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.

 

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 1
FA, мм2	150	200	300	400	500	600	750	1000
R1, мм	7,3	8,4	10,3	11,9	13,9	14,6	16,3	18,8
Kд	1,006	1,012	1,026	1,04	1,068		1,145	1,239

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 2
Параметры однофазного кабеля 110 кВ при различных активных сечениях токопроводящей жилы (медной) с полиэтиленовой изоляцией
Fa	X	С	Z	Vк	Iн	Iмакс	Iмакс/Iн
мм2	Ом/км	мкФ/км	Ом	км/сек	А	А	-
100	0,113	0,079	67	1,87·105	1090	200	0,18
200	0,084	0,112	48,7	1,82·105	1500	400	0,27
300	0,072	0,137	40,6	1,78·105	1800	600	0,33
400	0,064	0,158	35,76	1,75·105	2040	800	0,39
500	0,059	0,177	32,44	1,73·105	2250	1000	0,44
750	0,051	0,218	27,3	1,68·105	2674	1500	0,56
1000	0,046	0,251	24,1	1,64·105	3020	2000	0,66

Таблица 3
Параметры однофазного кабеля 220 кВ при различных активных сечениях токопроводящей жилы (медной) с полиэтиленовой изоляцией
Fa	X	С	Z	vк	Iн	Iмакс	Iмакс/Iн
мм2	Ом/км	мкФ/км	Ом	км/сек	А	А	-
100	0,209	0,039	128	1,94·105	992	200	0,20
200	0,153	0,055	92	1,91·105	1380	400	0,29
300	0,127	0,068	76	1,89·105	1670	600	0,36
400	0,112	0,079	66,5	1,87·105	1910	800	0,42
500	0,102	0,088	60	1,86·105	2117	1000	0,47
750	0,086	0,108	49,8	1,83·105	2550	1500	0,59
1000	0,077	0,124	43,8	1,77·105	2900	2000	0,69

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 4
Параметры однофазного кабеля 220 кВ с медной токоведущей жилой оптимальной конструкции
FA, мм2	R2, мм	С0, мкФ/км	Z, Ом	vк, км/с	Iн, А	Iмакс, А		Pдоп, МВт
750	43	0,124	44,1	1,80·105	2880	1500	0,52	491,6
1000	43,9	0,146	40,1	1,77·105	3340	2000	0,60	701,1
1250	45,4	0,168	33,6	1,74·105	3780	2500	0,66	900,2
1500	47,3	0,190	30,1	1,71·105	4219	3000	0,71	1108,8

Таблица 5
Параметры однофазного кабеля 330 кВ с медной токоведущей жилой оптимальной конструкции
FA, мм2	R2, мм	R0, мм	С0, мкФ/км	z, Ом	vк, км/с	Iн, А	Iмакс, А		Pдоп, МВт
750	70,2	1,3	0,082	63,8	1,86·105	2986	1500	0,5	720,1
1000	66,3	4,3	0,097	54,8	1,84·105	3476	2000	0,58	1040
1250	64,7	7,2	0,112	48,2	1,82·10	3952	2500	0,63	1350,4
1500	64,8	10,2	0,127	43	1,80·105	4430	3000	0,68	1645,9
1750	65,6	13,1	0,141	39	1,77·105	4885	3500	0,72	1932
2000	66,8	16,0	0,156	35,7	1,76·105	5336	4000	0,75	2240,3
2250	68,5	19,0	0,171	33,7	1,73·105	5653	4500	0,79	2510
2500	70,3	22,0	0,186	30,8	1,71·105	6185	5000	0,81	2800,4
2750	72,5	24,9	0,201	28,8	1,69·105	6615	5500	0,83	3100

Таблица 6
Параметры однофазного кабеля 500 кВ с медной токоведущей жилой оптимальной конструкции
FA, мм2	R2, мм	R0, мм	С0, мкФ/км	z, Ом	vк, км/с	Iн, А	Iмакс, А		Pдоп, МВт
1500	105	10,2	0,084	62,8	1,86·105	4597	3000	0,65	249
2000	99,3	16	0,103	51,8	1,83·105	5573	4000	0,72	336
2500	98,1	22	0,123	44,2	1,80·105	6532	5000	0,765	424
3000	99,7	27,8	0,142	38,8	1,77·105	7440	6000	0,806	514
3500	102,1	33,7	0,162	34,6	1,74·105	8344	7000	0,84	602
4000	105,6	39,6	0,182	31,3	1,72·105	9224	8000	0,87	690
4500	109,8	45,5	0,201	28,7	1,69·105	10059	9000	0,895	776

Таблица 7
Параметры однофазного кабеля 750 кВ с медной токоведущей жилой оптимальной конструкции
FA, мм2	R2, мм	R0, мм	С0, мкФ/км	z, Ом	vк, км/с	Iн, А	Iмакс, А		Pдоп, МВт
3000	151	27,8	0,095	56	1,84·105	7743	6000	0,77	7638
4000	145	39,6	0,123	45	1,80·105	9644	8000	0,83	10300
5000	150	51,4	0,147	38	1,77·105	11470	10000	0,87	12910
6000	156	63,2	0,174	33	1,75·105	13262	12000	0,88	15522

Таблица 8
Параметры однофазного кабеля 1150 кВ с медной токоведущей жилой оптимальной конструкции
FA, мм2	R2, мм	R0, мм	С0, мкФ/км	z, Ом	vк, км/с	Iн, А	Iмакс, А		Pдоп, МВт
4000	250	39,6	0,079	66,4	1,87·105	10010	8000	0,80	15712
5000	232	51,4	0,096	55,4	1,84·105	12000	10000	0,83	19720
6000	226	63,2	0,113	47,7	1,82·105	13900	12000	0,86	23735
7000	226	74,9	0,130	41,9	1,79·105	15846	14000	0,884	27746
8000	230	86,7	0,146	37,7	1,77·105	17600	16000	0,91	31770
9000	236	98,5	0,164	34,3	1,74·105	19359	18000	0,93	35780
10000	243	110	0,1805	31,6	1,72·105	21012	20000	0,95	39757

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.

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.

2. Кабель, по п.1, отличающийся тем, что внутри токоведущей жилы расположен оптоволоконный материал.