Кабель

Полезная модель относится к кабельной технике, к передаче энергии на большие расстояния переменным и постоянным токами. Техническим результатом полезной модели является обеспечение возможности увеличения активного сечения токоведущей жилы кабеля переменного тока для согласования ее с реальной пропускной способностью кабельной линии при улучшении условий охлаждения кабеля, уменьшение габаритных размеров кабеля, устранение ограничений на длину кабельных линий переменного тока, обеспечение возможности передачи электроэнергии по кабельным линиям до нескольких сотен километров и более. Технический результат достигается тем, что токоведущая жила кабеля выполнена с кольцевым сечением.

Полезная модель относится к кабельной технике, к передаче энергии на большие расстояния переменным и постоянным токами.

Известен силовой гибкий кабель, содержащий токопроводящие жилы и оболочку, жилы расположены в выступах оболочки с возможностью свободного перемещения. Патент Российской Федерации №1728889, МПК: Н 01 В 7/04, 1992 г.

Кабель выдерживает большие продольные нагрузки при сохранности токопроводящих жил, но не позволяет передавать электроэнергию на большие расстояния из-за возникновения различного рода электрических помех.

Известен оптический кабель для подводной кабельной связи, содержащий оптические волокна, расположенные в заполненной слоем нейлона металлической гофрированной оболочке, металлическую оплетку и центральный стальной провод. Патент Российской Федерации №2017246, МПК: Н 01 В 7/24, 1994 г.

Кабель выдерживает большие продольные нагрузки при сохранности светопроводящих жил, но не позволяет передавать электроэнергию на большие расстояния.

Известен кабель, содержащий в поперечном сечении две подобласти материалов, один из которых проводник, другой - диэлектрик, причем по длине кабеля в каком-либо месте выполнена по крайне мере одна полость. Патент Российской Федерации №2144710, МПК: Н 01 В 7/00, 2000 г. (прототип). В данном случае наличие некоторой полости позволяет определять обрывы в кабеле. Как и предыдущие аналоги, прототип не позволяет передавать электроэнергию на переменном токе на большие расстояния.

Задачей изобретения является создание кабеля, экономично передающего электроэнергию на переменном токе на большие расстояния.

Техническим результатом полезной модели является обеспечение возможности увеличения активного сечения токоведущей жилы кабеля переменного тока для согласования ее с реальной пропускной способностью кабельной линии при улучшении условий охлаждения кабеля, уменьшение габаритных размеров кабеля, устранение ограничений на длину кабельных линий переменного тока, обеспечение возможности передачи электроэнергии по кабельным линиям до нескольких сотен километров и более.

Технический результат достигается тем, что в кабель, содержащий в поперечном сечении, по крайней мере, две подобласти материалов, один из которых токоведущая жила, другой изоляция, снабжен проводящей защитной оболочкой, а токоведущая жила выполнена с кольцевым сечением.

Поперечные размеры сечения кабеля удовлетворяют условиям:

R₁ -_- внешний радиус токоведущей жилы,

R₀ - внутренний радиус кабеля, жилы,

=R₁-R₀. толщина токоведущей жилы кабеля.

R₂ - внешний радиус изоляции (внутренний радиус оболочки)

F _A - активное сечение токоведущей жилы кабельной линии,

, коэффициент заполнения сечения токоведущей жилы активным материалом (например, К_з=0,9),

Внутри токоведущей жилы расположен оптоволоконный материал.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1-6.

На фиг.1 схематично представлено поперечное сечение кабеля с полым проводником, где: R₀ - внутренний радиус кабеля, R ₁ - внешний радиус токоведущей жилы, R₂ - радиус оболочки =R₁-R₀. - толщина токоведущей жилы кабеля.

На фиг.2 Приведены зависимости радиусов токоведущей жилы от ее активного сечения F _A:

1 - зависимость внешнего радиуса токоведущей жилы R₁,

2-7: зависимости радиуса оболочки кабеля R₂, обеспечивающей необходимую электрическую прочность его изоляции для разных классов напряжений: 2 - для напряжения 110 кВ, 3 - для напряжения 220 кВ, 4 - для напряжения 330 кВ, 5 - для напряжения 500 кВ, 6 - для напряжения 750 кВ, 7 - для напряжения 1150 кВ.

На фиг.3 приведены зависимости необходимой толщины изоляции кабелей от разных классов напряжений:

8 - для напряжения 110 кВ, 9 - для напряжения 220 кВ, 10 - для напряжения 330 кВ, 11 - для напряжения 500 кВ, 12 - для напряжения 750 кВ, 13 - для напряжения 1150 кВ.

На фиг.4 приведены зависимости объема изоляции от активного сечения токоведущей жилы кабеля, необходимого для обеспечения надежной его работы для классов напряжения:

14 - для напряжения 110 кВ, 15 - для напряжения 220 кВ, 16 - для напряжения 330 кВ, 17 - для напряжения 500 кВ, 18 - для напряжения 750 кВ, 19 - для напряжения 1150 кВ.

На фиг.5 представлены зависимости от класса напряжения:

20 - внешнего радиуса R₁ токоведущей жилы кабеля, 21 - радиуса оболочки кабеля R₂ , 22 - отношения максимального тока к натуральному току при оптимальной конструкции кабеля.

На фиг.6 представлены зависимости активных сечений токоведущих жил кабелей от класса напряжения, соответствующих:

23 - минимальному радиусу оболочки кабелей R _2.мин,

24 - 1,1 минимального радиуса оболочки кабелей R_2мин. для нижней границы оптимальных сечений F_A токоведущей жилы кабеля.

25 - 1,1 минимального радиуса оболочки кабелей R_2мин. для верхней границы оптимальных сечений F_A токоведущей жилы кабеля.

Рассмотрим электрические параметры и работу однофазного коаксиального кабеля с полиэтиленовой изоляцией. Активное сечение токоведущей жилы кабельной линии определяется максимальным передаваемым по линии током I_MAKC и допустимой плотностью тока в токоведущей жиле J _доп

Активное сопротивление токоведущей жилы кабеля равно

где _t - удельное сопротивление при соответствующей температуре нагрева t токоведущей жилы, l - длина линии, К _Д - коэффициент добавочных потерь, определяемый поверхностным эффектом (см. табл.1).

При заданном активном сечении токоведущей жилы кабеля внешний ее радиус может быть определен согласно соотношению

где коэффициент 0,9 учитывает зазоры между отдельными жилками токоведущей жилы. Значения радиусов R ₁ при различных сечениях токоведущей жилы приведены в табл.1

Погонная емкость кабеля (на единицу его длины) равна

где R₂ - радиус оболочки кабеля, _И - относительная диэлектрическая проницаемость изоляции кабеля.

Погонная индуктивность однофазного кабеля

Радиус R₂ - определяется из условия ограничения максимальной напряженности электрического поля в изоляции кабеля Е_макс, которая имеет место на поверхности токоведущей жилы. С учетом (3) получаем

И необходимое отношение R₂ /R₁ согласно (4) и (6) определяется по формуле

Величины погонных емкости и индуктивности одножильного кабеля через электрические параметры кабеля U _Ф и Е_макс, а также активное сечение токоведущей жилы:

Таким образом, при заданном рабочем напряжении увеличение активного сечения токоведущей жилы приводит к значительному росту емкости кабеля и уменьшению его индуктивности, напряжения. Волновое сопротивление кабельных вдоль линий Z:

Скорость распространения электромагнитных волн вдоль кабельных линий v_к:.

Волновое сопротивление кабельной линии увеличивается при увеличении рабочего напряжения (при заданном сечении токоведущей жилы) из-за увеличения толщины изоляции кабеля и уменьшается при увеличении активного сечения токоведущей жилы (при заданном рабочем напряжении).

Скорость распространения электромагнитной волны по кабельным линиям меньше, скорости ее распространения по воздушным из-за изменения изоляционной среды. Для полиэтиленовой изоляции _И2,2. Соответственно волновая длина кабельных линий значительно больше, чем воздушных при одинаковой физической длине l:

Параметры кабельных линий классов напряжения 110 кВ и 220 кВ приведены в табл.1 и 2 для различных сечений токоведущей жилы однофазного кабеля, прокладываемого под водой, при допустимой плотности тока J_ДОП=2 А/мм ².

Волновые сопротивления кабельных линий низки и уменьшаются при увеличении активного сечения токоведущей жилы, а при увеличении рабочего напряжения кабеля Z значительно увеличивается. При этом скорость распространения электромагнитной волны вдоль кабельных линий примерно в 1,5÷2 раза меньше, чем вдоль воздушных линий. Соответственно, волновые длины кабельных линий в 1,5÷2 раза больше, чем воздушных, при одинаковой физической длине этих линий.

В табл.2 и табл.3 приведены также значения натуральных токов кабельных линий и допустимых токов по нагреву проводов по формуле (1). Как видно, допустимые по нагреву проводов токи в кабельных линиях с обычными сечениями токоведущих жил значительно меньше натуральных токов тех же линий.

По кабельным линиям может передаваться мощность, значительно меньшая их натуральной мощности. Это обстоятельство определяет дополнительное ограничение передаваемой мощности по кабельным линиям, поскольку при Р<Р _н кроме тока нагрузки по линии протекает емкостный ток. При наличии компенсаторов избыточной реактивной мощности на обоих концах линий этот добавочный емкостный ток посередине линии равен нулю, а по концам достигает максимума. В результате суммарный ток по концам кабельных линий оказывается значительно больше передаваемого.

При увеличении активного сечения токоведущей жилы кабеля отношение I_доп/I _н увеличивается, что приводит к более благоприятным условиям работы кабельных линий, поскольку при этом уменьшается емкостная составляющая тока. Увеличение активного сечения токоведущей жилы кабеля ограничено условиями охлаждения кабеля и увеличением коэффициента добавочных потерь (см. табл.1). При увеличении активного сечения токоведущей жилы увеличивается ее толщина от оси до поверхности, что затрудняет теплоотвод и увеличивает поверхностный эффект. Поэтому обычный радиус цилиндрической токоведущей жилы кабеля ограничивают 15 мм.

Рассмотрим возможности кабеля с неизменной допустимой по условиям теплоотвода и поверхностного эффекта толщиной токоведущей жилы кабеля .

Увеличение активного сечения токоведущей жилы не приводит к ухудшению теплоотвода и глубины проникновения электромагнитной волны. Следовательно, коэффициент добавочных потерь сохранится на таком же уровне, как для сплошной токоведущей жилы с радиусом жилы R=. Активное сечение такой токоведущей жилы определится соотношением:

где R₀ - радиус внутренней поверхности токоведущей жилы, =R₁-R₀. Из соотношения (13) определен внешний радиус токоведущей жилы в зависимости от активного ее сечения F_A и толщины проводящего слоя

и соответственно внутренний ее радиус

Как следует из формулы (14), внешний радиус токоведущей жилы такого кабеля линейно возрастает при увеличении ее активного сечения, тогда как при обычной конструкции токоведущей жилы ее радиус согласно формуле (3) увеличивается пропорционально , т.е. значительно медленнее.

Подставляя полученное выражение для радиуса R₁ в формулу (7), получаем другое выражение для логарифма отношения R ₂/R₁

Соответственно изменяются все формулы для электрических параметров кабельной линии:

Зависимость внешнего радиуса токоведущей жилы кабеля от ее активного сечения, при =15 мм, приведена на фиг.2. Там же приведены зависимости радиуса оболочки кабеля R₂ от активного сечения жилы, при Е_МАКС=8 кВ/мм:

Для кабельных линий класса 330 кВ и выше эти зависимости имеют минимум, причем уменьшение радиуса оболочки при увеличении активного сечения токоведущей жилы свыше 1000 мм² значительно, и чем выше класс напряжения, тем больше это уменьшение, т.к. при увеличении радиуса токоведущей жилы уменьшается напряженность электрического поля на ее поверхности, что приводит к уменьшению необходимой толщины изоляции.

Уменьшение радиуса оболочки при увеличении радиуса токоведущей жилы приводит и к уменьшению толщины изоляции кабеля

возрастающему при увеличении класса напряжения кабеля (см. фиг.3). Уменьшение толщины изоляции кабеля существенно увеличивает теплоотдачу в окружающую кабель среду и таким образом способствует улучшению условий охлаждения кабеля. Уменьшение необходимой толщины изоляции кабеля приводит также к уменьшению объема изоляции при увеличении активного сечения токоведущей жилы

где V_ИЗ.0 - объем изоляции, отнесенный к единице длины кабеля (см. фиг.4). Таким образом, увеличение активного сечения токоведущей жилы кабелей высших классов напряжения не только приводит к увеличению пропускной способности кабелей, но и улучшает их технико-экономические показатели. Оптимальное значение радиуса токоведущей жилы кабеля равно:

Оптимальное значение радиуса оболочки равно:

где е - основание натуральных логарифмов. Зависимости радиусов токоведущей жилы и оболочки кабеля оптимальной конструкции от класса напряжения приведены на фиг.5.

При оптимальном отношении радиусов оболочки и внешней поверхности жилы , все соотношения для параметров кабельной линии упрощаются:

где подставлено значение _И=2,2.

Волновое сопротивление кабельной линии при оптимальном отношении R₂ /R₁ в 5÷8 раз меньше, чем у воздушных линий традиционного исполнения. Соответственно пропускная способность кабельных линий оптимальной конструкции в 5÷8 раз выше, чем у воздушных линий традиционного исполнения. Скорость распространения электромагнитной волны вдоль кабельных линий оптимальной конструкции составит 1,81×10⁸ м/с

Таким образом, электромагнитная волна распространяется вдоль кабельной линии оптимальной конструкции со скоростью, равной 60% от скорости света. Соответственно волновая длина кабельной линии оптимальной конструкции составит 1,66 . на 66% больше волновой длины линии традиционного исполнения.

Активное сечение токоведущей жилы кабеля оптимальной конструкции согласно (13) и (23) равно:

и погонный объем его изоляции (объем изоляции на единицу длины кабеля) согласно (22) и (23) равен

Необходимо отметить, что зависимости R ₂=f(F_A) вблизи минимума изменяются очень незначительно, особенно в сторону больших значений F _A. В связи с этим целесообразно определить область изменения значений F_A, в которой радиус оболочки R₂ незначительно отличается от минимального, например, не более, чем на 10% (см. фиг.2 и 6). Как следует из фиг.6, область оптимальных сечений токоведущих жил кабелей, в пределах которой радиус их оболочки отличается от минимального не более, чем на 10%, очень широка, что позволяет создавать широкую номенклатуру кабелей необходимой пропускной способности. Кабели с сечениями токоведущих жил, выходящих за пределы, ограниченные линиями 23 и 25 на фиг.6 имеют худшие технико-экономические показатели. В табл.4÷8 приведены параметры кабелей разных классов напряжения оптимальной конструкции.

Таблица 4Параметры однофазного кабеля 220 кВ с медной токоведущей жилой оптимальной конструкции
FA, мм2		R 2, мм		С0 , мкФ/км		z, Ом		vк, км/с		Iн, А		I макс, А				Рдоп , МВт
750		43		0,124		44,1		1,80 103		2880		1500		0,52		491.6
1000		43,9		0,146		40,1		1,77 105		3340		2000		0,60		701,1
1250		45,4		0,168		33,6		1,74 105		3780		2500		0,66		900,2
1500		47,3		0,190		30,1		1,71 105		4219		3000		0,71		1108,8
Таблица 5 Параметры однофазного кабеля 330 кВ с медной токоведущей жилой оптимальной конструкции
F A, мм2	R2, мм		R 0, мм		С0 , мкФ/км		z, Ом		vк, км/с		Iн, А		I макс, А				Рдоп, МВт
750	70,2		1,3		0,082		63,8		1,86 105		2986		1500		0,5		720,1
1000	66,3		4,3		0,097		54,8		1,84 105		3476		2000		0,58		1040
1250	64,7		7,2		0,112		48,2		1,82 10		3952		2500		0,63		1350,4
1500	64,8		10,2		0,127		43		1,80 105		4430		3000		0,68		1645,9
1750	65,6		13,1		0,141		39		1,77 105		4885		3500		0,72		1932
2000	66,8		16,0		0,156		35,7		1,76 105		5336		4000		0,75		2240,3
2250	68,5		19,0		0,171		33,7		1.73 105		5653		4500		0,79		2510
2500	70,3		22,0		0,186		30,8		1,71 105		6185		5000		0,81		2800,4
2750	72,5		24,9		0,201		28,8		1,69 105		6615		5500		0,83		3100

Таблица 6Параметры однофазного кабеля 500 кВ с медной токоведущей жилой оптимальной конструкции
FA, мм 2	R2, мм	R0, мм	С0, мкФ/км	z, Ом	vк, км/с			Iн, А		Iмакс, А					Рдоп , МВт
1500	105	10,2	0,084	62,8	1,86 10 5			4597		3000			0,65		249
2000	99,3	16	0,103	51,8	1,83 105			5573		4000			0,72		336
2500	98,1	22	0,123	44,2	1,80 105			6532		5000			0,765		424
3000	99,7	27,8	0,142	38,8	1.77 105			7440		6000			0,806		514
3500	102,1	33,7	0,162	34,6	1,74 105			8344		7000			0,84		602
4000	105,6	39,6	0,182	31,3	1,72 105			9224		8000			0,87		690
4500	109,8	45,5	0,201	28,7	1,69 105			10059		9000			0,895		776
Таблица 7 Параметры однофазного кабеля 750 кВ с медной токоведущей жилой оптимальной конструкции
F A, мм2	R 2, мм	R0, мм	С0, мкФ/км	z, Ом	vк , км/с		Iн , А				Iмакс, А						Рдоп, МВт
3000	151	27,8	0,095	56	1,84 105		7743				6000	0,77					7638
4000	145	39,6	0,123	45	1,80 105		9644				8000	0,83					10300
5000	150	51,4	0,147	38	1,77 105		11470				10000	0,87					12910
6000	156	63,2	0,174	33	1,75 105		13262				12000	0,88					15522
Таблица 8Параметры однофазного кабеля 1150 кВ с медной токоведущей жилой оптимальной конструкции
FA, мм2	R2, мм	R 0, мм	С0, мкФ/км	z, Ом	v к, км/с	I н, А			Iмакс , А							Рдоп , МВт
4000	250	39,6	0,079	66.4	1,87 10 5	10010			8000					0,80		15712
5000	232	51,4	0,096	55,4	1,84 10 5	12000			10000					0,83		19720
6000	226	63,2	0,113	47,7	1,82 10 5	13900			12000					0,86		23735
7000	226	74,9	0,130	41,9	1,79 10 5	15846			14000					0,884		27746
8000	230	86,7	0,146	37,7	1,77 10 5	17600			16000					0,91		31770
9000	236	98,5	0,164	34,3	1,74 10 5	19359			18000					0,93		35780
10000	243	110	0,1805	31,6	1,72 10 5	21012			20000					0,95		39757

Анализ параметров кабельных линий показал, что по кабельным линиям может быть передана любая мощность при приемлемых размерах кабелей и при высоких отношениях допустимой передаваемой мощности к натуральной мощности кабельной линии. При этом целесообразно создавать кабели с увеличенным активным сечением токоведущей жилы, по сравнению с используемыми в настоящее время, при ограничении толщины токоведущей жилы . Свободную полость внутри токоведущей жилы таких кабелей использют для их охлаждения, например путем прокачки по внутренней полости токоведущей жилы, охлаждающей жидкости. Размеры внутренней полости кабелей больших сечений достаточно велики (см. данные по R₀ в табл.4-8).

Если внутри кабеля расположить оптические волокна, то его можно использовать и как силовой, и как оптический кабель.

1. Кабель, содержащий в поперечном сечении, по крайней мере, две подобласти материалов, один из которых токоведущая жила, другой изоляция, отличающийся тем, что он снабжен проводящей защитной оболочкой, а токоведущая жила выполнена с кольцевым сечением.

2. Кабель, по п.1, отличающийся тем, что поперечные размеры сечения кабеля выбраны из условиий:

где R₁ - внешний радиус токоведущей жилы;

R₀ - внутренний радиус кабеля, жилы;

=R₁-R₀ - толщина токоведущей жилы кабеля;

R₂ - внешний радиус изоляции (внутренний радиус оболочки);

F _A - активное сечение токоведущей жилы кабельной линии.

К_а=1/К_з, коэффициент заполнения сечения токоведущей жилы активным материалом,

3. Кабель, по п.1, отличающийся тем, что внутри токоведущей жилы расположен оптоволоконный материал.