КАБЕЛЬ ДЛЯ БЫСТРОРАЗВЕРТЫВАЕМЫХ СЕТЕЙ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2024 года по МПК H01B9/00 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к конструкциям силовых кабелей, предназначенных для использования в быстроразвертываемых сетях высокого напряжения. Может быть использован как в гражданской отрасли, так и оборонной, где необходимо быстро возвести и подключить электросеть, в том числе в полевых условиях.

Кабельная промышленность является важной отраслью электротехники. Силовые кабели используются для передачи и распределения электроэнергии разной мощности, на различные расстояния. Одной из основных проблем в данной области является необходимость создания более эффективных и безопасных силовых кабелей, которые смогут передавать электроэнергию на большие расстояния с минимальными потерями и обеспечивать надежную работу энергосистемы. В этом направлении проводятся исследования и разработки, направленные на улучшение характеристик силовых кабелей и снижение их стоимости.

К кабелям предъявляются достаточно строгие требования. Соответствие определенным стандартам и ГОСТам позволяет обеспечить их надежность, безопасность и долговечность в эксплуатации. ГОСТы определяют характеристики кабелей, такие как максимальное напряжение, допустимая температура, сопротивление изоляции, срок службы и другие параметры. Соблюдение этих требований позволяет производить качественные кабели, способные обеспечить бесперебойную передачу электроэнергии на долгие годы.

Для передачи электрической энергии высокого напряжения (например, 6 – 35 кВ) могут использоваться силовые кабели, состоящие из токопроводящей жилы большого сечения (согласно ГОСТ 34834-2022 минимальное сечение медной токопроводящей жилы – 16 мм² на напряжение 10 кВ), полупроводящих экранированных слоев, токопроводящей изоляции, оболочки и др. в зависимости от вида кабеля. Также для передачи электрического тока используют провода. Наибольшее распространение на воздушных линиях электропередачи получили стандартные неизолированные провода (типа А, АС, АН, АЖ и др.) и самонесущие изолированные провода (СИП). Эти провода также имеют большое сечение токопроводящей алюминиевой части, дополненное в некоторых конструкциях сечением стального сердечника или несущего элемента и др. элементами.

Из уровня техники известен ГОСТ 34834-2022, который регламентирует общие технические условия в отношении силовых кабелей с экструдированной изоляцией на номинальное напряжение от 6 до 35 кВ включительно. В данный ГОСТ включаются кабели, оснащенные медными или алюминиевыми токопроводящими жилами в количестве 1 или 3 жилы. Номинальное сечение токопроводящих жил устанавливают из ряда: 16, 25, 35, 50, 70, 95, 120, 150, 185, 240, 300, 400, 500, 625, 630, 800, 1000,1200, 1400, 1600 мм². Номинальное сечение токопроводящих жил трехжильных кабелей должно быть не более 400 мм². Кабели с номинальным сечением токопроводящих жил 16 и 25 мм² изготовляют только на напряжение 6 и 10 кВ. Данный источник также указывает, что применение токопроводящих жил сечением, менее приведенных в ГОСТе, не рекомендуется. Однако если требуется жила меньшего сечения, то необходимо или увеличить диаметр жилы за счет экрана по жиле, или увеличить толщину изоляции, чтобы ограничить максимальную напряженность электрического поля (до значений, вычисленных по наименьшему сечению жилы, указанному в таблице), возникающую в изоляции при приложении испытательных напряжений.

Также известны патентные источники, которые раскрывают разные вариации силовых кабелей:

В патенте RU207450U1 (опуб. 28.10.2021 г., МПК H01B 9/02) раскрыт кабель, который содержит три токопроводящие жилы 1, поверх каждой из которых последовательно наложены первый экран из полимерной электропроводящей композиции, изоляция, второй экран из полимерной электропроводящей композиции, электропроводящий слой, металлический экран, при этом экранированные жилы скручены в общий сердечник, поверх которого наложены внутренняя оболочка и наружная оболочка. Данный кабель рассчитан на напряжение 6-35 кВ.

В патенте RU201420U1 (опуб. 15.12.2020 г., МПК H01B 9/02) раскрыт кабель силовой, содержащий три токопроводящие жилы, поверх каждой из которых последовательно наложены первый электропроводящий слой, изоляция, второй электропроводящий слой, разделительный слой, металлический экран, экранированные жилы скручены в сердечник, поверх которого последовательно наложены внутренняя оболочка и наружная оболочка, при этом упомянутая изоляция каждой жилы содержит, по меньшей мере, два слоя, один из которых выполнен из, по меньшей мере, двух стеклослюдосодержащих лент с поверхностной плотностью слюдяной бумаги не менее 120 г/м² для каждой ленты, при этом ленты наложены обмоткой с перекрытием каждая, а другой слой представляет собой сшитую композицию полиэтилена толщиной не менее 2,15 мм. Данный кабель рассчитан на напряжение 6-20 кВ.

Главным недостатком известных кабелей является то, что чем больше нагрузка, тем больше сечение токопроводящей жилы, соответственно габаритнее весь кабель, что приводит к увеличению его веса, повышению сложности его изготовления и последующей эксплуатации.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в разработке силового кабеля, обладающего известными техническими и эксплуатационными характеристиками аналогов, при этом обеспечивающего возможность передачи электрического тока на расстояние по кабелю, имеющему малое сечение токопроводящей жилы и небольшую толщину изоляции.

Настоящее изобретение обеспечивает достижение следующего технического результата: повышение передаваемой мощности напряжения по токопроводящей жиле провода меньшем сечении токопроводящей жилы за счет повышения напряжения передаваемого электрического тока и уменьшением силы тока, при не измененном сопротивлении токопроводящей жилы, уменьшение времени монтажа и прокладки кабеля для Быстровозводимых Электрических Сетей (БЭС), в отличии от принятых крупных сечений кабелей для стационарных линий электропередач.

Технический результат достигается тем, что кабель силовой содержит медную однопроволочную токопроводящую жилу сечением 2,5 мм², имеющую микроструктуру меди с однонаправленным расположением ее зерен, полученную термопластичной деформацией путем волочения при температуре в инструменте в точке контакта 200-250 °С с применение охлаждающе-смазочной жидкости для заготовки и инструментов, с последующей термообработкой на проход при плавающей температуре около 350 °С, при одновременном воздействии электрического тока, имеющего напряжение 12-24 В и силу тока 2500 – 3500 ампер, причем поверх медной однопроволочной токопроводящей жилы нанесена силанольносшиваемая композиция на основе электроизоляционного материала с добавлением катализатора водной сшивки, поверх которой расположен экран из медной фольги.

Медная однопроволочная токопроводящая жила имеет гранецентрированную кристаллическую решетку с однонаправленными размерами зерна металла. На токопроводящую часть нанесена способом экструзии силанольносшиваемая композиция на основе электроизоляционного материала (например, полиэтилена) с добавлением катализатора водной сшивки, содержащего комплекс стабилизаторов, за счет чего обеспечивается стойкость к воздействию агрессивных факторов внешней среды, окислительной деструкции, а также высокая термостабильность при переработке, в зависимости от толщины изоляционного слоя от расчетной величины напряжения. Использование металла меди, имеющей микроструктуру с однонаправленным расположением ее зерен, полученную термопластичной деформацией путем волочения при температуре в инструменте в точке контакта 200-250 °С с применение охлаждающе смазочной жидкости для заготовки и инструментов, с последующей термообработкой на проход при плавающей температуре около 350 °С, при одновременном воздействии электрического тока, имеющего напряжение 12-24 В и силу тока 2500 – 3500 ампер.

Отличительной чертой данного технического решения является возможность передачи мощности до 250 кВт по однопроволочной медной жиле диаметром 2,5 мм² на расстояния до 10 км. Это возможно за счет того, что пропускается по токопроводящей части кабеля увеличенный электрический ток, зависящий от принятой величины напряжения, и передается большая мощность по проводнику малого сечения. То есть электрический ток, зависящий от высокой величины напряжения (10000 Вольт) и минимальной силы тока (меньше 1 ампера) при постоянном сопротивление токопроводящей жилы. Тем самым осуществляется возможность передачи большой мощности через малое сечение токопроводящей жилы. Данный кабель должен подключаться с одной стороны к высоковольтным линиям, а с другой к устройству быстровозводимых электрических сетей.

Суть изобретения поясняется следующими материалами:

Фиг. 1 – показана конструкция кабеля.

Фиг. 2 – пример использования изобретения.

Заявленный кабель выполнен из меди, имеющей микроструктуру с однонаправленным расположением ее зерен, позволяющего пропускать по токопроводящей части провода увеличенный электрический ток. При этом медная однопроволочная токопроводящая жила 1 может быть выполнена монолитной, а может быть многопроволочной. Также токопроводящая жила 1 может быть выполнена биметаллической. Поверх токопроводящей жилы 1 выполнен электропроводящий экран 2, выполненный при помощи метода экструзии или обмоткой лентами.

Электроизоляционный материал представляет собой полиэтилен, безгалогенную композицию, этиленпропиленовую резину, термопластичный полиуретан, термоэластопласт, силикон. Также на кабеле выполнен экран, который может быть изготовлен из медной фольги. На кабеле выполнен бронепокров, выполненный из стальных оцинкованных лент, наложенных в виде оплетки.

Также на фиг. 2 представлен пример использования указанного изобретения в полевых условиях, где кабель 3 под маркой «EXPERt class® МИП 3х(1х2,5)-10 кВ завода «ЭКСПЕРТ-КАБЕЛЬ» подключается к воздушной линии электропередачи 4, рассчитанной на 10 кВ и прикрепленная к опоре 5. Кабель 3 подключается непосредственно к линии 4 и размещается на траверсе 6, которая прикреплена на вершине сборной опоры 7. В дальнейшем кабель 3 может крепиться к стволам деревьев с помощью поддерживающих зажимов 8. Также при прокладке кабеля через водное пространство могут использовать поплавки 9, которые позволяют удерживать кабель на поверхности воды. Затем кабель подключается к специальной установке 10 (БЭС), которая также в свою очередь посредством кабеля 3 подключается к любой нагрузке 11, например, обогревателю.

В рамках возможности использования большей мощности на кабеле с сечением меньше допустимого при такой мощности были проведены эксперименты и испытания, которые подтвердили возможность реализации данного изобретения. Указанный кабель выполняется в соответствии с ТУ 27.32.14-040-29225139-2024. В рамках данного ТУ раскрыты кабели (провода) для быстровозводимых электрических сетей (БЭС). Согласно данному ТУ кабель соответствует всем критериям безопасности, а именно изолированные провода должны выдерживать на образцах испытание переменным напряжением 10 кВ частотой 50 Гц в течение не менее 30 мин после выдержки в воде при температуре (20±10) °С не менее 24 ч. Также изолированные провода должны выдерживать на образцах воздействие импульсного напряжения 20 кВ. Провода на номинальное напряжение 20 кВ должны выдерживать на образцах испытание напряжением 24 кВ переменного тока частотой 50 Гц в течение не менее 5 мин. Пробивное напряжение защитной изоляции проводов после выдержки в воде при температуре (20±5) °С в течение не менее 1 ч должно быть для проводов на номинальное напряжение 20 кВ - не менее 24 кВ переменного тока частотой 50 Гц.

Способ реализации данного изобретения можно представить по следующей схеме. От источника питания (например: распределительного высоковольтного шкафа) находящегося в селе, необходимо подать электрическое напряжение на временный пункт обогрева машин, который находится на дороге, проходящей по полю на расстоянии 8 км от села. Провод подключается к распределительному высоковольтному шкафу и разматывается до временного пункта обогрева по земле (пересеченной местности) на расстояние 8 км. Во временном пункте обогрева кабель подключается к приемнику, после чего подается напряжение электрического тока на кабель от распределительного высоковольтного шкафа. К приемнику подключаются электрические приборы типа электрообогреватель, электрочайник и другое электрическое оборудование.

Испытания производились под руководством профессора кафедры Электроэнергетических систем ИЭЭ, ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский университет «МЭИ», д.т.н., доцента Удинцева Д.Н., а так же при участии Тульского В.Н. к.т.н., доцента, директора Института электроэнергетики НИУ «МЭИ», Председателя общественного совета при Министерстве энергетики Московской области, члена общественного совета при Федеральной службе по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзор), Зажигина В. В., к.т.н., доцента кафедры ЭЭС ИЭЭ НИУ «МЭИ», других научных сотрудников и специалистов кабельного завода «ЭКСПЕРТ-КАБЕЛЬ» на производственной базе Кабельного Завода «ЭКСПЕРТ-КАБЕЛЬ» в г. Нахабино показали, что специально изготовленный кабель марки «EXPERt class® МИП 1х2,5-10» сечением токопроводящей части 2,5 мм² позволил длительно передавать мощность нагрузки 20 кВт на переменном токе напряжением свыше 10 кВ при частоте 50 Гц на расстояние более 300 метров.

За время эксплуатации кабель не изменил своих физико-механических характеристик и не получил дополнительного нагрева, что зарегистрировано контрольно-измерительными приборами с фиксацией. Благодаря влагонепроницаемой изоляции и оболочке кабель может прокладываться по земле, воде, снегу или другим поверхностям, а также может монтироваться на опорах. Причем принятая величина электрического тока, подаваемая по токопроводящей жиле, обеспечивает возможность передачи большой мощности по токопроводящей жиле кабеля. В настоящий момент с помощью данной установки осуществляется питание строительного участка от РОССЕТИ.

Также проведены демонстрационные испытания, проведенные на полигоне РОССЕТИ в Московской обл. в поселке Рогово при участии представителей РОССЕТИ и представителей МО РФ, также был снят небольшой видеоролик по использованию БЭС (Быстровозводимых Электрических Сетей) с использованием кабеля (провода). Испытания производились под руководством профессора кафедры Электроэнергетических систем ИЭЭ, ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский университет «МЭИ», д.т.н., доцента Удинцева Д.Н., а так же при участии Тульского В.Н. к.т.н., доцента, директора Института электроэнергетики НИУ «МЭИ», Председателя общественного совета при Министерстве энергетики Московской области, члена общественного совета при Федеральной службе по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзор), Зажигина В. В., к.т.н., доцента кафедры ЭЭС ИЭЭ НИУ «МЭИ», других научных сотрудников и специалистов кабельного завода «ЭКСПЕРТ-КАБЕЛЬ», монтажной организацией «Эксперт-Энергострой» показали, что специально изготовленный кабель марки «EXPERt class® МИП 1х2,5-10» сечением токопроводящей части 2,5 мм² позволил в течении всего дня передавать мощность нагрузки 25 кВт на переменном токе напряжением свыше 10 кВ при частоте 50 Гц на расстояние более 500 метров от подключённой ВЛ 10кВ до приемного комплекта БЭС (Быстровозводимых Электрических Сетей), к которому была подключена питающая линия до полевой палатки, с подключением в ней и рядом с ней освещения, тепловых пушек для обогрева помещения палатки, электрочайник, телевизор. За время эксплуатации кабель не изменил своих физико-механических характеристик и не получил дополнительного нагрева, что зарегистрировано контрольно-измерительными приборами с фиксацией. Провод был проложен по быстровозводимым столбам, по снегу и деревьям.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к конструкциям силовых кабелей, предназначенных для использования в быстроразвертываемых сетях высокого напряжения. Технический результат изобретения заключается в повышении передаваемой мощности напряжения по токопроводящей жиле провода меньшего сечения за счет повышения напряжения передаваемого электрического тока, уменьшении времени монтажа и прокладки кабеля для быстровозводимых электрических сетей (БЭС). Кабель силовой содержит медную однопроволочную токопроводящую жилу сечением 2,5 мм², имеющую микроструктуру меди с однонаправленным расположением ее зерен, полученную термопластичной деформацией путем волочения при температуре в инструменте в точке контакта 200-250°С с применение охлаждающе-смазочной жидкости для заготовки и инструментов, с последующей термообработкой на проход при плавающей температуре около 350°С при одновременном воздействии электрического тока, имеющего напряжение 12-24 В и силу тока 2500 3500 ампер. Поверх медной однопроволочной токопроводящей жилы нанесена силанольносшиваемая композиция на основе электроизоляционного материала с добавлением катализатора водной сшивки, поверх которой расположен экран из медной фольги. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Кабель силовой, характеризующийся тем, что включает медную однопроволочную токопроводящую жилу сечением 2,5 мм² с возможностью передачи мощности до 250 кВт, имеющую микроструктуру меди с однонаправленным расположением ее зерен, полученную термопластичной деформацией путем волочения при температуре в инструменте в точке контакта 200-250°С с применение охлаждающе-смазочной жидкости для заготовки и инструментов, с последующей термообработкой на проход при плавающей температуре около 350°С при одновременном воздействии электрического тока, имеющего напряжение 12-24 В и силу тока 2500-3500 ампер, причем поверх медной однопроволочной токопроводящей жилы нанесена силанольносшиваемая композиция на основе электроизоляционного материала с добавлением катализатора водной сшивки, поверх которой расположен экран из медной фольги, при этом пропускается по токопроводящей части кабеля увеличенный электрический ток, зависящий от высокой величины напряжения и минимальной силы тока при постоянном сопротивлении токопроводящей жилы.

2. Кабель силовой по п.1, отличающийся тем, что медная однопроволочная токопроводящая жила выполнена многопроволочной.

3. Кабель силовой по п.1, отличающийся тем, что электроизоляционный материал представляет собой сшитый полиэтилен, безгалогентную композицию, этиленпропиленовую резину, термопластичный полиуретан, термоэластопласт, силикон.