КАБЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СИЛОВОЙ

Полезная модель относится к кабельной технике, а именно к конструкциям силовых электрических кабелей высокого напряжения, применяемым для передачи электрической энергии.
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 (прототип), 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 бумаги, вязкий или нестекающий диэлектрический пропиточный состав, свинцовую или алюминиевую оболочку и защитные покровы. Основные недостатки силовых кабелей с бумажной пропитанной изоляцией:
- ограничение минимального радиуса изгиба кабеля при его прокладке на сильноизогнутых участках трассы;
- миграция ионизированных газовых частиц (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;
- 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;
Технической задачей полезной модели является разработка конструкции силовых электрических кабелей, исключающей недостатки известных кабелей с бумажной пропитанной изоляцией и позволяющей повысить эксплуатационные характеристики при существенном снижении себестоимости изготовления кабелей.
Поставленная задача достигается применением комбинированной барьерной пропитанной изоляции кабеля. В предлагаемой конструкции кабель электрический силовой содержит токопроводящие жилы, фазную и поясную изоляцию жил, заполнение промежутков между изолированными жилами, экраны по жилам и по поясной изоляции, диэлектрический пропиточный состав, металлическую оболочку и защитные покровы. При этом бумажная изоляция жил дополнительно содержит барьерный слой из электроизоляционного композиционного материала, состоящего из бумажной основы и многослойного полимерного покрытия, включающего ионный барьер в виде масло-термостойкого полимерного слоя с температурой нагревостойкости не менее 150°С.
Технический результат, достигаемый при реализации заявленной полезной модели, обеспечивается за счет использования в пропитанной бумажной изоляции силового электрического кабеля барьерного слоя из электроизоляционного композиционного материала, состоящего из бумажной основы и многослойного полимерного покрытия, включающего ионный барьер в виде масло-термостойкого полимерного слоя с температурой нагревостойкости не менее 150°С.
Известно, что пропитанная бумажная изоляция не является преградой от проникновения ионизированных газовых частиц по всей толщине изоляции. Ионизированные частицы свободно проходят через микропоры бумаги из натуральных целлюлозных волокон и вызывают лавинообразное наростание ионизационных процессов в газовых включениях пропитанной бумажной изоляции, в том числе бумажных порах, приводящих к частичным разрядам и пробою кабеля с пропитанной бумажной изоляцией. По этой причине ионизационный пробой характерен исключительно для кабелей с пропитанной бумажной изоляцией по ГОСТ 18410-73. Изоляция новых кабелей отличается от пропитанной бумажной изоляции наличием ионных пластиковых барьеров, которые позволяют полностью исключить ионный пробой через газовые (воздушные) включения и существенно увеличить электрическую прочность изоляции кабеля.
Новый электроизоляционный композиционный материал для комбинированной барьерной изоляции кабеля, пропитанной диэлектрическим составом, включает натуральную бумажную основу из сульфатной хвойной небеленой целлюлозы и многослойное полимерное покрытие с электрической прочностью не менее 80 кВ/мм при переменном напряжении частотой 50 Гц, в котором каждый слой изготовлен из полимеров, имеющих разные свойства, и отвечает за определенные функции композиционного материала: технологические, механические, теплофизические, диэлектрические. С целью улучшения качества пропитанной комбинированной изоляции кабеля авторами полезной модели разработаны бумага кабельная многослойная деионизированная марки КМД по техническим требованиям, 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 вязкий диэлектрический состав марки СКДв по ТУ 0255-053-50289046-2014, год ввода 2014, Россия, на основе минерального масла и загустителя пропиточных составов марки ЗПСКм по ТУ 2451-054-50289046-2015, год ввода 2015, Россия и нестекающий диэлектрический состав марки СКДн по ТУ 19.20.41.190-060-50289046-2018, год ввода 2018, Россия, на основе минерального масла и загустителя пропиточных составов марки ЗПСКн по ТУ 19.20.41.190-059-50289046-2018, год ввода 2018, Россия, (разработка авторов полезной модели).
Новый кабель может также содержать следующие материалы, разработанные авторами полезной модели и широко используемые на кабельных заводах России:
- ленту сигнальной бумаги марки КМД-140С, намотанную поверх фазной изоляции токопроводящих жил;
- ленту маркированной бумаги марки КМД-140М, намотанную поверх поясной изоляции;
- ленты из электропроводящих материалов для экранирования токопроводящих жил и поясной изоляции марки ЭКРАН-Б и БЭКД на бумажной основе, марки ЭКРАН-Т на тканевой основе, марки ЭКРАН-Н на нетканой основе, марки ЭКРАН-С на основе стеклоткани или комбинации из этих материалов;
- ленту кабельную пропитанную бумажную марки ЛКПБ из бумаги-основы крепированной марки БОК-120, предварительно пропитанной раствором состава биокоррозионно-защитного кабельного марки АСКМ-1А в минеральном масле, используемую в подушке под броню защитного покрова кабеля;
- пряжу джутовую антисептированную малокрученую марки ПДАм, предварительно пропитанную раствором состава биокоррозионно-защитного кабельного марки АСКМ-1А в минеральном масле, используемую в наружном защитном покрове кабеля.
Преимущества новых силовых кабелей с комбинированной барьерной пропитанной изоляцией перед кабелями с пропитанной бумажной изоляцией:
- снижение толщины изоляции в 1,5-2 раза;
- снижение массы и диаметра кабеля;
- снижение стоимости кабеля до 30% за счет снижения массы пропитанной изоляции, металлической оболочки и защитных покровов;
- повышение длительно допустимой температуры нагрева токопроводящих жил кабеля до 90°С при использовании нестекающего диэлектрического пропиточного состава СКДн;
- повышение пробивного напряжения кабеля;
- повышение механической прочности изоляции при испытаниях кабеля на изгиб (отсутствие продольных и поперечных надрывов бумажно-пластиковых лент);
- повышение технологичности и производительности;
- повышение надежности.
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 комбинированной барьерной пропитанной изоляцией приведена на (фиг.) и содержит токопроводящие жилы 1, экран 2 по жилам из электропроводящего материала ЭКРАН-Б на бумажной основе, фазную изоляцию жил 3 из слоев кабельной бумаги КМД-140, включая сигнальную бумагу КМД-140С и барьерный слой из электроизоляционного композиционного материала ЭКМ-140, состоящего из бумажной основы и многослойного полимерного покрытия, заполнители междужильного пространства 4 из бумажных жгутов или пряжи, поясную изоляцию 5 из слоев кабельной бумаги КМД-140, включая маркированную бумагу КМД-140М и барьерный слой из электроизоляционного композиционного материала ЭКМ-140, состоящего из бумажной основы и многослойного полимерного покрытия, экран 6 по поясной изоляции из электропроводящего материала ЭКРАН-Б на бумажной основе, диэлектрический пропиточный состав для пропитки фазной и поясной изоляции с экранами, металлическую оболочку 7, защитную подушку 8, броню 9, наружный защитный покров 10. Силовые электрические кабели с комбинированной барьерной пропитанной изоляцией изготавливаются по следующей технологии. Электропроводящий материал ЭКРАН-Б, кабельная бумага КМД-140 и электроизоляционный композиционный материал ЭКМ-140, предварительно нарезанные на ленты определенной ширины, накладываются на медные или алюминиевые токопроводящие жилы 1 на изолировочных лентообмоточных машинах по спирали с определенным шагом и скоростью наложения. Лента материала ЭКРАН-Б по жиле накладывается с перекрытием, а остальные ленты, включая наружный слой из сигнальной бумаги, - 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 кабельной бумаги КМД-140 и электроизоляционного композиционного материала ЭКМ-140 определенной ширины, включая наружный слой из ленты маркированной бумаги. Ленты в поясной изоляции накладываются с зазором. Поверх поясной изоляции накладывается экран 6 из одной ленты электропроводящего материала ЭКРАН-Б с перекрытием. После наложения комбинированной изоляции кабель подвергается сушке-пропитке для удаления влаги и воздуха из изоляции и пропитки ее диэлектрическим составом, например нестекающим диэлектрическим составом марки СКДн с температурой каплепадения более 100°С. Сушка и пропитка комбинированной изоляции 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 (6-10) 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.
Пропитанная нестекающим составом СКДн комбинированная изоляция является гигроскопичным материалом, поэтому после сушки-пропитки на кабель накладывается поверх бумажного экрана влаго-воздухонепроницаемая металлическая оболочка 7 (свинцовая или алюминиевая). Поверх металлической оболочки кабеля наносятся защитные покровы:
- защитная подушка 8, состоящая из чередующихся слоев битума, полиэти-лентерефталатной пленки и крепированной бумаги, или нетканого полотна или полимерной оболочки;
- броня 8 из стальных оцинкованных лент или проволоки;
- наружный защитный покров 9 из чередующихся слоев битума, полиэтилен-терефталатной пленки, волокнистых материалов (стеклопряжи или пропитанной кабельной пряжи или пропитанной тканевой джутовой ленты) или полимерной оболочки;
- наружное меловое или слюдяное покрытие при использовании в защитном покрове волокнистых материалов.
После изготовления кабель подвергается приемо-сдаточным и периодическим испытаниям:
- определение электрического сопротивления изоляции, пересчитанного на 1 км длины и температуру 20°С по ГОСТ 3345-2003; год ввода 1976, Россия;
- испытание переменным напряжением частотой 50 Гц в течение 10 мин но ГОСТ 2990-203, год ввода 1978, Россия;
- определение тангенса угла диэлектрических потерь и приращения тангенса угла диэлектрических потерь по ГОСТ 12179-2003, год ввода 1976, Россия;
- испытание по ГОСТ 18410-98 на стойкость кабеля к навиванию на цилиндр определенного диаметра полным витком сначала в одном направлении, а затем, после выпрямления, в противоположном направлении с последующей разборкой отрезка кабеля после испытаний;
- испытание повышенным переменным напряжением частотой 50 Гц после навивания по ГОСТ 18410-98 и ГОСТ 2990-2003.
Силовые электрические кабели с комбинированной барьерной пропитанной изоляцией из кабельной бумаги КМД-140 и электроизоляционного композиционного материала ЭКМ-140, состоящего из бумажной основы и многослойного полимерного покрытия, включающего ионный барьер в виде масло-термостойкого полимерного слоя с температурой нагревостойкости не менее 150°С, 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».