Кабель силовой однофазный

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 и 35 кВ.
Известен кабель силовой, содержащий металлическую жилу, первый электропроводящий слой, изоляционный слой из экструдированного сшитого полиэтилена, расположенный на нем второй электропроводящий слой, слой из электропроводящей ленты, экран из медных проволок, снабженный, по крайней мере, одной медной лентой, спирально намотанной на него, разделительный слой и оболочку (патент RU №17657, М.кл Н 01 В 9/02, опубликовано 10.04.2001).
Наиболее близким аналогом (прототипом) является силовой кабель в однофазном исполнении, 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 оболочку, отличающийся тем, что 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.Н01В7/295, опубликовано 20.12.2014).
Признаки известного кабеля, совпадающие с признаками заявленной полезной модели, заключаются в выполнении кабеля однофазного, с содержанием металлической токопроводящей жилы, покрытой первым слоем из электропроводящей сшитой композиции на основе полиэтилена, изоляцией из сшитого полиэтилена, вторым слоем из электропроводящей сшитой композиции полиэтилена, слоем электропроводящей ленты, металлическим экраном, разделительным слоем, внутренней оболочкой с кислородным индексом не менее 28% и наружной оболочкой.
2
Отличительными признаками предложенной полезной модели и известной конструкции кабеля является наличие наружной оболочки из поливинилхлорида пониженной пожароопасности с кислородным индексом не менее 35, максимальной оптической плотностью дыма при горении и тлении не более 200 Дмакс, с прочностью при разрыве не менее 10 Н/мми относительным удлинением при разрыве не менее 150%.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в повышении надёжности  силового однофазного кабеля при эксплуатации в экстремальных условиях повышенных механических и температурных нагрузок.
Технический результат: получение надёжного силового однофазного кабеля при эксплуатации в экстремальных условиях пожароопасности при повышенных механических и температурных нагрузках.
2
Технический результат достигается тем, что кабель силовой однофазный, содержащий 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, разделительный слой, внутреннюю и наружную оболочку, выполненную из поливинилхлорида пониженной пожароопасности с кислородным индексом не менее 35%, максимальной оптической плотностью дыма при горении и тлении не более 200 Дмакс, с прочностью при разрыве не менее 10 Н/мми относительным удлинением при разрыве не менее 150%.
При этом, для повышения степени пожароопасности и огнестойкости на токопроводящую жилу кабеля может быть дополнительно наложен огнестойкий барьер, поверх внутренней оболочки – термический барьер, поверх наружной оболочки может быть наложен электропроводящий слой для снятия электростатистических зарядов,  для усиления прочностных показателей кабеля дополнительно на внутреннюю оболочку может быть наложена броня, наружная оболочка кабеля выполнена в усиленном двухслойном исполнении.
В условиях экстремальной пожарной ситуации очень важно обеспечить защиту и возможно долгую работоспособность силового кабеля. В результате возникновения подобной ситуации на силовой кабель воздействуют повышенные температуры, возможно и открытое пламя, а в результате падения на кабель различных предметов возможно  механическое повреждение кабеля. Предложенная конструкция силового кабеля обеспечивает пожаробезопасность силового однофазного кабеля в сочетании со стойкостью к механическим воздействиям за счёт свойств материалов конструктивных элементов, входящих в состав предложенного силового кабеля. Так, например, предложенный силовой кабель в качестве изоляции содержит сшитый полиэтилен. Известно, что сшитый полиэтилен обладает отличными диэлектрическими свойствами и большей пропускной способностью за счёт увеличения допустимой температуры нагрева токопроводящих жил: длительной (90°С вместо 70°С) и при перегрузке (130°С вместо 80°С), более высокой термической устойчивостью при коротком замыкании (250°С вместо 160°С), т.е. при большей токовой нагрузке на токопроводящие жилы и соответственно при более высоких температурах на токопроводящих жилах, изоляция из сшитого полиэтилена способна гораздо более эффективно защитить кабель от внутреннего возгорания, чем, например, изоляция силовых кабелей с бумажно-пропитанной изоляцией. Способ вулканизации (пероксидная сшивка), применяемый при его изготовлении, позволяет получить достаточную степень сшивки по всей толщине изоляции и обеспечить отсутствие воздушных включений, а, следовательно, и появление частичных разрядов, приводящих к преждевременному старению изоляции, появлению коротких замыканий и возникновению пожароопасной ситуации из-за пробоя изоляции и возгорания кабеля изнутри. Помимо хороших диэлектрических свойств изоляция из сшитого полиэтилена обладает отличными механическими характеристиками, отсюда следует низкая повреждаемость, процент пробоев силовых кабелей из сшитого полиэтилена на 2-3 порядка ниже, чем у кабелей с бумажно-пропитанной изоляцией. Таким образом, применение изоляции из сшитого полиэтилена наряду с применением других конструктивных элементов кабеля полностью соответствует решению поставленной технической задачи и получению заявленного технического результата: получение надёжного силового кабеля при эксплуатации в экстремальных условиях  повышенных механических и температурных нагрузок.
Применение двух экранов для выравнивания электрического поля из электропроводящей сшитой полимерной композиции также увеличивает прочность изоляции. Материал изоляции и экранов должны быть одинаковыми, т.к. у экрана и изоляции должны быть равные или близкие по значению температурные коэффициенты расширения. При несоблюдении этого условия между экранами и изоляцией могут образовываться пустоты, которые являются очагами ионизации в изоляции кабеля, а, следовательно, являются факторами появления в изоляции частичных разрядов со всеми вытекающими последствиями. Таким образом, такие конструктивные элементы кабеля как электрические экраны также являются существенными признаками полезной модели и служат решению поставленной технической задачи, способствуя увеличению электрической прочности изоляции.
2
Несмотря на отличные диэлектрические и механические свойства сшитого полиэтилена, у него есть и недостатки. Полиэтилен не обладает достаточной степенью необходимой пожаробезопасности, поэтому в качестве наружной оболочки кабеля используется поливинилхлоридный пластикат пониженной пожарной опасности с кислородным индексом не менее 35%, с максимальной оптической плотностью дыма при горении и тлении не более 200 Дмакс и с указанными физико-механическими характеристиками: прочностью при разрыве не менее 10 Н/мм и относительным удлинением при разрыве не менее 150%, использование которого приводит к созданию кабеля с классом пожарной опасности П1а.8.2.2.2 или П1а.8.2.2.2 по ГОСТ 31565-2012 в сочетании с отличными прочностными показателями. Данный пластикат обладает высокой степенью пожаробезопасности в сочетании с высокими физико-механическими характеристиками, которые обеспечивают в конечном итоге получение пожаробезопасного кабеля, обладающего достаточной прочностью и устойчивостью к механическим повреждениям, повышают надёжность эксплуатации кабеля в экстремальных пожароопасных ситуациях и решают поставленную техническую задачу. При этом, кислородный индекс поливинилхлоридного пластиката указывает на то, что выбранный поливинилхлоридный пластикат согласно ГОСТ 31565-2021 относится к классу трудногорючих, не распространяющих горение при групповой прокладке, а согласно ГОСТ 59707-2021 поливинилхлоридный пластикат, используемый в наружной оболочке заявляемого кабеля относится к группе НО-20, НО-21 с категорией стойкости к горению не ниже ПВ-0, не распространяющих горение с низким дымо- и газовыделением, такая характеристика как максимальная оптическая плотность дыма при горении и тлении (не более 200 Дмакс) указывает на низкое дымовыделение поливинилхлоридного пластиката при горении и тлении, что является важной характеристикой пожаробезопасности кабеля в ситуации повышенной пожароопасности.
Внутренняя оболочка кабеля изготавливается также из поливинилхлоридного пластиката с кислородным индексом не менее 28%, указанный материал является трудногорючим, как и наружная оболочка, согласно ГОСТ 59707-2021 относится к группе ВО-34 с категорией стойкости к горению не ниже ПВ-0, применяется для внутренних оболочек (заполнения) кабелей, не распространяющих горение, с низким дымо- и газовыделением. Для пожаробезопасных кабелей согласно ГОСТ 59707-2021 для внутренних оболочек выбирается поливинилхлоридный пластика с минимальным значением кислородного индекса 28% т.к. внутренняя оболочка является дополнительным барьером для воздействия пламени и высоких температур (нет необходимости в применении материалов с более высоким кислородным индексом), т.е. внутренняя оболочка является дополнительной пожарной защитой кабеля в экстремальных условиях пожароопасной ситуации и, кроме того, дополнительно защищает внутреннюю конструкцию кабеля от механических и коррозионно-активных продуктов, следовательно, также является существенным признаком полезной модели.
Слой из электропроводящей ленты служит дополнительной защитой от механического повреждения второго электропроводящего экрана, металлический экран придаёт кабелю дополнительную прочность и равномерно распространяет нулевой потенциал по поверхности изоляции кабеля и защищает от пропускания токов короткого замыкания. Разделительный слой из огнезащитной ленты усиливает пожаробезопасность кабеля, т.е. все элементы конструкции кабеля служат решению поставленной технической задачи. Все дополнительные элементы конструкции силового кабеля, используемые в частных случаях исполнения кабеля, такие как обмотка по токопроводящим жилам, термобарьер, броня являются дополнительными средствами, повышающими надёжность эксплуатации кабеля в экстремальной ситуации пожара, т.е. повышают пожаростойкость и механическую прочность силового кабеля.
Испытания полученного силового кабеля по ГОСТ 28114-89 (измерение уровня частичных разрядов), по ГОСТ 12179-76 (измерение тангенса угла диэлектрических потерь), по ГОСТ 2990-78 (испытание импульсным напряжением на пробой изоляции), проверка стойкости при механических воздействиях при различных температурах и времени воздействия, проверка стойкости оболочки к деформации при повышенной температуре  по ГОСТ IEC 60811-3-1-2011, определение физико-механических характеристик по ГОСТ IEC 60811-501, испытание силового кабеля в условиях воздействия пламени (на нераспространение горения при групповой прокладке по категории А) по ГОСТ IEC 60332-3-22-2011 показали получение кабеля, решающего поставленную техническую задачу с указанным техническим результатом. При этом, каждый из признаков, указанных в формуле  полезной модели является необходимым для достижения указанного технического результата, а совокупность существенных признаков достаточна для достижения обеспечиваемого полезной моделью технического результата.
Процесс изготовления силового кабеля с наружной оболочкой из пожаробезопасного поливинилхлоридного пластиката с указанными характеристиками выглядит следующим образом:
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 обмоткой накладывается слой из электропроводящей полимерной ленты – огнестойкий барьер (в случае изготовления огнестойкого кабеля), затем либо на слой электропроводящей ленты, либо на токопроводящую жилу методом экструзии накладывается первый экран из электропроводящей сшитой композиции полиэтилена, 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 композиции полиэтилена, служащий для равномерного распределения напряженности между изоляцией и металлическим экраном.
Поверх второго экструдированного экрана наложен слой из ленты электропроводящей бумаги или электропроводящей полимерной ленты, или электропроводящего нетканого полотна, или электропроводящей водоблокирующей ленты, служащий защитой от механического повреждения второго электропроводящего экрана или защитой от продольного водопроникновения, а также служащий для выравнивания электрического поля в кабеле.
Поверх обмотки из электропроводящей ленты накладывается металлический экран, основным назначением которого является равномерное распространение нулевого потенциала по поверхности изоляции кабеля и пропускания токов короткого замыкания. Металлический экран выполняется из металлических проволок, скрученных в одном направлении, поверх которых методом обмотки с обеспечением электрического контакта наложена металлическая лента (или пасма из металлических проволок), при этом проволоки и лента могут быть выполнены из меди, либо из алюминия или алюминиевого сплава.
Поверх металлического экрана методом обмотки накладывается разделительный слой, необходимый для предотвращения затекания материала оболочки между проволок экрана в процессе изготовления и служит огнетермозащитой. Разделительный слой выполняется из огнезащитной ленты.
Поверх разделительного слоя методом экструзии наложена внутренняя оболочка, выполненная из поливинилхлоридного пластиката пониженной пожароопасности.
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 (стальных оцинкованных или алюминиевых или из алюминиевого сплава) и служащую защитой от механических растягивающих воздействий.
Поверх разделительного слоя или поверх термического барьера, или поверх наложенной брони, методом экструзии накладывается наружная оболочка из поливинилхлоридного пластиката пониженной пожароопасности с указанными характеристиками, служащая защитой от внешних механических воздействий и обеспечивающая пожаробезопасность силового кабеля с классом пожарной опасности П1а.8.2.2.2 или П1а.8.2.2.2 по ГОСТ 31565-2012.
Кабель силовой может быть выполнен в исполнении «г» и содержать поверх второго электропроводящего экрана слой из электропроводящей водоблокирущей 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 элементов в процессе скрутки.
По наружной оболочке бронированного кабеля для защиты от статического электричества и возможности проверки целостности оболочки после прокладки может быть нанесёно электропроводящее покрытие.
Конструкция заявленной полезной модели успешно опробована в условиях производства.