ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПЕРЕДАЮЩИЙ КАБЕЛЬ
HIGH-VOLTAGE TRANSMITTING CABLE

Настоящее изобретение относится к электрическому кабелю. Оно применяется типично, но не исключительно, к высоковольтным электрическим передающим кабелям или воздушным кабелям для транспортировки энергии, обычно называемым воздушными линиями электропередачи (ВЛЭ) (по-английски OHL от «OverHead Lines»). Электрические передающие кабели последнего поколения типично имеют в непрерывном режиме относительно высокую рабочую температуру, которая может превышать 90°C и может достигать 200°C или выше.
Документ US 6559385 описывает электрический передающий кабель этого типа, содержащий центральный композитный несущий элемент, содержащий, например, множество углеродных волокон, заключенных в термореактивную матрицу эпоксидного типа, металлическую ленту из алюминия, намотанную вокруг упомянутого композитного несущего элемента, и проводящий элемент, окружающий упомянутое металлическое покрытие.
Тем не менее, когда этот электрический передающий кабель работает в непрерывном режиме при высокой температуре, в частности при рабочей температуре выше 90°C, термореактивная матрица его композитного несущего элемента может претерпевать термоокисление вследствие, в частности, кислорода воздуха, что приводит к химическому повреждению и, следовательно, увеличению пористости упомянутой матрицы. Таким образом, механические свойства композитного несущего элемента, в частности органической матрицы, которая входит в его состав, могут значительно ухудшаться и приводить к разрыву электрического передающего кабеля. Помимо этого, упомянутая органическая матрица подвержена воздействию любого типа внешних агентов, отличных от кислорода воздуха, что также может ухудшать композитный несущий элемент.
Документ EP 1821318 описывает электрический кабель, содержащий композитные проволоки, окруженные алюминиевым покрытием, а упомянутое покрытие само окружено проводящими элементами. Это алюминиевое покрытие относится к типу наполнителя, поскольку оно проникает в промежутки между композитными проволоками. Наконец, каждая композитная проволока может быть окружена теплостойким защитным слоем.
Тем не менее, слишком большая толщина алюминиевого покрытия не позволяет оптимизировать ни вес электрического кабеля, в частности, когда он относится к типу ВЛЭ, ни механические свойства кабеля, в частности его гибкость. Кроме того, алюминиевое покрытие накладывается с существенным подводом тепла, что имеет тенденцию термически ухудшать композитные проволоки.
Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы смягчить недостатки технологий уровня техники.
Объектом настоящего изобретения является электрический кабель, содержащий:
- по меньшей мере один композитный несущий элемент, содержащий один или более армирующих элементов, по меньшей мере частично заключенный(ых) в органическую матрицу;
- покрытие, окружающее упомянутый или упомянутые композитные несущие элементы, причем упомянутое покрытие является герметичным вокруг всего или всех композитных несущих элементов; и
- по меньшей мере один (электрический) проводящий элемент, окружающий упомянутое покрытие,
отличающийся тем, что толщина герметичного покрытия составляет самое большее 3000 мкм.
Другими словами, покрытие по изобретению не имеет стыков или отверстий.
Герметичное покрытие преимущественно защищает композитный несущий элемент, каким бы ни был его характер, от всех агрессивных воздействий, к которым он может быть чувствительным, причем такие агрессивные воздействия исходят от внешних агентов, окружающих электрический кабель. Таким образом, герметичное покрытие, в эксплуатационной конфигурации электрического кабеля, предотвращает любое проникновение упомянутых внешних агентов извне упомянутого покрытия в композитный несущий элемент или элементы.
Внешними агентами могут быть, например, кислород воздуха. В этом случае герметичное покрытие предотвращает термоокисление органической матрицы композитного несущего элемента. Внешними агентами могут также быть влага, озон, загрязнение или ультрафиолетовое (УФ) излучение, или же они могут возникать из продуктов обмазки или пропитки или остатков масла от волочения проволоки в ходе изготовления электрического кабеля, в частности при наложении проводящего элемента или элементов вокруг композитного несущего элемента или элементов.
Герметичное покрытие также обладает преимуществом защиты композитного несущего элемента или элементов во время размещения вспомогательного оборудования (арматуры), к примеру соединений или креплений, либо при отрезании проводящего элемента кабеля, а также его защиты от истирания.
Наконец, поскольку толщина герметичного покрытия составляет самое большее только 3000 мкм, электрический кабель по изобретению имеет, с одной стороны, вес, оптимизированный для применения в качестве кабеля ВЛЭ, а, с другой стороны, очень хорошие механические свойства, в частности гибкость: таким образом, герметичное покрытие по изобретению не ухудшает гибкости упомянутого электрического кабеля, привнесенной композитным несущим элементом или элементами.
Гибкость электрического кабеля по изобретению, в частности кабеля ВЛЭ, позволяет предотвращать повреждение упомянутого кабеля, когда, с одной стороны, его наматывают на барабан так, чтобы транспортировать его, и когда, с другой стороны, он проходит через кабелеукладочные машины и/или по шкивам при его установке между двумя электрическими опорами.
Помимо этого, в ходе изготовления упомянутого кабеля применение герметичного покрытия не только существенно упрощается, но и исключает любое термическое повреждение композитного несущего элемента или элементов.
Герметичное покрытие по изобретению может быть преимущественно получено термической обработкой металлического материала и/или полимерного материала.
В первом варианте реализации герметичное покрытие включает в себя по меньшей мере один металлический слой, полученный термической обработкой металлического материала, причем термическая обработка позволяет добиться герметичности покрытия.
Преимущественно, это герметичное "металлическое" покрытие участвует в транспортировке энергии электрическим кабелем при работе, когда оно находится в непосредственном контакте с проводящим элементом. Протекающий в нем ток будет, следовательно, распределяться между герметичным покрытием и проводящим элементом в зависимости от их соответствующих электрических сопротивлений.
Под выражением «по меньшей мере один металлический слой» понимают покрытие, содержащее один или более слоев металла или сплава металлов. Когда покрытие содержит по меньшей мере один металлический слой и по меньшей мере один полимерный слой, покрытие называется комплексным покрытием.
Согласно первому варианту металлический слой получен продольной сваркой металлического материала в форме полосы, при этом сварной шов позволяет добиться герметичности.
Согласно второму варианту металлический слой получен спиральной сваркой металлического материала в форме ленты, при этом сварной шов позволяет добиться герметичности.
Будь то в первом или во втором варианте, сварка металлической полосы или металлической ленты может осуществляться известными специалистам технологиями, а именно лазерной сваркой или электродуговой сваркой в защитном газе (TIG, т.е. неплавящимся (вольфрамовым) электродом в среде инертного газа, или MIG, т.е. плавящимся (металлическим) электродом в среде инертного газа).
В этих двух вариантах очень небольшая толщина герметичного покрытия (т.е. самое большее 3000 мкм) позволяет преимущественно упрощать обмотку металлического материала вокруг композитного несущего элемента или элементов перед сваркой.
Кроме того, небольшая величина подаваемой энергии, с одной стороны, и ограниченная площадь нагрева, возникающего при сварке, с другой стороны, предотвращают термическое повреждение композитного несущего элемента или элементов.
Эти два варианта тем самым являются более выгодными, чем металлический слой, полученный выдавливанием металлического материала вокруг композитного несущего элемента или элементов, в частности когда выдавливание относится к типу «наполнения», подразумевая тем самым приведение в непосредственный контакт выдавленного материала с композитным несущим элементом или элементами. Это обусловлено тем, что выдавливание металлического материала требует очень высоких температур обработки, способных повреждать упомянутые композитные элементы.
Согласно другому признаку изобретения называемое «металлическим» покрытие или металлический слой является кольчатым или рифленым с тем, чтобы, в частности, получать лучшую гибкость упомянутого покрытия. Другими словами, герметичное металлическое покрытие имеет на своей внешней поверхности параллельные или спиральные волнистости.
Согласно одному признаку герметичного металлического покрытия по изобретению металлический материал является металлом или сплавом металлов и может быть, более конкретно, выбран из стали, легированной стали, алюминия, алюминиевых сплавов, меди и медных сплавов.
Во втором варианте реализации герметичное покрытие включает в себя по меньшей мере один полимерный слой, полученный термической обработкой полимерного материала, причем термическая обработка позволяет добиться герметичности покрытия.
Более конкретно, полимерный слой получен размягчением полимерного материала.
Под термином «размягчение» понимают применение температуры, способной сделать полимерный материал податливым, или температуры размягчения, чтобы сделать его герметичным. Например, для кристаллического или полукристаллического термопласта температура размягчения является температурой выше температуры плавления полимерного материала.
Полимерный материал может быть выбран из полиимида, политетрафторэтилена (ПТФЭ), фторированного полимера этилена (ФПЭ) и полиоксиметилена (ПОМ), или их смеси.
В качестве примера может использоваться лента ФПЭ для спирального обматывания композитного элемента или элементов с ненулевой степенью перекрытия. Эту ленту ФПЭ затем термически обрабатывают посредством нагрева до температуры примерно 250°C, т.е. температуры выше температуры ее плавления, чтобы сделать ленту герметичной.
Однако первый вариант реализации является предпочтительным по сравнению со вторым вариантом реализации. Это обусловлено тем, что герметичное покрытие типа металлического слоя обеспечивает лучшую герметичность и защиту, чем герметичное покрытие типа полимерного слоя.
В третьем варианте реализации герметичное покрытие включает в себя по меньшей мере один полимерный слой и по меньшей мере один металлический слой, полученные соответственно термической обработкой полимерного материала и металлического материала. Другими словами, упомянутое герметичное покрытие является комплексным покрытием. Здесь применимы различные признаки, описанные выше в первом варианте реализации и/или во втором варианте реализации.
Согласно изобретению герметичное покрытие, окружающее композитный элемент или элементы, может быть в форме трубки.
Трубка традиционно является полым цилиндром, толщина которого практически постоянна вдоль трубки. Внутренний диаметр трубки может быть или не быть одинаковым вдоль упомянутой трубки.
Эта трубчатая форма позволяет преимущественно улучшать механические характеристики на разрыв электрического кабеля, равномерно распределяя те механические усилия, которые могут вызываться сжатием проводящих элементов и/или герметичного покрытия во время установки электрического кабеля ВЛЭ-типа.
Фактически, чтобы свешивать этот тип кабеля с электрической опоры, требуется крепежная арматура. Эта арматура служит для механического соединения электрического кабеля с электрической опорой, на которой он должен быть установлен. Аналогично, чтобы соединять два отрезка электрического кабеля по изобретению, используется соединительная арматура.
Установка этой арматуры осуществляется путем обжатия ее на проводящем элементе или проводящих элементах, на герметичном покрытии и/или на несущем элементе или несущих элементах.
Упомянутая трубка может иметь внутренний диаметр, превышающий или равный наружному диаметру, в который вписывае(ю)тся композитный несущий элемент или элементы. Если этот внутренний диаметр превышает наружный диаметр, в который вписывае(ю)тся композитный несущий элемент или элементы, трубка является, в частности, металлической трубкой. Таким образом, чтобы получать внутренний диаметр металлической трубки, практически идентичный упомянутому наружному диаметру, после этапа получения металлической трубки может выполняться этап, предназначенный для усадки или, другими словами, уменьшения внутреннего диаметра металлической трубки.
Согласно одному признаку герметичного покрытия по изобретению толщина упомянутого покрытия может составлять самое большее 600 мкм, а предпочтительно самое большее 300 мкм.
Когда герметичное покрытие относится к типу металлического слоя по изобретению, толщина упомянутого покрытия может предпочтительно составлять в диапазоне от 150 мкм до 250 мкм.
Когда герметичное покрытие относится к типу полимерного слоя по изобретению, толщина упомянутого покрытия может предпочтительно составлять в диапазоне от 150 мкм до 600 мкм.
Кроме того, что касается органической матрицы композитного несущего элемента, она может быть выбрана из термопластической матрицы и термореактивной матрицы или их смеси. Предпочтительно, органическая матрица является термореактивной матрицей.
В качестве примера, термореактивная матрица может быть выбрана из эпоксидов, сложных виниловых эфиров, полиимидов, сложных полиэфиров, сложных цианатных эфиров, фенольных смол, бисмалеимидов и полиуретанов или их смеси.
Армирующий элемент или элементы композитного несущего элемента могут быть выбраны из волокон (непрерывных), нановолокон и нанотрубок или их смеси.
В качестве примера (непрерывные) волокна могут быть выбраны из углеродных, стеклянных, арамидных (кевларовых), керамических, титановых, вольфрамовых, графитовых, борных, поли(p-фенил-2,6-бензобисоксазоловых) (силоновых), базальтовых и алюмоксидных волокон. Нановолокна могут быть углеродными нановолокнами. Нанотрубки могут быть углеродными нанотрубками.
Армирующий элемент или элементы, составляющие композитный элемент по изобретению, могут быть одной или различной природы.
Таким образом, упомянутые армирующие элементы могут быть по меньшей мере частично внедрены в по меньшей мере одну из вышеуказанных органических матриц. Предпочтительные композитные несущие элементы представляют собой волокна углерода или стекла, по меньшей мере частично заключенные в термореактивную матрицу типа эпоксидной, феноловой, бисмалеимидной смолы или смолы на основе сложных цианатных эфиров.
Армирующий элемент или элементы размещены внутри зоны, ограниченной герметичным покрытием, которое окружает их. Предпочтительно, упомянутая зона не содержит оптических волокон. Это обусловлено тем, что наличие оптических волокон в композитном несущем элементе, или элементах, или, другими словами, во внутренней зоне, ограниченной герметичным покрытием, может резко ограничивать свойства механической прочности (армирования) электрического кабеля, и, следовательно, не соответствует свойствам, требуемым для электрических кабелей ВЛЭ. Кроме того, оптические волокна очень чувствительны к механическим напряжениям, прилагаемым к ним, и, следовательно, эти механические напряжения должны максимально ограничиваться. Поэтому такие оптические волокна не могут рассматриваться в качестве композитных несущих элементов электрического кабеля по изобретению, даже когда они заключены в полимерную смолу.
Конечно, в специальных случаях электрический кабель по изобретению может, тем не менее, содержать одно или более оптических волокон, причем эти оптические волокна в таком случае размещаются вокруг герметичного покрытия.
Что касается электрического проводящего элемента по изобретению, который окружает герметичное покрытие, то он может быть предпочтительно металлическим, в частности на основе алюминия, то есть изготовленным либо только из алюминия, либо из алюминиевого сплава, такого как, например, сплав алюминия и циркония. Алюминий или алюминиевый сплав обладает преимуществом наличия значительно оптимизированной пары удельной электропроводности/плотности, в частности по сравнению с медью.
Проводящий элемент по изобретению традиционно может быть набором металлических проводов (или жил), поперечное сечение которых может иметь круглую, или некруглую форму, либо комбинацию этих двух. Когда они не имеют круглой формы, поперечное сечение этих проводов может быть, например, трапецеидальной формы или Z-образной формы. Различные виды формы определены в стандарте IEC 62219.
В одном конкретном варианте реализации электрический кабель также может содержать инертный газ, такой как, например, аргон, между герметичным покрытием и композитным несущим элементом или элементами. Этот инертный газ позволяет снизить до минимума количество кислорода в контакте с композитным несущим элементом или элементами.
В одном конкретном варианте реализации электрический кабель может дополнительно содержать электроизоляционный слой, размещенный между герметичным покрытием и композитным несущим элементом или элементами. Этот слой может быть слоем из теплостойкого полимерного материала, такого как, например, полиэфирэфиркетон (ПЭЭК). Он может, в частности, окружать по меньшей мере один из композитных элементов, каждый композитный элемент или узел, образованный композитным элементом или (всеми) композитными элементами.
Этот электроизоляционный слой позволяет преимущественно предотвратить появление гальванического тока между композитным несущим элементом и герметичным покрытием, когда последнее является металлическим.
Предпочтительно используют электроизоляционный слой, окружающий узел, образованный композитным несущим элементом или элементами, причем этот единственный электроизоляционный слой достаточен для того, чтобы избежать появления гальванического тока. Кроме того, использование этого слоя, окружающего все композитные несущие элементы, позволяет преимущественно облегчить выполнение упомянутого слоя при экономии материала.
Кроме того, электрический кабель по изобретению не обязательно включает в себя клейкий слой, размещенный между композитным несущим элементом или элементами и проводящим элементом.
В одном особенно предпочтительном варианте реализации электрический кабель по изобретению не содержит внешнего слоя, окружающего проводящий элемент или элементы, причем этот внешний слой типично может быть электроизоляционным слоем или защитной оболочкой.
Проводящий элемент или элементы могут поэтому рассматриваться в качестве самого внешнего элемента или элементов электрического кабеля по изобретению. Следовательно, проводящий элемент или элементы находятся затем в непосредственном контакте с внешней средой (например, окружающим воздухом).
Это отсутствие внешнего слоя вокруг проводящего элемента или элементов обладает преимуществом гарантирования того, что электрический кабель имеет самое низкое возможное установочное натяжение, причем это установочное натяжение является пропорциональным весу электрического кабеля. Другими словами, полезно иметь электрический кабель ВЛЭ-типа, проявляющий самую низкую возможную механическую нагрузку, оказываемую кабелем на две опоры, между которыми он подвешивается.
Следовательно, пролет электрического кабеля между двумя электрическими опорами может составлять до 500 м или даже до 2000 м.
Другие признаки и преимущества настоящего изобретения будут очевидными в свете следующих примеров при обращении к прилагаемым чертежам, причем упомянутые примеры и чертежи приводятся в качестве иллюстрации и не подразумевают ограничения.
Фигура 1 показывает схематично и в перспективе электрический кабель согласно настоящему изобретению.
Фигура 2 показывает схематично и в перспективе электрический кабель по фигуре 1, дополненный электроизоляционным слоем согласно изобретению.
В целях ясности только существенные для понимания изобретения элементы показаны схематично и не в масштабе.
Электрический кабель 10, проиллюстрированный на фигуре 1, соответствует высоковольтному электрическому передающему кабелю ВЛЭ-типа.
Этот кабель 10 содержит центральный композитный несущий элемент 1 и, последовательно и коаксиально вокруг этого композитного элемента 1, металлическую трубку 2 из алюминия и электрический проводящий элемент 3. Проводящий элемент 3 находится непосредственно в контакте с металлической трубкой 2, а трубка находится непосредственно в контакте с композитным несущим элементом 1.
Композитный несущий элемент 1 содержит множество прядей углеродного волокна, заделанных в термореактивную матрицу эпоксидного типа.
Проводящий элемент 3 в этом примере является набором жил из сплава алюминия и циркония, поперечное сечение каждой жилы которого имеет трапецеидальную форму, причем эти жилы скручены между собой. Следовательно, упомянутый проводящий элемент ни в коем случае не является герметизированным от внешней среды, и те жилы, которые составляют его, также раздвигаются под действием тепла вследствие теплового расширения проводящего элемента.
Металлическая трубка 2 может быть получена из металлической полосы, преобразованной в трубку с продольным разрезом с помощью штамповочного инструмента. Продольный разрез затем заваривают, в частности с помощью устройства для лазерной сварки или устройства для электродуговой сварки в защитном газе, после приведения в контакт и удерживания на месте свариваемых кромок упомянутой полосы. Во время этапа сварки композитный несущий элемент может находиться внутри преобразованной в трубку металлической полосы. Диаметр сформированной трубки затем усаживают (с уменьшением поперечного сечения трубки) вокруг композитного несущего элемента с использованием технологий, известных специалистам в данной области техники.
Как указано выше, возможны другие варианты реализации этой металлической трубки. Металлическая трубка 2 может быть получена из металлической ленты, спирально намотанной вокруг композитного несущего элемента или его заменителя. Спиральный разрез этой металлической ленты затем заваривают, в частности с помощью устройства для лазерной сварки или устройства для электродуговой сварки в защитном газе, после приведения в контакт и удерживания на месте свариваемых кромок упомянутой ленты. Вышеуказанный этап усадки также возможен.
Кабель по фигуре 1 также не включает в себя внешнюю оболочку: тем самым, проводящий элемент 3 остается в непосредственном контакте с внешней средой (т.е. окружающим воздухом). В эксплуатационной конфигурации кабеля (т.е. как только кабель подвешен между двумя электрическими опорами), отсутствие внешней оболочки позволяет преимущественно увеличивать пролет упомянутого кабеля между двумя электрическими опорами.
Фигура 2 показывает электрический кабель 20 согласно настоящему изобретению, который является идентичным электрическому кабелю 10 по фигуре 1 за исключением того, что кабель 20 дополнительно включает в себя один единственный электроизоляционный слой 4, окружающий композитный несущий элемент (т.е. все композитные несущие элементы). Этот электроизоляционный слой 4 размещен между металлической трубкой 2 и композитным несущим элементом 1. Кабель 20 также не включает в себя внешнюю оболочку вокруг проводящего элемента 3.
Пример
Чтобы показать преимущества электрического кабеля по изобретению, на образцах электрических кабелей проведены сравнительные испытания на старение и пористость.
Первый электрический кабель, называемый "кабелем I1", был выполнен следующим образом. На композитный несущий элемент, содержащий набор углеродных волокон, заключенных в термореактивную матрицу типа эпоксидной смолы, нанесли электроизоляционный слой ПЭЭК, а затем герметичный слой алюминия. Герметичный слой алюминия реализовали с помощью алюминиевой полосы, сваренной вдоль ее длины так, что образовалась трубка вокруг композитного несущего элемента. Затем выполняли посадку этой алюминиевой трубки вокруг упомянутого композитного элемента для образования упомянутого герметичного слоя алюминия.
Второй электрический кабель, называемый "кабелем C1", соответствовал кабелю I1 за исключением того, что он не включал в себя герметичного слоя алюминия.
Осуществляли испытание на старение кабелей I1 и C1 соответственно. Это испытание на старение состояло в выдерживании кабелей I1 и C1 для старения в печах при различных температурах. Образцы кабелей составляют по длине примерно между 65 см и 85 см.
Чтобы не допускать проникновения кислорода между герметичным слоем алюминия и композитным несущим элементом, два конца образца кабеля I1 закрыли металлическими крышками, зафиксированными с помощью ленты Kapton и ленты Teflon так, чтобы обеспечить герметичность концов упомянутого образца.
Эти образцы затем состаривали изотермически при различных температурах (160, 180, 200 и 220°C) в течение переменных промежутков времени (10, 18, 32, 60, 180 и 600 дней).
Состаренные образцы взвешивали с тем, чтобы отследить потерю массы, связанную с разложением термореактивной матрицы. Провели также измерение пористости термореактивной матрицы.
От состаренных образцов отрезали три куска длиной примерно 2 см: один кусок с каждой стороны концов примерно в 2-3 см от края и один кусок в центре образца кабеля.
Эти куски затем помещали в смолу, чтобы упрощать процесс полировки, а затем отполировали с тем, чтобы получить очень плоскую поверхность.
Эту поверхность затем исследовали под оптическим микроскопом, сфотографировали и проанализировали с помощью программного обеспечения для анализа изображений, позволяющего измерять площадь пор по отношению к площади образца. По ним таким образом выводили степень пористости образца.
С учетом полученных результатов электрический кабель по изобретению демонстрирует значительное улучшение свойств старения вследствие наличия герметичного металлического покрытия.