PL210723B1

PL210723B1 - Kabel elektroenergetyczny

Info

Publication number: PL210723B1
Application number: PL374389A
Authority: PL
Inventors: Sergio Belli; Fabrizio Donazzi; Alberto Bareggi; Cesare Bisleri; Carlo Marin
Original assignee: Prysmian Cavi Sistemi En S R L
Priority date: 2002-06-28
Filing date: 2003-06-05
Publication date: 2012-02-29
Also published as: RU2005102009A; EP1522081A1; WO2004003939A1; CN1666305A; KR20050006293A; RU2312417C2; PL374389A1; AU2003236698B2; AU2003236698A1; NZ536940A; WO2004003940A1; CA2489551A1; CA2489551C; US20060076155A1; US7488892B2; WO2004003939A8; JP2005531917A; CN100354982C; BR0305103A

Description

Przedmiotem wynalazku jest kabel elektroenergetyczny, do przesyłu i rozdziału energii w zakresie napięć od 100 V do 500 kV, zwłaszcza kabel elektroenergetyczny, który wykazuje zarówno dużą odporność na oddziaływania mechaniczne, jak i zwartość budowy.

Zastosowane określenie „średnie napięcie” oznacza napięcia typowo od około 10 kV do około 60 kV, a określenie „wysokie napięcie” odnosi się do napięć powyżej 60 kV. Określenie „bardzo wysokie napięcie” oznacza napięcia wyższe od około 150 kV lub 220 kV, do powyżej 500 kV. Określenie „niskie napięcie” odnosi się do napięcia poniżej 10 kV, zwykle wyższego od 100 V. Konkretna wartość napięcia określana jest jako „klasa napięcia”, na przykład 10 kV, 20 kV, 30 kV itp., mieszcząca się w odpowiednim zakresie napięcia, na przykład napię cia niskiego, średniego lub wysokiego.

Kable do przesyłu lub rozdziału energii przy napięciu średnim lub wysokim zwykle zawierają metalową żyłę przewodzącą otoczoną pierwszą wewnętrzną warstwą półprzewodzącą, warstwą izolacyjną i zewnętrzną warstwą półprzewodzącą. Taka określona sekwencja elementów jest oznaczana określeniem „rdzeń”.

Koncentrycznie na zewnątrz względem tego rdzenia, kabel jest zaopatrzony w ekran metalowy zwykle z aluminium, ołowiu lub miedzi, który jest umieszczony koncentrycznie na zewnątrz rdzenia. Ekran metalowy stanowi ciągłą rurę lub taśmę metalową ukształtowaną w postaci rury i zgrzewaną lub uszczelnianą dla zapewnienia hermetyczności.

Ten ekran metalowy pełni dwie funkcje: po pierwsze zapewnia hermetyczność względem otoczenia kabla przez utworzenie pewnej bariery dla wnikania wody w kierunku promieniowym, a jednocześnie pełni funkcję elektryczną powodując powstanie, wewnątrz kabla, w wyniku bezpośredniego styku między ekranem metalowym a zewnętrzną warstwą półprzewodzącą rdzenia, równomiernego pola elektrycznego typu promieniowego, przy równoczesnej eliminacji zewnętrznego pola elektrycznego kabla. Dodatkową funkcją jest zapewnienie wytrzymałości na prądy zwarciowe.

W konfiguracji typu unipolarnego, taki kabel ma jeszcze powłokę polimerową, zewnętrzną względem ekranu metalowego.

Ponadto, kable do przesyłu lub rozdziału mocy są zwykle zaopatrzone w co najmniej jedną warstwę do ochrony kabli przez przypadkowymi udarami, które mogą oddziaływać na ich powierzchnię zewnętrzną.

Przypadkowe oddziaływania mechaniczne na kabel mogą występować podczas jego transportu lub w etapie jego układania w rowie wykopanym w ziemi. Takie przypadkowe oddziaływania mechaniczne mogą powodować szereg uszkodzeń struktury kabla, włącznie z deformacją warstwy izolacyjnej i oddzieleniem warstwy izolacyjnej od warstw półprzewodzących, uszkodzenia, które mogą powodować zmiany elektrycznego narażenia napięciowego warstwy izolacyjnej, w konsekwencji zmniejszających izolacyjność tej warstwy.

W kablach, które dostę pne są obecnie na rynku, na przykł ad w kablach do przesył u i rozdziału energii niskiego lub średniego napięcia, są zwykle stosowane pancerze wytrzymujące takie oddziaływania mechaniczne, w celu zapewnienia ochrony kabli przed ewentualnymi uszkodzeniami powodowanymi przez przypadkowe udary. Zwykle takie pancerze mają postać taśm lub drutów, korzystnie wykonanych ze stali lub w rozwiązaniu alternatywnym z powłok metalicznych, korzystnie z ołowiu lub aluminium. Przykład takiej struktury kabla opisano w dokumencie USA nr 5.153.381.

W dokumencie EP 981.821, przedstawiono kabel wykonany z rozprężanym materiał em polimerowym, w celu nadania temu kablowi wysokiej odporności na przypadkowe oddziaływania mechaniczne, przy czym korzystne jest, jeżeli warstwa rozprężanego materiału polimerowego jest nałożona koncentrycznie na zewnątrz rdzenia kabla. Rozwiązanie takie pozwala na uniknięcie stosowania tradycyjnych pancerzy metalowych, tym samym na zredukowanie ciężaru, jak również na uproszczenie procesu produkcyjnego.

W dokumencie EP 981.821, nie przedstawiono szczegół owo konkretnej struktury rdzenia kabla.

W praktyce, elementy składowe rdzenia kabla są dobierane i wymiarowane zgodnie ze znanymi normami, na przykład normą lEC 60502-2.

Stwierdzono, że stosowane zabezpieczenie rozprężane o specjalnej konstrukcji może nie tylko zastąpić inne rodzaje zabezpieczeń, lecz również nadaje się do stosowania izolacji o mniejszych rozmiarach, umożliwiając otrzymanie tym samym kabla o bardziej zwartej strukturze, bez obniżania jego niezawodności.

PL 210 723 B1

Ponadto, kable do przesyłu lub dystrybucji energii mają zwykle co najmniej jedną warstwę zapewniającą efekt barierowy, blokujący wnikanie wody do wnętrza kabla, to znaczy do rdzenia. Wnikanie wody do wnętrza kabla jest szczególnie niepożądane, ponieważ przy braku odpowiednich rozwiązań przeznaczonych do blokowania wody, po jej wniknięciu może ona rozpływać się swobodnie po kablu. Jest to szczególnie szkodliwe w odniesieniu do integralności kabla, ponieważ może powstać problem z korozją, jak również problemy polegające na przyspieszeniu starzenia z pogorszeniem właściwości elektrycznych warstwy izolacyjnej, zwłaszcza kiedy jest ona wykonana z usieciowanego polietylenu.

Na przykład, znane jest zjawisko „water treeing” (wodnej struktury drzewiastej), które polega głównie na powstawaniu mikroskopijnych kanalików o strukturze rozgałęzionej („drzewiastej”) z powodu połączonego oddziaływania pola elektrycznego generowanego przez przyłożone napięcie i wilgoci, która wniknęła do wewnątrz warstwy izolacyjnej. Zjawisko „water treeing” jest opisane na przykład w dokumentach EP-750.319 i EP 814.485.

Znaczy to zatem, że w przypadku wnikania wody do wnętrza kabla, będzie on musiał być wymieniony. Ponadto, po dotarciu wody do połączeń, zacisków lub dowolnego innego osprzętu elektrycznego dołączonego do końca kabla, woda nie tylko uniemożliwi realizację funkcji kabla, lecz również uszkodzi ten osprzęt, w większości przypadków powodując zniszczenia nieodwracalne, istotne pod względem ekonomicznym.

Wnikanie wody do wnętrza kabla może nastąpić z wielu powodów, zwłaszcza kiedy kabel stanowi część instalacji podziemnej. Takie wnikanie może nastąpić na przykład przez zwykłą dyfuzję wody przez powłokę polimerową kabla lub w wyniku obtarcia, przypadkowego udaru lub działania gryzoni, czynnika, który może prowadzić do nacięcia lub nawet przerwania powłoki kabla a zatem utworzenia drogi łatwego wejścia wody do wnętrza kabla.

Znane są liczne sposoby rozwiązywania tych problemów. Mogą być stosowane na przykład związki hydrofobowe i pęczniejące w wodzie, w postaci proszków lub żelu, które są umieszczane wewnątrz kabla w różnych miejscach, zależnie od rozpatrywanego typu kabla.

Na przykład takie związki mogą być umieszczane koncentrycznie wewnątrz metalowej powłoki, w miejscu mię dzy rdzeniem kabla a jego metalowym ekranem, lub w miejscu znajdującym się koncentrycznie na zewnątrz niego, zwykle w położeniu bezpośrednio pod powłoką polimerową, lub w obu wspomnianych miejscach równocześnie.

Związki pęczniejące w wodzie, w wyniku kontaktu z wodą mają właściwość rozprężania objętościowego a zatem uniemożliwiają wzdłużne i promieniowe rozprzestrzenianie się wody przez utworzenie fizycznej bariery na jej drodze przepływu.

W dokumencie WO 99/33070 opisano zastosowanie warstwy rozprężanego materiału polimerowego znajdującego się w bezpośrednim styku z rdzeniem kabla, w miejscu bezpośrednio pod ekranem metalowym kabla, i o określonych właściwościach półprzewodzenia w celu zagwarantowania niezbędnej ciągłości elektrycznej między elementem przewodzącym oraz metalowym ekranem.

Problem techniczny rozwiązywany w WO 99/33070 polegał na tym, że warstwy powłokowe kabla podlegają ciągłemu mechanicznemu rozszerzaniu i kurczeniu w licznych cyklach termicznych, którym poddawany jest kabel podczas normalnego użytkowania. Te cykle termiczne, powodowane dobowymi zmianami natężenia przepływającego prądu elektrycznego, które są związane z odpowiednimi zmianami temperatury wewnątrz samego kabla, prowadzą do powstawania promieniowych naprężeń wewnątrz kabla, oddziałujących na wspomniane warstwy, a zatem również na jego metalowy ekran. Oznacza to zatem, że kabel może ulegać znacznym odkształceniom mechanicznym, łącznie z powstawaniem pustych przestrzeni między ekranem a zewnętrzną warstwą półprzewodzącą i możliwym powstawaniem niejednorodności w polu elektrycznym lub nawet powodujących, z biegiem czasu, przerwanie samego ekranu. Problem rozwiązano przez wstawienie, pod metalowym ekranem warstwy rozprężanego materiału polimerowego zdolnej do absorbowania, elastycznie i równomiernie wzdłuż kabla, wspomniane promieniowe siły rozszerzania/kurczenia się, tak by zapobiec możliwości uszkodzenia metalowego ekranu. Poza tym, w dokumencie WO 99/33070 opisano rozwiązanie polegające na tym, że, wewnątrz rozprężonego materiału polimerowego umieszczonego pod metalowym ekranem osadzony jest pęczniejący w wodzie materiał proszkowy, który jest w stanie zablokować wilgoć i/lub niewielkie ilości wody, które mogły wniknąć do wnętrza kabla nawet pod metalowy ekran.

Jak to bardziej dokładnie opisano w dalszej części opisu, w tych samych warunkach napięcia elektrycznego przykładanego do kabla, jego przekroju i materiale izolacyjnym warstwy izolacyjnej, zmniejszenie grubości warstwy izolacyjnej kabla powoduje zwiększenie narażenia napięciem elek4

PL 210 723 B1 trycznym (gradient elektryczny) w warstwie izolacyjnej. Zatem zwykle warstwa izolacyjna danego kabla jest tak projektowana, to znaczy wymiarowana, aby wytrzymywała warunki narażenia elektrycznego wymagane dla kategorii zastosowania danego kabla. Nawet jeżeli kabel jest projektowany, aby zapewniał pewną grubość warstwy izolacyjnej, która jest większa od koniecznej, tak aby zapewnić odpowiedni współczynnik bezpieczeństwa, przypadkowe uderzenie występujące na zewnętrznej powierzchni kabla może spowodować trwałe odkształcenie warstwy izolacyjnej i zmniejszenie, często znaczne, jej grubości zależnie od obszaru uderzenia, powodując w ten sposób przebicie elektryczne po włączeniu zasilania kabla.

Zazwyczaj materiały stosowane na warstwę izolacyjną i powłokę kabla, po udarze elastycznie wracają w zasadzie tylko częściowo do swoich pierwotnych rozmiarów i kształtów. Zatem po udarze, nawet jeżeli ten nastąpił przed włączeniem zasilania, to grubość warstwy mającej wytrzymywać narażenie elektrycznie jest nieuchronnie zmniejszona.

Poza tym, jeśli metalowy ekran znajduje się koncentrycznym na zewnątrz względem warstwy izolacyjnej kabla, materiał tego ekranu jest trwale zniekształcony oddziaływaniem mechanicznym, i ten fakt ogranicza możliwość elastycznego powrotu z odkształcenia, tak że warstwa izolacyjna nie ma możliwości elastycznego odzyskania pierwotnego kształtu i rozmiaru.

W wyniku tego, spowodowane przypadkowym udarem odkształcenie, lub przynajmniej jego znaczna część, po udarze utrzymuje się, nawet jeżeli powód samego tego oddziaływania mechanicznego zniknął. To odkształcenie powoduje zmniejszenie grubości warstwy izolacyjnej, która zmienia się z pierwotnej wartości na wartość mniejszą. Zatem, po włączeniu zasilania kabla rzeczywista grubość warstwy izolacyjnej wystawionej na elektryczne narażenie napięciowe (Γ) w obszarze oddziaływania mechanicznego, ma zmniejszoną wartość, a nie wartość początkową.

Stwierdzono, że stosowanie kabla z elementem ochronnym zawierającym rozprężany materiał polimerowy mogący nadawać kablowi wyznaczoną odporność na przypadkowe oddziaływania mechaniczne, jest w stanie uczynić konstrukcję kabla bardziej zwartą od konstrukcji kabla konwencjonalnego. Ponadto, warstwa rozprężanego polimeru tego elementu ochronnego lepiej absorbuje przypadkowe udary mogące oddziaływać na zewnętrzną powierzchnię, niż tradycyjny element ochronny, na przykład wspomniane powyżej metaliczne pancerze, a zatem możliwe jest korzystne zmniejszenie odkształcenia powstającego w warstwie izolacyjnej kabla w wyniku przypadkowego oddziaływania mechanicznego. Stosowanie kabla z elementem ochronnym zawierającym rozprężany materiał polimerowy umożliwia jest korzystne zmniejszenie grubości warstwy izolacyjnej kabla aż do narażenia elektrycznego odpowiadającego wytrzymałości elektrycznej materiału izolacyjnego. Ponieważ odkształcenie warstwy izolacyjnej kabla zmniejsza się znacznie w obecności rozprężanej warstwy polimerowej, to nie jest konieczne stosowanie w kablu warstwy izolacyjnej o zwiększonej grubości, która zapewnia bezpieczne działanie kabla również w obszarze uszkodzonym. Przy stosowaniu kabla z elementem ochronnym zawierającym rozprężoną warstwę polimerową, grubość tej warstwy może być korzystnie skorelowana z grubością warstwy izolacyjnej, dla zminimalizowania ogólnej masy kabla, przy zapewnieniu bezpiecznego działania warstwy izolacyjnej z elektrycznego punktu widzenia, jak również zapewnieniu odpowiedniej ochrony mechanicznej kabla przed przypadkowym oddziaływaniem mechanicznym.

Po dobraniu przekroju przewodu kabla, napięcia roboczego kabla, i materiału izolacyjnego warstwy izolacyjnej kabla oraz grubości materiału izolacyjnego, aby wytrzymywała narażenie (Γ) napięciem elektrycznym zgodnym z wytrzymałością dielektryczną materiału warstwy izolacyjnej, grubość warstwy izolacyjnej może być skorelowana z grubością rozprężanej warstwy polimerowej elementu ochronnego. Grubość rozprężanej warstwy polimerowej może być dobrana dla zminimalizowania odkształcania warstwy izolacyjnej kabla przy oddziaływaniu mechanicznym, tak aby możliwe było stosowania w tym kablu warstwy izolacyjnej o zmniejszonej grubości.

Kabel elektroenergetyczny, do przesyłu i rozdziału energii w zakresie napięć od 100 V do 500 kV, który zawiera żyłę przewodzącą, warstwę izolacyjną otaczającą żyłę przewodzącą i element ochronny wokół warstwy izolacyjnej o grubości i właściwościach mechanicznych dobranych odpowiednio do uzyskania określonej wytrzymałości udarowej, przy czym element ochronny zawiera przynajmniej jedną rozprężaną warstwę polimerową, według wynalazku charakteryzuje się tym, że element ochronny zawiera dodatkowo pierwszą nie rozprężaną warstwę polimerową i drugą nie rozprężaną warstwę polimerową, które są usytuowane koncentrycznie w odstępie względem siebie i względem pierwszej rozprężanej warstwy polimerowej, a ponadto kabel zawiera dodatkowo drugą rozprężaną warstwę polimerową usytuowaną koncentrycznie wewnątrz elementu ochronnego.

PL 210 723 B1

Korzystnym jest, że wyznaczona klasa napięciowa kabla jest nie wyższa, niż 10 kV.

Korzystnym jest, że gradient napięcia na zewnętrznej powierzchni warstwy izolacyjnej kabla wynosi nie mniej niż 2,5 kV/mm, a energia udaru wynosi co najmniej 50 J.

Korzystnym jest, że wyznaczona klasa napięciowa kabla mieści się między 10 kV a 60 kV. Korzystnym jest, że gradient napięcia na zewnętrznej powierzchni warstwy izolacyjnej kabla wynosi nie mniej niż 2,5 kV/mm, a energia udaru wynosi co najmniej 70 J.

Korzystnym jest, że wyznaczona klasa napięciowa kabla jest wyższa niż 60 kV.

Korzystnym jest, że wyznaczoną klasą napięciową kabla jest 10 kV, a grubość warstwy izolacyjnej jest nie większa od 2,5 mm.

Korzystnym jest, że wyznaczoną klasą napięciową kabla jest 20 kV, a grubość warstwy izolacyjnej jest nie większa od 4 mm.

Korzystnym jest, że wyznaczoną klasą napięciową kabla jest 30 kV, a grubość warstwy izolacyjnej jest nie większa od 5,5 mm.

Korzystnym jest, że żyłą przewodzącą jest lity pręt.

Korzystnym jest, że kabel jest zaopatrzony w dodatkowy ekran elektryczny otaczający warstwę izolacyjną, przy czym ekran elektryczny stanowi arkusz metalowy ukształtowany w postaci rury.

Korzystnym jest, że grubość warstwy izolacyjnej jest dobrana tak, że natężenie pola elektrycznego wewnątrz warstwy izolacyjnej przy pracy kabla pod napięciem nominalnym zawierającym się w wyznaczonej klasie napięciowej osiąga wartości między 2,5 kV/mm a 18 kV/mm.

Korzystnym jest, że element ochronny jest usytuowany koncentrycznie na zewnątrz warstwy izolacyjnej.

Korzystnym jest, że stopień rozprężania rozprężanej warstwy polimerowej zawiera się między 0,35 a 0,7.

Korzystnym jest, że stopień rozprężania zawiera się między 0,4 a 0,6.

Korzystnym jest, że grubość rozprężanej warstwy polimerowej elementu ochronnego wynosi od 1 mm do 5 mm.

Korzystnym jest, że rozprężany materiał polimerowy rozprężanej warstwy polimerowej jest dobrany spośród polimerów polialkenowych lub kopolimerów na bazie etylenu i/lub propylenu.

Korzystnym jest, że rozprężany materiał polimerowy jest dobrany spośród takich, jak:

a) kopolimery etylenu z alkenowo nienasyconym estrem, na przykład octanem winylu, w których ilość nienasyconego estru wynosi od 5% wag. do 80% wag.

b) kopolimery elastomerowych etylenu z przynajmniej jednym α-alkenem C₃-C₁₂, i opcjonalnie dienem, o następującym składzie: 35% mol. -90% mol. etylenu, 10% mol, -65% mol. α-alkenu, 0 - 10% mol. dienu;

c) kopolimery etylenu z przynajmniej jednym α-alkenem C₄-C₁₂, a opcjonalnie dienu, o gęstości od 0,86 g/cm³ do 0,90 g/cm³;

d) polipropylen modyfikowany kopolimerami etylenu/a-alkenu C₃-C₁₂, przy czym stosunek wagowy polipropylenu i kopolimeru etylenu/a-alkenu C₃-C₁₂ wynosi od 90/10 do 30/70.

Korzystnym jest, że przynajmniej jedna nie rozprężana warstwa polimerowa jest sprzężona z rozprężaną warstwą polimerową elementu ochronnego.

Korzystnym jest, że przynajmniej jedna nie rozprężana warstwa polimerowa ma grubość w zakresie od 0,2 mm do 1 mm.

Korzystnym jest, że przynajmniej jedna nie rozprężana warstwa polimerowa jest wykonana z materiału polialkenowego.

Korzystnym jest, że pierwsza nie rozprężana warstwa polimerowa jest usytuowana koncentrycznie na zewnątrz rozprężanej warstwy polimerowej elementu ochronnego.

Korzystnym jest, że druga nie rozprężana warstwa polimerowa jest usytuowana koncentrycznie wewnątrz rozprężanej warstwy polimerowej elementu ochronnego.

Korzystnym jest, że dodatkowa rozprężana warstwa polimerowa jest usytuowana koncentrycznie na zewnątrz warstwy izolacyjnej.

Korzystnym jest, że dodatkowa rozprężana warstwa polimerowa jest półprzewodząca. Korzystnym jest, że dodatkowa rozprężana warstwa polimerowa jest warstwą pęczniejącą w wodzie.

Korzystnym jest, że żyłą przewodzącą jest pręt metalowy.

Korzystnym jest, że warstwa izolacyjna jest wykonana z nie usieciowanego materiału polimerowego.

PL 210 723 B1

Korzystnym jest, że wyznaczona klasa napięciowa należy do zakresu napięć średnich i wysokich.

Korzystnym jest, że grubość elementu ochronnego wynosi mniej niż 7,5 mm w przypadku pola przekroju przewodu większego niż 50 mm² i więcej niż 8,5 mm w przypadku pola przekroju przewodu mniejszego od lub równego 50 mm².

Korzystnym jest, że wyznaczona klasa napięciowa kabla jest wyższa niż 60 kV, a warstwa izolacyjna nie jest w stopniu wykrywalnym uszkadzana przy udarze o energii co najmniej 70 J.

Korzystnym jest, że wyznaczona klasa napięciowa kabla nie jest wyższa niż 60 kV, a warstwa izolacyjna nie jest w stopniu wykrywalnym uszkadzana przy udarze o energii co najmniej 50 J.

Korzystnym jest, że wyznaczona klasa napięciowa kabla jest wyższa niż 10 kV, a warstwa izolacyjna nie jest w stopniu wykrywalnym uszkadzana przy udarze o energii co najmniej 25 J.

Korzystnym jest, że grubość elementu ochronnego pozostaje w odwrotnym stosunku do pola przekroju żyły przewodzącej.

Korzystnym jest, że przynajmniej jedna nie rozprężana warstwa polimerowa jest sprzężona z przynajmniej jedną rozprężaną warstwą polimerową elementu ochronnego.

Korzystnym jest, że rozprężana warstwa polimerowa ma stałą grubość, a zwiększana grubość nie rozprężanej warstwy polimerowej pozostaje w odwrotnym stosunku do pola przekroju żyły przewodzącej.

Korzystne jest stosowanie kabla według wynalazku nie tylko w odniesieniu do kabli elektrycznych do przesyłu i rozdziału energii, lecz również do kabli typu mieszanego energetycznotelekomunikacyjnego, które zawierają rdzeń z włókien optycznych. W tym sensie zatem, w pozostałej części niniejszego opisu i załączonych zastrzeżeniach, określenie „żyła przewodząca” oznacza przewód metalowy lub typu mieszanego elektryczno-optycznego.

Przedmiot wynalazku w przykładzie realizacji został uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia kabel elektryczny według wynalazku, w widoku perspektywicznym, fig. 2 - porównawczy kabel elektryczny uszkodzony w wyniku oddziaływania mechanicznego, w przekroju, fig. 3 - kabel elektryczny w przekroju, przy odkształceniu elementu ochronnego spowodowanym oddziaływaniem mechanicznym, fig. 4 - wykres ukazujący zależność między grubością powłoki a polem przekroju poprzecznego przewodu zaprojektowanego dla uniemożliwienia uszkodzenia warstwy izolacyjnej pod działaniem udaru w kablu tradycyjnym, fig. 5 - wykres ukazujący zależność między grubością elementu ochronnego kabla a polem przekroju poprzecznego przewodu zaprojektowanego dla uniemożliwienia uszkodzenia warstwy izolacyjnej pod działaniem udaru w kablu według wynalazku, a fig. 6 przedstawia wykres ukazujący zależność między grubością elementu ochronnego a polem przekroju poprzecznego przewodu zaprojektowanego odpowiednio dla uniemożliwienia uszkodzenia warstwy izolacyjnej pod działaniem udaru w kablu z dwiema rozprężonymi warstwami polimerowymi według wynalazku.

Na fig. 1 przedstawiono kabel 1 według wynalazku, w widoku perspektywicznym, w przekroju częściowym, zaprojektowany ogólnie do stosowania w szerokim zakresie napięć, od niskich do wysokich. Kabel do przesyłu energii przedstawianego rodzaju zwykle działa przy nominalnych częstotliwościach 50 Hz lub 60 Hz. W skład kabla 1 wchodzi żyła przewodząca 2, wewnętrzna warstwa półprzewodząca 3, warstwa izolacyjna 4, zewnętrzna warstwa półprzewodząca 5, metalowy ekran 6 i element ochronny 20.

Korzystnie, żyłą przewodzącą 2 jest pręt metalowy, korzystnie wykonany z miedzi lub aluminium. W rozwiązaniu alternatywnym żyła przewodząca zawiera przynajmniej dwa przewody metalowe, korzystnie z miedzi lub aluminium, które są splecione w znany sposób. Pole przekroju żyły przewodzącej jest wyznaczane w zależności od energii wymagającej przesyłu przy wybranym napięciu. Korzystne wartości pola przekroju kabli według wynalazku wynoszą od 16 mm² do 1000 mm².

Zwykle warstwa izolacyjna 4 jest wykonana z polialkenu, w szczególności polietylenu, polipropylenu, kopolimerów etylenowo-propylenowe i tym podobnych. Korzystne jest, jeżeli warstwa izolacyjna 4 jest wykonana z nie usieciowanego materiału polimerowego, korzystnie taki materiał polimerowy zawiera składnik polipropylenowy.

W niniejszym opisie, określenie „materiał izolacyjny” jest stosowane do wskazania na materiał o wytrzymał o ś ci dielektrycznej co najmniej 5 kV/mm, korzystnie powyż ej 10 kV/mm. W przypadku kabli przesyłowych mocy na napięcia średnie-wysokie materiał izolacyjny ma wytrzymałość dielektryczną powyżej 40 kV/mm.

PL 210 723 B1

Korzystne jest, jeżeli materiał izolacyjny warstwy izolacyjnej 4 stanowi nie rozprężany materiał polimerowy. Określenie „nie rozprężany” materiał polimerowy jest stosowane do wskazania na materiał, który jest w zasadzie wolny od pustych przestrzeni wewnątrz struktury, to znaczy materiałem o stopniu rozprężania w zasadzie zerowym, co dokł adniej poniż ej objaś niono. W szczególnoś ci, wspomniany materiał izolacyjny ma gęstość co najmniej 0,85 g/cm³. Typowo, warstwa izolacyjna kabli do przesyłu mocy ma stałą dielektryczną K powyżej 2.

Wewnętrzna półprzewodząca warstwa 3 i zewnętrzna półprzewodząca warstwa 5, obie nie rozprężane, otrzymywane są znanymi sposobami, w szczególności metodą wyciskania, przy czym podstawowy materiał polimerowy z sadzą stosowaną dla nadania warstwom właściwości półprzewodnikowych, jest dobrany spośród znanych materiałów.

W alternatywnym przykładzie wykonania wynalazku, warstwy półprzewodzące, wewnętrzna i zewnę trzna 3, 5 zawierają nie usieciowany podstawowy materiał polimerowy, korzystnie zwi ą zek polipropylenowy.

W korzystnym przykł adzie wykonania przedstawionym na fig. 1, metalowy ekran 6 jest wykonany z ciągłego arkusza metalowego, korzystnie aluminium lub w rozwiązaniu alternatywnym miedzi, ukształtowanego w postaci rury. W niektórych przypadkach może być stosowany również ołów.

Metalowy ekran 6 jest owinięty wokół zewnętrznej warstwy półprzewodzącej 5 z zachodzeniem na krawędzi, z wstawieniem przekładkowego materiału uszczelniającego zapewniającego wodoszczelność metalowego ekranu. W rozwiązaniu alternatywnym arkusz metalowy jest zgrzewany.

W rozwią zaniu alternatywnym metalowy ekran 6 jest wykonana ze ś rubowo nawinię tych drutów lub pasków metalowych rozmieszczonych wokół zewnętrznej półprzewodzącej warstwy 5.

Zwykle metalowy ekran jest pokryty powłoką (na fig. 1 nie przedstawiona) składającą się z usieciowanego lub nie usieciowanego materiału polimerowego, na przykład polichlorku winylu (PVC) lub polietylenu (PE).

W korzystnym przykł adzie wykonania z fig. 1, koncentrycznie na zewnątrz metalowego ekranu 6, kabel 1 jest zaopatrzony w element ochronny 20, który zawiera rozprężaną warstwę polimerową 22 usytuowaną między dwoma nie rozprężanymi warstwami polimerowymi, zewnętrzną pierwszą nie rozprężaną warstwą polimerową 23 i wewnętrzną drugą nie rozprężaną warstwę polimerową 21. Element ochronny 20 pełni funkcję zabezpieczenia kabla przed jakimkolwiek zewnętrznym oddziaływaniem mechanicznym wywieranym na kabel, przez przynajmniej częściowe absorbowanie tego oddziaływania.

Materiałem polimerowym stanowiącym rozprężaną warstwę polimerową 22 jest korzystnie znany rodzaj rozprężanego polimeru, spośród takich jak na przykład: polialkeny, kopolimery różnych polialkenów, kopolimery alkenów z nienasyconym alkenowo estrem, poliestry, poliwęglany, polisulfony, żywice fenolowe, żywice mocznikowe i ich mieszaniny. Przykładami tego rodzaju polimerów są: polietylen (PE), zwłaszcza polietylen o niskiej gęstości (LDPE - Iow density PE); polietylen o średniej gęstości (MDPE - medium density PE); polietylen o dużej gęstości (MDPE - high density PE); liniowy polietylen o niskiej gęstości (LLDPE - linear low density PE), polietylen o ultraniskiej gęstości (ULDPE -ultra-low density polyethylene); polipropylen (PP), elastomerowe kopolimery etylenu/propylenu (EPR elastomeric ethylene/propylene copolymers) lub terpolimery etylenu/propylenu/dienu (EPDM - ethylene/propylene/diene terpolymers); kauczuk naturalny; kauczuk butylowy, kopolimery estrów etylenu/winylu, na przykład octan etylenu/winylu (EVA - ethylene/vinyl acetate); kopolimery etylenu/akrylanu, w szczególności akrylan etylenu/metylu (EMA - ethylene/methyl acrylate); akrylan etylenu/etylu (EEA - ethylene/ethyl acrylate) (EEA - ethylene/acrylate i akrylan etylenu/butylu (EBA - ethylene/butyl acrylate); termoplastyczne kopolimery etylenu/alfa-alkeny; polistyren; żywice akrylonitrylu/butadienu/styrenu (ABS - acrylonitrile/butadiene/styrene); polimery fluorowcowane, w szczególności polichlorek winylu (PVC), poliuretan (PUR); poliamidy; poliestry aromatyczne, jak na przykład politereftalan etylenu (PET) lub politereftalan butylenu (PBT) i ich kopolimery lub mieszaniny mechaniczne.

Korzystnie, materiałem polimerowym jest polimer polialkenowy lub kopolimer na podstawie etylenu i/lub propylenu, i jest dobrany w szczególności spośród takich, jak:

a) kopolimery etylenu z alkenowo nienasyconego estru, na przykład octanu winylu, w których ilość nienasyconego estru wynosi zwykle od 5% wag. do 80% wag., a korzystnie zwykle od

10% wag. do 50% wag.;

b) kopolimery elastomerowych etylenu z przynajmniej jednym alkenem alfa C3-C12, i opcjonalnie dienem, korzystnie kopolimerami etylenu/propylenu (EPR - ethylene/propylene) lub etyle8

PL 210 723 B1 nu/propylenu/dienu (EPDM - ethylene/propylene/diene), zwykle o następującym składzie: 35% mol. -90% mol. etylenu, 10% mol. -65% mol alkenu alfa, 0 - 10% mol. dienu (na przykł ad heksadienu 1,4 lub 5-etylideno-2-norbornenu);

c) kopolimery etylenu z przynajmniej jednym alkenem alfa C4-C12, korzystnie 1-heksan, 2-okten i tym podobnych, a opcjonalnie dienu, zwykle o gę stości od 0,86 g/cm³ do 0,90 g/cm³ i następującej kombinacji: 79% mol. -97% mol. etylenu; 3% mol. - 25% mol. alkenu alfa; 0-5% mol. dienu;

d) polipropylen modyfikowany kopolimerami etylenu/alkenu alfa C3-C12, przy czym stosunek wagowy polipropylenu i kopolimeru etylenu/alkenu alfa C3-C12 wynosi od 90/10 do 10/90, a korzystnie od 80/20 do 20/80.

Na przykład w grupie a) występują produkty handlowe Elvax® (Du Pont), Levapren® (Bayer) i Lotryl® (Elf-Atochem), produkty należące do klasy (c) to Engage® (Dow-Du Pont) lub Exact® (Exxon), podczas gdy kopolimery etylenu/alkenu alfa modyfikowanego polipropylenem są dostępne handlowo pod nazwami firmowymi Moplen® lub Hifax® (Montell), lub też FinaPro® (Fina) i tym podobnymi.

W grupie d), szczególnie korzystne są elastomery termoplastyczne z ciąg łą osnową polimeru termoplastycznego, na przykład polipropylenu, i drobnymi cząstkami (zwykle o średnicy rzędu 1 μm 10 μm) utwardzonego polimeru elastomerowego, na przykład usieciowanego EPR lub EPDM, rozproszonymi w osnowie termoplastycznej. Polimer elastomerowy może być włączony w osnowę termoplastyczną w stanie nieutwardzonym, a następnie usieciowany dynamicznie podczas przeróbki przez dodanie odpowiedniej ilości środka sieciującego. W rozwiązaniu alternatywnym polimer elastomerowy może być utwardzany oddzielnie, a następnie rozpraszany w osnowie termoplastycznej w postaci drobnych cząstek. Elastomery termoplastyczne tego typu są znane na przykład z dokumentów US 4.104.210 i EP 324.430. Te elastomery termoplastyczne są korzystne, ponieważ okazują się szczególnie efektywnymi do elastycznego absorbowania sił promieniowych podczas cykli termicznych kabla w całym zakresie temperatur roboczych.

Określenie „polimer rozprężany” rozumiany jest na oznaczenie polimeru, w którego strukturze skład procentowy przestrzeni „pustej”, inaczej mówiąc przestrzeni nie zajętej przez polimer, lecz przez gaz lub powietrze, jest zwykle większy, niż 10% ogólnej objętości tego polimeru.

Zwykle zawartość procentowa wolnej przestrzeni w rozprężanym polimerze wyraża się w postaci stopnia rozprężenia G. Określenie „stopień rozprężania polimeru” jest rozumiany jako odnoszący się do rozprężania polimeru wyznaczonego w sposób następujący:

G (stopień rozprężenia) = (d₀/d_e - 1) · 100 gdzie d0 oznacza gęstość polimeru nie rozprężonego (inaczej mówiąc polimeru o strukturze w zasadzie bez pustych przestrzeni) a fe oznacza gęstość pozorną zmierzoną dla polimeru rozprężanego.

Korzystnie, stopień rozprężania rozprężanej warstwy polimerowej 22 jest dobrany w zakresie od 0,35 do 0,7, a korzystniej od 0,4 do 0,6. Korzystnie, dwie nie rozprężane warstwy polimerowe 21, 23 elementu ochronnego 20 są wykonane z materiałów polialkenowych.

Korzystnie, pierwsza nie rozprężana warstwa polimerowa 23 jest wykonana z materiału termoplastycznego, zwłaszcza polialkenu, na przykład nie usieciowanego polietylenu (PE), a w rozwiązaniu alternatywnym może być stosowany polichlorek winylu (PVC).

W przykładzie wykonania przedstawionym na fig. 1, kabel 1 jest dodatkowo zaopatrzony w drugą rozprężaną warstwę polimerową 8, która stanowi warstwę blokującą wodę, a umieszczona jest ona między zewnętrzną półprzewodząca warstwą 5 a metalowym ekranem 6. Zgodnie z wynalazkiem, ta blokująca wodę druga rozprężana warstwa polimerowa 8 stanowi rozprężaną pęczniejącą w wodzie, półprzewodzącą warstwę. Korzystnie, blokująca wodę druga rozprężana warstwa polimerowa 8 jest wykonana z rozprężanego materiału polimerowego, w którym zatopiony lub rozproszony jest materiał pęczniejący w wodzie. Rozprężany polimer blokującej wodę warstwy 8 jest korzystnie wybrany spośród wymienionych już znanych materiałów polimerowych. Blokująca wodę druga rozprężana warstwa polimerowa 8 pomaga w utworzeniu efektywnej bariery dla wzdłużnego przenikania wody do wnętrza kabla.

Jak wykazały przeprowadzone próby, druga rozprężana warstwa polimerowa 8 może zawierać duże ilości materiału pęczniejącego w wodzie, a zawarty materiał pęczniejący w wodzie może się rozprężać, przy umieszczeniu rozprężanej warstwy polimerowej w kontakcie z wilgocią lub wodą, przy czym skutecznie realizowana jest funkcja blokowania wody.

PL 210 723 B1

Materiał pęczniejący w wodzie występuje zwykle w postaci rozdrobnionej, zwłaszcza w postaci proszku. Korzystne jest, jeżeli cząstki tworzące pęczniejący w wodzie proszek mają średnicę nie większą, niż 250 μm i przeciętną średnicę od 10 μm do 100 μm. Korzystniej, ilość cząstek o średnicy od 10 μm do 50 μm stanowią przynajmniej 50% wag. w odniesieniu do ogólnej wagi proszku.

Materiał pęczniejący w wodzie zwykle składa się z homopolimeru lub kopolimeru z grupami hydrofiłowymi w łańcuchu polimerowym, na przykład: usieciowany i przekształcony przynajmniej częściowo w postać soli kwas poliakrylowy (na przykład produkty Calbloc® z firmy C.F. Stockhausen GmbH lub Waterlock® z firmy Grain Processing Co.); skrobia lub jej pochodne mieszane z kopolimerami spośród akryloamidu i akrylanu sodu (na przykład produkty SGP Absorbent Polymer® z firmy Henkel AG); karboksymetyloceluloza sodu (na przykład produkty Blanose® z firmy Hercules Inc.).

Dla otrzymania efektywnego działania polegającego na blokowaniu wody, ilość materiału pęczniejącego w wodzie włączanego w drugą rozprężaną warstwę polimerową 8 wynosi zwykle od 5 phr do 120 phr, a korzystnie od 15 phr do 80 phr (phr = parts by weight with respect do 100 parts by weight of base polymer, części wagowych w stosunku do 10 części wagowych polimeru podstawowego).

Ponadto, rozprężany materiał polimerowy warstwy 8 blokującej wodę może być zmodyfikowany tak, aby stał się półprzewodzący.

Znane produkty do sporządzania półprzewodzących kompozycji polimerowych mogą być wykorzystywane do nadawania właściwości półprzewodnikowych materiałowi polimerowemu. W szczególności można stosować przewodzącą elektrycznie sadzę, na przykład przewodzącą sadzę piecową lub sadzę acetylenową i tym podobne. Pole powierzchni sadzy jest zwykle większe od 20 m²/g, zwykle od 40 m²/g do 500 m²/g. Korzystne jest stosowanie wykazującej wysokie przewodnictwo sadzy, o polu powierzchni co najmniej 900 m²/g, jak na przykład sadzy piecowej znanej pod nazwą handlową Ketjenblack EC (Akzo Chemie NV).

Ilość sadzy dodawanej do osnowy polimerowej może się zmieniać zależnie od typu zastosowanego polimeru i sadzy, pożądanego stopnia rozprężania środka rozprężającego itp. Ilość sadzy zatem musi być taka, aby nadawała rozprężanemu materiałowi dostateczne właściwości półprzewodnictwa, zwłaszcza przy osiągnięciu wartości rezystywności objętościowej rozprężanego materiału w temperaturze pokojowej poniżej 500 Ω-m, korzystnie poniżej 20 Ω-m. Zwykle ilość sadzy może wynosić od 1% wag. do 50% wag., korzystnie od 3% wag. do 30% wag., w stosunku do wagi polimeru.

Korzystna wartość stopnia rozprężania polimeru drugiej warstwy rozprężanego polimeru 8, blokującej wodę, wynosi od 0,4 do 0,9.

Ponadto, przy zaopatrzeniu kabla 1 w półprzewodzącą drugą rozprężaną warstwę polimerową 8, blokującą wodę, grubość zewnętrznej warstwy półprzewodzącej 5 można korzystnie zmniejszyć, ponieważ właściwości elektryczne zewnętrznej warstwy półprzewodzącej 5 są częściowo realizowane przez półprzewodzącą drugą rozprężaną warstwę polimerową 8, równocześnie blokująca wodę. Zatem, ten aspekt korzystnie działa na zmniejszenie grubości zewnętrznej warstwy półprzewodzącej 5, a zatem na ogólny ciężar kabla.

Zwykle warstwa izolacyjna 4 kabla jest zwymiarowana odpowiednio do wytrzymywania warunków narażenia elektrycznego przewidzianego dla kategorii zastosowania tego kabla. W szczególności, przy eksploatacji kabla, żyła przewodząca 2 jest utrzymywana pod nominalnym napięciem pracy kabla, a metalowy ekran 6 jest połączony z masą.

Nominalnie, wewnętrzna warstwa półprzewodząca 3 jest pod tym samym napięciem co żyła przewodząca 2, a więc warstwa półprzewodząca 5 i druga rozprężana warstwa polimerowa 8 blokująca wodę, jest pod napięciem metalowego ekranu 6.

Od grubości warstwy izolacyjnej 4 zależy jaka jest napięciowa wytrzymałość elektryczna tej warstwy izolacyjnej, która musi być zgodna z wytrzymałością dielektryczną materiału warstwy izolacyjnej, z odpowiednim współczynnikiem bezpieczeństwa.

Napięciowa wytrzymałość elektryczna Γ wokół przewodu cylindrycznego jest określone wzorem:

(1) w którym:

U0 jest napięciem fazowym względem masy, ri jest promieniem powierzchni warstwy izolacyjnej,

PL 210 723 B1 rc jest promieniem powierzchni przewodu (lub powierzchni wewnętrznej warstwy półprzewodzącej, jeśli występuje).

Równanie (1) odnosi się do warunków pracy przy napięciu zmiennym AC. Inne i bardziej złożone wyrażenie otrzymuje się dla napięcia stałego CC.

Na przykład norma międzynarodowa CEI lEC 60502-2 (Wydanie 1.1 - 1998-11 - strony 18-19), w przypadku warstwy izolacyjnej wykonanej z usieciowanego polietylenu (XLPE - cross-linked PE) daje nominalną grubość warstwy izolacyjnej wynoszącą 5,5 mm jako odpowiadającą napięciu V wynoszącemu 20 kV i powierzchni przekroju przewodu od 35 mm² do 1000 mm². W następnym przykładzie, w przypadku napięcia V wynoszącego 10 kV i wybranej powierzchni przekroju przewodu od 16 mm² do 1000 mm², zgodne z wspomnianą normą należy zastosować warstwę izolacyjną kabla o nominalnej gruboś ci wynoszą cej 3,4 mm.

Zgodnie z wynalazkiem, element ochronny 20 zabezpiecza warstwę izolacyjną przed uszkodzeniem pod działaniem możliwych oddziaływań mechanicznych spowodowanych na przykład przez kamienie, narzędzia lub tym podobne, działające na kabel podczas transportu i układania.

Na przykład ogólną praktyką jest układanie kabla w wykopanym rowie o wyznaczonej głębokości, i następne zasypanie rowu poprzednio wydobytym materiałem.

W przypadku, kiedy wydobyty materiał zawiera kamienie, cegły itp., nierzadko zdarza się upadek bryły o wadze kilku kilogramów ze znacznej wysokości (wielu dziesiątek centymetrów do ponad metra) na kabel, tak że energia udaru jest stosunkowo duża.

Innym źródłem oddziaływań mechanicznych podczas układania kabla są maszyny robocze, które mogą uderzać w kabel w przypadku ewentualnych błędów, nadmiaru szybkości itp. przy jej ruchu.

Skutki oddziaływania mechanicznego F na kabel porównawczy przedstawiono w uproszczeniu na fig. 2, gdzie tymi samymi odnośnikami liczbowymi oznaczono odpowiednie elementy opisane w odniesieniu do fig. 1.

Kabel z fig. 2 jest zaopatrzony w powłokę 7 znajdującą się na zewnętrznej powierzchni metalowego ekranu 6. Zwykle powłoka 7 jest wykonywana z materiału polimerowego, na przykład polietylenu lub PVC. Kabel z fig. 2 jest poza tym zaopatrzony w pęczniejącą w wodzie taśmę 9, dla uniemożliwienia wszelkiego wzdłużnego przenikania wody do wnętrza kabla. Jak to pokazano na fig. 2, w następstwie oddziaływania mechanicznego F, kabel zostaje lokalnie odkształcony.

Zwykle materiały stosowane na warstwę izolacyjną 4 i powłokę kabla, sprężyście odzyskują tylko częściowo swoje pierwotne rozmiary i kształt, tak że po oddziaływaniu mechanicznym, nawet jeżeli zdarza się to przed zasileniem kabla, zmniejsza się grubość warstwy izolacyjnej 4 przeciwstawiającej się wytrzymałości elektrycznej.

Stwierdzono jednak, że kiedy na zewnątrz warstwy izolacyjnej 4 kabla stosuje się metalowy ekran 6, to materiał takiego ekranu zostaje przy narażeniu mechanicznym trwale odkształcony, dodatkowo ograniczając sprężyste odwrócenie odkształcenia, tak że występuje ograniczenie możliwości elastycznego odzyskania pierwotnego kształtu przez warstwę izolacyjną.

W wyniku tego, odkształcenie spowodowane oddziaływaniem mechanicznym, lub przynajmniej jego znaczna część utrzymuje się po tym oddziaływaniu, nawet jeżeli samo oddziaływanie ustało. Takie odkształcenie powoduje w wyniku, że grubość warstwy izolacyjnej 4 zmienia się z wartości pierwotnej t0 na wartość „uszkodzenia” td (patrz fig. 2).

Odpowiednio do tego, po zasileniu kabla, rzeczywista grubość warstwy izolacyjnej 4, którą podtrzymuje napięciowa wytrzymałość elektryczna Γ w obszarze oddziaływania mechanicznego, nie wynosi już t0 lecz td.

W przypadku wybrania wartości t0 z dostatecznym nadmiarem, na przykł ad przewidywanym we wspomnianej normie, w stosunku do roboczego napięcia kabla, może to nadal wystarczać do bezpiecznej pracy kabla również w strefie oddziałania mechanicznego.

Jednak konieczność zapewnienia bezpiecznej pracy również w obszarze uszkodzonym powoduje, że cały kabel jest wykonywany z grubością warstwy izolacyjnej znacznie większą, niż konieczna.

Poza tym, jeżeli obszar oddziałania mechanicznego jest następnie poddawany dalszym operacjom, na przykład jeśli w takim obszarze wykonuje się połączenie, to mogą powstać warunki, w których wytrzymałość elektryczna zmniejszy się poniżej dopuszczalnej, albo dla kabla albo dla przyporządkowanych elementów wyposażenia, nawet jeżeli zastosowano grubość izolacji z pewnym nadmiarem bezpieczeństwa.

Energię udaru oceniano z punktu widzenia różnych parametrów, które, jak stwierdzono, są istotne dla oddziaływania i o istotnym prawdopodobieństwie, w przypadku różnych klas kabli.

PL 210 723 B1

Na przykład w przypadku, kiedy udar jest spowodowany upadkiem przedmiotu na kabel, energia udaru zależy zarówno od masy przedmiotu uderzającego w kabel, jak i od wysokości, z jakiej spada ten przedmiot. Jeśli więc kabel jest prowadzony w rowie lub temu podobnie, energia udaru zależy, między innymi, od głębokości układania kabla, przy czym energia udaru rośnie z głębokością.

Stwierdzono, że energia udaru jest różna dla różnych klas kabli, zgodnie z głębokością ich układania. Ponadto, w przypadku kabli układanych w rowie lub temu podobnie, obecność gruzu wykopanego, która związana jest z układaniem, oddziałuje na prawdopodobieństwo przypadkowego uderzenia w kabel, a rozmiar brył gruzu wyznacza energię ewentualnego udaru. Konieczne jest uwzględnienie również innych czynników, jak na przykład ciężaru jednostkowego kabla i rozmiaru maszyn wykorzystywanych w operacjach układania.

Z punktu widzenia powyższej analizy, dla każdej klasy kabli (napięcia niskie, średnie, wysokie) wyznaczono energie odniesienia dla udarów o znacznym prawdopodobieństwie wystąpienia. Odpowiednio do tych udarów określano konkretną strukturę kabla jako nadającą się do wytrzymania takich udarów.

W szczególności w przypadku kabla średniego napięcia, wyznaczono energię 50 J jako reprezentatywną dla znacznej ilości zdarzeń przy eksploatacji i układaniu kabla.

Taką energię udarową można otrzymać na przykład przez upuszczenie bloku ukształtowanego stożkowo o masie 27 kg z wysokości 19 cm na kabel. W szczególności, korpus testowy ma kąt wierzchołkowy stożka wynoszący 90°, a krawędź jest zaokrąglona z promieniem około 1 mm.

Określenie „udar” służy do objęcia nim wszystkich obciążeń dynamicznych mogących spowodować istotne uszkodzenia struktury kabla. Dla kabli do zastosowań przy napięciu niskim i wysokim, energie udarów określono odpowiednio, na 25 J i 70 J.

Zgodnie z wynalazkiem uznano, że kabel jest zadowalająco zabezpieczony, jeżeli po czterech kolejnych udarach w tym samym miejscu występuje trwałe odkształcenie mniejsze, niż 0,1 mm, co jest granicą dokładności pomiaru.

Po spowodowaniu udaru na kablu według wynalazku, jak to pokazano na fig. 3, element ochronny 20, albo sam albo, korzystnie, łącznie z drugą rozprężaną warstwą polimerową 8, blokującą wodę, jest w stanie zmniejszyć odkształcenie warstwy izolacyjnej 4.

Jak stwierdzono, element ochronny 20 o grubości tp łączenie z grubością warstwy izolacyjnej 4 dobraną dla „zredukowanej” wartości tr, może w efekcie dać kabel, który zadowalająco przechodzi opisaną powyżej próbę odporności na udary, nadal utrzymując zdolność do bezpiecznej pracy w wybranej klasie napięcia.

Grubość izolacji można wyznaczać przez wybór do uwzględnienia najbardziej restrykcyjnych elektrycznych wartości ograniczających dla docelowego zastosowania, bez konieczności zwiększania grubości dla uwzględnienia odkształceń spowodowanych udarami.

Na przykład, typowe jest uwzględnianie przy projektowaniu kabla znacznych ograniczeń maksymalnego gradientu na powierzchni przewodu lub na zewnętrznej powierzchni wewnętrznej warstwy półprzewodzącej wyciskanej na tę powierzchnię, i gradientu przy połączeniach, to znaczy gradientu na zewnętrznej powierzchni izolacji kabla.

Gradient na powierzchni przewodu jest porównywany z maksymalnym dopuszczalnym gradientem materiału stosowanego na izolację (na przykład około 18 kV/mm w przypadku związków poliolefinowych) a gradient przy połączeniach jest porównywany z maksymalnym dopuszczalnym gradientem elementu łączeniowego przewidzianym w przypadku zastosowania z kablem.

Na przykład połączenie kablowe może być wykonane przy zastąpieniu izolacji w obszarze połączeniowym kabla elastyczną (termokurczliwą) tuleją, która zachodzi na pewnej długości na odsłoniętą warstwę izolacyjną kabla.

W przypadku tego typu połączeń można bezpiecznie pracować z gradientem około 2,5 kV/mm (w przypadku kabla średniego napięcia), jest to przypuszczalnie najbardziej ograniczający warunek i grubość izolacji jest wyznaczona odpowiednio do spełnienia takiego warunku. W przypadku, kiedy inny warunek może się okazać bardziej ograniczający, taki warunek należy uwzględnić przy projektowaniu grubości izolacji.

Zgodnie z wynalazkiem, nie trzeba uwzględniać dodatkowej grubości dla uwzględnienia odkształcenia izolacji spowodowanego oddziaływaniami mechanicznymi.

Stwierdzono również, że kiedy element ochronny 20 jest stosowany przy grubości izolacji dobranej przy „zredukowanej” wartości tr, to ogólny ciężar kabla jest mniejszy, niż odpowiedni ciężar kabla bez ochrony przeciwudarowej (to znaczy bez elementu ochraniającego przed oddziaływaniami

PL 210 723 B1 mechanicznymi zawierającego rozprężaną warstwę polimerową) i z tradycyjną grubością t0 warstwy izolacyjnej (to znaczy w kablu z fig. 2), zdolnego wytrzymać tę samą energię udaru (nawet przy dopuszczeniu pewnego odkształcenia warstwy izolacyjnej).

Obecność drugiej rozprężanej warstwy polimerowej 8, blokującej wodę, jak stwierdzono, również przyczynia się do odporności na udary, co umożliwia dalsze zmniejszenie odkształcenia warstwy izolacyjnej 4.

W Tablicy 1 podano grubość warstwy izolacyjnej i ogólnych ciężarów dwóch kabli według wynalazku, jak również kabla porównawczego, którego konstrukcja zapewnia odporność na udary w próbie opisanej powyżej, dla kabli klasy napięcia 20 kV i powierzchni przekroju przewodu wynoszącej 50 mm².

T a b l i c a 1

Typ kabla	Grubość (mm)	Masa kabla (kg/m)	Śred- nica ogólna (mm)
	Element ochronny	Warstwa rozprę- żana blokująca wodę	Taśmy pęcznie- jące w wodzie	Alumi- niowy ekran meta- liczny	Warstwa izo- lacyjna
Po- włoka	Druga (wewnętrzna) warstwa nie rozprężana	War- stwa rozprę- żana	Pierwsza (zewnętrzna) warstwa nie rozprężana
1	-	1	1,5	4,4	-	0,15	0,3	4	0,74	30,7
2	-	1	1,5	0,85	0,5	-	0,3	4	0,51	24,9
3	8,25	-	-	-	-	0,2	0,3	4	0,90	33,9

Szczegóły z Tablicy 1:

a) Kabel 1 jest kablem według wynalazku zawierającym drugą nie rozprężaną warstwę polimerową 8, blokującą wodę, wykonaną z taśm pęczniejących w wodzie, przy czym kabel dodatkowo zawiera element ochronny 20, w skład którego wchodzi: pierwsza nie rozprężana warstwa polimerowa 23, rozprężana warstwa polimerowa 22, druga nie rozprężana warstwa polimerowa 21;

b) Kabel 2 jest kablem według wynalazku zawierającym drugą nie rozprężaną warstwę polimerową 8, blokującą wodę, przy czym kabel dodatkowo zawiera element ochronny 20, w skład którego wchodzi pierwsza nie rozprężana warstwa polimerowa 23, rozprężana warstwa polimerowa 22, druga nie rozprężana warstwa polimerowa 21;

c) Kabel 3 jest kablem porównawczym typu przedstawionego na fig. 2 zawierającym powłokę i pę cznieją c ą w wodzie warstwę blokują cą wodę wykonaną z taś m pę czniejących w wodzie.

Poza tym. Tablica 1 ukazuje, że w przypadku, kiedy stosowana jest druga rozprężana warstwa polimerowa blokująca wodę, grubość elementu ochronnego 20 jest korzystnie zmniejszona (i zmniejszona jest ogólna masa kabla) przy zachowaniu tej samej grubości warstwy izolacyjnej.

Ponadto, Tablica 1 ukazuje, że kabel porównawczy musiałby mieć znaczną masę (to znaczy około 0,90 kg/m) dla zachowania funkcjonalności w warunkach takich samych udarów, w porównaniu z kablami wedł ug wynalazku.

Tablica 2 zawiera przykładowe wymiary warstwy izolacyjnej w przypadku kabli według wynalazku dla różnych roboczych klas napięcia w zakresie średnich napięć, w porównaniu do odpowiedniej grubości warstwy izolacyjnej wymaganej w cytowanej powyżej normie CEI lEC 60502-2, dla warstwy izolacyjnej z usieciowanego polietyleny XLPE.

T a b l i c a 2

	10 kV	20 kV	30 kV
grubość (mm) warstwy izolacyjnej kabla według wynalazku	2,5	4	5,5
grubość (mm) warstwy izolacyjnej kabla według normy CEI lEC 60502-2	3,4	5,5	8

PL 210 723 B1

Zgodnie z wartościami zamieszczonymi w Tablicy 2, grubość warstwy izolacyjnej stosowanej w kablu wed ł ug wynalazku jest, odpowiednio, o 26%, 27% i 56% mniejsza, niż odpowiednia grubość warstwy izolacyjnej według wspomnianej normy.

Rozmiar elementu ochronnego przeciw udarowego oceniano dla różnych przekrojów kabla w celu upewnienia się o niewystępowaniu odkształceń warstwy izolacyjnej przy róż nych przekrojach przewodu.

W tym celu wyznaczono grubość elementu ochronnego odpowiadają c ą odkształ ceniu warstwy izolacyjnej < 0,1 mm przy energii udaru wynoszącej 50 J, w funkcji różnych powierzchni przekroju przewodu, zarówno w przypadku stosowania drugiej rozprężanej warstwy polimerowej blokującej wodę, jak i w przypadku stosowania nie rozprężanej warstwy blokującej wodę.

Grubość elementu ochronnego była zmieniana przy zachowaniu stałej grubości drugiej nie rozprężanej warstwy polimerowej 21 i rozprężanej warstwy polimerowej 22, przy zwiększaniu grubości pierwszej nie rozprężanej warstwy polimerowej 23.

Odpowiednią grubość nie rozprężanej powłoki polimerowej 7 również dobierano dla kabli nie zaopatrzonych w element ochronny 20 (patrz fig. 4). Stwierdzono, że grubość elementu ochronnego 20 zmniejsza się odpowiednio do wzrostu pola przekroju przewodu (patrz fig. 5).

Stwierdzono również, że stosowanie drugiej rozprężanej warstwy polimerowej 8 blokującej wodę umożliwia zastosowanie znacznie cieńszego elementu ochronnego 20 (fig. 6 i fig. 5).

Wyniki przedstawiono na fig. 4, 5, 6 dla, odpowiednio, kabla porównawczego z nie rozprężaną powłoką polimerową 7, kabla z elementem ochronnym 20 i kabla zawierającego zarówno element ochronny 20, jak i drugą rozprężaną warstwę polimerową 8 blokującą wodę.

Na wspomnianych figurach rysunku, wykreślono w funkcji pola S przekroju przewodu dla klasy napięcia 20 kV, grubość ts powłoki w odniesieniu do fig. 4, grubość tp elementu ochronnego w odniesieniu do fig. 5, oraz sumę grubości tp elementu ochronnego i grubość tw rozprężanej polimerowej warstwy blokującej wodę w odniesieniu do fig. 6.

Stwierdzono również, że wzrost ochrony mechanicznej przed oddziaływaniami mechanicznymi osiąga się przez zwiększeniu grubości pierwszej nie rozprężanej warstwy polimerowej, przy zachowaniu stałej grubości rozprężanej warstwy polimerowej.

Kabel według wynalazku szczególne nadaje się do zastosowania w zakresie napięcia średniego i wysokiego, z punktu widzenia występujących w tych zakresach warunków narażeń elektrycznych i mechanicznych. Jednak może on być wykorzystywany również w zastosowaniach niskonapięciowych, jeżeli tylko wymaga tego sytuacja, na przykład poważne narażenia elektryczne i mechaniczne, wymagania bezpieczeństwa lub niezawodności itp.

Zgodnie z wynalazkiem, przy stosowaniu kabla z rozprężaną warstwą polimerową, możliwe jest korzystne zmniejszenie ogólnej masy kabla. Aspekt ten jest bardzo istotny, ponieważ znajduje on odbicie w ułatwieniu transportu, a w konsekwencji w zmniejszeniu kosztów transportu, jak również w ułatwieniu operowania kablem podczas jego układania. W związku z tym warto zaznaczyć, że im mniejsza jest ogólna masa instalowanego kabla, na przykład bezpośrednio w rowie wykopanym w gruncie lub w zakopanym kanale rurowym, tym mniejsza będzie siła rozciągająca przykładana do kabla przy jego instalowaniu. Zatem oznacza to zarówno mniejsze koszty, jak i uproszczenie operacji instalacyjnych.

Ponadto, zgodnie z wynalazkiem, można przy zachowaniu pożądanych właściwości elektrycznych i mechanicznych, uzyskać kabel bardziej zwarty. Możliwe jest więc magazynowanie na bębnach większych odcinków kabla i osiągnięcie zmniejszenia kosztów transportu i koniecznych do wykonania podczas układania kabla operacji splatania.

Claims

1. Kabel elektroenergetyczny, do przesyłu i rozdziału energii w zakresie napięć od 100 V do 500 kV, który zawiera żyłę przewodzącą (2), warstwę izolacyjną (4) otaczającą żyłę przewodzącą (2) i element ochronny (20) wokół warstwy izolacyjnej (4) o grubości i właściwościach mechanicznych dobranych odpowiednio do uzyskania określonej wytrzymałości udarowej, przy czym element ochronny (20) zawiera przynajmniej jedną rozprężaną warstwę polimerową (22), znamienny tym, że element ochronny (20) zawiera dodatkowo pierwszą nie rozprężaną warstwę polimerową (23) i drugą nie rozprężaną warstwę polimerową (21), które są usytuowane koncentrycznie w odstępie względem siebie

PL 210 723 B1 i względem pierwszej rozprężanej warstwy polimerowej (22), ponadto kabel (1) zawiera dodatkowo drugą rozprężaną warstwę polimerową (8) usytuowaną koncentrycznie wewnątrz elementu ochronnego (20).

2. Kabel według zastrz. 1, znamienny tym, że wyznaczona klasa napięciowa kabla jest nie wyższa, niż 10 kV.

3. Kabel według zastrz. 1, znamienny tym, że gradient napięcia na zewnętrznej powierzchni warstwy izolacyjnej kabla wynosi nie mniej niż 2,5 kV/mm, a energia udaru wynosi co najmniej 50 J.

4. Kabel według zastrz. 3, znamienny tym, że wyznaczona klasa napięciowa kabla mieści się między 10 kV a 60 kV.

5. Kabel według zastrz. 1, znamienny tym, że gradient napięcia na zewnętrznej powierzchni warstwy izolacyjnej kabla wynosi nie mniej niż 2,5 kV/mm, a energia udaru wynosi co najmniej 70 J.

6. Kabel według zastrz. 5, znamienny tym, że wyznaczona klasa napięciowa kabla jest wyższa niż 60 kV.

7. Kabel według zastrz. 1, znamienny tym, że wyznaczoną klasą napięciową kabla jest 10 kV, a grubość warstwy izolacyjnej (4) jest nie większa od 2,5 mm.

8. Kabel według zastrz. 1, znamienny tym, że wyznaczoną klasą napięciową kabla jest 20 kV, a grubość warstwy izolacyjnej (4) jest nie większa od 4 mm.

9. Kabel według zastrz. 1, znamienny tym, że wyznaczoną klasą napięciową kabla jest 30 kV, a grubość warstwy izolacyjnej (4) jest nie większa od 5,5 mm.

10. Kabel według zastrz. 1, znamienny tym, że żyłą przewodzącą (2) jest lity pręt.

11. Kabel według zastrz. 1, znamienny tym, że jest zaopatrzony w dodatkowy ekran elektryczny (6) otaczający warstwę izolacyjną (4), przy czym ekran elektryczny (6) stanowi arkusz metalowy ukształtowany w postaci rury.

12. Kabel według zastrz. 1, znamienny tym, że grubość warstwy izolacyjnej (4) jest dobrana tak, że natężenie pola elektrycznego wewnątrz warstwy izolacyjnej przy pracy kabla pod napięciem nominalnym zawierającym się w wyznaczonej klasie napięciowej osiąga wartości między 2,5 kV/mm a 18 kV/mm.

13. Kabel według zastrz. 1, znamienny tym, że element ochronny (20) jest usytuowany koncentrycznie na zewnątrz warstwy izolacyjnej (4).

14. Kabel według zastrz. 1, znamienny tym, że stopień rozprężania rozprężanej warstwy polimerowej (22) zawiera się między 0,35 a 0,7.

15. Kabel według zastrz. 14, znamienny tym, że stopień rozprężania zawiera się między 0,4 a 0,6.

16. Kabel według zastrz. 1, znamienny tym, że grubość rozprężanej warstwy polimerowej (22) elementu ochronnego (20) wynosi od 1 mm do 5 mm.

17. Kabel według zastrz. 1, znamienny tym, że rozprężany materiał polimerowy rozprężanej warstwy polimerowej (22) jest dobrany spośród polimerów polialkenowych lub kopolimerów na podstawie etylenu i/lub propylenu.

18. Kabel według zastrz. 17, znamienny tym, że rozprężany materiał polimerowy jest dobrany spośród takich, jak:

b) kopolimery elastomerowych etylenu z przynajmniej jednym α-alkenem C₃-C₁₂, i opcjonalnie dienem, o następującym składzie: 35% mol. -90% mol. etylenu, 10% mol. -65% mol. α-alkenu, 0 - 10% mol. dienu;

19. Kabel według zastrz. 1, znamienny tym, że przynajmniej jedna nie rozprężana warstwa polimerowa (21, 23) jest sprzężona z rozprężaną warstwą polimerową (22) elementu ochronnego (20).

20. Kabel według zastrz. 19, znamienny tym, że przynajmniej jedna nie rozprężana warstwa polimerowa (21, 23) ma grubość w zakresie od 0,2 mm do 1 mm.

21. Kabel według zastrz. 19, znamienny tym, że przynajmniej jedna nie rozprężana warstwa polimerowa (21, 23) jest wykonana z materiału polialkenowego.

PL 210 723 B1

22. Kabel według zastrz. 19, znamienny tym, że pierwsza nie rozprężana warstwa polimerowa (23) jest usytuowana koncentrycznie na zewnątrz rozprężanej warstwy polimerowej (22) elementu ochronnego (20).

23. Kabel według zastrz. 19, znamienny tym, że druga nie rozprężana warstwa polimerowa (21) jest usytuowana koncentrycznie wewnątrz rozprężanej warstwy polimerowej (22) elementu ochronnego (20).

24. Kabel według zastrz. 1, znamienny tym, że dodatkowa rozprężana warstwa polimerowa (8) jest usytuowana koncentrycznie na zewnątrz warstwy izolacyjnej (4).

25. Kabel według zastrz. 24, znamienny tym, że dodatkowa rozprężana warstwa polimerowa (8) jest półprzewodząca.

26. Kabel według zastrz. 1, znamienny tym, że dodatkowa rozprężana warstwa polimerowa (8) jest warstwą pęczniejącą w wodzie.

27. Kabel (1) według zastrz. 1, znamienny tym, że żyłą przewodzącą (2) jest pręt metalowy.

28. Kabel według zastrz. 1, znamienny tym, że warstwa izolacyjna (4) jest wykonana z nie usieciowanego materiału polimerowego.

29. Kabel według zastrz. 1, znamienny tym, że wyznaczona klasa napięciowa należy do zakresu napięć średnich i wysokich.

30. Kabel według zastrz. 1, znamienny tym, że grubość elementu ochronnego (20) wynosi mniej niż 7,5 mm w przypadku pola przekroju przewodu większego niż 50 mm² i więcej niż 8,5 mm w przypadku pola przekroju przewodu mniejszego od lub równego 50 mm².

31. Kabel według zastrz. 30, znamienny tym, że wyznaczona klasa napięciowa kabla jest wyższa niż 60 kV, a warstwa izolacyjna (4) nie jest w stopniu wykrywalnym uszkadzana przy udarze o energii co najmniej 70 J.

32. Kabel według zastrz. 30, znamienny tym, że wyznaczona klasa napięciowa kabla nie jest wyższa niż 60 kV, a warstwa izolacyjna (4) nie jest w stopniu wykrywalnym uszkadzana przy udarze o energii co najmniej 50 J.

33. Kabel według zastrz. 30, znamienny tym, że wyznaczona klasa napięciowa kabla jest wyższa niż 10 kV, a warstwa izolacyjna (4) nie jest w stopniu wykrywalnym uszkadzana przy udarze o energii co najmniej 25 J.

34. Kabel według zastrz. 30, znamienny tym, że grubość elementu ochronnego (20) pozostaje w odwrotnym stosunku do pola przekroju ż y ł y przewodzącej (2).

35. Kabel według zastrz. 34, znamienny tym, że przynajmniej jedna nie rozprężana warstwa polimerowa (21, 23) jest sprzężona z przynajmniej jedną rozprężaną warstwą polimerową (22) elementu ochronnego (20).

36. Kabel według zastrz. 35, znamienny tym, że rozprężana warstwa polimerowa (22) ma stałą grubość, a zwiększana grubość nie rozprężanej warstwy polimerowej (23) pozostaje w odwrotnym stosunku do pola przekroju żyły przewodzącej (2).