ЕМКОСТНЫЙ КАБЕЛЬ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ Российский патент 2023 года по МПК H01B7/30 

Настоящее изобретение относится к емкостному кабелю передачи энергии.

В патенте США US 1825624 описано и заявлено следующее.

1. В системе передачи электрической энергии содержится источник переменного тока, контур приема, контур передачи для связывания указанного источника и указанного контура приема и распределенная емкость, включенная последовательно с указанным контуром передачи и имеющая значение, достаточное по существу для нейтрализации индуктивного реактивного сопротивления указанного контура приема для увеличения предела мощности указанной системы.

В реферате патента США US 4204129 представлено следующее.

Настоящее изобретение относится к передаче электрической энергии и, в частности, обеспечивает систему передачи электрической энергии, имеющую уменьшенные нестабильность вектора при изменении нагрузки, падение напряжения и потерю энергии благодаря включению емкости в кабель последовательно между генератором и нагрузкой посредством использования проводников, т. е. соединительных линий, имеющих емкость, распределенную по длине кабеля. Такая емкость достигается посредством разделения проводника на две части, которые разделены диэлектрическим материалом так, что две проводящие части находятся в емкостном сопряжении вдоль длины кабеля, и посредством соединения одной проводящей части с генератором и другой проводящей части с нагрузкой так, что образуется распределенная емкость последовательно с генератором и нагрузкой.

В документе WO 2010/026380 в пределах его объема и со ссылкой на его фиг. 0 – уровень техники, описано следующее.

Кабель переноса заряда и передачи сигналов с нулевыми потерями энергии содержит восемь отрезков электрически проводящего материала (18), ровно расположенных слоями один на другом, каждый из которых может быть электрически состыкован для обеспечения любой требуемой длины. Каждый из проводящих слоев отделен от другого посредством чередуемых слоев диэлектрического материала (19). Проводящие слои (10–17) сформированы в зарядную изогнутую замкнутую цепь (20) и разрядную изогнутую замкнутую цепь (21), при этом вершина изгиба (22) каждой изогнутой замкнутой цепи расположена противоположно другой, представляя собой концы кабеля, и они отделены друг от друга диэлектрическим материалом (19), тем самым обеспечивая емкостную связь и представляя собой средство для передачи электрического заряда от указанной зарядной цепи к разрядной цепи, тем самым передавая переменный ток от источника питания на точку передачи с по существу нулевым сопротивлением посредством указанных двух зарядной и разрядной цепей, тем самым передавая энергию от источника питания на заданное расстояние до точки передачи с нулевой потерей энергии.

Содержание документа WO 2010/026380 включено в настоящий документ посредством ссылки.

Удивительно, что подобный емкостный кабель способен передавать данные и/или энергию на длинное расстояние с низкими, если не полностью нулевыми, потерями. Наши исследования это подтвердили.

Считается, что для функционирования данного кабеля требуется образование замкнутой цепи. Авторы настоящего изобретения полагают, что образование замкнутой цепи не требуется.

Известны литцендраты и расщепленные токопроводящие жилы, состоящие соответственно из тонкожильных проводов и проводов с более толстыми жилами, изолированными друг от друга, как правило, так называемой «эмалью» на полимерной основе, как на обмоточном проводе, и собранных в пучки обычно посредством скручивания. В них уменьшен поверхностный эффект, что снижает проводящую емкость одного проводника круглого сечения с таким же количеством проводящего материала на единицу длины. В расщепленных токопроводящих жилах провода не всегда изолированы друг от друга, особенно если они расположены в шести сегментах, изолированных друг от друга. Обычная степень изоляции проводов друг от друга в расщепленных токопроводящих жилах является «незначительной».

Сами по себе литцендраты и расщепленные токопроводящие жилы не являются подходящими, поскольку первые подходят для малонагруженного режима работы, а расщепленные токопроводящие жилы имеют только незначительную изоляцию.

Цель настоящего изобретения заключается в предоставлении усовершенствованного емкостного кабеля передачи энергии.

Согласно первому аспекту настоящего изобретения предоставлен емкостный кабель передачи энергии, содержащий по меньшей мере два набора проводящих жил, причем наборы жил изолированы друг от друга и находятся в емкостной взаимосвязи друг с другом.

Предпочтительно емкость составляет по меньшей мере 10 нФ/м.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения представлен емкостный кабель передачи энергии, содержащий:

по меньшей мере два набора проводящих жил, причем жилы в наборах распределены в поперечном разрезе кабеля, при этом два набора находятся в емкостном сопряжении друг с другом, и

все из жил по меньшей мере одного из наборов имеют:

соответствующее изолирующее покрытие, диэлектрической прочности которого достаточно для обеспечения сохранения изоляции наборов проводящих жил.

Обычно в наборе присутствует более четырех жил, предпочтительно от 19 до 547, обычно от 37 до 397.

Обычно жилы будут уложены слоями с противоположной круткой. Дополнительно жилы из двух или более наборов предпочтительно чередуются в своих слоях.

Кабель может быть оснащен наружной оболочкой, которая может содержать армировку из спирально уложенных стальных проводов. Армировка может представлять собой заземляющий проводник.

Альтернативно жилы могут быть уложены чередующимися слоями из всего одного набора и затем всего другого набора.

В целях удобства, изоляция может быть такого типа, который используется для так называемого «обмоточного провода», и иметь толщину по меньшей мере 18 мкм, предпочтительно от 24 мкм до 262 мкм, обычно от мкм до 190 мкм.

Согласно третьему аспекту настоящего изобретения представлен емкостный кабель передачи энергии, содержащий:

по меньшей мере два набора проводящих жил, и при этом

все из жил по меньшей мере одного из наборов имеют:

соответствующее изолирующее покрытие, причем два набора находятся в емкостном сопряжении друг с другом,

проводящие жилы, уложенные слоями с противоположной круткой, при этом в каждом слое присутствуют жилы по меньшей мере двух наборов.

Изоляция может быть экструдированной, с обмоткой или витой, но предпочтительно из эмали, обычно такого типа, который используется для так называемого «обмоточного провода».

Дополнительно жилы из двух или более наборов предпочтительно чередуются в своих слоях.

Во всех трех аспектах, тогда как один из наборов проводящих жил может быть неизолированным, а жилы из другого набора могут иметь изоляцию, предпочтительно, чтобы все из жил обоих наборов имели собственную изоляцию.

Предпочтительно соответствующие изоляции наборов будут иметь разные цвета, чтобы обеспечить их разделение для соединения на противоположных концах кабеля. Если предусмотрено более двух наборов жил, каждый из них будет иметь соответствующий цвет.

Дополнительно к собственной изоляции, жилы будут иметь изоляцию из гибкого полимера между каждым слоем для заполнения пустот между отдельными жилами.

Согласно четвертому аспекту настоящего изобретения представлен емкостный кабель передачи энергии, содержащий:

по меньшей мере два набора проводящих жил, при этом проводящие жилы

уложены слоями с противоположной круткой, при этом

жилы из одного или более смежных слоев составляют один набор, а все направленные радиально наружу жилы из одного или нескольких смежных слоев составляют другой набор и

изоляцию между слоями разных наборов, при этом по меньшей мере два набора находятся в емкостном сопряжении друг с другом.

Тогда как отдельные жилы могут быть изолированы, причем для способствования их идентификации используют разные цвета, они не должны быть представлены в этом аспекте. В противном случае, они предпочтительно имеют разные цвета, например, посредством покрытия одного набора оловом и не покрытия оловом второго набора.

Межслоевая изоляция предпочтительно выполнена из полимерной ленты и предпочтительно имеет толщину от 25 мкм до 2,7 мм, обычно от 30 мкм до 1,35 мм.

В предыдущих аспектах жилы будут, как правило, обжаты, например, посредством прохождения через волоку после добавления каждого слоя. Степень обжатия волокой контролируется, чтобы избежать повреждения изоляции, если она предусмотрена, при контакте с внешней периферией жилы.

Проводники обычно будут представлять собой медный или алюминиевый провод. Обычно изоляция будет представлять собой так называемую эмаль, которая используется для так называемого обмоточного провода.

Как и в случае с традиционными кабелями передачи энергии, нагрузочная способность по мощности кабеля предопределяет общую площадь сечения проводника кабелей согласно настоящему изобретению. На концах кабеля большую часть тока будет проводить один или другой из двух наборов жил. Если каждый набор жил имеет традиционную площадь сечения проводника, для кабеля будет использоваться в два раза больше проводящего металла. Однако количество проводников может изменяться на одном из концов посредством увеличения количественного отношения одного набора на одном конце и другого набора на другом конце. Это можно обеспечить посредством уменьшения количества жил в одном наборе и увеличения количества жил в другом. Альтернативно в случае, если присутствуют слои чередующихся наборов, может быть включен дополнительный наружный слой в один набор. В первом наборе используется то же количество проводников, а в другом – большее количество проводников. Предполагается, что это может выполняться только на концах, на одной или двух частях кабеля, как правило, с длиной от 250 м до 400 м для подземного кабеля, при этом остальная часть кабеля является такой же, как и части обычного кабеля. Части могут быть соединены как описано ниже.

Например, если кабель представляет собой подводный кабель, его большая часть может быть уложена в качестве одной длинной части без соединителей. Это является особенно удобным для кабеля повивной скрутки, в котором все жилы одного слоя принадлежат одному набору, а все жилы другого слоя – другому набору. Жилы в одном наборе не являются изолированными в своих слоях, хотя являются изолированными от других слоев, поскольку новые отрезки жил могут последовательно внедряться в общую скрутку. Кроме того ожидается, что минимальная площадь сечения проводника составит 50 мм².

Согласно пятому аспекту настоящего изобретения предоставлен емкостный кабель передачи энергии, содержащий по меньшей мере два набора проводящих жил, причем наборы жил изолированы друг от друга и находятся в емкостной взаимосвязи друг с другом, причем емкость составляет по меньшей мере 10 нФ/м.

Предпочтительно емкость между наборами жил находится в диапазоне от 25 до 360 нФ/м для 240-вольтного кабеля и от 13 до 187 нФ/м для 145-киловольтного кабеля, в частности, в диапазоне от 22 до 317 нФ/м для 3,6-киловольтного кабеля и от 14,5 до 209 нФ/м для 72,5-киловольтного кабеля. Следует отметить, что, парадоксальным образом, вследствие геометрии общей скрутки жил и их диаметра достигаемая емкость между набором жил падает при увеличивающемся номинальном напряжении. Следует отметить, что настоящее изобретение не ограничивается кабелями с напряжением 145 кВ. Могут рассматриваться кабели с большим напряжением.

При наличии такой возможности, если оба электродных набора проводников имеют идентичную эмалевую изоляцию, они не будут различимы по внешнему виду. Однако предусматривается, что они могут идентифицироваться отдельно на одном конце за счет подачи электрического сигнала на них на другом конце. В целях удобства, проводники будут сгруппированы в один электродный набор на другом конце, и, конечно, предпочтительно соединены вместе при подаче сигнала, а затем распределены на одном конце для идентификации другого электрода согласно тому, присутствует ли сигнал на отдельных проводниках.

Обычно, и в частности, если слои изолированы друг от друга, толщина слоев будет равна диаметру одного проводника. Однако, можно предусмотреть, что слои могут содержать два подслоя проводников, один из которых удобным образом уложен в одну сторону, а другой – в другую. Конечно, подслои в каждом слое могут быть объединены посредством сплетения.

Согласно шестому аспекту настоящего изобретения представлен емкостный кабель передачи энергии, содержащий:

по меньшей мере два набора проводящих жил, причем наборы жил изолированы друг от друга и находятся в емкостной взаимосвязи друг с другом,

изоляцию вокруг соединенных емкостной взаимосвязью наборов жил, и

заземляющую оболочку вокруг изоляции, причем заземляющая оболочка находится в емкостном соединении с соединенными емкостной взаимосвязью наборами жил, при этом изоляция является достаточно толстой, чтобы выполнять функцию диэлектрика, в результате чего емкость проводящих жил по отношению к оболочке становится на два порядка, или более, меньше, чем емкость между двумя наборами жил.

Случается, что обычные изоляция и оболочка для базовой емкости, обычно 8 мм полиэтилена, на практике на самом деле обеспечивают емкость на два порядка меньше.

Для соединения емкостного кабеля передачи энергии с питающим и нагрузочным проводниками обычно будет предоставлена клеммная колодка с клеммами для первого и второго наборов проводников. Одна клемма в каждой колодке обычно будет изолирована без питающей или нагрузочной соединительной клеммы, тогда как в другой будет предусмотрена питающая или нагрузочная клемма. Колодки упрощают соединение кабеля в качестве емкостного кабеля с одним набором проводников, соединенных при использовании с источником питания, и другим набором проводников, соединенных на другом конце с нагрузкой.

Один или оба из питающего и нагрузочного соединителей могут иметь шины, постоянно соединенные с питающей и нагрузочной клеммами. Конечно, такие шины могут содержать эти соединители.

Для соединения двух отрезков кабеля согласно настоящему изобретению предусмотрены два альтернативных соединителя. Соединитель для параллельного соединения будет предоставлен с соответствующими клеммами для соответствующих наборов проводников по обеим сторонам и с внутренними межсоединениями, при этом один проводник одной длины может быть соединен с одним проводником другой длины, и другие проводники соединяются подобным образом. Соединитель для последовательного соединения имеет клемму на одной стороне для одного набора, соединенную внутри с клеммой на другой стороне, для того или другого набора другого отрезка. Оставшиеся наборы оканчиваются изолированными клеммами на соответствующей стороне соединителя.

Предполагается, что емкость кабеля большой протяженности определяется посредством использования соединителей для параллельного соединения между конкретными отрезками и соединителей для последовательного соединения между другими отрезками.

Кабели с тремя или более наборами кабелей могут использоваться для дальнейшего выбора емкости кабеля посредством добавления проводников третьего набора с параллельным соединением к проводникам первого набора, например, и четвертого набора с параллельным соединением к проводникам первого набора, причем третий и четвертый наборы соединены емкостной взаимосвязью.

Альтернативно или дополнительно отдельный набор проводников может быть соединен на обоих концах для осуществления прямого соединения.

Для лучшего понимания настоящего изобретения далее будут описаны различные конкретные варианты осуществления в качестве примера и со ссылкой на прилагаемые графические материалы, на которых:

на фиг. 1 показан вид сбоку небольшого фрагмента частично непокрытого кабеля согласно настоящему изобретению;

на фиг. 2 показано схематическое изображение в поперечном разрезе наборов обычных проводников согласно настоящему изобретению без наружной оболочки;

на фиг. 3 показан вид, подобный виду на фиг. 2, семислойного кабеля согласно настоящему изобретению, имеющему жилы проводника двух наборов, чередующихся слоями;

на фиг. 4 показан другой подобный вид пятислойного кабеля, в котором наборы жил чередуются по слоям;

на фиг. 5 показан вариант кабеля по фиг. 4 с шестью слоями;

на фиг. 6 показана структурная схема кабеля по фиг. 2, в котором подобные соединители предусмотрены на обоих концах для параллельного соединения кабеля с другими такими же кабелями;

на фиг. 7 показана структурная схема кабеля по фиг. 2, в котором на его конце предусмотрены соединители шины;

на фиг. 8 показан соединитель для параллельного соединения для пары кабелей согласно настоящему изобретению;

на фиг. 9 показан соединитель для последовательного соединения для пары кабелей согласно настоящему изобретению;

на фиг. 10 показана концевая кабельная муфта для кабеля согласно настоящему изобретению;

на фиг. 11 показан график типичной диэлектрической прочности для выборки из обычных эмалевых покрытий;

на фиг. 12 показан график типичной прочности для выборки из обычных пленок/лент;

на фиг. 13 показан график минимальной толщины эмали в мм относительно напряжения в кВ;

на фиг. 14 показан график предпочтительного нижнего предела толщины эмали в мм относительно напряжения в кВ;

на фиг. 15 показан график предпочтительного верхнего предела толщины эмали в мм относительно напряжения в кВ;

на фиг. 16 показан график максимальной толщины эмали в мм относительно напряжения в кВ;

на фиг. 17 показан график комбинации данных по фиг. 13–16;

на фиг. 18 показан график минимальной емкости в нФ/м относительно напряжения в кВ;

на фиг. 19 показан график предпочтительного нижнего предела емкости в нФ/м относительно напряжения в кВ;

на фиг. 20 показан график предпочтительного верхнего предела емкости в нФ/м относительно напряжения в кВ;

на фиг. 21 показан график максимальной емкости в нФ/м относительно напряжения в кВ; и

на фиг. 22 показан график комбинации данных по фиг. 17–21.

Как показано на графических материалах, кабель 1 передачи энергии имеет медные жилы 2 и оболочку 3. Оболочка обычно является традиционной и имеет наружный защитный полимерный слой 4, защитный заземляющий слой 5 из стального/медного провода, полупроводящий слой 6, изолирующий слой 7 и полупроводящий слой 8. Медные проводящие жилы представляют собой жилы согласно настоящему изобретению.

Как правило, в кабеле, предназначенном для работы при напряжении 33 кВ с поперечным сечением, как правило, 300 мм², медные жилы 2 имеют диаметр 12 общей скрутки, как правило, 16 мм. Толщина изолирующего слоя составляет, как правило, 8 мм, при этом диаметр 14 составляет 32 мм и соотношение – 2:1. С учетом, что проводящие жилы между их набором имеют обычную емкость 120 нФ/м и емкость на землю жил in toto, как правило, составляет 0,3 нФ/м, емкость на землю становится на два порядка меньше, чем емкость между двумя наборами жил.

Дополнительно, изоляция между их жилами или слоями составляет, как правило, 0,1 – 0,2 мм, учитывая, что обычное отношение толщины изоляции к заземлению к толщине изоляции между жилами составляет 40:1 – 80:1.

Присутствует два набора 21, 22 медных жил. В каждом наборе жилы 23, 24 имеют соответственно разные цвета, как правило, красный и зеленый, изолирующая эмаль 25, 26 типа, используемого при производстве так называемого «обмоточного провода», т. е. медного провода, покрытого изолирующим полимерным материалом, предоставлена для обеспечения изоляции между смежными намотками в электромагнитной установке.

Жилы, как правило, укладываются следующим образом:

слой 1: две красные жилы 23 и две зеленые жилы 24, скрученные по часовой стрелке;

слой 2: пять красных жил 23 и пять зеленых жил 24, скрученных против часовой стрелки;

слой 3: восемь красных жил 23 и восемь зеленых жил 24, скрученных по часовой стрелке;

слой 4: одиннадцать красных жил 23 и одиннадцать зеленых жил 24, скрученных против часовой стрелки; слой 5: четырнадцать красных жил 23 и четырнадцать зеленых жил 24, скрученных по часовой стрелке;

слой 6: семнадцать красных жил 23 и семнадцать зеленых жил 24, скрученных против часовой стрелки;

слой 7: двадцать красных жил 23 и двадцать зеленых жил 24, скрученных по часовой стрелке.

Слои уложены посредством обычной машины для намотки кабеля, причем катушки с красными и зелеными жилами для отдельных слоев чередуются. Между каждым слоем обмотан гибкий полимерный материал 27. После укладывания каждого слоя жилы последнего уложенного слоя прижимаются к этому материалу, чтобы способствовать заполнению им пустот между жилами. Опять же, это по существу обычный этап, за исключением того, что волоки, через которые проходят жилы для этого обжатия, немного больше, чем могли бы быть в другом случае, для предотвращения повреждения эмали.

Жилы находятся в непосредственном контакте друг с другом и отделены только на толщину покрытий из эмали, при этом гибкий полимер заполняет пустоты между ними, например, когда три жилы имеют компоновку равностороннего треугольника. Рассмотрим фиг. 3, где следует отметить, что, хотя на фигуре показаны несколько жил, выровненных с другими жилами того же набора, на фигуре показан поперечный разрез в конкретной точке вдоль кабеля. Вследствие противоположной крутки прилегающих слоев компоновка в поперечном сечении жил отличается в разных точках вдоль кабеля. Такая компоновка обеспечивает емкостную взаимосвязь жил двух наборов друг с другом.

Рассмотрим фиг. 4, где показанный кабель 101 передачи энергии имеет два набора 121, 122 медных жил 123, 124, имеющих соответственно разные цвета изолирующей эмали, и межслоевую изоляцию 127. Все жилы уложены в слои противоположной крутки одного или другого набора. Предусмотрен центральный полимерный каркас 131, который является полым для вмещения волокон для передачи данных, таких как термочувствительные оптоволокна (не показаны). Жилы укладываются следующим образом:

слой 1: шестнадцать красных жил 123;

слой 2: двадцать две красные жилы 123;

слой 3: двадцать восемь зеленых жил 124;

слой 4: тридцать четыре красные жилы 123;

слой 5: сорок зеленых жил 124.

В этом кабеле емкостная взаимосвязь обеспечивается между жилами, чередующимися в радиальном направлении, двух наборов. Причина, по которой дополнительный слой 1 жил имеет тот же цвет/из того же набора, что и следующий слой 2, заключается в том, что без этого общая численность красных жил 123 будет значительно меньше, чем численность зеленых жил 124, что приведет к тому, что каркас будет переносить значительно больший ток на конце кабеля, если эти жилы соединены, как описано здесь.

Вариант второго кабеля передачи показан на фиг. 5. В нем в один набор входят не два внутренних слоя, а второй и третий слои. Количество жил на один слой разных жил составляет:

слой 1: шестнадцать красных жил 123;

слой 2: двадцать две зеленые жилы 124;

слой 3: двадцать восемь зеленых жил 124;

слой 4: тридцать четыре красные жилы 123;

слой 5: сорок зеленых жил 124;

слой 6: сорок шесть красных жил 123.

Этот кабель имеет дополнительный слой 6, что увеличивает его способность передачи энергии.

Для выбора емкости на единицу длины кабеля во внимание принимают индуктивность кабеля и других компонентов системы подачи электроэнергии, частью которой является кабель, с целью нахождения оптимального сочетания этой индуктивности и емкости кабеля. Более конкретно, выполняют следующие этапы:

1. выбирают изначальный размер кабеля в соответствии с напряжением и током, которые должен переносить кабель, в частности, площадь сечения металла, подлежащего включению в сердцевину; и в первом приближении - количество покрытых эмалью проводов и/или количество слоев; и длину (l):

2. вычисляют расчетную индуктивность кабеля (L_D) и сопротивление кабеля (R) с использованием компьютерных симуляции и моделирования и включительно, в частности, с его собственной индуктивностью и любой взаимной индуктивностью, которая может быть результатом его включения в 3-фазную систему, как если бы это был обычный кабель, если потребуется;

3. фиксируют, что индуктивное реактивное сопротивление кабеля, обусловленное L_D, задается уравнением индуктивного реактивного сопротивления:

X_L= 2пfL_D

где f равно рабочей частоте в Гц, обычно 50 или 60 Гц;

4. фиксируют, что емкостное реактивное сопротивление кабеля для емкости C задается уравнением емкостного реактивного сопротивления:

X_C = 1/2пfC

где f равно рабочей частоте в Гц, обычно 50 или 60 Гц;

5. фиксируют, что для X_L, который должен быть приблизительно равен, но немного больше X_C, рекомендован следующий диапазон:

0,4R > X_L - X_C > 0;

2пfL_D-1/2пfC < 0,4R

2пfL_D-1/2пfC > 0;

6. вычисляют требуемую емкость (C) кабеля в данном диапазоне:

1/((2пf)2L_D-2пf (0,4R)) > C > 1/(2пf)2L_D;

7. используют представленные ниже таблицы, из которых можно выбрать подходящие параметры кабеля, что может привести к пересмотру количества проводов или количества слоев, в этом случае можно уточнить выбор кабелей;

8. выбирают кабель, который максимально оптимально сочетается с L_D и может питать нагрузку, подключенную к нему, если все из индуктивностей не могут быть уравнены;

9. Если должны быть найдено оптимальное сочетание для других элементов индуктивности, это может быть учтено путем модификации значений L_D и, следовательно, X_L.

10. моделируют в симуляции полученной конструкции для подтверждения первоначального вычисления индуктивности L_D и полученных X_L и X_C, что может дать основание для пересмотра конструкции. Может потребоваться одно или более дополнительных последовательных приближений.

В рамках порядка величины, для кабеля в 15 км емкость в 120 нФ/м может уравнивать индуктивность кабеля в 375 нГн/м, что является типичным для 3-фазного 33-киловольтного кабеля, уложенного в форме треугольника. Тем не менее, следует отметить, что, если учитывается другая длина кабеля, следует принимать во внимание влияние его длины.

Для приведенных выше этапов следует принимать во внимание тот факт, что даже для эмали обмоточного провода стойкость диэлектрика не возрастает линейно с напряжением, как показано на графиках 1–6 (фиг. 11–16).

Представлены следующие ссылочные таблицы.

Таблица 1 – толщина эмали в мм для переменного максимального напряжения в кВ

Максимальное напряжение – кВ Минимальная толщина – мм Предпочтительный нижний предел толщины – мм Предпочтительный верхний предел толщины – мм Максимальная толщина – мм 3,6 0,024 0,026 0,105 0,202 7,2 0,034 0,037 0,148 0,242 12 0,040 0,043 0,172 0,247 17,5 0,040 0,043 0,172 0,247 24 0,040 0,043 0,172 0,247 36 0,040 0,043 0,172 0,247 52 0,041 0,045 0,179 0,251 72,5 0,044 0,047 0,190 0,262

Следует отметить, что шкала оси Y отличается в разных приведенных выше графиках и что кривые для минимального значения и значения предпочтительного нижнего предела подобны. Для понимания их относительных величин они могут быть скомбинированы, как показано на графиках 7–12 (фиг. 17–22) и в таблицах 2–6 ниже.

Таблица 2 – толщина диэлектрической ленты в мм для переменного максимального напряжения в кВ

Максимальное напряжение – кВ Минимальная толщина – мм Предпочтительный нижний предел толщины – мм Предпочтительный верхний предел толщины – мм Максимальная толщина – мм 3,6 0,027 0,040 0,211 0,404 7,2 0,038 0,055 0,295 0,485 12 0,059 0,065 0,344 0,495 17,5 0,059 0,065 0,344 0,495 24 0,059 0,065 0,344 0,495 36 0,059 0,065 0,344 0,495 52 0,062 0,067 0,358 0,503 72,5 0,065 0,071 0,379 0,523

Таблица 3 – емкость в нФ/м для переменного максимального напряжения в кВ

Максимальное напряжение – кВ Минимальная емкость – нФ/м Предпочтительный нижний предел емкости – нФ/м Предпочтительный верхний предел емкости – нФ/м Максимальная емкость – нФ/м 3,6 22,0 44,0 264,0 316,8 7,2 21,0 42,0 252,0 302,4 12 20,0 40,0 240,0 288,0 17,5 18,5 37,0 222,0 266,4 24 17,5 35,0 210,0 252,0 36 16,0 32,0 192,0 230,4 52 15,0 30,0 180,0 216,0 72,5 14,5 29,0 174,0 208,8

Таблица 4 – диаметр отдельной жилы в мм для переменного максимального напряжения в кВ

Максимальное напряжение – кВ Минимальный диаметр жилы – мм Предпочтительный нижний предел диаметра жилы – мм Предпочтительный верхний предел диаметра жилы – мм Максимальный диаметр жилы – мм 3,6 0,50 0,60 2,50 3,00 7,2 0,50 0,60 2,50 3,00 12 0,50 0,60 3,00 4,00 17,5 0,50 0,60 3,00 4,00 24 0,50 0,60 3,00 4,00 36 0,50 0,60 3,50 4,50 52 0,50 0,70 3,50 4,50 72,5 0,70 0,80 4,00 5,00

Таблица 5 – количество жил для переменного максимального напряжения в кВ

Максимальное напряжение – кВ Минимальное количество жил Предпочтительный нижний предел количества жил Предпочтительный верхний предел количества жил Максимальное количество жил 3,6 19 37 271 397 7,2 19 37 271 397 12 19 37 397 547 17,5 19 37 397 547 24 19 37 397 547 36 19 37 397 547 52 19 37 397 547 72,5 19 37 397 547

Таблица 6 – количество слоев для переменного максимального напряжения в кВ

Максимальное напряжение – кВ Минимальное количество слоев Предпочтительный нижний предел количества слоев Предпочтительный верхний предел количества слоев Максимальное количество слоев 3,6 3 4 10 12 7,2 3 4 10 12 12 3 4 12 14 17,5 3 4 12 14 24 3 4 12 14 36 3 4 12 14 52 3 4 12 14 72,5 3 4 12 14

В вышеприведенных таблицах и графиках показаны значения переменных для наиболее частых значений напряжения передачи энергии. Настоящее изобретение не ограничено этими значениями напряжения. Конечно, на этих графиках, которые в основной своей части основаны на их зависимостях, показан более широкий диапазон значений напряжения.

Оба описанных выше кабеля, включая варианты, соединены по существу одинаково, в том смысле, что жилы одного набора, как правило, красного набора, собираются в пучки на обоих концах и жилы другого набора собираются в пучки подобным образом.

После разделения на соответствующие пучки эмаль счищают с концов жил. Зачищенные жилы вставляют в соответствующий клеммник и плотно фиксируют вместе, обеспечивая механическое и, что более важно, электрическое соединение.

Обращаясь к фиг. 6–10, далее будут описаны соединители для кабеля 1001 согласно настоящему изобретению. Все красные провода 1003 собраны в пучки. Все зеленые провода 1004 собраны в пучки подобным образом. Провода подобным образом собраны в пучки на другом конце кабеля. Эмаль удаляется с концов собранных в пучки проводов подходящим образом посредством погружения в растворитель. Собранные в пучки концы объединяются вместе в соответствующих соединителях 1007, 1008. Они имеют гнезда 1009 с двумя выводами для пучков. Каждый конец гнезд имеет отверстия 1010 с зажимными винтами 1012 для пучков кабеля. Собранные в пучок провода вставляются в отверстия 1010 и зажимаются. Эта компоновка обеспечивает параллельное соединение кабеля 1001 с другими такими кабелями, причем их красные провода соединяются посредством соединителей с красными проводами кабеля 1001, и зеленые провода соединяются подобным образом. Для этого гнезда имеют отверстия 1011 на другом конце и зажимные винты 1014 на другом конце. Отверстия 1011 могут представлять собой сквозные отверстия с отверстиями 1010. Их компоновка со средними частями без отверстий гарантирует, что ни один из наборов проводов не займет пространства, предназначенные для проводов другого из них.

Если кабель используется как один отрезок между источником питания и нагрузкой, электрическое соединение кабеля присутствует между красными проводами и зелеными проводами в виде удлиненного конденсатора, проходящего по всей длине кабеля 1001. Соответствующие питающие и нагрузочные кабели/шины 1015, 1016 зажимаются в разных отверстиях 1011 гнезда 1017 для красных проводов на одном конце кабеля и гнезда 1018 для зеленых проводов на другом конце. Таким образом, красные провода 1003 соединены с питающим кабелем/шиной 1015 на конце 1005, и зеленые провода 1004 соединены с нагрузочным кабелем/шиной 1016 на конце 1006. Между питающим кабелем/шиной 1015 и нагрузочным кабелем/шиной 1016 отсутствует контакт металл-металл.

Соединители имеют другие изолированные гнезда 1019 с одним выводом с одним отверстием 1020 и одним зажимным винтом 1021. Другие провода, т. е. зеленые провода на питающем конце и красные провода на нагрузочном конце, размещаются и зажимаются в этих гнездах. Эти провода не соединены посредством гнезд и зажаты только механически для обеспечения того, что они останутся изолированными. С них не нужно счищать изолирующую эмаль, конечно, оставляя на них эмаль, можно способствовать их идентификации. Эти изолированные концы не принимают участия в передаче энергии.

Соединители на фиг. 4 и 5 показаны схематически.

На фиг. 8, 9 и 10 изображения показаны более подробно. На них показан кожух 1050 соединителя, который является по существу традиционным и при использовании заполнен изолирующим материалом 1051. В фактической компоновке соединитель содержит центральные блоки 1052 изолирующего материала, имеющие четыре гнезда 1053 с отверстиями и болтами для зажатия проводов кабеля, проходящих от каждого конца. В случае, показанном на фиг. 10, присутствуют три гнезда.

Гнезда на одной стороне электрически соединены внутренним образом с гнездами на другой стороне. Это осуществляется посредством короткого отрезка традиционного кабеля 1054 между внутренними отрезками и болтами. Вначале выполняются соединения и затем вокруг соединений образуются клеммы.

В случае по фиг. 8, четыре гнезда соединены попарно, гнездо 15381 с гнездом 15383 и гнездо 15382 с гнездом 15384 посредством двух коротких отрезков 15481, 15482 кабеля. Этот соединитель обеспечивает параллельное соединение двух кабелей согласно настоящему изобретению, причем, например, красные провода 1003 кабелей соединяются гнездами 15381, 15383 и кабелем 15481, а зеленые провода 1004 – гнездами 15382, 15384 и кабелем 15482.

В случае по фиг. 9, четыре гнезда соединены как одна пара, гнездо 15391 с гнездом 15394 посредством короткого отрезка 15491 кабеля; при этом гнезда 15392, 15393 не соединены. Этот соединитель обеспечивает последовательное соединение двух кабелей согласно настоящему изобретению, причем, например, красный провод кабеля соединен в гнездах 15391, 15392 кабелем 15491 с зелеными проводами кабеля, соединенными в гнездах 15393, 15394. Зеленые провода первого кабеля и красные провода второго кабеля скреплены только соединителями 15392, 15393. Кабель 15491 проходит сверху вниз для обеспечения соединения красных проводов и зеленых проводов на противоположных концах в одинаковых относительных положениях.

В случае по фиг. 10, три гнезда оснащены одним внутренним кабелем 154101. На одной стороне находятся гнезда 153101, 153102 для входящего кабеля, и на другой стороне находится гнездо 153103 для выходящего обычного кабеля 155 для источника питания или нагрузки. Это обеспечивает соединение обоих зеленых проводов входящих кабелей посредством внутреннего кабеля 154101 с одним гнездом 153103, при этом красные провода входящего кабеля должны быть скреплены.

Для кабелей для воздушных линий могут быть предоставлены подобные соединители с дополнительной характеристикой механического соединения с несущей механическое напряжение сердцевиной.

Если емкость объединенных отрезков должна быть меньше, соединитель может представлять собой соединитель для последовательного соединения, как тот, что показан на фиг. 9. При соединении красного (кабель A) с зеленым (кабель B) между двумя кабелями емкость свободных концов присутствует между зелеными проводами кабеля A и красными проводами кабеля B. Емкость обусловлена единичной длиной при удвоенном диэлектрическом зазоре. Это представлено в формуле для последовательно включенных емкостей:

последовательно включенные емкости

Если два отрезка являются идентичными, емкость делится пополам.

Характеристикой последовательно включенных емкостей является то, что напряжение на отдельной емкости является следствием распределения на заданное количество емкостей. Это является целесообразным для обеспечения возможности создания линии высоковольтной передачи из трех секций, каждая из которых несет 1/3 электрического напряжения. Дополнительным преимуществом является уменьшение толщины диэлектрического покрытия или ленты/бумаги между проводниками. Таким образом, потеря емкости вследствие последовательного соединения может быть компенсирована главным образом обеспечением большей емкости на единицу длины.

В отношении соединителей детали могут меняться. Например, собранные в пучки концы проводов проводника могут быть предварительно обжаты до вставки в гнезда. Кроме того, сами гнезда могут быть обжаты, а не скреплены винтами, посредством размещенных противоположно друг другу зазоров в основе соединителя, которые после могут быть запечатаны.

Настоящее изобретение не предполагается быть ограниченным подробностями описанных выше желаемых вариантов осуществления. Например, может быть предоставлено большее или меньшее количество проводящих слоев. Их может быть предоставлено равное количество или неравное количество в форме проводящих цилиндров, причем внутренний и самый внешний слой взаимно соединены. В центре кабеля может быть предусмотрена стальная сердцевина для укрепления кабеля. Альтернативно или дополнительно в центральной части может быть предусмотрен полый кабелепровод для размещения других продольных элементов, таких как оптоволокна, для передачи данных и/или отслеживания температуры.

Изобретение относится к емкостному кабелю передачи энергии. Технический результат заключается в расширении арсенала средств. Технический результат достигается за счет того, что емкостный кабель передачи энергии содержит по меньшей мере два набора проводящих жил, которые распределены в поперечном разрезе кабеля, при этом наборы жил изолированы друг от друга и находятся в емкостной взаимосвязи друг с другом. Предпочтительно емкость составляет по меньшей мере 10 нФ/м. 2 н. и 21 з.п. ф-лы, 23 ил., 6 табл.

1. Емкостный кабель передачи энергии, содержащий:

по меньшей мере два набора (21, 121; 22, 122) проводящих жил (23, 123; 24, 124), при этом наборы жил изолированы друг от друга и находятся в емкостной взаимосвязи друг с другом, и при этом жилы наборов распределены в поперечном разрезе кабеля, при этом два набора (21, 121; 22, 122) находятся в емкостном сопряжении друг с другом; отличающийся тем, что:

емкость между двумя или более наборами жил, когда все жилы соответствующих наборов электрически соединены вместе, составляет по меньшей мере 10 нФ/м, и жилы уложены в слои (L1, L2, L3, L4, L5, L6, L7) с противоположной круткой.

2. Емкостный кабель передачи энергии по п. 1, отличающийся тем, что емкость между наборами жил находится в диапазоне от 10 до 170 нФ/м для 3,6-киловольтного кабеля, или от 5,5 до 92,5 нФ/м для 72,5-киловольтного кабеля, или от 14 до 235 нФ/м для 240-вольтного кабеля, или от 5 до 84 нФ/м для 145-киловольтного кабеля.

3. Емкостный кабель передачи энергии по п. 1, отличающийся тем, что все жилы по меньшей мере одного из наборов имеют:

соответствующую изоляцию (25, 125; 26, 126), диэлектрической прочности которой достаточно для обеспечения поддержания наборов проводящих жил изолированными.

4. Емкостный кабель передачи энергии по п. 3, отличающийся тем, что толщина изоляции составляет по меньшей мере 10 мкм, предпочтительно толщина изоляции составляет от 20 до 540 мкм, и обычно она составляет от 17 до 1079 мкм.

5. Емкостный кабель передачи энергии по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что жилы (23, 123; 24, 124) двух или более наборов (21, 121; 22, 122) чередуются по своим слоям (L1, L2, L3, L4, L5, L6, L7).

6. Емкостный кабель передачи энергии по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что жилы (23, 123; 24, 124) уложены чередующимися слоями (L1, L2, L3, L4, L5, L6, L7), один из которых полностью состоит из одного набора (21; 121), а следующий - полностью из другого набора (22; 122).

7. Емкостный кабель передачи энергии по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что по меньшей мере один из наборов (21, 121; 22, 122) проводящих жил (23, 123; 24, 124) является неизолированным, а изоляция обеспечивается за счет изоляции жил (25, 125; 26, 126) из другого набора (21, 121; 22, 122).

8. Емкостный кабель передачи энергии по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что содержит:

изоляцию (27; 127) между слоями (L1, L2, L3, L4, L5, L6, L7) разных наборов (21, 121; 22, 122), при этом по меньшей мере два набора находятся в емкостном сопряжении друг с другом, при этом изоляция предпочтительно представляет собой изоляцию из гибкого полимера между каждым слоем для заполнения пустот между отдельными жилами, и изоляция представляет собой ленту толщиной обычно от 30 мкм до 1,35 мм, но предпочтительно от 25 мкм до 2,7 мм.

9. Емкостный кабель передачи энергии по п. 8, отличающийся тем, что один набор жил имеет определенную окраску, при этом он предпочтительно состоит из жил, покрытых оловом, и другой набор не имеет окраски, при этом он предпочтительно состоит из жил без покрытия.

10. Емкостный кабель передачи энергии по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что изоляция представляет собой изоляцию с применением изолирующих покрытий (25, 125; 26, 126) из эмали типа, который используется для так называемого «обмоточного провода», или же изолирующие покрытия являются экструдированными, витыми или плетеными.

11. Емкостный кабель передачи энергии по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что все наборы жил имеют собственную изоляцию, и соответствующие изоляции наборов имеют разный цвет, чтобы обеспечить их разделение для соединения на противоположных концах кабеля, при этом изоляция предпочтительно представляет собой эмаль, и при этом цвет эмали отличается между наборами.

12. Емкостный кабель передачи энергии по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что:

в каждом наборе присутствует больше четырех жил, обычно от 37 до 397 жил на набор, но предпочтительно от 19 до 547 жил на набор, и предпочтительно жилы представляют собой медный или алюминиевый провод.

13. Емкостный кабель передачи энергии по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что жилы послойно обжаты волокой.

14. Емкостный кабель передачи энергии по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что, если слои изолированы друг от друга, толщина слоев равна диаметру одного проводника, или слои содержат два подслоя проводников, уложенных в одном и другом направлениях, при этом подслои в каждом слое предпочтительно объединены сплетением.

15. Емкостный кабель передачи энергии по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что содержит:

изоляцию (7) вокруг соединенных емкостной взаимосвязью наборов жил, и заземляющую оболочку (5) вокруг изоляции, причем заземляющая оболочка находится в емкостном соединении с соединенными емкостной взаимосвязью наборами жил, при этом изоляция является достаточно толстой, чтобы выполнять функцию диэлектрика, в результате чего емкость проводящих жил по отношению к оболочке становится на практически два порядка, или более, меньше, чем емкость между двумя наборами жил, при этом оболочка предпочтительно представляет собой спирально уложенные стальные провода для армировки и предпочтительного выполнения функции заземляющего проводника.

16. Емкостный кабель передачи энергии по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что для присоединения к питающему проводнику или нагрузочному проводнику предоставлена клеммная колодка (1007, 1008) с клеммами (1009) для первого и второго наборов проводников (1003, 1004) на соответствующих концах (1005, 1006) кабеля, предпочтительно питающая или нагрузочная клемма представляет собой шину (1015, 1016), неразъемно соединенную с ней, и при этом предпочтительно одна клемма (1019) в каждой колодке изолирована без питающей или нагрузочной соединительной клеммы, тогда как в другой предусмотрена питающая или нагрузочная клемма (1017, 1018).

17. Емкостный кабель передачи энергии по п. 16, отличающийся тем, что содержит соединитель для параллельного соединения, содержащий соответствующие клеммы (15381/2/3/4) для соответствующих наборов проводников на обеих сторонах и внутренние межсоединения (15481/2), при этом один проводник одной длины соединен с одним проводником другой длины, и другие проводники соединены подобным образом, или соединитель для последовательного соединения, содержащий клемму (15391) на одной стороне для одного набора, соединенную внутри с клеммой (15394) на другой стороне для того или другого набора другой длины, и изолированные клеммы (15392/3) на соответствующих сторонах соединителя, чтобы оставшиеся наборы ими оканчивались.

18. Емкостный кабель передачи энергии по любому из пп. 1-16 в сочетании с по меньшей мере двумя или более подобными кабелями, по меньшей мере одним соединителем для параллельного соединения по п. 17 и по меньшей мере одним соединителем для последовательного соединения по п. 17, отличающийся тем, что кабели и соединители соединены в виде длинного кабеля с требуемой емкостью.

19. Емкостный кабель передачи энергии по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что кабель содержит по меньшей мере один дополнительный набор жил для выбора емкости кабеля или для осуществления прямого соединения.

20. Емкостный кабель передачи энергии по п. 1, отличающийся тем, что все жилы из одного или более смежных слоев составляют один набор, а все следующие уложенные радиально наружу жилы из одного или более смежных слоев составляют другой набор, при этом существует изоляция между слоями разных наборов, при этом по меньшей мере два набора находятся в емкостном сопряжении друг с другом, и при этом отдельные жилы не изолированы и предпочтительно имеют различный цвет в зависимости от их набора, при этом один набор жил обычно состоит из жил, покрытых оловом, а другой состоит из жил без покрытия.

21. Емкостный кабель передачи энергии по п. 1, отличающийся тем, что содержит жилы по меньшей мере двух наборов в каждом слое.

22. Емкостный кабель передачи энергии по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что все жилы соответствующих наборов соединены вместе, один набор на одном конце и другой набор на другом конце.

23. Способ применения емкостного кабеля передачи энергии по любому из предыдущих пунктов для передачи энергии с одним набором жил, соединенным с источником электроэнергии на одном конце, и с другим набором жил, соединенным с нагрузкой на другом конце.