СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ НАГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ ПОДЗЕМНОГО КАБЕЛЯ Российский патент 1997 года по МПК H02G9/06 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к подземным силовым кабелям, и может быть использовано для увеличения их нагрузочной способности.

Тепловой режим подземного кабеля, а следовательно, и значение допустимого тока нагрузки, определяется не только конструкцией кабеля, но и параметрами среды, окружающей подземный кабель, и главным образом, способностью этой среды отводить тепло от наружной поверхности защитной трубы, в которой проложен кабель. Эта способность определяется удельной теплопроводностью грунта, которая в свою очередь зависит от его влажности, плотности и механического состава, см. например, Нерпин С.В. Чудновский А.Ф. Физика почвы, Наука, 1967, 584 с.

Возможности влияния на указанные параметры грунта с целью увеличения нагрузочной способности подземных силовых кабелей весьма ограничены. В соответствии с рассмотренными в литературе рекомендации уменьшение теплового сопротивления грунта может быть достигнуто путем размещения вокруг подземного кабеля специальной засыпки, пропитки грунта вокруг кабеля специальными химическими составами и т.п. см. например, Брагин С.М. Электрический и тепловой расчет кабеля, М. Госэнергоиздат, 1960. Справочник по кабельным сетям, пер. с англ. под ред. В.П.Завьялова, К.А.Любимова, М-Л. Госэнергоиздат, 1962.

По наибольшему количеству сходных признаков и достигаемому при их использовании результату техническое решение, связанное с уменьшением теплового сопротивления грунта путем создания вокруг кабеля засыпки, выбрано в качестве прототипа предлагаемого изобретения.

Недостатками прототипа, не позволяющими достичь поставленной нами цели, являются;
снижение нагрузочной способности кабеля в процессе эксплуатации за счет увеличения теплового сопротивления грунта вследствие явления термовлагопереноса из засыпки во внешнюю область (во время сезонных колебаний влажности грунта);
невозможность уменьшения теплового сопротивления грунта и увеличения нагрузочной способности кабеля в процессе эксплуатации;
неоднородность теплового сопротивления грунта на разных участках трассы кабеля, отличающихся физико-механическими свойствами грунта, что связано с невозможностью обеспечения одинаковой влажности засыпки.

Задачей изобретения являются повышение эффективности снижения теплового сопротивления грунта в зоне, расположенной вокруг подземного кабеля и обеспечения возможности уменьшения этого сопротивления в процессе эксплуатации. Решение поставленной задачи обеспечивается переносом влаги к засыпке из внешней области грунта и ее удержанием в процессе эксплуатации кабеля.

Сущность предлагаемого изобретения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше технического результата.

Согласно изобретению для увеличения нагрузочной способности подземного кабеля путем уменьшения теплового сопротивления грунта предварительно вдоль трассы кабеля прокладывают заглубленный в грунт электрод, выполненный из электрически неактивного материала, после чего в течение некоторого интервала времени осуществляют электроосмотическую обработку грунта в зоне, расположенной вокруг кабеля, при этом в качестве анода используют заглубленный в грунт электрод, в качестве катода трубу, в которой проложен кабель, а параметры обработки выбирают из условия

где
Е напряженность на поверхности трубы кабеля;
ρ_э, ρ_т удельное электрическое и тепловое сопротивление грунта;
r_o, T_o радиус трубы и температура на ее поверхности;
r, T заглубление кабеля и температура на поверхности Земли;
T_o-T≅10^oC.

Данное соотношение обеспечивает режим электроосмотической обработки без нагрева грунта, окружающего кабель.

Электроосмотическая обработка производится эпизодически (1-2 раза в год) в течение нескольких суток. В остальное время установка при существенно меньшем энергопотреблении может использоваться для обеспечения катодной защиты трубы кабеля.

Изложенная совокупность существенных признаков предлагаемого способа обеспечивает получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

Предложенное техническое решение является новым, так как характеризуется наличием новой совокупности признаков, отсутствующих во всех известных нам технических решениях.

Непосредственный технический результат, который может быть получен при реализации предложенной совокупности признаков, заключается в том, что при электроосмотическом воздействии на грунт происходит либо перераспределение влаги, либо дополнительное увлажнение грунта вокруг кабеля в зоне, радиус которой в несколько раз превышает радиус трубы, в которой проложен кабель.

Данный технический результат не является следствием известных свойств, проявляемых рядом известных признаков других объектов, таких как элеткроосмотическая обработка вообще, а является свойством только всей предложенной в первом пункте формулы совокупности признаков, в том числе таких новых признаков, как выбор электродов и параметров электроосмотической обработки.

Получение упомянутого технического результата обеспечивает появление у объекта изобретения целого ряда новых полезных свойств, заключающихся в обеспечении возможности существенного (до 20-30%) увеличения нагрузочной способности кабеля.

Указанное позволяет признать предложенное техническое решение соответствующим критерию "изобретательский уровень".

На чертеже представлена схема реализации предложенного способа.

Способ реализуется следующим образом.

Кабель 1 прокладывают в трубе 2, поверхность которой не имеет изоляционного покрытия, либо имеет изоляционное покрытие с низким поверхностным сопротивлением. Вдоль трассы подземного кабеля в грунт на небольшую глубину укладывают электрод 3 в коксовой засыпке 4, выполненной из электропроводящего электрохимически неактивного материала, например, графитосодержащей резины.

Затем с помощью источника питания 5 проводят электроосмотическую обработку грунта в зоне вокруг трубы 2 с кабелем 1 путем электрического подсоединения электрода 3 к положительному полюсу источника питания 5, а трубы 2 к отрицательному его полюсу. При отсутствии у кабеля 1 защитной трубы 2, либо наличия на поверхности трубы 2 изоляционного покрытия в слое засыпки кабеля 1 размещают дополнительный электрод (не показан), который и соединяют с отрицательным полюсом источника питания 5.

В результате возникновения электроосмотических явлений в грунте происходит электроосмотический перенос влаги, либо ее удержание, что обеспечивает постоянную влажность засыпки и снижение удельного теплового сопротивления грунта по всей длине кабеля 1. Наличие песчаной засыпки позволяет обеспечить отсутствие нагрева в прикатодной зоне за счет более высокого электрического сопротивления песка, а также осуществить равномерную пропитку засыпки при неоднородном электрическом поле за счет высокого значения коэффициента фильтрации песка.

При проведении электроосмотической обработки недопустим нагрев приэлектродных областей, поэтому максимальная напряженность электрического поля выбирается в соответствии с указанным в формуле условием.

Для оценки промышленной применимости предложенного способа были проведены испытания опытной установки, которая характеризовалась следующими данными:
радиус трубы кабеля 0,1 м,
глубина погружения кабеля 1,5 м,
радиус анодного электрода 0,01 м,
глубина погружения анодного электрода 0,2 м,
радиус коксовой засыпки 0,2 м,
удельное электрическое сопротивление грунта (суглинок)- 50 Ом•м,
радиус песчаной засыпки 0,5 м,
удельное электрическое сопротивление кокса 0,25 Ом•м,
минимальная напряженность электрического поля, при которой начинается электроосмос в суглинке 0,2 В/см,
максимальная допустимая напряженность электрического поля 2В/см,
погонное электрическое сопротивление между электродами в начале обработки 40 Ом•м,
напряжение источника питания 70 В,
мощность установки 120 Вт/м.

С помощью такой установки, в соответствии с предложенным способом, осуществлялась элеткроосмотическая обработка грунта в течение 2-х сут. При этом было обеспечено снижение удельного теплового сопротивления засыпки в 2,8 раза, что позволяет увеличить нагрузочную способность рассматриваемого кабеля на 20%
Предложенный способ наиболее эффективен в глинистых незасоленных грунтах при влажностях, превышающих нижний предел пластичности.

Использование предложенного решения по сравнению со всеми известными средствами аналогичного назначения обеспечивает следующие преимущества:
возможность увеличения нагрузочной способности подземного кабеля в процессе эксплуатации;
возможность учета электротепловых характеристик грунта (теплового сопротивления, электроосмотических характеристик грунта) путем изменения параметров обработки.

Сущность изобретения: вдоль трассы подземного кабеля прокладывают заглубленный в грунт электрод. Затем осуществляют электроосмотическую обработку грунта в цилиндрической зоне вокруг кабеля. В качестве анода используют электрод, а в качестве катода - трубу, в которой проложен кабель, или дополнительный электрод, уложенный в засыпку кабеля. Этим обеспечивается уменьшение теплового сопротивления грунта и повышение нагрузочной способности подземного кабеля. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ увеличения нагрузочной способности подземного кабеля, при котором уменьшают термическое сопротивление грунта, поддерживая его влажность, отличающийся тем, что вдоль трассы кабеля прокладывают заглубленный в грунт электрод, выполненный из электрохимически неактивного материала, и поддерживают влажность грунта, осуществляя электроосмотическую обработку грунта в зоне вокруг кабеля в течение интервала времени, не превышающего несколько суток, причем в качестве анода используют заглубленный в грунт электрод, а в качестве катода электропроводный элемент, расположенный вдоль кабеля в засыпке, при этом параметры обработки выбирают из условия:

где Е напряженность на поверхности трубы кабеля;
ρ_э, ρ_т удельное электрическое и термическое сопротивление грунта;
r_o, T_o радиус катода и температура на его поверхности;
r, T заглубление кабеля и температура на поверхности земли, Т_о - Т 10^oС. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве электропроводного элемента используют трубу, в которой проложен кабель. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве электропроводного элемента используют дополнительный электрод.