Силовой кабель с двухслойным металлическим экраном
Полезная модель относится к кабельной технике, а именно, к конструкциям кабелей электрических с изоляцией из сшитого полиэтилена, применяемых для передачи и распределения электрической энергии в стационарных установках на номинальное переменное напряжение от 6 до 330 кВ. Силовой кабель содержит скрученную либо из круглых проволок, либо из 5-ти секторных заготовок токопроводящую медную или алюминиевую жилу, содержит наложенную по токопроводящей жиле обмотку из электропроводящей полимерной ленты, первый экран из электропроводящей сшитой полимерной композиции, изоляцию из сшитого полиэтилена, второй экструдированный экран из электропроводящей сшитой полиэтиленовой композиции, поверх второго экрана по изоляции может быть слой из электропроводящей бумаги или электропроводящей полимерной ленты или водоблокирующей ленты, двухслойный металлический экран (из медных, алюминиевых либо из алюминиевого сплава) проволок с наложением между слоями металлических проволок слоя из электропроводящих (электропроводящих водоблокирующих) лент, двухслойный металлический экран обмотан спирально наложенной металлической лентой (медной, алюминиевой, алюминиевого сплава), разделительный слой, поверх разделительного слоя может быть наложена с перекрытием ламинированная алюмополимерная лента, внутреннюю оболочку и, либо последовательно наложенную на внутреннюю оболочку броню из проволок алюминия или алюминиевого сплава и наружную оболочку, либо наружную оболочку без брони.
Полезная модель относится к кабельной технике, а именно, к конструкциям силовых кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена, применяемых для передачи и распределения электрической энергии в стационарных установках на среднее и высокое номинальное переменное напряжение от 6 до 330 кВ.
Известны однофазные силовые кабели, содержащие алюминиевую или медную токопроводящую жилу и последовательно расположенные на ней наложенные экструзией первый экран из электропроводящей сшитой полимерной композиции, изоляцию из сшитой композиции полиэтилена, второй экран из электропроводящей сшитой полимерной композиции, обмотку лентами из электропроводящего материала, металлический экран из медных проволок, скрепленных спирально наложенной с зазором медной лентой, экструдированную внутреннюю оболочку и экструдированную наружную оболочку (патенты RU 
92567 и RU 91218, М. кл. H01B 9/00, опубликованы 20.03.2010 г. и 23.09.2009 г.) или известны силовые кабели, содержащие дополнительно к этим признакам бронепокров (патент RU 106030 М. кл. H01B 9/00 опубликованный 27.06.2011).
Общими признаками для известных кабелей и заявленного кабеля являются тип изоляции (сшитый полиэтилен), материалы наружной и внутренней оболочек (ПВХ пластикат не распространяющий горение, либо полимерная композиция, не содержащая галогенов, либо полиэтилен высокой плотности), наличие двух экранов из электропроводящей сшитой полимерной композиции, металлического экрана, скрепленного спирально наложенной с зазором металлической лентой, разделительного слоя, внутренней оболочки, наложенного поверх внутреннего слоя бронепокрова из алюминиевых проволок или алюминиевого сплава и наружной оболочки.
Причиной, препятствующей получению в известном техническом решении технического результата, который обеспечивается заявленной полезной моделью, является то, что известный кабель не удовлетворяет условиям безопасности и надежности в работе кабеля среднего и высокого напряжения при прохождении через кабель значительных токов короткого замыкания.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в расширении арсенала силовых кабелей с полиэтиленовой изоляцией, работающих в широком диапазоне напряжений от 6 кВ до 330 кВ, не уступающих известным кабелям по основным характеристикам, но более высококачественных и высоконадежных в работе при наличии значительных токов короткого замыкания.
Достигается технический результат в заявленной полезной модели тем, что металлический экран силового кабеля из медных или алюминиевых (алюминиевого сплава) проволок накладывается в два слоя с наложением между слоями из металлической проволоки слоя из электропроводящих лент или водоблокирующих электропроводящих лент и скрепляющей полипропиленовой ленты, что значительно увеличивает срок службы кабеля и повышает надежность работы кабеля в случае возникновения больших токов короткого замыкания.
Данная задача решается за счет того, что силовой кабель на среднее (от 6 кВ) и высокое напряжение (до 330 кВ), содержащий как минимум одну медную или алюминиевую токопроводящую жилу, содержит наложенный экструзией на токопроводящую жилу экран из электропроводящей сшитой полимерной композиции, изоляцию из сшитого полиэтилена, второй экструдированный экран из электропроводящей сшитой полиэтиленовой композиции, металлический экран, либо из медных, либо из алюминиевых (или алюминиевого сплава) проволок с обмоткой либо медной, либо алюминиевой (или алюминиевого сплава) лентой соответственно, разделительный слой и наружную оболочку. При этом экран из металлических проволок выполнен в два слоя с наложением между слоями металлической проволоки слоя из электропроводящих или из электропроводящих водоблокирующих лент со скрепляющей полипропиленовой лентой. В экран из металлических проволок может быть встроен распределительный волоконно-оптический датчик температуры. Кроме того, между разделительным слоем и наружной оболочкой может быть расположена либо внутренняя оболочка, либо внутренняя оболочка и броня из проволок алюминия или алюминиевого сплава, либо внутренняя оболочка и ламинированная алюмополимерная лента. На токопроводящую жилу может быть наложена обмотка по токопроводящей жиле из электропроводящей ленты. Внутренняя оболочка выполнена из полиэтилена, либо из ПВХ пластиката, не распространяющего горение, либо из полимерной композиции, не содержащей галогенов, а наружная оболочка кабеля выполнена либо из полиэтилена высокой плотности, либо из ПВХ пластиката не распространяющего горение, либо из ПВХ пластиката не распространяющего горение с низким дымо- и газо- выделением. Поверх второго экрана может быть наложен обмоткой слой из электропроводящей бумаги или электропроводящей полимерной ленты или слой электропроводящей водоблокирующей ленты, а токопроводящие жилы могут изготавливаться с продольной герметизацией из водоблокирующих лент, жгутов и нитей, закладываемых в промежутки между проволоками при скрутке жилы.
Новый признак заявленного технического решения полезной модели заключаются в изготовлении металлического экрана заявленного силового кабеля из металлических проволок, наложенных в два слоя с наложением между слоями металлических проволок слоя из электропроводящих или электропроводящих водоблокирующих лент с возможным наложением поверх этих лент полипропиленовой скрепляющей ленты.
В силовых кабелях на среднее и высокое напряжение уровень напряжения в несколько десятков и сотен кВ приводит к необходимости использования металлического экрана. Основным назначением металлического экрана является устранение электрического поля на поверхности кабеля. Экран формирует второй электрод конденсатора, образуемого кабелем (первым является токопроводящая жила кабеля). Вторым назначением металлического экрана является обеспечение в кабеле поперечной герметизации для защиты его элементов, в том числе его изоляции, от влаги, т.к. одновременное воздействие влаги и сильного электрического поля приводит к появлению локальных пробоев (дендритов), что через некоторое время может привести к разрушению изоляционного материала).
Во время нормальной работы кабеля по его токопроводящей жиле протекает ток, ограниченный сопротивлением нагрузки. В случае соприкосновения токопроводящей жилы и металлического экрана при пробое изоляции (например, из-за перенапряжения в сети) или возникновения на нагрузке короткого замыкания, сопротивление нагрузки становится равным нулю, через металлический экран протекает значительный ток, ограниченный только сопротивлением токопроводящей жилы и экрана, которое много меньше сопротивления нагрузки, происходит быстрый разогрев жилы до значительной температуры, что приводит к деструкции изоляции и ее сгоранию. Чтобы пропустить этот значительный ток через металлический экран необходимо увеличить сечение экрана. Сечение металлического экрана обеспечивает допустимый ток короткого замыкания, для увеличения допустимого тока короткого замыкания необходимо увеличить площадь поперечного сечения экрана, т.к. с увеличением сечения уменьшается сопротивление экрана.
Определяется сечение медного экрана в зависимости от величины токов короткого замыкания и времени их действия, т.е. если энергосистемы требуют повышенного уровня токов короткого замыкания, а стандартный экран этого обеспечить не может (происходит деструкция изоляции и разрушение кабеля), необходимо значительно увеличить площадь поперечного сечения экрана. Для того чтобы выйти из ситуации, когда необходимо наложить большое сечение металлического проволочного экрана, а номинальное сечение кабеля этого не позволяет, тогда необходимо наложение металлического экрана в два слоя. Для получения заявленного сечения экрана рассчитывается необходимое количество проволок с учетом ограничения диаметром проволоки, возможностями оборудования на производстве, условием компактности и уменьшением воздействия воздушного пространства. Для расчета количества проволок, необходимых для обеспечения необходимой площади поперечного сечения экрана воспользуемся формулой:
n×d>L окр, где
Lокр - длина окружности на которую наматывается проволока;
n - количество проволок (шт.);
d - диаметр (номинальное сечение) проволоки
если n×d получается больше, чем войдет на покрываемую поверхность, делается второй слой с расчетом расстояния, через которое накладываются проволоки, но не менее 8 мм:
Между слоями металлической проволоки накладывается слой из электропроводящих или электропроводящих водоблокирующих лент (для кабелей с индексом «r» и «2r») для распределения электрического поля между слоями, для скрепления каждого слоя проволоки, чтобы в промежутки между витками не западали проволоки верхнего слоя, в целях сохранения регламентированного расстояния между проволокам (8 мм) и в целях дополнительной защиты металлического экрана от влаги, если это электропроводящая водоблокирующая лента.
Поверх электропроводящих и электропроводящих водоблокирующих лент допускается наложение скрепляющей полипропиленовой ленты.
На фиг. 1 изображен разрез заявленной конструкции кабеля силового на высокое напряжение.
На многопроволочную круглую или секторную токопроводящую жилу 1 обмоткой накладывается слой из электропроводящей полимерной ленты 2; затем методом экструзии накладывается первый экран 3 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 4 из композиции сшитого полиэтилена, служащая основным электроизоляционным элементом и выдерживающая воздействие электрического поля.
Поверх изоляции методом экструзии накладывается второй экран 5 из электропроводящей сшитой композиции полиэтилена, служащий для равномерного распределения напряженности между изоляцией и металлическим экраном.
Поверх второго экрана по изоляции 5 может быть наложен обмоткой слой 6 из электропроводящей бумаги и электропроводящей полимерной ленты или водоблокирующей ленты, служащий защитой от механического повреждения второго электропроводящего экрана, а также служащий для выравнивания электрического поля в кабеле.
Поверх обмотки из электропроводящей ленты накладывается двухслойный металлический экран: 7а - первый слой, 7б - второй слой, 7с - электропроводящий (электропроводящий водоблокирующий) слой, основным назначением металлического двухслойного экрана является равномерное распространение нулевого потенциала по поверхности изоляции кабеля и пропускание значительных токов короткого замыкания. Металлический экран выполняется из металлических проволок (медных, алюминиевых или алюминиевого сплава), скрученных в одном направлении, поверх которых в противоположном направлении методом обмотки с обеспечением электрического контакта наложена металлическая лента (медная, алюминиевая или алюминиевого сплава).
Поверх металлического экрана методом обмотки накладывается разделительный слой 8, необходимый для предотвращения затекания материала оболочки между проволок экрана в процессе изготовления.
Поверх разделительного слоя может накладываться ламинированная алюмополимерная лента 9.
Затем накладывается внутренняя оболочка 10 из ПВХ пластиката, не распространяющего горение, полимерной композиции, не содержащей галогенов или из полиэтилена. Кабель также может быть бронированным, в этом случае поверх внутренней оболочки, служащей в этом случае подушкой под броню, накладывается броня 11 из алюминиевых проволок или проволок из алюминиевого сплава.
Поверх разделительного слоя или поверх внутренней оболочки или наложенной брони методом экструзии накладывается наружная оболочка 12 из полиэтилена высокой плотности, либо композиции из ПВХ пластиката пониженной горючести, либо ПВХ пластиката не распространяющего горение с низким дымо- и газо- выделением, либо из безгалогенной композиции.
Кабель электрический может быть выполнен в исполнении «г» и содержать поверх второго электропроводящего экрана слой из электропроводящей водоблокирущей ленты, а в качестве разделительного слоя содержать водоблокирующую ленту, что позволяет защищать кабель от распространения влаги. Кабель электрический может быть выполнен в исполнении «гж» и дополнительно к конструкции в исполнении «г» содержать герметизированную токопроводящую жилу, путем введения водоблокирующих нитей в процессе скрутки.
Кабель может быть выполнен в исполнении «2г» и «2гж» и дополнительно к конструкции в исполнении «г» или «гж» содержать поверх разделительного слоя обмотку с перекрытием из ламинированной алюмополимерной ленты.
Таким образом, поставленная задача в заявленной полезной модели решается за счет того, что металлический экран силового кабеля из медных или алюминиевых (алюминиевого сплава) проволок накладывается в два слоя с наложением между слоями из металлической проволоки слоя из электропроводящих лент или водоблокирующих электропроводящих лент, что характерно для любого варианта предложенной конструкции заявленной полезной модели.
Конструкции заявленной полезной модели успешно опробованы в условиях производства.
1. Силовой кабель на среднее (от 6 кВ) и высокое напряжение (до 330 кВ), содержащий как минимум одну медную или алюминиевую токопроводящую жилу, содержащий наложенный экструзией на токопроводящую жилу экран из электропроводящей сшитой полимерной композиции, изоляцию из сшитого полиэтилена, второй экструдированный экран из электропроводящей сшитой полиэтиленовой композиции, металлический экран, обмотанный спирально наложенной металлической лентой, разделительный слой и наружную оболочку, отличающийся тем, что экран из металлических проволок выполнен в два слоя с наложением между слоями металлической проволоки слоя из электропроводящих лент.
2. Силовой кабель по п. 1, отличающийся тем, что металлический экран выполнен либо из медных, либо из алюминиевых (или алюминиевого сплава) проволок с обмоткой либо медной, либо алюминиевой (или алюминиевого сплава) лентой соответственно.
3. Силовой кабель по п. 1, отличающийся тем, что поверх первого слоя экрана из металлической проволоки наложен слой из электропроводящих водоблокирующих лент.
4. Силовой кабель по пп. 1 и 3, отличающийся тем, что поверх электропроводящих или электропроводящих водоблокирующих лент металлического экрана наложена скрепляющая полипропиленовая лента.
5. Силовой кабель по п. 1, отличающийся тем, что в экран из металлических проволок встроен распределительный волоконно-оптический датчик температуры.
6. Силовой кабель по п. 1, отличающийся тем, что между разделительным слоем и наружной оболочкой расположена либо внутренняя оболочка, либо внутренняя оболочка и броня из проволок алюминия илиалюминиевого сплава, либо внутренняя оболочка и ламинированная алюмополимерная лента.
7. Силовой кабель по п. 1, отличающийся тем, что на токопроводящую жилу наложена обмотка по токопроводящей жиле из электропроводящей ленты.
8. Силовой кабель по п. 1, отличающийся тем, что внутренняя оболочка выполнена из полиэтилена, либо из ПВХ пластиката, не распространяющего горение, либо из полимерной композиции, не содержащей галогенов.
9. Силовой кабель по п. 1, отличающийся тем, что наружная оболочка кабеля выполнена либо из полиэтилена высокой плотности, либо из ПВХ пластиката, не распространяющего горение, либо из ПВХ пластиката, не распространяющего горение с низким дымо- и газовыделением.
10. Силовой кабель по пп. 1-9, отличающийся тем, что поверх второго экрана наложен обмоткой слой из электропроводящей бумаги или электропроводящей полимерной ленты или слой электропроводящей водоблокирующей ленты.
11. Силовой кабель по пп. 1-10, отличающийся тем, что изготавливается с продольной герметизацией токопроводящей жилы из водоблокирующих лент, жгутов и нитей, закладываемых в промежутки между проволоками при скрутке жилы.
