Соединительная муфта для силового кабеля

Соединительная муфта (1) для силового кабеля (2) относится к электротехнике и может быть использована для соединения концов одножильного силового кабеля, а также для соединения концов каждой фазы многофазного силового кабеля. Соединительная муфта (1) содержит соединитель (3) концов, по меньшей мере, одной токоведущей жилы (4), который последовательно охвачен первым слоем (5) изоляционного покрытия из эластичного полимерного материала, электрически изолированным трансформирующим слоем (6) на основе эластичного полимерного материала, вторым слоем (7) изоляционного покрытия из эластичного полимерного материала и металлическим экраном (8). Электрически изолированный трансформирующий слой (6) по длине превышает длину соединителя (3), выступает за соединитель (3) своими противоположными концами (9), (10), имеет форму полого цилиндра с противоположными концами (9), (10) в виде полых усеченных конусов длиной 55-65 мм, образующие которых составляют угол от 6° до 8° с продольной осью кабеля. Трансформирующий слой (6) выполнен из материала с относительной диэлектрической проницаемостью не менее 22, у которого отношение продольной составляющей тензора комплексной проводимости к поперечной составляющей составляет 10-12. 4 з.п., 2 илл.

Заявляемая полезная модель относится к электротехнике и может быть использована для соединения концов одножильного силового кабеля, а также для соединения концов каждой фазы многофазного силового кабеля.

Известна соединительная кабельная муфта (см. патент RU 2284620, МПК H02G 15/08, опубликован 27.09.2006), включающая узел разделки кабелей, узел герметизации их концов, изолированный сросток кабелей с межфазным пространством между ними, герметизирующим элементом и насаженной на него термоусаживаемой трубкой. При герметизации концов кабеля использованы последовательно наложенные друг на друга две манжеты, одна из которых изготовлена из маслостойкого полимерного материала, другая - из полимерного материала с нелинейными электрическими характеристиками. В межфазное пространство введена одна изолирующая распорка, имеющая вид цилиндрического стержня, по крайней мере, с тремя глубокими сегментными выемками, вытянутыми в продольном направлении его длины. Герметизирующий элемент межфазного пространства выполнен из двухслойной трубы, первый внешний слой которой изготовлен из термоусаживаемого материала с подслоем адгезивного материала, а внутренний слой имеет форму цилиндра с разрезом вдоль его продольной оси, плотно прилегающего к первому слою из термоусаживаемого материала с подслоем из адгезива и изготовленного, как и распорка, из легкоплавкого материала.

К недостатками известной соединительной кабельной муфты следует отнести технологические сложности при производстве (вулканизация полиэтилена) и монтаже (необходимость термической обработки), а также недостаточную надежность, из-за невозможности изменения ее размеров, вслед за изменением размеров кабеля, при нагревании и охлаждении в процессе эксплуатации из-за свойств термоусаживаемых изделий из сшитого полиэтилена. Кроме того, известная муфта имеет высокую материалоемкость, из-за необходимости использования дополнительных адгезивных и герметизирующих элементов. Это сужает область ее применения.

Известна соединительная муфта для одножильного кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена (см. патент RU 62300, H02G 15/18, опубликован 23.03.2007), содержащая гильзу, соединяющую жилы двух кабелей, полимерную манжету, сглаживающую напряженность электрического поля по гильзе, элемент, выравнивающий напряженность электрического поля в месте среза экрана соединяемых кабелей, двухслойную термоусаживаемую трубку с внутренним изоляционным слоем и внешним электропроводящим для изолирования гильзы, экран из алюминиевой фольги, вторую гильзу для соединения экранов кабелей, внешнюю термоусаживаемую полимерную трубку, слои герметика, расположенные под внешней термоусаживаемой трубкой. Элемент, выравнивающий напряженность электрического поля выполнен в виде устанавливаемой на изоляции кабелей с заходом на ступени экранов двухслойной термоусаживаемой полимерной трубки с внешним слоем, выравнивающим напряженность электрического поля, и внешним изолирующим.

Недостатками известной соединительной кабельной муфты являются технологические сложности при производстве (вулканизация полиэтилена) и монтаже из-за необходимости термической обработки, а также недостаточная надежность, из-за невозможности изменения ее размеров, вслед за изменением размеров кабеля, при нагревании и охлаждении в процессе эксплуатации из-за свойств термоусаживаемых изделий из сшитого полиэтилена.

Известна холодноусаживаемая соединительная муфта для силового кабеля (см. патент US 7498515, МПК H02G 15/08, опубликован 03.03.2009), содержащая соединитель концов токоведущей жилы, на который последовательно нанесены первый слой изоляционного покрытия из силиконовой резины, полупроводниковый слой, проводящий металлический элемент, проводящий металлизированный слой и внешний защитный слой.

Известная соединительная муфта имеет возможность изменения ее размеров, вслед за изменением размеров кабеля, при нагревании и охлаждении в процессе эксплуатации. Однако в известной муфте степень напряженности электрического поля снижается с использованием только физических свойств материала.

Известна соединительная муфта для силового кабеля (см. патент RU 70415, МПК H02G 15/08, опубликован 20.01.2008), совпадающая с заявляемым техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятая за прототип. Соединительная муфта содержит соединитель концов токоведущей жилы, первый слой изоляционного покрытия, охватывающий соединитель, второй слой изоляционного покрытия, охватывающий первый слой изоляционного покрытия, и металлический экран, расположенный с внешней стороны от второго слоя изоляционного покрытия. Муфта дополнительно содержит электрически изолированный трансформирующий слой для преобразования неравномерно напряженного электрического поля, распространяющегося от соединителя, в равномерно напряженное электрическое поле, распространяющееся от внешней поверхности трансформирующего слоя. Трансформирующий слой расположен между первым и вторым слоями изоляционного покрытия и выполнен из материала с объемным удельным сопротивлением _v от 10⁸ до 10¹² Ом·см при относительной диэлектрической проницаемости =15-30. Трансформирующий слой предотвращает возможность электрического пробоя между токоведущими жилами, а также между токоведущей жилой и металлическим экраном.

Известная соединительная муфта сглаживает броски напряженности электрического поля в области соединения кабелей. В известной муфте степень напряженности электрического поля снижается с использованием только физических свойств материала. При таком подходе не удается добиться оптимальных действующих значений максимальной среднеквадратичной напряженности электрического поля в изоляции, что снижает надежность работы муфты, особенно в режимах перегрузок.

Задачей, которую решает заявляемое техническое решение, являлась разработка такой соединительной муфты для силового кабеля, которая бы имела повышенную надежность в эксплуатации.

Поставленная задача решается тем, что соединительная муфта для силового кабеля содержит соединитель концов, по меньшей мере, одной токоведущей жилы, который последовательно охвачен первым слоем изоляционного покрытия из эластичного полимерного материала, электрически изолированным трансформирующим слоем из эластичного полимерного материала, вторым слоем изоляционного покрытия из эластичного полимерного материала и металлическим экраном. Электрически изолированный трансформирующий слой по длине превышает длину соединителя, выступает за соединитель своими противоположными концами, имеет форму полого цилиндра с противоположными концами в виде полых усеченных конусов длиной 55-65 мм, образующие которых составляют угол от 6° до 8° с продольной осью кабеля. Электрически изолированный трансформирующий слой выполнен из материала с относительной диэлектрической проницаемостью не меньшей 22, у материала трансформирующего слоя отношение продольной составляющей тензора комплексной проводимости к поперечной составляющей составляет 10-12.

Повышение надежности работы муфты достигается как за счет определенных физических характеристик материала трансформирующего слоя и определенных физических характеристик изолирующих слоев, позволяющих использовать холодную усадку, так и за счет определенной геометрической конфигурации трансформирующего слоя, обеспечивающей, наряду с физическими свойствами материала, оптимальные значения максимальной среднеквадратичной напряженности квазистационарного электрического поля в изоляции.

В качестве материала для электрически изолированного трансформирующего слоя может быть использована смесь эластичного полимерного материала с мелкодисперсным токопроводящим наполнителем при следующем соотношении компонентов, мас.%:

В качестве эластичного полимерного материала может быть использована этиленпропиленовая или силиконовая резина.

В качестве мелкодисперсного токопроводящего наполнителя может быть использована металлическая пыль или сажа с определенными геометрическими размерами частиц.

В том случае, если указанные геометрические размеры трансформирующего слоя (длина усеченных конусов и углы образующих) выходят за пределы соответствующих интервалов, не удается добиться оптимальных значений максимальной среднеквадратичной напряженности электрического поля в изоляции муфты.

То же произойдет, если относительная диэлектрическая проницаемость композиционного материала трансформирующего слоя окажется менее 22.

Заявляемая полезная модель иллюстрируется чертежом, где:

на фиг.1 показан продольный разрез соединительной муфты для силового одножильного кабеля;

на фиг.2 - приведен поперечный разрез по А-А соединительной муфты для силового одножильного кабеля, изображенной на фиг.1.

Соединительная муфта 1 для силового одножильного кабеля 2 (см. фиг.1, фиг.2) содержит соединитель 3 концов токоведущей жилы 4, первый слой 5 изоляционного покрытия, электрически изолированный трансформирующий слой 6 для преобразования неравномерно напряженного электрического поля, распространяющегося от соединителя 3, в равномерно напряженное электрическое поле, распространяющееся от внешней поверхности слоя, и тем самым сглаживающий броски напряженности электрического поля, распространяющегося от соединителя 3, второй слой 7 изоляционного покрытия и металлический экран 8. Первый слой 5 изоляционного покрытия охватывает соединитель 3. Второй слой 6 изоляционного покрытия охватывает первый слой 5 изоляционного покрытия. Электрически изолированный регулирующий слой 6 расположен между первым слоем 5 изоляционного покрытия и вторым слоем 7 изоляционного покрытия и по своей длине превышает длину соединителя 3. Металлический экран 8 расположен с внешней стороны от второго слоя 7 изоляционного покрытия. Электрически изолированный регулирующий слой 6 имеет форму полого цилиндра с противоположными концами 9, 10, выступающими за соединитель 3, в виде полых усеченных конусов длиной 55-65 мм. Образующие полых конусов составляют угол от 6° до 8° с продольной осью 11 кабеля 2. Электрически изолированный регулирующий слой 6 выполнен из материала с анизотропными свойствами по электрической проводимости. Анизотропия характеризуется заданным соотношением между продольной, параллельной оси 11, и поперечной составляющими тензора комплексной проводимости. А именно, материал электрически изолированного регулирующего слоя 6 имеет отношение продольной составляющей тензора комплексной проводимости к поперечной составляющей, равное 10-12, при этом электрически изолированный регулирующий слой 6 выполнен из материала с относительной диэлектрической проницаемостью , не меньшей 22.

В качестве соединителя 3 может быть использована пластично деформируемая металлическая трубка, либо болтовое, или сварное соединение.

В качестве мелкодисперсного токопроводящего наполнителя может быть использована сажа с размером частиц порядка (0,02-0,05) мкм. Может быть использована смесь материалов, например смесь металлической пыли с сажей.

Заявляемая соединительная муфта 1 работает следующим образом. При прохождении тока по токоведущей жиле 4 силового одножильного кабеля 2 возникают броски напряженности электрического поля в зоне соединения концов токоведущей жилы 4. Величина бросков напряженности электрического поля зависит от величины протекающего тока, размеров и материала соединителя 3, надежности соединения концов токоведущей жилы 4, возникновения электрической дуги, подгорания контактирующих поверхностей и других факторов. При этом вокруг соединителя 3 образуется неравномерно напряженное электрическое поле. Электрически изолированный регулирующий слой 6, расположенный между первым слоем 5 изоляционного покрытия и вторым слоем 7 изоляционного покрытия, ограничивает зону распространения неравномерно напряженного электрического поля, возникающего вблизи соединителя 3, и преобразует его в равномерно напряженное электрическое поле, распространяющееся от внешней поверхности регулирующего слоя 6. Противоположные концы 9 и 10 регулирующего слоя 6, выступающие за соединитель 3, препятствуют обтеканию неравномерно напряженным электрическим полем регулирующего слоя 6. В преобразованном равномерно напряженном электрическом поле резко снижается вероятность электрического пробоя между токоведущей жилой 4 и заземленным металлическим экраном 8. Это повышает надежность работы соединительной муфты 1.

Пример 1 состава материала регулирующего слоя 6, мас.%:

этиленпропиленовая резина - 90

медная металлическая пыль - 10.

Пример 2 состава материала регулирующего слоя 6, мас.%:

этиленпропиленовая резина - 75

сажа - 25.

Пример 3 состава материала регулирующего слоя 6, мас.%:

силиконовая резина - 80

сажа 20.

Пример 4 состава материала регулирующего слоя 6, мас.%:

силиконовая резина - 95

медная металлическая пыль - 5.

Все выводы относительно геометрической конфигурации трансформирующего слоя и диэлектрических свойств материала, из которого этот слой изготавливается, сделаны на основе серии расчетов с использованием специального пакета прикладных программ.

1. Соединительная муфта для силового кабеля, содержащая соединитель концов, по меньшей мере, одной токоведущей жилы, который последовательно охвачен первым слоем изоляционного покрытия из эластичного полимерного материала, электрически изолированным трансформирующим слоем на основе эластичного полимерного материала, вторым слоем изоляционного покрытия из эластичного полимерного материала и металлическим экраном, причем электрически изолированный трансформирующий слой по длине превышает длину соединителя, выступает за соединитель своими противоположными концами, имеет форму полого цилиндра с противоположными концами в виде полых усеченных конусов длиной 55-65 мм, образующие которых составляют угол от 6 до 8° с продольной осью кабеля, и выполнен из материала с относительной диэлектрической проницаемостью не менее 22, у которого отношение продольной составляющей тензора комплексной проводимости к поперечной составляющей составляет 10-12.

2. Соединительная муфта по п.1, отличающаяся тем, что в качестве материала для электрически изолированного трансформирующего слоя использована смесь эластичного полимерного материала с мелкодисперсным токопроводящим наполнителем при следующем соотношении компонентов, мас.%:

3. Соединительная муфта по п.2, отличающаяся тем, что в качестве эластичного полимерного материала использована этиленпропиленовая или силиконовая резина.

4. Соединительная муфта по п.2, отличающаяся тем, что в качестве мелкодисперсного токопроводящего наполнителя использована металлическая пыль.

5. Соединительная муфта по п.2, отличающаяся тем, что в качестве мелкодисперсного токопроводящего наполнителя использована сажа.