженном уровне. Однако для снижения напряжений электрического поля в высоковольтных кабелях до приемлемого уровня внешний диаметр проводника должен быть увеличен, что, в свою очередь, увеличивает стоимость внешней оплетки кабеля до недопустимых уровней и приводит к серьезному избытку веса, в то же время еще больше усложняя обслуживание высоковольтного кабеля.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к силовому кабелю, включающему натяжной элемент, расположенный в центре указанного силового кабеля; первый изоляционный слой, при этом  натяжной элемент расположен в первом изоляционном слое; и внешнюю защитную оболочку; при этом указанный силовой кабель дополнительно включает один или несколько первых алюминиевых проводников, расположенных в первом изоляционном слое.
Настоящее изобретение также относится к способу изготовления силового кабеля по настоящему изобретению, который включает этап, на котором экструдируют первый полимерный изоляционный слой на натяжной элемент и один или несколько проводников за один этап.
Наконец, настоящее изобретение относится к использованию предлагаемого в изобретении силового кабеля от среднего до высокого напряжения под водой, например, в кабельной инфраструктуре морской ветряной мельницы или приводе подводных насосов.
В настоящем изобретении используются проводники на основе алюминия, для которых требуется увеличенный диаметр проводника по сравнению с обычными проводниками на основе меди. Кроме того, в настоящее изобретении заменена обычная внешняя оплетка на внутренний натяжной элемент, расположенный в центре силового кабеля. За счет использования внутреннего натяжного элемента внешний диаметр проводника дополнительно увеличивается, так как теперь он расширяется в радиальном направлении для размещения натяжного элемента. При такой конфигурации напряжение электрического поля значительно снижается по сравнению с обычными силовыми кабелями, и можно без опаски отказаться от дорогостоящей внешней оплетки. Кроме того, из-за пониженного напряжения электрического поля толщина изоляции может быть уменьшена, и в качестве изолятора могут быть использованы твердый несшитый этиленовый, полиэтиленовый или этиленпропиленовый каучук, тем самым заменяя PEX и решая вышеупомянутые проблемы.
Еще одно преимущество обеспечения внутреннего натяжного элемента и исключения обычной внешней оплетки состоит в том, что общий диаметр кабеля, общий вес кабеля и жесткость кабеля на изгиб уменьшаются. Низкий удельный вес силового кабеля в соответствии с настоящим изобретением при погружении в воду, а также его уменьшенная жесткость позволяют снизить усилия сжатия и улучшить обслуживание при установке силового кабеля, например, при установке гусеницы. Поэтому силовой кабель по изобретению более гибкий, чем обычные кабели, и, следовательно, его легче обвязать.
Наконец, отказ от традиционной внешней оплетки приводит к значительному снижению затрат, поскольку внешняя оплетка обычно составляет 40% от общей стоимости материалов силового кабеля.
Еще одно преимущество силового кабеля по изобретению состоит в том, что алюминиевый проводник делает ненужной полупроводниковую изоляцию, тем самым уменьшая количество элементов, необходимых для образования силового кабеля, а также уменьшая общий диаметр самого силового кабеля.
Наконец, твердый изоляционный материал делает силовой кабель необычайно устойчивым к разрушению по сравнению с обычными силовыми кабелями. Прочная конструкция и, как следствие, отсутствие каких-либо пустот, например, присутствующих в пене PEX, гарантирует, что силовой кабель в соответствии с изобретением имеет так называемую сверхсухую структуру. Сверхсухая структура подразумевает максимально сухую структуру, в которой отсутствует потенциальный риск заполнения пустот в материале кабеля водой в любой момент срока службы кабеля.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фигура 1 представляет собой схематическое поперечное сечение силового кабеля по первому варианту выполнения изобретения.
Фигура 2 представляет собой схематическое поперечное сечение силового кабеля по второму варианту выполнения изобретения.
Фигура 3 представляет собой схематическое поперечное сечение силового кабеля по третьему варианту выполнения изобретения.
На Фигурах 4A и B показаны две конфигурации многожильных силовых кабелей.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Фигура 1 представляет собой схематическое поперечное сечение силового кабеля по первому варианту выполнения изобретения. Силовой кабель содержит натяжной элемент 1, расположенный в центре указанного силового кабеля, первый изоляционный слой 3, окружающий натяжной элемент 1, и защищенный от окружающей среды внешней оболочкой 9.
В первом изоляционном слое 3 расположены один или несколько, предпочтительно три первых алюминиевых проводника 4. Каждый первый алюминиевый проводник может иметь круглое поперечное сечение, при этом  диаметр каждого проводника одинаков. Диаметр проводника может быть выбран в соответствии с желаемым применением силового кабеля.
Кроме того, силовой кабель может содержать первый полупроводящий внешний экран 2, окружающий натяжной элемент 1, и второй полупроводящий внешний экран 5, окружающий изоляционный слой 3. Силовой кабель может дополнительно содержать первый металлический экран 6 и/или второй металлический экран 7, при этом первый и/или второй металлические экраны могут иметь различные функции, такие как облегчение поиска неисправностей. Первый и/или второй металлические экраны обернуты полупроводящей обертывающей лентой 8.
Для силового кабеля с круглым поперечным сечением и двумя или более первыми алюминиевыми проводниками 4 проводники предпочтительно расположены равноудаленно по окружности. Это показано на фигуре 1 для варианта выполнения с тремя проводниками. При напряжениях от среднего (до 1 кВ) до высокого (выше 1 кВ) обычно требуются три или более фазы; силовой кабель содержит соответствующее количество проводников.
Типичные механические свойства примерного силового кабеля по первому варианту выполнения представлены в Таблице 1.
Фигура 2 представляет собой схематическое изображение поперечного сечения силового кабеля по второму варианту выполнения изобретения. Признаки, соответствующие первому варианту выполнения, обозначены теми же ссылочными позициями. Второй вариант выполнения отличается от первого варианта выполнения тем, что дополнительно обеспечен второй изоляционный слой 3’, предпочтительно окруженный третьим полупроводящим внешним экраном 5’. Указанный второй изоляционный слой 3’ окружает первый изоляционный слой 3 и, если он присутствует, второй полупроводящий внешний экран 5. Во втором изоляционном слое 3’ расположены один или несколько вторых алюминиевых проводников 4’. Каждый второй алюминиевый проводник может иметь круглое поперечное сечение, при этом  диаметры первых алюминиевых проводников 4 и вторых алюминиевых проводников 4’ предпочтительно одинаковы.
Для силового кабеля с круглым поперечным сечением и двумя или более вторыми алюминиевыми проводниками 4’ проводники предпочтительно расположены равноудаленно по окружности. Это показано на фигуре 2 для варианта выполнения с тремя проводниками.
На Фигуре 2 показан силовой кабель, содержащий три первых и три вторых алюминиевых проводника 4, 4', выполненных таким образом, что средняя точка каждого первого алюминиевого проводника 4 лежит на прямой линии, проходящей через среднюю точку силового кабеля и среднюю точку ровно одного второго алюминиевого проводника 4’. Вместо этого конфигурация на фигуре 2 может содержать два, четыре или более первого и второго алюминиевых проводников. Такая конфигурация позволяет использовать силовой кабель для одновременной работы двух приложений среднего и высокого напряжения. Например, когда силовой кабель используется в системе переменного тока, два подводных насоса могут работать одновременно, каждый из которых снабжен питанием от своего собственного набора алюминиевых проводов 4 и 4’. В качестве альтернативы, когда силовой кабель используется как экспортный кабель постоянного тока, три первых алюминиевых проводника 4 могут функционировать как фаза проводника постоянного тока, тогда как три вторых алюминиевых проводника 4’ могут функционировать как линии заземления. Последнее использование особенно актуально для экспорта энергии от ветряных мельниц морского базирования.
Натяжной элемент 1 состоит из высокопрочного материала, такого как сталь, предпочтительно из высокопрочной стали, композитного материала или арамидного (кевларового) материала. Кроме того, натяжной элемент 1 может быть сплошным, например, в форме стержня, проволоки или жгута проводов. Альтернативно, натяжной элемент может быть полым, например, в форме трубы. Натяжной элемент 1 может содержать дополнительный элемент, например, датчик температуры, расположенный в его центре.
Схематическое поперечное сечение силового кабеля по третьему варианту выполнения изобретения показано на фигуре 3. В этом варианте выполнения натяжной элемент 1 в виде жгута проводов окружен одним или несколькими первыми алюминиевыми проводниками 4 в форме одного или нескольких колец проводов, оба из которых расположены в первом изоляционном слое 3. Обеспечивается второй изоляционный слой 5, отделенный от первого изоляционного слоя 3 первым полупроводящим внешним листом 2.
Один или несколько силовых кабелей по третьему варианту выполнения могут быть объединены в многожильный силовой кабель, варианты которого показаны на фигурах 4A и B. Многожильный силовой кабель может содержать один или несколько силовых кабелей 10 по третьему варианту выполнения, необязательно один или несколько весовых элементов 11 и необязательно дополнительный функциональный элемент 12. Функциональный элемент может содержать, например, оптоволоконный или сигнальный кабель. Весовые элементы 11 могут содержать цинк или свинец.
Один или несколько силовых кабелей 10, весовые элементы 11 и функциональный элемент 12 расположены в экструдированном изоляционном слое 13. Обеспечен внешний полупроводящий экран, окружающий изоляционный слой 13. Многожильный силовой кабель защищен от окружающей среды внешней оболочкой, окружающей внешний полупроводящий экран.
На фигурах 4A и B показана конфигурация с тремя силовыми кабелями 10 и одним дополнительным функциональным элементом 12. На фигуре 4A представлены два весовых элемента 11, на фигуре 4C - большое количество весовых элементов 11.
Типичные механические свойства типичного силового кабеля по варианту выполнения, показанному на фигуре 4A, представлены в таблице 2; различные значения массы кабеля, погруженного веса, удельного веса и жесткости, перечисленные в таблице 1, могут, естественно, варьироваться в зависимости от количества и типа присутствующих весовых элементов.
Способ изготовления силового кабеля в соответствии с изобретением включает этап, на котором экструдируют первый изоляционный слой 3 на натяжной элемент 1 и один или несколько первых алюминиевых проводников 4. Следовательно, натяжной элемент 1 и один или несколько первых алюминиевых проводников 4 расположены в первом изоляционном слое 3. Кроме того, один или несколько вторых алюминиевых проводников 4’ расположены во втором изоляционном слое 3. Чтобы изготовить силовой кабель по второму варианту выполнения, второй изоляционный слой 3’ экструдируют на один или несколько вторых алюминиевых проводников 4’ на следующем этапе способа. Первый и второй этапы способа можно выполнять последовательно, экструдируя второй изоляционный слой 3’ на уже экструдированный первый изоляционный слой 3, или одновременно, посредством совместной экструзии.
Способ по изобретению противоречит способам изготовления обычных силовых кабелей, где каждый проводник сначала располагают в свой собственный изоляционный слой, на котором желаемое количество таким образом изолированных проводников связывают вместе и удерживают на месте отдельным внешним слоем. Следовательно, способ по настоящему изобретению обеспечивает значительную экономию затрат и является намного более простым в реализации по сравнению с обычными способами изготовления силовых кабелей.
Первый, второй и третий полупроводящие внешние экраны 2, 5, 5’ содержат полимер, предпочтительно полиэтилен, полистирол или полиамид.
Первый и второй изоляционные слои 3, 3’ содержат несшитый полимер, предпочтительно этилен, полиэтилен или этиленпропиленовый каучук.
Необязательные первый и второй металлические экраны 6, 7 содержат медь, предпочтительно отожженную медь или свинец. Металлические экраны предпочтительно выполняются в виде ленты или оболочки. Полупроводящая обертывающая лента 8 содержит полиамид (нейлон). Наконец, внешняя оболочка 9 содержит полиэтилен высокой плотности, который может быть экструдирован на нижележащие слои или может быть намотан в виде ленты вокруг нижележащих слоев.
Хотя силовой кабель на фигурах 1, 2 и 3 представлен как имеющий круглое поперечное сечение, это сделано только для иллюстративных целей и никоим образом не ограничивает; могут быть использованы другие геометрические формы поперечного сечения, например, эллиптические или прямоугольные.
Силовой кабель по изобретению может дополнительно быть снабжен свинцовой оболочкой, окружающей внешнюю оболочку. Такая свинцовая оболочка увеличивает вес, что может быть желательно для работы под водой. Кроме того, свинцовая оболочка значительно увеличивает срок службы силового кабеля до 50 лет.
Вышеупомянутые варианты выполнения и примеры никоим образом не ограничивают объем охраны изобретения, определяемый прилагаемой формулой изобретения.