КОМПАКТНЫЙ ПРОТИВОУДАРНЫЙ КАБЕЛЬ Российский патент 2007 года по МПК H01B7/18 

Настоящее изобретение относится к кабелю, в частности к электрическому кабелю для передачи или распределения мощности при среднем или высоком напряжении.

Более точно настоящее изобретение относится к электрическому кабелю, в котором сочетаются противоударные качества и компактность его конструкции.

В настоящем изобретении термин среднее напряжение используется для обозначения напряжения примерно от 10 до примерно 60 кВ ("очень высокое напряжение" также иногда используют в данной области техники для обозначения напряжений, превышающих примерно 150 или 200 кВ, вплоть до 500 кВ или более); термин низкое напряжение обозначает напряжение, меньшее чем 10 кВ, обычно превышающее 100 В.

Помимо этого, в настоящем описании термин класс по напряжению указывает на определенные значения напряжения (например, 10 кВ, 20 кВ, 30 кВ и т.д.), входящие в определенные пределы по напряжению (например, низкое, среднее или высокое напряжение, или НН, СН, ВН).

Кабели для передачи или распределения мощности при среднем или высоком напряжении в общем случае имеют металлический проводник, который окружен, соответственно, первой внутренней полупроводящей оболочкой, изолирующим слоем и внешней полупроводящей оболочкой. Ниже в настоящем описании указанная, заранее определенная, последовательность элементов обозначается термином "сердечник".

В положении, внешнем в радиальном направлении от указанного сердечника, кабель снабжен металлической оболочкой (или экраном), обычно из алюминия, свинца или меди, которая расположена внешне в радиальном направлении от указанного сердечника, причем металлическая оболочка в общем случае состоит из непрерывной трубы или металлической ленты, которой придана трубчатая форма и которая сварена или загерметизирована для гарантии герметичности.

Указанная металлическая оболочка имеет две основные функции: с одной стороны, она обеспечивает герметичность по отношению к внешней для кабеля среде, создавая барьер для проникновения воды в радиальном направлении, а с другой стороны, она выполняет электрическую функцию, создавая внутри кабеля, в результате непосредственного контакта между металлической оболочкой и внешним полупроводящим слоем указанного сердечника, однородное электрическое поле радиального типа, одновременно блокируя внешнее электрическое поле указанного кабеля. Дополнительной функцией является способность выдерживать токи короткого замыкания.

В конфигурации униполярного типа указанный кабель также имеет полимерную поверхностную оболочку в положении внешнем в радиальном направлении по отношению к металлической оболочке, упомянутой выше.

Помимо этого, кабели для передачи или распределения мощности в общем случае снабжаются одним или несколькими слоями для предохранения указанных кабелей от случайных ударов по их наружной поверхности.

Случайные удары по кабелю могут иметь место, например, во время его транспортировки или на этапе укладки кабеля в траншею, вырытую в почве. Указанные случайные удары могут вызвать ряд структурных нарушений в кабеле, в том числе деформацию изолирующего слоя и отделение изолирующего слоя от полупроводящих слоев, повреждения, которые могут вызвать перепады градиента напряжения в изолирующем слое с последующим уменьшением изолирующей способности указанного слоя.

В кабелях, доступных на рынке в настоящее время, например, предназначенных для передачи или распределения мощности при низком и среднем напряжении, обычно предусмотрена металлическая броня, способная противостоять указанным ударам, для защиты указанных кабелей от возможных повреждений, вызванных случайными ударами. В общем случае указанная броня представляет собой ленты или проволоку (предпочтительно из стали) или, в качестве альтернативы, представляет собой кожух (предпочтительно из алюминия или свинца). Пример такой структуры кабеля раскрыт в Патенте США 5153381.

Европейский Патент № 981821 на имя заявителя раскрывает кабель, снабженный слоем расширенного полимерного материала для обеспечения указанного кабеля высокой устойчивостью к случайным ударам, причем указанный слой расширенного полимерного материала предпочтительно наносят в положении, внешнем в радиальном направлении от сердечника кабеля. Указанное предложенное техническое решение позволяет избежать использования традиционной металлической брони, тем самым уменьшая вес кабеля, а также упрощая процесс его изготовления.

Европейский Патент № 981821 не раскрывает конкретную конструкцию сердечника кабеля. На практике составные элементы сердечника кабеля выбирают и их размеры определяют согласно известным стандартам (например, стандарт IEC 60502-2, упоминаемый ниже в настоящем описании).

Согласно настоящему изобретению заявитель установил, что использование расширенной защиты специальной конструкции может не только заменить другие типы защиты, но также позволяет использовать изоляцию меньших размеров, тем самым получая более компактный кабель, не снижая его надежности.

Помимо этого, кабели для передачи и распределения мощности в общем случае снабжены одним или несколькими слоями, гарантирующими наличие барьера, задерживающего проникновение воды во внутренность (то есть сердечник) кабеля. Проникновение воды внутрь кабеля особенно нежелательно, поскольку при отсутствии соответствующих решений, разработанных для защиты от проникновения воды, последняя, однажды проникнув в кабель, способна свободно течь внутри кабеля. По показателям это является особенно губительным для целостности кабеля, поскольку могут возникнуть проблемы, связанные с коррозией внутри него, также как и проблемы ускоренного старения вместе с ухудшением электрических характеристик изолирующего слоя (особенно, если последний изготовлен из полиэтилена сетчатой структуры).

Например, известно явление "водных дендритообразований", которое в основном заключается в образовании микроскопических каналов в разветвленной структуре ("деревьях") вследствие комбинированного воздействия электрического поля, генерируемого приложенным напряжением, и влажности, которая проникает внутрь указанного изолирующего слоя. Например, явление "водных дендритообразований" описано в EP-750319 и ЕР-814485 на имя заявителя.

Следовательно, это означает, что в случае проникновения воды во внутреннюю часть кабеля последний должен быть заменен. Однако, как только вода достигла соединений, терминалов или любого другого оборудования, электрически подсоединенного к одному концу кабеля, вода не только не позволяет последнему выполнять свою функцию, но также повреждает указанное оборудование, в большинстве случаев вызывая повреждение, которое является необратимым и существенным с экономической точки зрения.

Проникновение воды во внутреннюю часть кабеля может произойти по многим причинам, особенно если указанный кабель образует часть подземной укладки. Такое проникновение может произойти, например, путем обычной диффузии воды через полимерную поверхностную оболочку кабеля или в результате износа, случайного удара или воздействия грызунов, факторов, которые могут привести к насечке или даже разрыву наружной оболочки кабеля и, следовательно, к образованию предпочтительного маршрута для доступа воды во внутреннюю часть кабеля.

Известны многочисленные решения для борьбы с указанными проблемами. Например, могут быть использованы гидрофобные и водонабухающие соединения в виде порошков или геля, которые расположены внутри кабеля в различных положениях, в зависимости от рассматриваемого типа кабеля.

Например, указанные соединения могут быть размещены в положении, радиально внутреннем по отношению к металлической оболочке, более точно, в положении между сердечником кабеля и металлической оболочкой, или в положении, радиально внешнем по отношению к нему, обычно в положении непосредственно под полимерной наружной оболочкой или в обоих вышеуказанных положениях одновременно.

Водонабухающие соединения в результате контакта с водой обладают способностью увеличиваться в объеме и, таким образом, предотвращают продольное и радиальное распространение воды путем образования физического барьера для ее свободного протекания. Документ WO 99/33070 на имя заявителя описывает использование слоя расширенного полимерного материала, расположенного в непосредственном контакте с сердечником кабеля, в положении непосредственно под металлическим экраном кабеля, и обладающего заранее определенными полупроводящими свойствами с целью гарантии необходимой электрической целостности между проводящими элементами и металлическим экраном.

Техническая проблема, решаемая в WO 99/33070, заключалась в том, что покрывающие слои кабеля постоянно подвергались механическим растяжениям и сжатиям из-за многочисленных тепловых циклов, которые испытывает кабель во время его обычного использования. Указанные тепловые циклы, вызываемые ежедневными различиями в силе проходящего электрического тока, которые связаны с соответствующими температурными изменениями внутри самого кабеля, приводят к возникновению радиальных напряжений внутри кабеля, которые влияют на каждый из указанных слоев, а следовательно, также и на его металлический экран. Следовательно, это означает, что последний может испытывать существенные механические деформации с образованием пустот между экраном и внешним полупроводящим слоем, и возможно образование неоднородности в электрическом поле, или даже приводящие в результате, со временем, к разрыву самого экрана. Такая проблема была решена путем помещения под металлическим экраном слоя расширенного полимерного материала, способного к поглощению, упруго и равномерно вдоль кабеля, выше указанных радиальных сил расширения/сжатия, с тем, чтобы предотвратить возможное разрушение металлического экрана. Помимо этого, документ WO 99/33070 раскрывает, что вводится внутренний указанный расширенный полимерный материал, расположенный под металлическим экраном, водонабухающий порошкообразный материал, который способен блокировать влажность и/или небольшое количество воды, которая может просочиться во внутреннюю часть кабеля даже под указанный металлический экран.

Как это будет изложено более подробно в следующем ниже описании настоящего изобретения, при тех же самых условиях электрического напряжения, приложенного к кабелю, его сетчатая структура и изолирующий материал указанного изолирующего слоя кабеля, уменьшение толщины изолирующего слоя кабеля приводит к увеличению градиента электрического напряжения (электрический градиент) поперек указанного изолирующего слоя. Следовательно, обычно изолирующий слой данного кабеля разработан, то есть выполнен согласно требуемым размерам, так, чтобы выдерживать условия электрической нагрузки, предназначенные для категории использования данного указанного кабеля.

Обычно, даже если кабель разработан, обеспечивая толщину изолирующего слоя, которая больше, чем необходима, с тем, чтобы были включены соответствующие факторы безопасности, случайный удар по внешней поверхности кабеля может вызвать остаточную деформацию изолирующего слоя и уменьшение, иногда заметное, его толщины в области удара, таким образом, возможно вызывая электрический пробой, если кабель находится под напряжением.

Фактически, в общем случае, материалы, которые обычно используют для изолирующего слоя кабеля и наружной оболочки, упруго восстанавливают только часть их исходного размера и формы после удара. Следовательно, после удара, даже если последний произошел до подачи мощности в кабель, толщина изолирующего слоя, выдерживающая электрическую нагрузку, неизбежно уменьшается.

Помимо этого, когда металлическая оболочка находится в положении, радиально внешнем по отношению к изолирующему слою кабеля, материал, указанной оболочки при ударе необратимо деформируется, факт, который дополнительно ограничивает упругое восстановление от деформации таким образом, что сдерживается упругое восстановление исходной формы и размера изолирующего слоя.

Следовательно, деформация, вызванная случайным ударом, или, по меньшей мере, ее значительная часть сохраняется после удара, даже если сама причина удара удалена, причем указанная деформация приводит в результате к уменьшению толщины изолирующего слоя, которая изменяется от его исходного значения к уменьшению толщины. Следовательно, если кабель находится под напряжением, реальная толщина изолирующего слоя, которая выдерживает градиент электрического напряжения (Г) в области удара, имеет указанное уменьшенное значение, а не исходное.

Заявитель установил, что путем обеспечения кабеля защитным элементом, содержащим расширенный полимерный слой, подходящий для обеспечения кабеля заранее определенной устойчивостью к случайным ударам, существует возможность создать конструкцию кабеля более компактного, чем конструкция обычного кабеля.

Заявитель установил, что расширенный полимерный слой указанного защитного элемента лучше поглощает случайные удары, которые могут произойти на внешней поверхности кабеля, относительно любого обычного защитного элемента, например, выше указанных видов металлической брони, и, таким образом, деформация, происходящая на изолирующем слое кабеля вследствие случайного удара, может быть существенно уменьшена.

Заявитель установил, что путем обеспечения кабеля защитным элементом, содержащим расширенный полимерный слой, существует возможность преимущественно уменьшить толщину изолирующего слоя кабеля до электрической нагрузки, совместимой с электрической устойчивостью изолирующего материала. Следовательно, согласно настоящему изобретению, существует возможность создать конструкцию кабеля, более компактную без уменьшения его свойств электрической и механической устойчивости.

Другими словами, заявитель установил, что, поскольку деформация изолирующего слоя кабеля заметно уменьшается при помощи наличия указанного расширенного полимерного слоя, отсутствует необходимость в предоставлении кабеля с толщиной, превышающей размер указанного изолирующего слоя, который гарантирует безопасное функционирование кабеля также в поврежденной области.

Заявитель установил, что путем обеспечения кабеля защитным элементом, содержащим расширенный полимерный слой, толщина последнего может преимущественно коррелировать с толщиной изолирующего слоя для минимизации веса всего кабеля, при этом гарантируя безопасное функционирование изолирующего слоя с точки зрения электричества, а также предоставляя кабель с соответствующей механической защитой от любых случайных ударов, которые могут случаться.

После выбора поперечного сечения проводника кабеля, рабочего напряжения кабеля и изолирующего материала изолирующего слоя кабеля и выбора толщины изолирующего слоя, выдерживающего градиент электрического напряжения (Г), совместимый с диэлектрической прочностью материала изолирующего слоя, заявитель установил, что указанная толщина изолирующего слоя может коррелировать с толщиной расширенного полимерного слоя указанного защитного элемента. Толщина указанного расширенного полимерного слоя может быть выбрана для минимизации деформации изолирующего слоя кабеля при ударе таким образом, чтобы для указанного кабеля могла быть обеспечена уменьшенная толщина изолирующего слоя.

Первый аспект настоящего изобретения относится к кабелю для использования в заранее определенном классе по напряжению, причем указанный кабель содержит:

проводник;

изолирующий слой, окружающий указанный проводник, и

защитный элемент вокруг указанного изолирующего слоя, имеющий толщину и механические свойства, выбранные для обеспечения заранее определенных противоударных свойств, причем защитный элемент содержит, по меньшей мере, один расширенный полимерный слой,

отличающийся тем, что толщина указанного изолирующего слоя является такой, чтобы обеспечить градиент напряжения на внешней поверхности изолирующего слоя кабеля не меньше, чем 1,0 кВ/мм, и толщина указанного защитного элемента является достаточной для предотвращения обнаружимого повреждения изолирующего слоя при ударе с энергией, по меньшей мере, 25 Дж.

Предпочтительно, в случае, если градиент напряжения на внешней поверхности изолирующего слоя кабеля не меньше, чем 1,0 кВ/мм, и удар имеет энергию, по меньшей мере, 25 Дж, указанный заранее определенный класс по напряжению не превышает 10 кВ.

Предпочтительно, в случае, если градиент напряжения на внешней поверхности изолирующего слоя кабеля не меньше, чем 2,5 кВ/мм, и удар имеет энергию, по меньшей мере, 50 Дж, указанный заранее определенный класс по напряжению заключен между 10 кВ и 60 кВ.

Предпочтительно, в случае, если градиент напряжения на внешней поверхности изолирующего слоя кабеля не меньше, чем 2,5 кВ/мм, и удар имеет энергию, по меньшей мере, 70 Дж, указанный заранее определенный класс по напряжению превышает 60 кВ.

Заявитель установил, что толщина изоляции (изолирующего слоя) может быть определена путем выбора наиболее сдерживающего ограничения, относящегося к электричеству, принимая во внимание его запланированное применение, без необходимости добавления дополнительной толщины для учета деформации изоляции из-за ударов.

Например, обычно в возможной конструкции кабеля учитывают, в качестве значимых ограничений, относящихся к электричеству, максимальный градиент напряжения на поверхности проводника (или на внешней поверхности внутреннего полупроводящего слоя, размещенного на нем) и градиент на соединениях, то есть градиент на внешней поверхности изоляции кабеля.

Предпочтительно, толщина изолирующего слоя, по меньшей мере, на 20% меньше, чем соответствующая толщина изолирующего слоя, предусмотренная стандартом IEC 60502-2. Более предпочтительно, уменьшение толщины изолирующего слоя составляет в пределах от 20 до 40%. Еще более предпочтительно, толщина изолирующего слоя примерно на 60% меньше, чем соответствующая толщина изолирующего слоя, предусмотренная стандартом IEC.

Предпочтительно, толщину изолирующего слоя выбирают таким образом, чтобы градиент электрического напряжения внутри изолирующего слоя, когда кабель задействован при номинальном напряжении, относящемся к указанному заранее определенному классу по напряжению, находился в пределах значений между 2,5 и 18 кВ/мм.

Предпочтительно, если указанный заранее определенный класс по напряжению составляет 10 кВ, то указанная толщина изолирующего слоя не превышает 2,5 мм; если указанный заранее определенный класс по напряжению составляет 20 кВ, то указанная толщина изолирующего слоя не превышает 4 мм; если указанный заранее определенный класс по напряжению составляет 30 кВ, то указанная толщина изолирующего слоя не превышает 5,5 мм.

Предпочтительно, указанный проводник является сплошным стержнем.

Предпочтительно, кабель дополнительно включает в себя электрический экран, окружающий указанный изолирующий слой, причем указанный электрический экран содержит металлический лист, которому придана трубчатая форма.

Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения указанный защитный элемент расположен в положении, радиально внешнем по отношению к указанному изолирующему слою.

Предпочтительно, степень увеличения расширенного полимерного слоя указанного защитного элемента находится между 0,35 и 0,7, более предпочтительно между 0,4 и 0,6.

Предпочтительно, толщина расширенного полимерного слоя указанного защитного элемента находится между 1 и 5 мм.

В дополнительном аспекте настоящего изобретения выше указанный защитный элемент дополнительно включает в себя, по меньшей мере, один нерасширенный полимерный слой, соединенный с указанным расширенным полимерным слоем.

В случае, если происходит удар по кабелю, заявитель установил, что функция поглощения (демпфирования) расширенного полимерного слоя преимущественно увеличивается при соединении последнего, по меньшей мере, с одним нерасширенным полимерным слоем.

Следовательно, согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения указанный защитный элемент дополнительно содержит первый нерасширенный полимерный слой в положении, радиально внешнем по отношению к указанному расширенному полимерному слою.

Согласно еще одному варианту осуществления защитный элемент настоящего изобретения дополнительно содержит второй нерасширенный полимерный слой в положении, радиально внутреннем по отношению к указанному расширенному полимерному слою.

Помимо этого, заявитель установил, что путем увеличения толщины указанного первого нерасширенного полимерного слоя, при сохранении постоянной толщины расширенного полимерного слоя, механическая защита, обеспеченная кабелю защитным элементом, преимущественно увеличивается.

Предпочтительно, указанный, по меньшей мере, один нерасширенный полимерный слой изготовлен из полиолефинового материала.

Предпочтительно, указанный, по меньшей мере, один нерасширенный полимерный слой изготовлен из термопластического материала.

Предпочтительно, указанный, по меньшей мере, один нерасширенный полимерный слой имеет толщину в пределах от 0,2 до 1 мм.

В дополнительном аспекте, заявитель установил, что вследствие произошедшего удара по кабелю деформация изолирующего слоя кабеля преимущественно уменьшается, если защитный элемент настоящего изобретения объединен с дополнительным расширенным полимерным слоем, предусмотренным в кабеле в положении, радиально внутреннем по отношению к защитному элементу.

Помимо этого, заявитель установил, что путем обеспечения дополнительного расширенного полимерного слоя в комбинации с указанным защитным элементом предоставляется возможность для увеличения свойства поглощения (демпфирования) указанного защитного элемента.

Как указано выше, после выбора толщины изолирующего слоя совместное присутствие указанного расширенного полимерного слоя защитного элемента и указанного дополнительного расширенного полимерного слоя дает возможность получения по существу такой же защиты от ударов с уменьшенным общим размером кабеля.

Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения указанный дополнительный расширенный полимерный слой находится в положении, радиально внутреннем по отношению к указанному защитному элементу.

Предпочтительно, указанный дополнительный расширенный полимерный слой находится в положении, радиально внешнем по отношению к указанному изолирующему слою.

Предпочтительно, указанный дополнительный расширенный полимерный слой представляет собой слой, задерживающий воду, и включает в себя водонабухающий материал.

Предпочтительно, указанный дополнительный расширенный полимерный слой является полупроводящим.

Предпочтительно, кабель согласно настоящему изобретению используется для среднего и высокого классов по напряжению.

В дополнительном аспекте настоящего изобретения заявитель установил, что путем обеспечения кабеля защитным элементом, содержащим, по меньшей мере, один расширенный полимерный слой, толщина указанного защитного элемента уменьшается в соответствии с увеличением площади поперечного сечения проводника.

Следовательно, настоящее изобретение дополнительно относится к кабелю для использования в заранее определенном классе по напряжению, причем указанный кабель содержит:

проводник;

изолирующий слой, окружающий указанный проводник, и

защитный элемент вокруг указанного изолирующего слоя, содержащий, по меньшей мете, один расширенный полимерный слой,

отличающийся тем, что толщина защитного элемента имеет величину меньшую, чем 7,5 мм, при площади поперечного сечения проводника больше, чем 50 мм², и величину большую, чем 8,5 мм, при площади поперечного сечения проводника меньше, чем 50 мм².

Предпочтительно, в случае, если указанный заранее определенный класс по напряжению превышает 60 кВ, то указанный изолирующий слой не испытывает обнаружимого повреждения при ударе с энергией, по меньшей мере, 70 Дж.

Предпочтительно, в случае, если указанный заранее определенный класс по напряжению не превышает 60 кВ, то указанный изолирующий слой не испытывает обнаружимого повреждения при ударе с энергией, по меньшей мере, 50 Дж.

Предпочтительно, в случае, если указанный заранее определенный класс по напряжению превышает 10 кВ, то указанный изолирующий слой не испытывает обнаружимого повреждения при ударе с энергией, по меньшей мере, 25 Дж.

При рассмотрении семейства (группы) кабелей, подходящих для одного и того же класса по напряжению (например, 10 кВ, 20 кВ, 30 кВ и т.д.), заявитель установил, что при увеличении поперечного сечения проводника кабеля толщина защитного элемента кабеля может преимущественно уменьшаться, при этом сохраняя по существу такую же противоударную защиту. Это означает, что кабель с небольшой площадью поперечного сечения проводника может быть обеспечен защитным элементом, который является толще, чем защитный элемент кабеля, имеющего большую площадь поперечного сечения проводника.

Следовательно, настоящее изобретение дополнительно относится к группе кабелей, выбранных для заранее определенного класса по напряжению и имеющих различные площади поперечного сечения проводника, причем каждый кабель содержит:

проводник;

изолирующий слой, окружающий указанный проводник, и

защитный элемент вокруг указанного изолирующего слоя, содержащий, по меньшей мере, один расширенный полимерный слой,

причем толщину указанного защитного элемента выбирают в обратной зависимости от площади поперечного сечения проводника.

Предпочтительно, указанный защитный элемент дополнительно включает в себя, по меньшей мере, один нерасширенный полимерный слой, окружающий указанный, по меньшей мере, один расширенный полимерный слой.

Предпочтительно, каждый кабель содержит дополнительный расширенный полимерный слой в положении, радиально внутреннем по отношению к указанному защитному элементу.

Согласно дополнительному аспекту настоящее изобретение дополнительно относится к способу разработки кабеля, содержащего проводник, изолирующий слой, окружающий указанный проводник, и защитный элемент, окружающий указанный изолирующий слой, причем указанный защитный элемент включает в себя, по меньшей мере, один полимерный расширенный слой, причем указанный способ содержит этапы:

выбора площади поперечного сечения проводника;

определения толщины указанного изолирующего слоя, достаточной для безопасной работы в заранее определенном классе по напряжению при указанной выбранной площади поперечного сечения проводника в соответствии с одним из некоторого количества заранее определенных ограничивающих условий, относящихся к электричеству;

выбора максимальной толщины изолирующего слоя среди определенных по указанному количеству заранее определенных ограничивающих условий, относящихся к электричеству;

определения толщины указанного защитного элемента таким образом, чтобы указанный изолирующий слой не испытывал обнаружимого повреждения при ударе по кабелю с энергией, по меньшей мере, 50 Дж, и

применения указанного выбранного изолирующего слоя и толщины указанного определенного защитного элемента при разработке кабеля для указанного заранее определенного класса по напряжению и выбранной площади поперечного сечения проводника.

Согласно настоящему изобретению деформация (то есть повреждение) изолирующего слоя кабеля меньше или равное 0,1 мм считается не обнаружимой. Следовательно, предполагается, что изолирующий слой кабеля не повреждается в случае, если происходит деформация меньше, чем 0,1 мм.

В случае, если защитный элемент состоит из указанного расширенного полимерного слоя, этап определения толщины указанного защитного элемента состоит из определения толщины указанного расширенного полимерного слоя.

В случае, если защитный элемент дополнительно содержит нерасширенный полимерный слой, связанный с указанным расширенным полимерным слоем, этап определения толщины защитного элемента содержит этап определения толщины указанного нерасширенного полимерного слоя.

Предпочтительно, этап определения толщины указанного нерасширенного полимерного слоя содержит этап коррелирования в обратной зависимости толщины указанного нерасширенного полимерного слоя с площадью поперечного сечения проводника.

Настоящее изобретение преимущественно применимо не только к электрическим кабелям передачи или распределения мощности, но также к кабелям смешанного типа силовой/телекоммуникационный, которые включают в себя оптоволоконный сердечник. В этом смысле, следовательно, в остальной части настоящего описания и формуле изобретения, которая следует ниже, термин "проводящий элемент" означает проводник металлического типа или смешанного, электрического/оптического типа.

Дополнительные детали будут проиллюстрированы в подробном описании, которое следует ниже, со ссылкой на прилагаемые чертежи, в которых:

Фиг.1 является перспективой электрического кабеля согласно настоящему изобретению;

Фиг.2 является поперечным сечением иллюстративного электрического кабеля, поврежденного ударом;

Фиг.3 является поперечным сечением электрического кабеля согласно настоящему изобретению при наличии деформации защитного элемента, вызванной ударом;

Фиг.4 является графиком, иллюстрирующим связь между толщиной наружной оболочки и площадью поперечного сечения проводника, как предусмотрено для защиты изолирующего слоя от повреждения при ударе в обычном кабеле;

Фиг.5 является графиком, иллюстрирующим связь между толщиной защитного элемента и площадью поперечного сечения проводника, как предусмотрено для защиты изолирующего слоя от повреждения при ударе в кабеле согласно настоящему изобретению;

Фиг.6 является графиком, иллюстрирующим связь между толщиной защитного элемента и площадью поперечного сечения проводника, как предусмотрено для защиты изолирующего слоя от повреждения при ударе в кабеле, снабженном двумя расширенными полимерными слоями согласно настоящему изобретению.

На Фиг.1 показана перспектива с частичным поперечным сечением, электрического кабеля 1 согласно настоящему изобретению, разработанного обычным способом для использования при средних и/или высоких напряжениях.

Кабель для передачи электроэнергии типа, раскрытого в настоящем описании, обычно работает при номинальных частотах от 50 до 60 Гц.

Кабель 1 содержит: проводник 2; внутренний полупроводящий слой 3; изолирующий слой 4; внешний полупроводящий слой 5; металлическую оболочку 6 и защитный элемент 20.

Предпочтительно, проводник 2 является металлическим стержнем, предпочтительно изготовленным из меди или алюминия. В качестве альтернативы проводник 2 содержит, по меньшей мере, две металлические проволоки, предпочтительно медную и алюминиевую, которые скручены вместе обычным способом.

Площадь поперечного сечения проводника 2 определяют в связи с мощностью, предназначенной для передачи при выбранном напряжении. Предпочтительные площади поперечного сечения для кабелей согласно настоящему изобретению находятся в пределах от 16 до 1000 мм².

В общем случае изолирующий слой 4 изготовлен из полиолефинов, более конкретно из полиэтилена, полипропилена, сополимеров этилен/пропилен и т.п.

Предпочтительно, указанный изолирующий слой 4 изготовлен из основного полимерного материала несетчатой структуры; более предпочтительно указанный полимерный материал содержит полипропиленовое соединение.

В настоящем описании термин "изолирующий материал" используется для обозначения материала, имеющего диэлектрическую прочность, по меньшей мере, от 5 кВ/мм, предпочтительно больше, чем 10 кВ/мм. В кабелях электропередачи средних-высоких напряжений изолирующий материал имеет диэлектрическую прочность больше, чем 40 кВ/мм.

Предпочтительно, изолирующий материал изолирующего слоя 4 является нерасширенным полимерным материалом. В настоящем изобретении термин "нерасширенный" полимерный материал используется для обозначения материала, который по существу не имеет пустого объема внутри своей структуры, т.е. материал, имеющий по существу нулевую степень расширения, как лучше объяснено в ниже следующем описании настоящего изобретения. Более конкретно, указанный изолирующий материал имеет плотность от 0,85 г/см² или больше.

Обычно изолирующий материал кабелей электропередачи имеет диэлектрическую постоянную (К), превышающую 2.

Внутренний полупроводящий слой 3 и внешний полупроводящий слой 5, оба не расширенные, получают согласно известным способам, более конкретно путем экструзии, причем основной полимерный материал и сажа (последняя используется для придания указанным слоям полупроводящих свойств) выбираются из указанных материалов в ниже следующем описании настоящего изобретения.

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения внутренний и внешний полупроводящие слои 3, 5 содержат основной полимерный материал несетчатой структуры, более предпочтительно полипропиленовое соединение.

В предпочтительном варианте, показанном на Фиг.1, металлическая оболочка 6 изготовлена из металлического листа, предпочтительно алюминия или, в качестве альтернативы, меди, которому придана трубчатая форма. В некоторых случаях, также может быть использован свинец.

Металлический лист 6 обернут вокруг внешнего полупроводящего слоя 5 с перекрывающимися концами, с герметизирующим материалом, расположенным между ними для создания металлической водонепроницаемой оболочки. В качестве альтернативы металлический лист является сварным.

В качестве альтернативы металлическая оболочка 6 изготовлена из спиралеобразно намотанных металлических проволок или лент, расположенных вокруг указанного внешнего полупроводящего слоя 5.

Обычно металлическая оболочка покрыта наружной оболочкой (не показана на фиг.1), состоящей из полимерного материала сетчатой и несетчатой структуры, например, поливинилхлорида (ПВХ) или полиэтилена (ПЭ).

Согласно предпочтительному варианту осуществления, показанному на фиг.1, в положении, радиально внешнем по отношению к указанной металлической оболочке 6, кабель 1 обеспечивается защитным элементом 20. Согласно указанному варианту осуществления защитный элемент 20 содержит расширенный полимерный слой 22, который заключен между двумя нерасширенными полимерными слоями, внешним (первым) нерасширенным полимерным слоем 23 и внутренним (вторым) нерасширенным полимерным слоем 21 соответственно. Защитный элемент 20 имеет функцию защиты кабеля от любых внешних ударов по кабелю путем, по крайней мере, частичного поглощения указанного удара.

Согласно Европейскому Патенту № 981821 на имя заявителя полимерный материал, составляющий расширенный полимерный слой 22, может быть расширенным полимером любого типа, таким как, например, полиолефины, сополимеры различных олефинов, сополимеры олефина с этиленоненасыщенным эфиром, полиэфиры, поликарбонатами, полисульфонами, фенольные смолы, карбамидные смолы и их смеси. Примерами соответствующих полимеров являются: полиэтилен (ПЭ), более конкретно, ПЭ низкой плотности (ПЭНП), ПЭ средней плотности (ПЭСП), ПЭ высокой плотности (ПЭВП), линейный ПЭ низкой плотности (ЛПЭНП), ПЭ ультранизкой плотности (ПЭУНП); полипропилен (ПП); эластомерные сополимеры этилен/пропилен (СЭП) или тримеры этилен/пропилен/диен (ЭПДМ); натуральный каучук; бутилкаучук; сополимеры этилен/виниловый эфир, например, этилен/винилацетат (ЭВА); сополимеры этилен/акрилат, более конкретно, этилен/метилакрилат (ЭМА), этилен/этилакрилат (ЭЭА) и этилен/бутилакрилат (ЭБА); термопластические сополимеры этилен/альфа-олефин; полистирол; смолы акрилонитрил/бутадиен/стирол (АБС); галогенированные полимеры, более конкретно, поливинилхлорид (ПВХ); полиуретан (ПУ); полиамиды; ароматические полиэфиры, такие как полиэтилен терефталат (ПЭТ) или полибутилен терефталат (ПБТ); и их сополимеры или их механические смеси.

Предпочтительно, полимерный материал является полиолефиновым полимером или сополимером, основанным на этилене и/или пропилене, и, более конкретно, выбирается из:

(а) сополимеров этилена с этиленоненасыщенным эфиром, например, винилацетата или бутилацетата, в которых количество ненасыщенного эфира обычно составляет между 5 и 80% по весу, более предпочтительно между 10 и 50% по весу;

(b) эластомерных сополимеров этилена, по меньшей мере, с одним С₃-С₁₂ альфа-олефином и, необязательно, диеном, предпочтительно сополимеров этилен/пропилен (СЭП) или этилен/пропилен/диен (ЭПДМ), в общем случае имеющих ниже следующую композицию: 35-90 мол.% этилена, 10-65 мол.% альфа-олефина, 0-10 мол.% диена (например, 1,4-гексадиен или 5-этилдиен-2-норборнен);

(с) сополимеров этилена, по меньшей мере, с одним С₄-С₁₂ альфа-олефином, предпочтительно 1-гексеном, 1-октеном и подобным образом и, необязательно, диеном, в общем случае, имеющим плотность между 0,86 и 0,90 г/см³, и следующей композиции: 75-97 мол.% этилена; 3-25 мол.% альфа-олефина; 0-5 мол.% диена;

(d) полипропилена, модифицированного сополимерами этилен/С₃-С₁₂ альфа-олефин, причем весовое соотношение между полипропиленом и сополимером этилен/С₃-С₁₂ альфа-олефин составляет между 90/10 и 10/90, предпочтительно между 80/20 и 20/80.

Например, коммерческие продукты Elvax® (Du Pont), Levapren® (Bayer) и Lotryl® (Elf-Atochem) находятся в классе (а), продукты Dutral® (Enichem) или Nordel® (Dow-DU Pont) находятся в классе (b), продуктами, соответствующими классу (с), являются Engage® (Dow-DU Pont) или Exact® (Exxon), в то время как полипропилен, модифицированный с сополимером этилен/альфа-олефин, является коммерчески доступным под торговой маркой Moplen® или Hifax® (Montell), а также Fina-Pro® (Fina) и т.п.

В классе (d) особенно предпочитаемыми являются термопластические эластомеры, содержащие непрерывный матрикс термопластического полимера, например, полипропилена, и мелкие частицы (обычно имеющие диаметр порядка 1-10 мкм) вулканизированного эластомерного полимера, например, ЭПР или ЭПДМ, диспергированного в термопластическом матриксе. Эластомерный полимер может быть включен в термопластический матрикс в невулканизированном состоянии, а затем быстро сшит во время обработки путем добавления соответствующего количества агентов сшивки. В качестве альтернативы эластомерный полимер может быть вулканизирован отдельно, а затем диспергирован в термопластический матрикс в виде мелких частиц. Термопластические эластомеры такого типа описаны, например, в Патенте США 4104210 или Европейском Патенте 324430. Такие термопластические эластомеры предпочтительны, поскольку они продемонстрировали особую эффективность при упругом поглощении радиальных усилий во время температурных циклов кабеля во всей области рабочих температур.

Для целей настоящего описания термин "расширенный" полимер следует понимать как полимер, в структуре которого процент "пустого" объема (то есть пространство, не заполненное полимером, но газом или воздухом) обычно составляет больше 10% от общего объема указанного полимера.

В общем случае процент свободного пространства в расширенном полимере, выражаясь в терминах степени расширения, представляет собой (G). В настоящем описании термин "степень расширения полимера" следует понимать как расширение полимера, определяемое следующим образом:

G (степень расширения) = (d₀-d_e-1)·100,

где d₀ обозначает плотность нерасширенного полимера (проще говоря, полимер со структурой, которая по существу является пустым объемом) и d_e обозначает видимую плотность, измеренную для расширенного полимера.

Предпочтительно, степень расширения указанного расширенного полимерного слоя 22 выбирают в пределах от 0,35 до 0,7, более предпочтительно между 0,4 и 0,6.

Предпочтительно, два расширенных полимерных слоя 21, 23 указанного защитного элемента изготовлены из полимерных материалов.

Предпочтительно, первый нерасширенный полимерный слой 23 изготовлен из термопластического материала, предпочтительно полиолефина, такого как полиэтилен (ПЭ) несетчатой структуры; в качестве альтернативы может быть использован поливинилхлорид (ПВХ).

В варианте осуществления, показанном на Фиг.1, кабель 1 дополнительно обеспечен водозадерживающим слоем 8, расположенным между внешним полупроводящим слоем 5 и металлической оболочкой 6.

Согласно предпочтительному варианту осуществления водозадерживающий слой 8 является расширенным, водонабухающим полупроводящим слоем, как описано в WO 01/46965 на имя заявителя.

Предпочтительно, указанный водозадерживающий слой 8 изготовлен из расширенного полимерного материала, в который введен или диспергирован водонабухающий материал.

Предпочтительно, расширенный полимер указанного водозадерживающего слоя 8 выбирают из полимерных материалов, указанных выше.

Указанный водозадерживающий слой 8 предназначен для обеспечения эффективного барьера для продольного просачивания воды во внутренней части кабеля.

Как показано с помощью тестов, выполненных заявителем, указанный расширенный полимерный слой способен заключать в себе большое количество водонабухающего материала и внедренный водонабухающий материал способен расширяться, если расширенный полимер находится в контакте с влажностью или водой, таким образом эффективно выполняя свою водозадерживающую функцию.

Обычно водонабухающий материал находится в измельченном виде, в частности, в виде порошка. Частицы, составляющие водонабухающий порошок, предпочтительно имеют диаметр, не превышающий 250 мкм, и средний диаметр от 10 до 100 мкм. Более предпочтительно количество частиц, имеющих диаметр от 10 до 50 мкм, составляет, по меньшей мере, 50% по весу относительно общего веса порошка.

Водонабухающий материал обычно состоит из гомополимера или сополимера, имеющего гидрофильные группы вдоль полимерной цепи, например, поперечно сшитая и, по меньшей мере, частично образовавшая соли полиакриловая кислота (например, продукты Cabloc® из C.F.Stockhausen GmbH или Waterlock® из Grain Processing Co.); крахмал или его производные, смешанные с сополимерами между акриламидом и акрилатом натрия (например, продукты SGP Absorbent Polymer® из Henkel AG); карбоксиметилцеллюлоза натрия (например, продукты Blanose® из Hercules Inc.).

Для получения эффективного водозадерживающего действия количество водонабухающего материала, включенного в расширенный полимерный слой, составляет обычно от 5 до 120 чпв, предпочтительно от 15 до 80 чпв (чпв = весовых частей относительно 100 весовых частей основного полимера).

Дополнительно, расширенный полимерный материал водозадерживающего слоя 8 может быть модифицирован в полупроводящий.

Для приготовления полупроводящих полимерных композиций могут быть использованы продукты, известные в данной области техники, для получения полупроводящих свойств у указанного полимерного материала. Более конкретно, может быть использована электропроводящая сажа, например электропроводящая печная сажа или ацетиленовая сажа и т.п. Площадь поверхности сажи в общем случае составляет больше, чем 20 м²/г, обычно между 40 и 500 м²/г. Преимущественно, может быть использована сажа с высокой проводимостью, имеющей площадь поверхности, по меньшей мере, 900 м²/г, например, такой как печная сажа коммерчески доступная под торговой маркой Ketjenblack® EC (Akzo Chemie NV).

Количество сажи, предназначенное для добавления в полимерный матрикс, может варьировать в зависимости от типа используемого полимера и сажи, степени расширения, которую намерены получить, расширяющего агента и т.д. Количество сажи, таким образом, должно быть достаточным для получения эффективных полупроводящих свойств расширенного материала, более конкретно, достаточным для получения значения объемного удельного сопротивления для расширенного материала при комнатной температуре меньше, чем 500 Ω·м. Обычно количество сажи может колебаться в пределах между 1 и 50% по весу, предпочтительно между 3 и 30% по весу, относительно веса полимера.

Предпочтительный предел степени расширения водозадерживающего слоя 8 составляет от 0,4 до 0,9.

Помимо этого, путем обеспечения кабеля 1 полупроводящим водозадерживающим слоем 8 толщина внешнего полупроводящего слоя 5 может быть преимущественно уменьшена, поскольку электрические свойства внешнего полупроводящего слоя 5 частично выполняются указанным водозадерживающим полупроводящим слоем. Следовательно, указанный аспект преимущественно способствует уменьшению толщины внешнего полупроводящего слоя и, таким образом, общего веса кабеля.

Электрическая конструкция изолирующего слоя

В общем случае изолирующий слой кабеля имеет размеры, достаточные для условий электрических нагрузок, описанных для категории используемого кабеля.

Более конкретно, если кабель находится в работе, то проводник 2 поддерживает нормальное рабочее напряжение кабеля, а оболочка 6 соединена с землей (то есть находится под нулевым напряжением).

Номинально, внутренний полупроводящий слой 3 находится под тем же самым напряжением, что и проводник, а внешний полупроводящий слой 5 и водозадерживающий слой 8 находятся под тем же самым напряжением, что и металлическая оболочка 6.

В зависимости от толщины изолирующего слоя это определяет градиент электрического напряжения поперек изолирующего слоя, который должен быть совместимым с диэлектрической прочностью материала изолирующего слоя (учитывая соответствующий фактор безопасности).

Градиент электрического напряжения Г вокруг цилиндрического проводника определяют следующей формулой:

в которой

U₀ является фазой по отношению к потенциалу земли;

r_i является радиусом поверхности изолирующего слоя;

r_c является радиусом поверхности проводника (или поверхностью внутреннего изолирующего слоя, если он есть).

Уравнение (1) относится к режиму постоянного напряжения. Для режима переменного напряжения существует другое, более сложное выражение.

Например, международный стандарт CEI IEC 60502-2 (издание 1.1-1998-11 - стр. 18-19), в случае, если изолирующий слой изготовлен из полиэтилена с сетчатой структурой (ПЭСС), предусматривает для изолирующего слоя нормальное значение толщины 5,5 мм в соответствии с напряжением V от 20 кВ и поперечным сечением проводника, находящимся в пределах от 35 до 1000 мм². В качестве дополнительного примера, в случае, если выбирают напряжение V от 10 кВ и поперечное сечение проводника, находящееся в пределах от 35 до 1000 мм², согласно указанному стандарту изолирующий слой кабеля должен иметь номинальную толщину 3,4 мм.

Противоударная защита

Согласно настоящему изобретению защитный элемент 20 обеспечивает изолирующий слой 4 от повреждений вследствие возможных ударов, например, камнями, инструментами или подобных ударов по кабелю во время транспортировки или операций по прокладке.

Например, общей практикой является укладка кабеля в вырытую в земле траншею на заранее определенной глубине, с последующим заполнением траншеи предварительно удаленным материалом.

В случае, если удаленный материал включает в себя камни, кирпичи и т.п., нередким является то, что кусок с весом в несколько килограммов падает со значительной высоты (от несколький десятков сантиметров до одного метра или более) на кабель таким образом, что удар имеет относительно большую энергию.

Другие возможные источники ударов во время операций по прокладке представляют собой работающие машины, которые могут нанести удар по кабелю в случае возможных ошибок, превышения скорости и т.п. при их движении.

Последствия удара F по иллюстративному кабелю схематично показаны на Фиг.2, где использованы одни и те же ссылочные позиции для указания соответствующих элементов, уже описанных на Фиг.1.

Кабель Фиг.2 снабжен наружной оболочкой 7, расположенной внешне относительно металлической оболочки 6. Обычно наружную оболочку 7 изготавливают из полимерного материала, такого как полиэтилен или ПВХ.

Кабель по Фиг.2 дополнительно снабжен лентой 9 из водонабухающего материала для предотвращения продольного просачивания воды внутрь кабеля.

Как показано на Фиг.2 при ударе F кабель локально деформируется.

В общем случае, материалы, используемые для изолирующего слоя и наружной оболочки кабеля, упруго восстанавливают только часть их исходного размера и формы после удара таким образом, что после удара, даже если он произошел до подачи напряжения в кабель, толщина изолирующего слоя, выдерживающая электрическую нагрузку, уменьшается.

Однако заявитель установил, что если используется металлическая оболочка, внешняя относительно изолирующего слоя кабеля, материал такой оболочки неизменно деформируется ударом, дополнительно ограничивая упругое покрытие от деформации таким образом, что изолирующий слой сдерживается от упругого восстановления его исходного размера и формы.

Следовательно, деформация, вызванная ударом, по меньшей мере, значительная ее часть, сохраняется после удара, даже если сама причина удара устранена. Указанная деформация является результатом того, что толщина изолирующего слоя изменяется от исходного значения t₀ на значение "повреждения" t_d (см. Фиг.2).

Следовательно, если кабель находится под напряжением, реальная толщина изолирующего слоя, которая выдерживает градиент электрического напряжения (Г), в области удара больше не является t₀, а скорее t_d.

В случае, если значение t₀ выбирают с достаточным запасом, например, как предложено в стандарте, приведенном ранее, в зависимости от рабочего напряжения кабеля, это все еще может обеспечивать возможность безопасной работы кабеля также в области удара.

Однако необходимость обеспечения безопасной работы также и в области удара приводит к тому, что весь кабель должен быть изготовлен с толщиной изолирующего слоя значительно большей, чем необходимо.

Дополнительно, если впоследствии область удара вовлекается в дополнительные операции, например, если в этой области делают соединение, могут возникнуть условия, в которых электрическая нагрузка увеличивается больше, чем допустимо (либо для кабеля, либо для связанных вспомогательных устройств, которые могут работать на диаметре, отличном от разработанного диаметра кабеля), даже если определенный запас прочности обеспечен толщиной изолирующего слоя.

Оценка удароустойчивости

Сила удара оценивали с точки зрения различных параметров, которые были установлены как значимые для удара, и значимой вероятности для различных классов кабелей.

Например, в случае, если удар вызван объектом, падающим на кабель, энергия удара зависит как от массы объекта, падающего на кабель, так и от высоты, с которой указанный объект упал.

Следовательно, если кабель лежит в траншее или т.п., энергия удара зависит, среди других факторов, от глубины, на которой лежит кабель, причем указанная энергия удара увеличивается с глубиной.

Следовательно, обнаружено, что энергия удара различается для разных классов кабелей согласно соответствующей глубине, на которой они лежат.

Помимо этого, для кабеля, уложенного в траншею и т.п., наличие обломков, образовавшихся при выкапывании, которые обычно имеются во время операций по прокладке, действуют, возможно, как случайный удар по кабелю и их размер вносит вклад в определение энергии возможного удара. Также были учтены другие факторы, такие как удельный вес кабеля и размер работающих машин, используемых в операциях по прокладке.

С точки зрения приведенного выше анализа, для каждого класса кабелей (например, НН, СН, ВН), относительные энергии удара обозначены как имеющие значимую вероятность того, что они произойдут; в соответствии с такими ударами определенные структуры кабеля были определены как способные выдерживать такие удары.

Более конкретно, для СН кабеля удар с энергией 50 Дж определен как репрезентативный для значимых событий при использовании и прокладке кабеля.

Такая энергия удара может быть достигнута, например, при падении на кабель тела конической формы весом 27 кг с высоты 19 см. Более конкретно, тестируемое тело имеет угол конуса от 90° и округлый конец радиусом примерно 1 мм.

В настоящем описании термин "удар" охватывает все динамические нагрузки определенной энергии, способные наносить существенные повреждения структуре кабелей.

Для кабелей, применяющихся при низких напряжениях и высоких напряжениях (НН, ВН), идентифицирована энергия удара от 25 и 70 Дж соответственно.

Для цели настоящего изобретения предполагается, что кабель достаточно защищен, если случайная деформация является меньшей 0,1 мм (что является пределом точности измерений) после 4 последовательных ударов, которые происходят в одном и том же месте.

Если нанесен по кабелю согласно настоящему изобретению, как показано на Фиг.3, защитный элемент 20, либо один, либо, предпочтительно, в комбинации с расширенным водозащитным слоем 8, способен уменьшить деформацию изолирующего слоя 4.

Согласно настоящему изобретению обнаружено, что защитный элемент 20, имеющий толщину t_p, объединенную с толщиной изолирующего слоя, выбранной при "уменьшенном" значении t_r, может дать в результате кабель, который может удовлетворительно вынести тест на удароустойчивость, указанный выше, все еще сохраняя способность безопасной работы в выбранном классе по напряжению.

Толщина изоляции может быть определена путем выбора наиболее сдерживающего ограничения, относящегося к электричеству, которое следует принять во внимание при запланированном использовании без необходимости добавления дополнительной толщины к принятой в расчет деформации вследствие ударов.

Например, обычно при разработке кабеля принимают во внимание как значимые ограничения, относящиеся к электричеству, максимального градиента на поверхности проводника (или на внешней поверхности внутреннего полупроводящего слоя, расположенного на нем), так и градиент в соединениях, то есть градиент на внешней поверхности изоляции кабеля.

Градиент на поверхности проводника сравним с максимально допустимым градиентом материала, используемого для изоляции (например, примерно 18 кВ/мм в случае соединений полиолефинов), и градиент на соединениях сравним с максимально допустимым градиентом присоединенных устройств, которые предусмотрены для использования с кабелем.

Например, соединение кабелей может быть выполнено путем замены изоляции в области соединения проводника с упругой (или термосжимающейся) муфтой, которая частично перекрывает основную длину расширенного изолирующего слоя кабеля.

В случае такого типа соединение может безопасно работать при градиенте примерно 2,5 кВ/мм (для СН кабеля), и это является наиболее ограничивающим условием, и толщину изоляции определяют для противостояния такому условию. В случае, если другое условие может стать более ограничивающим, такое условие необходимо принять в расчет при разработке толщины изоляции.

Однако, согласно настоящему изобретению, при учете деформации изоляции, вызываемой ударами, не требуется обеспечения дополнительной толщины.

Также обнаружено, что если защитный элемент 20 используется в комбинации с толщиной изолирующего слоя, выбранного с "уменьшенным" значением t_r, общий вес кабеля становится меньше, чем соответствующий вес кабеля без противоударной защиты (то есть без элемента противоударной защиты, содержащего расширенный полимерный слой) и с обычной толщиной изолирующего слоя t₀ (то есть кабель Фиг.2), способного противостоять той же самой энергии удара (даже, если допустить деформацию изолирующего слоя).

Также обнаружено, что наличие расширенного водозащитного слоя 8 вносит дополнительный вклад в удароустойчивость, позволяя дополнительно уменьшить деформацию изолирующего слоя 4.

Толщина изолирующего слоя и общий вес кабеля для двух кабелей согласно настоящему изобретению, а также для сравнительного кабеля (конструкция, которого получена через тестирования удароустойчивости, описанного выше) приведены в таблице 1 для кабелей класса 20 кВ по напряжению и поперечного сечения проводника 50 мм².

Таблица 1

Тип
ка-
бе-
ляТолщина (мм)Вес
ка-
беля
(кг/
м)Общий
диа-
метр
(мм)Наруж-
ная
обо-
лочкаЗащитный элементВодо-
защит-
ный
расши-
рен-
ный
слойВодо-
набу-
хаю-
щий
слойАлюми-
ниевая
метал-
личес-
кая
обо-
лочкаИзо-
лирую-
щий
слойВторой
(внут-
ренний)
нерас-
ширен-
ный
слойРасши-
рен-
ный
слойПервый
(внеш-
ний)
нерас-
ширен-
ный
слой1-11,54,4-0,150,340,7430,72-11,50,850,5-0,340,5124,938,25----0,20,340,9033,9

Подробно:

a) кабель 1 является кабелем настоящего изобретения, содержащим нерасширенный водозащитный слой 8, изготовленный из водонабухающих лент, причем указанный кабель дополнительно содержит защитный элемент 20, включающий в себя первый нерасширенный полимерный слой 23; расширенный полимерный слой 20; второй нерасширенный полимерный слой 21;

b) кабель 2 является кабелем настоящего изобретения, содержащим расширенный водозащитный слой 8, причем указанный кабель дополнительно содержит защитный элемент 20, включающий в себя первый нерасширенный полимерный слой 23; расширенный полимерный слой 20; второй нерасширенный полимерный слой 21;

c) кабель 3 является сравнительным кабелем типа, показанного на Фиг.2, содержащий наружную оболочку и водонабухающий защитный слой, изготовленный из водонабухающих лент.

Помимо этого, в таблице 1 показано, что в случае, если предусмотрен расширенный водозащитный слой 8, то толщина защитного элемента 20 преимущественно уменьшена (и вес всего кабеля уменьшен) при сохранении той же самой толщины изолирующего слоя.

Кроме того, в таблице 1 показано, что иллюстративный кабель должен иметь требуемый значительный вес (то есть примерно 0,9 кг/м) для сохранения работоспособности при тех же самых условиях удара по сравнению с кабелями настоящего изобретения.

Таблица 2 содержит примеры величин изолирующего слоя для кабелей согласно настоящему изобретению для различных классов по рабочему напряжению в СН области, сравнимые с соответствующей толщиной изолирующего слоя, описанного в выше приведенном международном стандарте CEI IEC 60502-2, для изолирующего слоя с полиэтиленом сетчатой структуры (ПЭСС).

Таблица 2

 10 кВ20 кВ30 кВТолщина изолирующего слоя (мм) кабеля
настоящего изобретения2,545,5Толщина изолирующего слоя (мм) согласно стандарту CEI IEC 60502-23,45,58

Согласно значениям, приведенным в таблице 2, толщина изолирующего слоя, предусмотренная в кабеле настоящего изобретения, является соответственно на 26%, 27% и 56% меньшей, чем соответствующая толщина изолирующего слоя согласно указанному стандарту.

Размеры противоударного защитного элемента

Размеры противоударного защитного элемента оценивали для различных секций кабеля для обеспечения отсутствия деформации изолирующего слое при различных сечениях проводника.

С этой целью определяли толщину противоударного защитного элемента, соответствующую деформации изолирующего слоя ≤0,1 при ударе с энергией 50 Дж для различных площадей поперечного сечения, как в случае наличия расширенного водозащитного слоя, так и в случае наличия нерасширенного водозащитного слоя.

Толщина защитного элемента изменялась путем сохранения постоянной толщины второго нерасширенного слоя 21 и расширенного полимерного слоя 22, при увеличении толщины первого нерасширенного слоя 23.

Соответствующая толщина нерасширенной наружной оболочки 7 также была выбрана для кабелей, не снабженных указанным защитным элементом 20 (см. Фиг 4).

Было установлено, что толщина указанного защитного элемента уменьшается в соответствии с увеличением площади поперечного сечения проводника (см. Фиг.5).

Также обнаружено, что наличие расширенного водозащитного слоя 8 позволяет использовать значительно более тонкий защитный элемент 20 (см. Фиг.6 в сравнении с Фиг.5).

Результаты показаны на Фиг.4, 5, 6 соответственно для иллюстративного кабеля с наружной оболочкой 7, кабеля с защитным элементом 20 и кабеля как с защитным элементом 20, так и с расширенным водозащитным слоем 8.

На указанных фигурах, толщина t_s наружной оболочки по Фиг.4, толщина t_p защитного элемента по Фиг.5 и сумма толщины t_p защитного элемента и толщины t_w водозащитного слоя по Фиг.6 показаны как функция площади S поперечного сечения проводника для класса 20 кВ по напряжению.

Заявитель также установил, что увеличение механической противоударной защиты получают путем увеличения толщины первого нерасширенного слоя, при сохранении постоянной толщины расширенного слоя.

Кабель настоящего изобретения является особенно подходящим для использования в среднем и высоком классах по напряжению, с точки зрения условий электрических и механических нагрузок, с которыми приходится сталкиваться кабелю.

Однако он также может быть использован в приложениях с низким напряжением, если того требует ситуация (например, при больших электрических и механических нагрузках, требованиях безопасности и надежности и т.п.).

Согласно настоящему изобретению, как указано выше, путем обеспечения кабеля расширенным полимерным слоем создается возможность для преимущественного уменьшения общего веса кабеля.

Указанный аспект является очень важным, поскольку он облегчает транспортировку и, следовательно, уменьшает транспортные расходы, а также облегчает работу с кабелем во время этапа прокладки. В этом отношении следует отметить, что меньший общий вес кабеля, предназначенного для прокладки (например, непосредственно в траншее, выкопанной в земле или в заглубленном трубопроводе), требует меньших усилий при протягивании, которые необходимо применить к кабелю при его прокладке. Следовательно, это означает как уменьшение стоимости прокладки, так и упрощение операций по прокладке.

Помимо этого, согласно настоящему изобретению может быть получен более компактный кабель при сохранении требуемых механических и электрических свойств кабеля. Благодаря указанному аспекту на барабане может быть размещен кабель большей длины, что дает в результате уменьшение транспортных расходов и упрощение операций по сращиванию, выполняемых во время прокладки кабеля.

Настоящее изобретение относится к кабелю для применения в заранее определенном классе по напряжению, причем указанный кабель содержит: проводник, изолирующий слой, окружающий указанный проводник, причем указанный изолирующий слой имеет толщину, выбираемую для обеспечения заранее определенной электрической нагрузки, когда кабель работает под нормальным напряжением, соответствующим указанному заранее определенному классу по напряжению, и защитный элемент, окружающий указанный проводник, имеющий толщину и механические свойства, выбираемые для обеспечения заранее определенной ударопрочности, причем указанный защитный элемент включает в себя, по меньшей мере, один полимерный расширенный слой. Толщину изолирующего слоя, толщину защитного элемента выбирают совместно для минимизации общего веса кабеля при условии предотвращения обнаружимого повреждения изолирующего слоя при ударе с энергией 50 Дж. Способ разработки кабеля, включающий определение толщины изолирующего слоя, определение толщины защитного слоя. Способ может включать определение толщины расширенного полимерного слоя, защитный элемент может содержать нерасширенный полимерный слой. Техническим результатом является получение более компактного кабеля при сохранении требуемых механических и электрических свойств кабеля. 4 н. и 40 з.п. ф-лы, 6 ил., 2 табл.

1. Кабель (1) для использования в заранее определенном классе по напряжению, причем указанный кабель содержит проводник (2), изолирующий слой (4), окружающий указанный проводник (2), и защитный элемент (20) вокруг указанного изолирующего слоя (4), имеющий толщину и механические свойства, выбранные для обеспечения заранее определенных противоударных свойств, причем указанный защитный элемент (20) содержит, по меньшей мере, один расширенный полимерный слой (22), отличающийся тем, что

толщина указанного изолирующего слоя является такой, чтобы обеспечить градиент напряжения на внешней поверхности изолирующего слоя кабеля не меньший, чем 1,0 кВ/мм, и толщина указанного защитного элемента является достаточной для предотвращения обнаружимого повреждения изолирующего слоя при ударе с энергией, по меньшей мере, 25 Дж.

(a) сополимеров этилена с этиленоненасыщенным эфиром, в которых количество ненасыщенного эфира лежит между 5 и 80 мас.%,

(b) эластомерных сополимеров этилена, по меньшей мере, с одним С₃-С₁₂ альфа-олефином, и необязательно диеном, имеющих следующий состав: 35-90 мол.% этилена, 10-65 мол.% альфа-олефина, 0-10 мол.% диена;

(c) сополимеров этилена, по меньшей мере, с одним C₄-C₁₂ альфа-олефином, и необязательно диеном, имеющим плотность между 0,86 и 0,90 г/см³;

(d) полипропилена, модифицированного сополимерами этилен/С₃-С₁₂ альфа-олефин, причем весовое соотношение между полипропиленом и сополимером этилен/С₃-С₁₂ альфа-олефин составляет от 90/10 до 30/70.

защитный элемент (20) вокруг указанного изолирующего слоя (4), содержащий, по меньшей мере, один расширенный полимерный слой (22), отличающийся тем, что толщина защитного элемента имеет величину, меньшую чем 7,5 мм, при площади поперечного сечения проводника, большей 50 мм², и величину, большую чем 8,5 мм, при площади поперечного сечения проводника, меньшей или равной 50 мм².

40 Способ разработки кабеля (1), содержащего проводник (2), изолирующий слой (4), окружающий указанный проводник (2), и защитный элемент (20), окружающий указанный проводник (2), причем указанный защитный элемент (20) включает в себя, по меньшей мере, один полимерный расширенный слой (22), указанный способ содержит этапы, на которых выбирают площадь поперечного сечения проводника, определяют толщину указанного изолирующего слоя, достаточную для безопасной работы в заранее определенном классе по напряжению, на указанной выбранной площади поперечного сечения проводника в соответствии с одним из некоторого количества заранее определенных ограничивающих условий, относящихся к электричеству, выбирают максимальную толщину изолирующего слоя среди определенных по указанному количеству заранее определенных ограничивающих условий, относящихся к электричеству, определяют толщину указанного защитного элемента таким образом, чтобы указанный изолирующий слой не испытывал обнаружимых повреждений при ударе по кабелю с энергией, по меньшей мере, 50 Дж, и применяют указанный выбранный изолирующий слой и указанную определенную толщину защитного элемента при разработке кабеля для указанного заранее определенного класса по напряжению и выбранной площади поперечного сечения проводника.

42 Способ по п.40, в котором указанный этап определения толщины указанного защитного элемента (20) содержит этап выбора толщины указанного расширенного полимерного слоя (22) и определения толщины, по меньшей мере, одного нерасширенного полимерного слоя (21, 23), связанного с указанным расширенным полимерным слоем (22), причем указанный защитный элемент (20) содержит указанный, по меньшей мере, один нерасширенный полимерный слой (21,23).