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 10 кВ и более экраны из электропроводящих материалов, наложенные поверх жил и изоляции, выполняют следующие функции: Экран по многопроволочной жиле выравнивает электрическое поле (устраняет эффект проволочности), что позволяет существенно уменьшить толщину изоляции. При экранировании следует учитывать, что эффект сглаживания поверхности жилы проявляется только в том случае, если толщина электропроводящих лент достаточно мала. В противном случае уступы, образованные кромками лент электропроводящего материала могут вызвать местное повышение напряженности электрического поля. Экран по жиле служит также тепловым барьером между металлической жилой и изоляцией. Экран по изоляции шунтирует искажения электрического поля, которые возникают за счет наличия дефектов изоляции. 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 с пластмассовой изоляцией по ГОСТ 16442-80, год ввода 1982, Россия, 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. В качестве экрана кабелей с пластмассовой 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. Поверх электропроводящего экрана накладывается металлический экран из медных лент или медной фольги.
К недостаткам электропроводящих материалов для экранирования кабелей по ГОСТ 16442-80 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 TERKAB СВ-120, производства Финляндии. По составу и основным характеристикам бумага СВ-120 идентична бумаге ЭКУ-120, поэтому она имеет такие же недостатки.
2
Ближайшим по своим параметрам к полезной модели является кабель электрический силовой по патенту №70044, Россия, (прототип) с пластмассовой изоляцией и экраном, содержащим полотно нетканое электропроводящее кабельное марки ПНЭК, пропитанное электропроводным составом на основе печной сажи и связующего из смеси поливинилового спирта и полиакрилата. Электрический кабель по прототипу (фиг.) состоит из многопроволочной токопроводящей жилы 1, экрана по жиле 2, изоляции 3, комбинированного экрана 4, разделительного слоя 5, пластмассовой оболочки 6. Электрические силовые кабели по прототипу изготавливаются по следующей технологии. На медную или алюминиевую токопроводящую жилу 1 наносится экструзией экран 2 из электропроводящей полимерной сшитой композиции толщиной не менее 0,3 мм. Для исключения проникновения электропроводящей полимерной композиции в токопроводящую жилу сечением 1000 мм и выше между жилой и экраном прокладывается слой электропроводящей полимерной ленты с перекрытием (10-15)%. Поверх экрана 2 накладывается изоляция 3 из сшитого полиэтилена. Толщина изоляции зависит от марки кабеля. Поверх изоляции накладывается комбинированный экран 4, состоящий из электропроводящей полимерной сшитой композиции толщиной не менее 0,3 мм, слоя из ленты электропроводящего нетканого полотна ПНЭК-250 и экрана из медных проволок номинальным диаметром (0,7-2,0) мм. Поверх медных проволок накладывается медная лента толщиной не менее 0,07 мм. Поверх комбинированного экрана накладывается разделительный слой 5 толщиной не менее 0,2 мм из лент крепированной или кабельной бумаги или полимерных лент. Поверх разделительного слоя накладывается экструзией оболочка 6 из полиэтилена высокой плотности или из поливинилхлоридного пластиката.
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 составе комбинированного экрана кабель содержит ткань электропроводящую кабельную марки ТЭК, пропитанную электропроводным составом на основе технического углерода, графита и полимерного связующего.
Общим признаком прототипа и предлагаемого технического решения является наличие экрана из электропроводящих материалов. В то же время предложенный кабель отличается от известного использованием в составе экрана ткани электропроводящей кабельной марки ТЭК, пропитанной электропроводным составом на основе технического углерода, графита и полимерного связующего.
Преимущества нового кабеля:
- высокая механическая прочность и эластичность экрана из электропроводящих полимерных лент;
- 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;
- 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 90°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 минимальной, не более 150 мкм;
- электрическое сопротивление материала должно быть не более 0,1кΩ·м;
- материал не должен давать отпечатка при соприкосновении с другими предметами, в том числе влажными, не должен быть липким, не должен выкрашиваться при многократном изгибе;
- материал не должен приклеиваться к пластмассовой изоляции кабеля и металлическому экрану;
- материал должен хорошо отводить тепло;
- материал не должен разрушаться (расплетаться) при резке на ленты и наложении на кабель.
2
Перечисленным выше требованиям соответствует ткань электропроводящая кабельная марки ТЭК, разработанная авторами данной полезной модели и выпускаемая по ТУ 8318-032-50289046-2009, год ввода 2009, Россия. Основные характеристики ткани ТЭК приведены в таблице 1. Для изготовления электропроводящей ткани ТЭК может быть использована ткань техническая толщиной (50-150) мкм и удельной массой (30-110) г/м из синтетических или смесевых волокон. Технические ткани отличаются от клееного нетканого полотна меньшей толщиной, более высокими физико-механическими характеристиками, влагостойкостью, термостойкостью, стойкостью к механическим повреждениям, равномерностью по толщине. Наиболее качественная ткань ТЭК получается с использованием плотной технической ткани из полиэфирных волокон.
Ткань электропроводящая кабельная марки ТЭК изготавливается путем пропитки ткани-основы электропроводным составом на основе технического углерода, графита и полимерного связующего. Технический углерод, предварительно обработанный на бисерной мельнице, вводится в состав для достижения требуемой электропроводности ткани. Графит вводится в состав для существенного снижения электрического сопротивления готового материала и придания ему дополнительных свойств: повышенной теплопроводности, повышенных антиадгезионных и антипригарных свойств, повышенной термостойкости. В электропроводном составе могут быть использованы технический углерод по ТУ 38 41558-97, год ввода 1997, Россия, и графит по ТУ 113-08-48-63-90, год ввода 1990, Россия. В качестве полимерного связующего могут быть использованы сополимеры эфиров акриловой и метакриловой кислот (полиакрилаты) и каучуки. Электропроводный состав в виде водной суспензии технического углерода, графита, связующего и поверхностно-активного вещества (ПАВ) наносится на ткань-основу на бумаго-красильной машине «Yulhavaara» (Финляндия) с воздушным шабером. Пропитанная ткань поступает в сушильную камеру с температурой сушки до 120°С для удаления влаги и полимеризации покрытия.
2
Сущность предлагаемой полезной модели иллюстрируется следующими примерами. В таблице 1 приведены варианты образцов электропроводящих материалов и их основные характеристики, а в таблице 2 - показатели качества образцов одножильного электрического кабеля марки ПвПу1x800/35-10 кВ по ТУ 16.К71-335-2004 с изоляцией из сшитого полиэтилена и комбинированным экраном по изоляции, включающим одну ленту электропроводящего нетканого полотна ПНЭК-250 с перекрытием, по прототипу, и две ленты электропроводящей ткани ТЭК с зазором, по новой конструкции кабеля. Три варианта электропроводящей ткани ТЭК были изготовлены на основе плотной полиэфирной ткани полотняного переплетения удельной массой от 34 до 110 г/м. Ткань пропитывалась электропроводным составом на основе технического углерода, графита и акриловой дисперсии. Состав электропроводной пропитки всех трех вариантов ткани ТЭК был одинаковым. Конструкция и технология изготовления всех образцов кабеля, включая прототип, в приведенных примерах были аналогичными.
Из таблицы 1 видно, что новый электропроводящий материал ТЭК 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 электропроводящей ткани ТЭК по ТУ 8318-032-50289046-2009. При этом снижается себестоимость изготовления электрического кабеля.
Силовые электрические кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение от 10 кВ и выше с экраном, включающим электропроводящую ткань ТЭК-100, 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 СВ-120
ПНЭК-250
ТЭК-50
ТЭК-100
ТЭК-150
Толщина, мкм, по ГОСТ 27015-86
128
265
45
98
152
Масса 1 м<sup>2</sup>, г, по ГОСТ 13199-88
125
65
34
76
110
Разрушающее усилие, Н,
- в машинном напр.
140
130
280
626
810
- в поперечном напр. по ГОСТ 15902.3-79
75
70
160
387
490
Продолжение таблицы 1
Наименование характеристик электропроводящих материалов
Варианты образцов электропроводящих материалов
Бумага СВ-120
ПНЭК-250
ТЭК-50
ТЭК-100
ТЭК-150
Относительное удлинение, %
- в машинном напр.
2,7
15
26
32
35
- в поперечном напр. по ГОСТ 15902.3-79
6,4
10
22
30
28
Удельное электрическое сопротивление, кΩ∙м, по ГОСТ 10751-85
50
2,24
0,04
0,05
0,08
Технологичность и качество
Материал нетехнологичен
Технологичность и качество низкие
Технологичность и качество высокие
Таблица 2
Показатели качества электрических кабелей
Кабель ПвПу1x800/35-10 с нетканым полотном ПНЭК-250 (прототип)
Варианты кабелей ПвПу1x800/35-10 с электропроводящей тканью ТЭК по табл.1.
ТЭК-50
ТЭК-100
ТЭК-150
Уровень частичных разрядов при переменном напряжении 15 кВ частотой 50 Гц, по ГОСТ 20074-83, не более 10 пКл
7,5
5,6
5,3
4,8
Испытание на пробой переменным напряжением 25 кВ частотой 50 Гц в течение 10 минут, по ГОСТ 2990-78
Выдержал
Выдержали
Стойкость к навиванию (многократному изгибу), по ТУ 16.К71-335-2004
Наличие продольных трещин и разрывов полотна ПНЭК-250
Наличие продольных трещин, складок и карманов ткани
Разрывы, трещины, складки и карманы ткани отсутствуют
Разрывы, трещины, складки и карманы ткани отсутствуют
Продолжение таблицы 2
Показатели качества электрических кабелей
Кабель ПвПу1x800/35-10 с нетканым полотном ПНЭК-250 (прототип)
Варианты кабелей ПвПу1x800/35-10 с электропроводящей тканью ТЭК по табл.1.
ТЭК-50
ТЭК-100
ТЭК-150
Уровень частичных разрядов при напряжении 15 кВ частотой 50 Гц после испытания на изгиб, не более 5 пКл
5,8
5,2
2,3
2,4
Испытание после изгиба на пробой переменным напряжением 40 кВ частотой 50 Гц в течение 5 мин, по ГОСТ 2990-78
Не выдержал
Не выдержал
Выдержали
Продолжение таблицы 2
Показатели качества электрических кабелей
Кабель ПвПу1x800/35-10 с нетканым полотном ПНЭК-250 (прототип)
Варианты кабелей ПвПу1x800/35-10 с электропроводящей тканью ТЭК по табл.1.
ТЭК-50
ТЭК-100
ТЭК-150
Технологичность, качество и экономичность
Технологичность, качество и экономичность низкие
Технологичность, качество и экономичность низкие
Технологичность, качество и экономичность высокие
Технологичность и качество высокие, экономичность низкая