КАБЕЛЬ Российский патент 2008 года по МПК H01B11/18 

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

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

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

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

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

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

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

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

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

где:

R₁ - внешний радиус токоведущей жилы,

R₀ - внутренний радиус кабеля, жилы,

Δ=R₁-R₀ - толщина токоведущей жилы кабеля,

R₂ - внешний радиус изоляции (внутренний радиус оболочки),

F_A - активное сечение токоведущей жилы кабельной линии,

K_а=1/K_з, коэффициент заполнения сечения токоведущей жилы активным материалом (например, К_з=0,9),

U_ф - наибольшее рабочее фазное напряжение кабеля,

Е_мах - допустимая напряженность электрического поля в изоляции при наибольшем рабочем фазном напряжении кабеля.

Внутри токоведущей жилы расположен оптоволоконный материал.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1-6.

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

На фиг.2 приведены зависимости радиусов токоведущей жилы от ее активного сечения F_A:

1 - зависимость внешнего радиуса токоведущей жилы R₁, 2-7: зависимости радиуса оболочки кабеля R₂, обеспечивающей необходимую электрическую прочность его изоляции для разных классов напряжений: 2 - для напряжения 110 кВ, 3 - для напряжения 220 кВ, 4 - для напряжения 330 кВ, 5 - для напряжения 500 кВ, 6 - для напряжения 750 кВ, 7 - для напряжения 1150 кВ.

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

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

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

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

На фиг.5 представлены зависимости от класса напряжения:

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

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

23 - минимальному радиусу оболочки кабелей R_2.мин,

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

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

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

Активное сопротивление токоведущей жилы кабеля равно

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

Таблица 1F_A, мм²1502003004005006007501000R₁, мм7,38,410,311,913,914,616,318,8K_д1,0061,0121,0261,041,068 1,1451,239

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

где коэффициент 0,9 учитывает зазоры между отдельными жилками токоведущей жилы. Значения радиусов R₁ при различных сечениях токоведущей жилы приведены в табл.1 Погонная емкость кабеля (на единицу его длины) равна

где R₂ - радиус оболочки кабеля, ε_И - относительная диэлектрическая проницаемость изоляции кабеля. Погонная индуктивность однофазного кабеля

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

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

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

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

Скорость распространения электромагнитных волн вдоль кабельных линий v_к:.

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

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

Параметры кабельных линий классов напряжения 110 кВ и 220 кВ приведены в табл.1 и 2 для различных сечений токоведущей жилы однофазного кабеля, прокладываемого под водой, при допустимой плотности тока J_ДОП==2 А/мм².

Таблица 2Параметры однофазного кабеля 110 кВ при различных активных сечениях токопроводящей жилы (медной) с полиэтиленовой изоляциейF_aXСZV_кI_нI_максI_макс/I_нмм²Ом/кммкФ/кмОмкм/секАА-1000,1130,079671,87·10⁵10902000,182000,0840,11248,71,82·10⁵15004000,273000,0720,13740,61,78·10⁵18006000,334000,0640,15835,761,75·10⁵20408000,395000,0590,17732,441,73·10⁵225010000,447500,0510,21827,31,68·10⁵267415000,5610000,0460,25124,11,64·10⁵302020000,66

Таблица 3Параметры однофазного кабеля 220 кВ при различных активных сечениях токопроводящей жилы (медной) с полиэтиленовой изоляциейF_aXСZv_кI_нI_максI_макс/I_нмм²Ом/кммкФ/кмОмкм/секАА-1000,2090,0391281,94·10⁵9922000,202000,1530,055921,91·10⁵13804000,293000,1270,068761,89·10⁵16706000,364000,1120,07966,51,87·10⁵19108000,425000,1020,088601,86·10⁵211710000,477500,0860,10849,81,83·10⁵255015000,5910000,0770,12443,81,77·10⁵290020000,69

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

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

По кабельным линиям может передаваться мощность, значительно меньшая их натуральной мощности. Это обстоятельство определяет дополнительное ограничение передаваемой мощности по кабельным линиям, поскольку при Р<Р_н кроме тока нагрузки по линии протекает емкостный ток. При наличии компенсаторов избыточной реактивной мощности на обоих концах линий этот добавочный емкостный ток посередине линии равен нулю, а по концам достигает максимума. В результате суммарный ток по концам кабельных линий оказывается значительно больше передаваемого. При увеличении активного сечения токоведущей жилы кабеля отношение I_доп/I_н увеличивается, что приводит к более благоприятным условиям работы кабельных линий, поскольку при этом уменьшается емкостная составляющая тока. Увеличение активного сечения токоведущей жилы кабеля ограничено условиями охлаждения кабеля и увеличением коэффициента добавочных потерь (см. табл.1). При увеличении активного сечения токоведущей жилы увеличивается ее толщина от оси до поверхности, что затрудняет теплоотвод и увеличивает поверхностный эффект. Поэтому обычный радиус цилиндрической токоведущей жилы кабеля ограничивают 15 мм.

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

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

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

и соответственно внутренний ее радиус

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

Подставляя полученное выражение для радиуса R₁ в формулу (7), получаем другое выражение для логарифма отношения R₂/R₁

Соответственно изменяются все формулы для электрических параметров кабельной линии:

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

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

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

возрастающему при увеличении класса напряжения кабеля (см. фиг.3). Уменьшение толщины изоляции кабеля существенно увеличивает теплоотдачу в окружающую кабель среду и таким образом способствует улучшению условий охлаждения кабеля.

Уменьшение необходимой толщины изоляции кабеля приводит также к уменьшению объема изоляции при увеличении активного сечения токоведущей жилы

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

Оптимальное значение радиуса оболочки равно:

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

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

где подставлено значение ε_И=2,2.

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

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

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

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

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

Таблица 4Параметры однофазного кабеля 220 кВ с медной токоведущей жилой оптимальной конструкцииF_A, мм²R₂, ммС₀, мкФ/кмZ, Омv_к, км/сI_н, АI_макс, АP_доп, МВт750430,12444,11,80·10⁵288015000,52491,6100043,90,14640,11,77·10⁵334020000,60701,1125045,40,16833,61,74·10⁵378025000,66900,2150047,30,19030,11,71·10⁵421930000,711108,8

Таблица 5Параметры однофазного кабеля 330 кВ с медной токоведущей жилой оптимальной конструкцииF_A, мм²R₂, ммR₀, ммС₀, мкФ/кмz, Омv_к, км/сI_н, АI_макс, АP_доп, МВт75070,21,30,08263,81,86·10⁵298615000,5720,1100066,34,30,09754,81,84·10⁵347620000,581040125064,77,20,11248,21,82·10395225000,631350,4150064,810,20,127431,80·10⁵443030000,681645,9175065,613,10,141391,77·10⁵488535000,721932200066,816,00,15635,71,76·10⁵533640000,752240,3225068,519,00,17133,71,73·10⁵565345000,792510250070,322,00,18630,81,71·10⁵618550000,812800,4275072,524,90,20128,81,69·10⁵661555000,833100

Таблица 6Параметры однофазного кабеля 500 кВ с медной токоведущей жилой оптимальной конструкцииF_A, мм²R₂, ммR₀, ммС₀, мкФ/кмz, Омv_к, км/сI_н, АI_макс, АP_доп, МВт150010510,20,08462,81,86·10⁵459730000,65249200099,3160,10351,81,83·10⁵557340000,72336250098,1220,12344,21,80·10⁵653250000,765424300099,727,80,14238,81,77·10⁵744060000,8065143500102,133,70,16234,61,74·10⁵834470000,846024000105,639,60,18231,31,72·10⁵922480000,876904500109,845,50,20128,71,69·10⁵1005990000,895776

Таблица 7Параметры однофазного кабеля 750 кВ с медной токоведущей жилой оптимальной конструкцииF_A, мм²R₂, ммR₀, ммС₀, мкФ/кмz, Омv_к, км/сI_н, АI_макс, АP_доп, МВт300015127,80,095561,84·10⁵774360000,777638400014539,60,123451,80·10⁵964480000,8310300500015051,40,147381,77·10⁵11470100000,8712910600015663,20,174331,75·10⁵13262120000,8815522

Таблица 8Параметры однофазного кабеля 1150 кВ с медной токоведущей жилой оптимальной конструкцииF_A, мм²R₂, ммR₀, ммС₀, мкФ/кмz, Омv_к, км/сI_н, АI_макс, АP_доп, МВт400025039,60,07966,41,87·10⁵1001080000,8015712500023251,40,09655,41,84·10⁵12000100000,8319720600022663,20,11347,71,82·10⁵13900120000,8623735700022674,90,13041,91,79·10⁵15846140000,88427746800023086,70,14637,71,77·10⁵17600160000,9131770900023698,50,16434,31,74·10⁵19359180000,9335780100002431100,180531,61,72·10⁵21012200000,9539757

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

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

Изобретение относится к кабельной технике, к передаче энергии на большие расстояния переменным и постоянным токами. Техническим результатом данного изобретения является обеспечение возможности увеличения активного сечения токоведущей жилы кабеля переменного тока для согласования ее с реальной пропускной способностью кабельной линии при улучшении условий охлаждения кабеля, уменьшение габаритных размеров кабеля, устранение ограничений на длину кабельных линий переменного тока, обеспечение возможности передачи электроэнергии по кабельным линиям до нескольких сотен километров и более. Технический результат достигается тем, что токоведущая жила кабеля выполнена с кольцевым сечением, поперечные размеры которого выбраны из определенных условий, связанных соотношениями. 1 з.п. ф-лы, 6 ил., 8 табл.

1. Кабель, содержащий в поперечном сечении, по крайней мере, две подобласти материалов, один из которых токоведущая жила, другой изоляция, снабженный проводящей защитной оболочкой, отличающийся тем, что токоведущая жила выполнена с кольцевым сечением, поперечные размеры которого выбраны из условий

где R₁ - внешний радиус токоведущей жилы;

R₀ - внутренний радиус кабеля, жилы;

Δ=R₁-R₀ - толщина токоведущей жилы кабеля;

R₂ - внешний радиус изоляции (внутренний радиус оболочки);

F_A - активное сечение токоведущей жилы кабельной линии;

К_а=1/К₃ - коэффициент заполнения сечения токоведущей жилы активным материалом;

U_φ - наибольшее рабочее фазное напряжение кабеля;

F_мах - допустимая напряженность электрического поля в изоляции при наибольшем рабочем фазном напряжении кабеля.