Кабель электрический силовой

Предложена конструкция электрического силового кабеля с изолированными токопроводящими жилами и заполнением промежутков между ними, применяемого для передачи электрической энергии. С целью повышения эксплуатационных характеристик кабеля в качестве заполнителей промежутков между изолированными жилами он содержит жгуты из микрокрепированной бумаги удельной массой (60-80) г/м ², плотностью (0,65-0,75) г/см³ и энергией разрыва в машинном направлении (150-350) Дж/м ², изготавливаемой из сульфатной хвойной небеленой целлюлозы. Новый кабель высокотехнологичен и обладает повышенным качеством и надежностью, особенно при использовании жгутов-заполнителей из бумаги-основы кабельной микрокрепированной марки БКМ, проклеенной канифольным клеем.

Полезная модель относится к кабельной технике, а именно к конструкциям силовых кабелей высокого напряжения, применяемых для передачи электрической энергии.

Известны конструкции силовых кабелей - аналоги (Барнес С. Силовые кабели. Москва, «Энергия», 1971 г.), применяемые для передачи и распределения электроэнергии, состоящие из токопроводящих жил, скрученных из гладких мягких медных или алюминиевых проволок, изоляции из пропитанных маслом бумажных лент и влагонепроницаемой металлической оболочки, наложенной поверх одной или нескольких изолированных жил. Металлическая оболочка в случае необходимости (определяется условиями прокладки кабеля) защищается стальной броней.

Известны также конструкции многожильных кабелей (фиг.): «Кабели силовые с пропитанной бумажной изоляцией» по ГОСТ 18410-73, год ввода 1975, Россия, и «Кабели силовые с пластмассовой изоляцией» по ГОСТ 16442-80, год ввода 1982, Россия.

Изоляция данных кабелей состоит из изоляции 2 вокруг каждой жилы (фазная изоляция) и изоляции 4 вокруг скрученных изолированных жил (поясная изоляция). Изолированные жилы многожильных кабелей-аналогов скручиваются с заполнением 3 промежутков между жилами.

Заполнение промежутков между изолированными жилами необходимо для устранения воздушных полостей, приводящих к преждевременному

выходу из строя силового кабеля (пробою), для придания кабелю круглой формы и обеспечения равномерности электрического поля, увеличения электрической прочности изоляции.

В кабелях силовых с пропитанной бумажной изоляцией по ГОСТ 18410-73 фазная и поясная изоляция изготавливаются из кабельной бумаги марки К и КМ по ГОСТ 23436-83, год ввода 1985, Россия, толщиной 120 или 140 мкм. В качестве заполнителей промежутков между изолированными токопроводящими жилами используются жгуты из кабельной бумаги марки К и КМ толщиной не более 80 мкм.

В кабелях силовых с пластмассовой изоляцией по ГОСТ 16442-80 в качестве заполнителей промежутков между изолированными токопроводящими жилами используются шнуры или жгуты из ПВХ-пластиката, полиэтилена, невулканизированной резины, джутовой пряжи или другого равноценного материала, например, из кабельной бумаги.

Применение кабелей с бумажным заполнением промежутков между изолированными жилами обусловлено тем, что бумага химически стабильна, стойка к воздействию электрических полей, может длительно работать при повышенных температурах (70-85°С), более технологична и экономична по сравнению с другими типами изоляционных материалов (пластмассы, резина), применяемых в кабелях для передачи электроэнергии.

Ближайшим по своим параметрам к полезной модели является «Кабель электрический силовой» по патенту РФ №50039, опубликованному 10.12.2005 г. (прототип).

Фазная и поясная изоляция кабеля по прототипу изготавливается из лент микрокрепированной бумаги, которая отличается от обычной кабельной бумаги повышенной энергией разрыва в машинном направлении. Поэтому бумажная изоляция кабеля по прототипу на основе микрокрепированной бумаги имеет большую стойкость к надрывам и растрескиванию при изгибе кабеля по сравнению с аналогами.

В кабеле по прототипу в качестве заполнителей промежутков между изолированными токопроводящими жилами используются жгуты из кабельной бумаги марки К-080 и КМ-080 толщиной 80 мкм по ГОСТ 23436-83, характеристики которой приведены в таблице 1. Кабельная бумага изготавливается цвета натурального волокна из сульфатной небеленой целлюлозы хвойных пород древесины или хвойной целлюлозы с добавлением целлюлозы лиственных пород по нормативно-технической документации. Добавление целлюлозы лиственных пород древесины снижает стоимость кабельной бумаги, но при этом снижаются прочностные характеристики бумаги, ее термостойкость и влагопрочность. Бумага выпускается машинной гладкости (с использованием машинного каландра). Кабельная бумага марки К - двухслойная, а КМ - трехслойная. Главный недостаток кабельной бумаги - низкие значения относительного удлинения в машинном направлении (2,5%), что существенно снижает технологичность и качество жгутов из данной бумаги и кабеля.

Электрический силовой кабель по прототипу (фиг.) изготавливается по следующей технологии. На медные или алюминиевые токопроводящие жилы 1 накладывается фазная изоляция 2 на изолировочных лентообмоточных машинах.

Количество бумажных лент и толщина фазной изоляции зависят от марки кабеля (номинального напряжения) и толщины бумаги. В фазной изоляции используется бумага-основа кабельная микрокрепированная марки БКМ-120 или БКМ-140 по ТУ 5433-004-50289046-2005, год ввода 2005, Россия. Изолированные и промаркированные жилы поступают на общую скрутку с заполнением промежутков между жилами бумажными жгутами 3. Бумажный жгут изготавливается из кабельной бумаги К-080 или КМ-080. Кабельная бумага нарезается на бумагорезательной машине на ролики шириной (40÷60) мм в зависимости от марки жгута: Ж-2; Ж-3; Ж-4. При резке бумага смачивается водой для облегчения процесса скрутки жгутов. Жгуты из смоченной в воде бумаги имеют более круглое сечение и не раскручиваются в процессе их изготовления и наложения на кабель. Ролики смоченной бумаги поступают на бумагокрутильные машины, где получаются бумажные жгуты, смотанные в бобины.

Перед использованием в электрических кабелях бумажные жгуты в бобинах сушат на стеллажах при температуре (20÷30)°С в течение нескольких суток. Далее жгуты попадают на общую скрутку кабеля, где укладываются в промежутках между скручиваемыми изолированными жилами в натянутом состоянии. При слабой натяжке жгуты могут смещаться из промежутков между жилами в процессе их скрутки и кабель бракуется. Поверх скрученных изолированных жил и бумажных жгутов накладывается поясная изоляция 4

из бумажных лент определенной ширины. В поясной изоляции используется микрокрепированная бумага БКМ-120 или БКМ-140.

В кабелях на напряжение 6 и 10 кВ поверх поясной изоляции и в кабелях на напряжение 20 и 35 кВ на жилы и поверх изоляции накладывается экран 5 из электропроводящей бумаги. После этого кабель подвергается сушке-пропитке для удаления влаги и воздуха из бумажной изоляции, заполнителя и экрана и пропитки их диэлектрическим составом, например масляно-канифольным компаундом МП-2 (75% кабельного масла КМ-22 и 25% кабельной канифоли КНМК по массе).

Процессы сушки и пропитки бумажной изоляции, заполнителя и экрана являются взаимосвязанными процессами, так как влага из атмосферы быстро поглощается сухой бумагой, и поэтому эти два процесса производят одновременно, или пропитка производится немедленно после сушки без воздействия атмосферного воздуха. Последовательность операций сушки-пропитки кабелей:

- загрузка кабеля в вакуумный котел с паровой рубашкой;

- нагрев кабеля под вакуумом до температуры (120±3)°С пропусканием тока по жиле и пара в рубашке котла;

- предварительная сушка под вакуумом при температуре (125±5)°С;

- сушка под вакуумом при температуре (125±5)°С;

- впуск в котел с кабелем дегазированного пропиточного состава МП-2 под вакуумом при температуре (130±10)°С;

- пропитка кабеля под вакуумом при температуре (130±10)°С;

- пропитка кабеля при атмосферном давлении и температуре (130±10)°С;

- выгрузка кабеля из вакуумного котла;

- охлаждение кабеля до температуры (60-70)°С.

Пропитанная масляно-канифольным компаундом бумага является гигроскопичным материалом, и поэтому после сушки-пропитки на кабель поверх экрана накладывается влаго- и воздухонепроницаемая защитная металлическая оболочка 6 (свинцовая или алюминиевая).

Поверх металлической оболочки кабеля наносятся защитные покровы:

- подушка 7, состоящая из чередующихся слоев битума, полиэтилентерефталатной пленки и крепированной бумаги или нетканого полотна;

- броня 8 из стальных лент или проволоки;

- наружный покров 9 из битума с мелом или чередующихся слоев битума, полиэтилентерефталатной пленки, волокнистых материалов (стеклопряжи или пропитанной кабельной пряжи или пропитанной тканевой джутовой ленты), мела или пластмассовой оболочки (пластифицированный поливинилхлорид или полиэтилен).

К недостаткам прототипа следует отнести:

- пониженную механическую прочность и эластичность бумажного заполнения промежутков между жилами;

- повышенную неравномерность заполнения промежутков между жилами;

- наличие обрывов, пропусков, смещений заполнителя (бумажных жгутов);

- повышенную неравномерность напряженности электрического поля кабеля, приводящую к его преждевременному пробою;

- низкую технологичность кабеля при наложении бумажных жгутов из-за их повышенной жесткости и обрывности.

Все эти недостатки прототипа существенно снижают качество, надежность и технологичность кабелей.

Технической задачей полезной модели является разработка силовых электрических кабелей, не уступающих прототипу по основным характеристикам, но более технологичных, высококачественных и высоконадежных.

Технический результат достигается тем, что в качестве заполнителей промежутков между изолированными токопроводящими жилами кабель содержит жгуты из микрокрепированной бумаги удельной массой (60-80) г/м ², плотностью (0,65-0,75) г/см³ и энергией разрыва в машинном направлении (150-350) Дж/м ², изготавливаемой из сульфатной хвойной небеленой целлюлозы.

Общим признаком прототипа и предлагаемого технического решения является наличие бумажных жгутов, используемых для заполнения промежутков между изолированными токопроводящими жилами. В то же время предложенный кабель отличается от известного использованием бумажных жгутов из микрокрепированной бумаги удельной массой (60-80) г/м², плотностью (0,65-0,75) г/см ³ и энергией разрыва в машинном направлении (150-350) Дж/м ², изготавливаемой из 100%-ной сульфатной небеленой хвойной целлюлозы.

Преимущества нового кабеля:

- высокая механическая прочность и эластичность бумажного заполнения промежутков между изолированными жилами;

- равномерность заполнения и круглая форма поперечного сечения кабеля;

- отсутствие обрывов, смещений и пропусков бумажного заполнения;

- высокая технологичность при наложении бумажных жгутов и скрутке жил;

- высокое качество;

- снижение себестоимости кабеля.

Ограничения на выбор бумаги для изготовления жгутов накладывают условия изготовления жгутов и кабелей:

- механическая нагрузка на бумагу при резке ее на ленты шириной (40÷60) мм;

- механическая нагрузка на бумажные ленты при их скрутке в жгуты во влажном состоянии;

- сушка бумажных жгутов;

- механическая нагрузка на бумажный жгут (растяжение) во влажном состоянии при его наложении на кабель в промежутке между жилами.

На ограничения влияют также характеристики бумаги: толщина, плотность, пористость, разрушающее усилие и относительное удлинение в машинном направлении, влагопрочность, долговечность, стоимость; и бумажного жгута: диаметр, удельная масса пог. метра, прочность во влажном состоянии, эластичность, круглая форма поперечного сечения.

Толщина бумаги в пределах (90-110) мкм определяется конструкцией и диаметром жгута, требуемыми механическими характеристиками бумаги и жгута, технологией изготовления бумаги и жгута. Нижний предел по толщине бумаги ограничен ее прочностными характеристиками и технологией изготовления. При изготовлении бумаги толщиной менее 90 мкм в брак уходит более 50%. Верхний предел по толщине бумаги ограничен технологией изготовления жгутов. При толщине бумаги более 110 мкм жгут получается некачественным.

Плотность бумаги характеризует общее содержание целлюлозных волокон и должна быть в пределах (0,65-0,75) г/см³. Нижний предел по плотности бумаги ограничен ее прочностными характеристиками, а верхний предел - проницаемостью для диэлектрических составов. Чем больше плотность бумаги, тем более труден процесс ее сушки и пропитки. Жгуты из более плотной бумаги менее эластичны и менее технологичны.

Комплексным критерием механической прочности кабельной бумаги для жгутов является энергия разрыва (ТУ 5433-004-50289046-2005, год ввода 2005, Россия), определяемая расчетным путем по формуле:

Э=К×Р×L, Дж/м², где

К=0,41 - коэффициент для машинного направления;

К=0,48 - коэффициент для поперечного направления;

Р - разрушающее усилие, Н;

L - относительное удлинение, %.

Чем выше энергия разрыва, тем прочнее бумага. Из всех кабельных бумаг толщиной 80 мкм максимальную энергию разрыва имеет трехслойная кабельная

бумага марки КМ-080 (таблица 1) номинальной толщиной 80 мкм и плотностью 0,78 г/см³ . Тем не менее жгуты из бумаги КМ-080 имеют низкую прочность, особенно во влажном состоянии (таблица 2).

В связи с повышенной плотностью (0,76-0,78) г/см³ и пониженной воздухопроницаемостью кабельные бумаги марки К и КМ не достаточно хорошо пропитываются диэлектрическими составами с повышенной вязкостью. Для качественной сушки-пропитки кабеля со жгутами из бумаги КМ-080 требуются повышенные значения температуры и времени операций. Наиболее качественно кабельные бумаги пропитываются только масляно-канифольным составом МП-2. При использовании более вязких нестекающих пропиточных составов типа МП-5 и «Напелек» (Франция) может быть неполная пропитка бумажных жгутов на основе кабельной бумаги.

Жгуты из плотной кабельной бумаги КМ-080 получаются жесткими и некруглыми.

С целью исключения перечисленных недостатков авторами полезной модели предложено использовать для жгутов микрокрепированную бумагу марки БКМ по ТУ 5433-004-50289046-2005 толщиной (90-110) мкм и плотностью (0,65-0,75) г/см ³, изготавливаемую из 100%-ной хвойной сульфатной небеленой целлюлозы (табл.1).

Микрокрепированная бумага отличается от обычной крепированной очень мелким крепом, почти незаметным для невооруженного глаза, поэтому толщина ее практически равна толщине некрепированной бумаги-основы. Эту бумагу в отличие от крепированной невозможно растянуть вручную. Микрокрепирование бумаги осуществляется в сушильной части бумагоделательной

машины с использованием «бесконечной» резиновой ленты или обрезиненного вала. При этом влажность бумажного полотна составляет (30-40)%. Микроскладки на бумажном полотне образуются за счет разницы скоростей металлического и обрезиненного валов, между которыми проходит полотно, их прижима и за счет упругих свойств резины.

Преимущества в свойствах, которыми обладает микрокрепированная бумага, объясняются приданием волокнам повышенных упругопластических свойств и высокой гибкости за счет их предварительной деформации в процессе крепирования без разрушения структуры бумаги, как при макрокрепировании. Одним из основных отличительных свойств микрокрепированной бумаги является ее повышенная растяжимость (удлинение) в машинном направлении, которая в 4-5 раз выше, чем у кабельной бумаги. Микрокрепированная бумага в сравнении с кабельной некрепированной бумагой имеет более низкую прочность на разрыв в машинном направлении (в 1,2-1,5 раза). Однако, благодаря высокой степени удлинения, на практике она оказывается лучшей, чем более прочная на разрыв, но менее растяжимая кабельная бумага. Это обусловлено высокой динамической прочностью (энергией разрыва) микрокрепированной бумаги. Энергия разрыва микрокрепированной бумаги марки БКМ в машинном направлении в два раза выше, чем у кабельной бумаги марки КМ такой же толщины, поэтому бумага БКМ и жгуты из нее способны выдерживать гораздо большие растягивающие и динамические нагрузки.

Динамическая прочность и эластичность бумажных жгутов являются их наиболее важными эксплуатационными свойствами. Жгуты из микрокрепированной

бумаги обеспечивают ровное и качественное заполнение промежутков между изолированными жилами кабеля без образования воздушных полостей в изоляции. Это способствует повышению электрической прочности и надежности бумажной изоляции. Одновременно исключаются надрывы и обрывность бумажных лент в процессе изготовления жгутов, а также обрывность жгутов и их смещение при наложении на кабель.

Микрокрепированная бумага марки БКМ имеет высокую стойкость к механическим повреждениям (надрывам, порезам, проколам, сдирам), является влагостойкой и термостойкой, имеет небольшую стоимость, поэтому в наибольшей степени удовлетворяет перечисленным выше требованиям.

Жгуты из бумаги марки БКМ остаются гибкими и эластичными после пропитки диэлектрическими составами.

С целью улучшения условий пропитки диэлектрическими составами Микрокрепированная бумага изготавливается пониженной плотности (0,65-0,75) г/см³. При понижении плотности бумаги или повышении ее пористости температура пропитки снижается на (10-15)°С, а бумажное заполнение полностью и качественно пропитывается более вязкими нестекаемыми составами. При снижении температуры пропитки бумажное заполнение и диэлектрический состав в меньшей степени подвержены окислительным деструктивным процессам, увеличивая срок службы кабеля. При использовании менее плотной бумаги бумажные жгуты впитывают в себя большее количество пропиточного состава, у которого диэлектрические свойства существенно выше, чем у бумаги, поэтому кабель с заполнением из микрокрепированной

бумаги пониженной плотности имеет более высокие диэлектрические характеристики изоляции.

Для увеличения механической прочности, особенно во влажном состоянии, микрокрепированная бумага может выпускаться с проклейкой канифольным клеем до (0,5-1,0)% по массе, которая не ухудшает диэлектрические свойства бумаги. Канифольный клей изготавливается на основе живичной очищенной канифоли, применяемой в диэлектрическом пропиточном составе МП-2.

Микрокрепированная высокопористая поверхность бумаги способствует удержанию вязкого диэлектрического состава МП-2 от перетекания вдоль кабеля на наклонных участках трассы.

Технология изготовления жгутов из микрокрепированной бумаги и кабеля на их основе существенно не отличается от технологии изготовления жгутов и кабеля по прототипу.

Сущность предлагаемой полезной модели иллюстрируется следующими примерами.

В таблице 1 приведены варианты образцов кабельной и микрокрепированной бумаги и их основные характеристики, в таблице 2 - варианты образцов жгута марки Ж-2 (РД 16.14.507-86, год ввода 1986, Россия) из кабельной и микрокрепированной бумаги и их основные характеристики, а в таблице 3 - сравнительные показатели качества образцов электрокабеля марки ААШв на 10 кВ с заполнением из микрокрепированной бумаги и кабеля марки ААШв на 10 кВ по прототипу с заполнением из кабельной бумаги КМ-080.

Жгут для новой конструкции кабеля изготавливали из микрокрепированной бумаги разной толщины и плотности, для кабеля по прототипу - из кабельной бумаги марки КМ-080. В качестве диэлектрического пропиточного состава использовали масляно-канифольный компаунд МП-2.

Технологические режимы изготовления бумажного жгута и электрического кабеля в приведенных примерах были аналогичными.

Из таблиц 2 и 3 видно, что жгуты из микрокрепированной бумаги более прочные и эластичные, поэтому количество их обрывов и дефектов, связанных со смещением жгутов, на 1 км кабеля значительно меньше, чем у прототипа.

При этом оптимальные параметры микрокрепированной бумаги, идущей на изготовление жгутов для заполнения промежутков между изолированными токопроводящими жилами кабеля, должны быть в пределах:

Уменьшение удельной массы и плотности бумаги приводит к снижению разрушающего усилия и соответственно энергии разрыва, а также к появлению обрывов бумажного жгута при наложении на кабель. При уменьшении плотности бумаги снижается ее термостойкость.

Увеличение удельной массы и плотности бумаги приводит к увеличению жесткости жгута. Жесткий жгут легко раскручивается и теряет свою круглую форму, неравномерно заполняет промежутки между изолированными

жилами кабеля и смещается при наложении на кабель, что является браковочным признаком. Технологичность и качество жгута из толстой и плотной бумаги - низкие.

Таким образом, заявляемая полезная модель электрического кабеля превосходит прототип по качеству и технологичности заполнения промежутков между токопроводящими жилами, а также по электрической прочности и надежности кабеля.

Наибольшее качество и технологичность бумажных жгутов и электрического кабеля достигается при использовании бумаги-основы кабельной микрокрепированной марки БКМ-100 по ТУ 5433-004-50289046-2003, разработанной авторами полезной модели, которая отличается от микрокрепированной бумаги, используемой по прототипу для фазной и поясной изоляции кабеля, пониженной толщиной и жесткостью, повышенной впитываемостью воды и повышенной прочностью во влажном состоянии. Перед скручиванием в жгуты бумага должна быть хорошо смочена водой. При недостаточном смачивании бумаги водой жгуты получаются некачественными или вообще не получаются. Повышенная впитываемость бумаги БКМ-100 достигается за счет снижения содержания канифольного клея до (0,2÷0,3)% вместо (0,5÷1,0)% у микрокрепированной бумаги по прототипу. Из микрокрепированной бумаги по прототипу жгуты получаются некачественными, поэтому данная бумага не используется для производства жгутов.

При использовании бумаги БКМ-100 для жгутов снижается себестоимость изготовления электрического кабеля.

Силовые электрические кабели на напряжение от 1 до 10 кВ с заполнением промежутков между изолированными токопроводящими жилами на основе микрокрепированной бумаги БКМ-100 прошли всесторонние испытания на кабельных заводах РФ с положительными результатами. Налажено производство данных кабелей.

1. Кабель электрический силовой с изолированными токопроводящими жилами и заполнением промежутков между ними, отличающийся тем, что в качестве заполнителей промежутков между изолированными токопроводящими жилами он содержит жгуты из микрокрепированной бумаги удельной массой (60-80) г/м², плотностью (0,65-0,75) г/см³ и энергией разрыва в машинном направлении (150-350) Дж/м², изготавливаемой из сульфатной хвойной небеленой целлюлозы.

2. Кабель электрический силовой по п.1, отличающийся тем, что в качестве заполнителей промежутков между изолированными токопроводящими жилами он содержит жгуты из бумаги-основы кабельной микрокрепированной марки БКМ-100, проклеенной канифольным клеем.