RU2789980C2

RU2789980C2 - Shielded fluoroplastic wire for high-temperature satellite heating of pipelines based on the skin effect

Info

Publication number: RU2789980C2
Application number: RU2020131249A
Authority: RU
Inventors: Уэсли ДОНГ; Пол БЕККЕР; Дэвид ПАРМАН
Original assignee: Нвент Сервисез Гмбх
Priority date: 2018-02-22
Filing date: 2019-02-22
Publication date: 2023-02-14

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: heating system based on the skin effect for long-distance pipelines includes a heating electric cable in a ferromagnetic or other type of conductive heat tube. The semiconductor shell comes in contact with the inner surface of the heat tube, where the charge density of the reverse electric current conducted by the heat tube reaches the maximum value thereof. The material of the semiconductor shell is characterised by a value of specific electrical resistance low enough to eliminate or reduce the risk of electric arc-associated events, such as a corona discharge, due to the provided possibility of scattering the charge accumulated on the heat tube. The value of specific electrical resistance is also large enough to prevent the inflow of reverse current to the outer semiconductor layer or the passage thereof through said layer, thereby maximising the heat generating capacity of the system.

EFFECT: creation of a shielded wire suitable for use in a pipeline heating system.

18 cl, 4 dwg

Description

Ссылка на родственные заявкиLink to related applications

[0001] Настоящая заявка является продолжающей заявкой патентной заявки США № 15/591,949 под названием «Экранированный провод для высокотемпературного спутникового обогрева трубопроводов на основе поверхностного эффекта», поданной 10 мая 2017 года, и испрашивает приоритет согласно указанной заявке, которая представляет собой обычную заявку, испрашивающую приоритет в соответствии по предварительной заявке на патент США № 62/334,346, поданной под тем же названием 10 мая 2016 года, причем содержание обеих указанных патентных заявок полностью включено в настоящий документ посредством указания ссылки на них.[0001] This application is a continuation of U.S. Patent Application No. 15/591,949 titled "Shielded Wire for Surface Effect High Temperature Satellite Heating of Pipelines" filed May 10, 2017, and claims priority under said application, which is a conventional application, claiming priority under U.S. Provisional Application No. 62/334,346, filed under the same title on May 10, 2016, the contents of both said patent applications being hereby incorporated by reference in their entirety.

Предшествующий уровень техники настоящего изобретенияBackground of the Invention

[0002] В нефтегазовой отрасли трубопроводы должны обогреваться на протяжении многих миль. Системы спутникового электрообогрева трубопроводов на основе поверхностного эффекта идеально подходят для протяженных магистральных трубопроводов длиной до 12 миль (20 км) в расчете на каждую цепь. Эта система спроектирована с возможностью использования в конкретной сфере применения. Сферы применения этой системы включают в себя линии транспортировки материалов, подводные линии перекачки, обогрев фундаментов резервуаров, растапливание снега и удаление льда, а также сборные и предварительно изолированные трубопроводы. В системе обогрева трубопроводов на основе поверхностного эффекта тепло генерируется на внутренней поверхности ферромагнитной тепловой трубки, находящейся в тепловом контакте с трубопроводом, который подвергается сопроводительному обогреву. Внутри тепловой трубки располагается электрически изолированный термостойкий проводник, соединенный с трубкой на ее дальнем конце. Переменный ток (АС) проходит через изолированный проводник и возвращается через тепловую трубку.[0002] In the oil and gas industry, pipelines must be heated for many miles. Surface effect satellite trace heating systems are ideal for long pipelines up to 12 miles (20 km) per circuit. This system is designed to be used in a specific application. Applications for this system include material handling lines, subsea transfer lines, tank foundation heating, snow melting and ice removal, and prefabricated and pre-insulated pipelines. In a skin effect pipeline heating system, heat is generated on the inner surface of a ferromagnetic heat pipe in thermal contact with a pipeline that is subjected to trace heating. Inside the heat pipe is an electrically insulated heat-resistant conductor connected to the pipe at its far end. Alternating current (AC) passes through an insulated conductor and returns through a heat pipe.

[0003] В обычной системе обогрева на основе поверхностного эффекта жила греющего электрокабеля располагается внутри изоляционного слоя. Греющий электрокабель окружен воздухом за исключением точки, в которой изоляционная оболочка контактирует с внутренней поверхностью тепловой трубки. Частичный разряд обусловлен разницей в заряде между поверхностью изоляции и внутренней поверхностью заземленной тепловой трубки, которая переносит обратный АС в противоположном направлении; причем за счет поверхностного эффекта внутренняя поверхность тепловой трубки характеризуется наивысшей плотностью электрического заряда в сравнении с остальными частями тепловой трубки. Затяжной частичный разряд может оказывать корродирующее воздействие на твердую изоляцию, что в итоге может привести к разрыву изоляции в месте контакта. Затяжной частичный разряд может также стать причиной возникновения дефектов (пор, изъянов и загрязнений) в изоляционном слое. Он может также вызывать эффект короны, т.е. локализованный разряд, образуемый в результате переходной газовой ионизации на поверхности изоляционной системы, когда градиент электрического напряжения превышает критическое значение; причем он зарождается в воздухе комнатной температуры при около 3×10⁶ В/м. Изоляционный материал может характеризоваться предельно допустимой величиной частичного разряда: затяжной частичный разряд, не превышающий эту пороговую величину, может не оказывать негативного воздействия на материал или окружающие элементы, но при превышении предельно допустимого значения частичный разряд начинает оказывать разрушительное воздействие на материал. Указанный материал может также характеризоваться максимальным рекомендуемым рабочим напряжением, при котором частичный разряд с материала не превышает предельно допустимую величину.[0003] In a conventional surface effect heating system, the core of the heating cable is located inside the insulating layer. The heating cable is surrounded by air except for the point where the insulating sheath contacts the inner surface of the heat pipe. PD is caused by a difference in charge between the surface of the insulation and the inner surface of a grounded heat pipe, which carries the reverse AC in the opposite direction; moreover, due to the skin effect, the inner surface of the heat pipe is characterized by the highest electric charge density in comparison with the rest of the heat pipe. A prolonged partial discharge can have a corrosive effect on solid insulation, which can eventually lead to a break in the insulation at the point of contact. A prolonged partial discharge can also cause defects (pores, flaws and dirt) in the insulating layer. It can also cause a corona effect, ie. localized discharge formed as a result of transient gas ionization on the surface of the insulating system when the voltage gradient exceeds a critical value; moreover, it originates in air at room temperature at about 3×10 ⁶ V/m. Insulating material may have a PD limit: a sustained PD below this threshold may not adversely affect the material or the surroundings, but if the limit is exceeded, the PD begins to have a devastating effect on the material. The specified material may also be characterized by the maximum recommended operating voltage at which partial discharge from the material does not exceed the maximum permissible value.

[0004] Ферромагнитная тепловая трубка системы обогрева трубопроводов на основе поверхностного эффекта характеризуется предрасположенностью к возникновению на ней эффекта короны, так как между поверхностью трубки и поверхностью изолированного проводника образуется разность в заряде, превышающая значение пробоя электрического поля для воздуха (3×10⁶ В/м). Этот эффект становится серьезной проблемой для протяженных трубопроводов, которым необходим более высокий потенциал напряжения для возбуждения тока, что также приводит к возникновению более высокого заряда между двумя поверхностями. Частичный разряд накопленного статического электричества может причинять вред изоляции и прочим компонентам или способствовать их преждевременному износу, а при высоком напряжении (относительно номинального напряжения материалов, из которого выполнены компоненты) он может разряжаться во время событий, связанных с образованием электрической дуги. Поэтому были разработаны отраслевые стандарты, ограничивающие частичный разряд. Материалы компонентов греющего электрокабеля и, в частности, материалы электрической изоляции характеризуются номинальным напряжением, при котором частичный разряд с материала не превышает 10 пикокулонов. Примечательно, что некоторые материалы могут выдерживать разряд, намного превышающий 10 пикокулонов (например, силикон, выдерживающий около 20 пикокулонов), но в условиях эксплуатации они должны выполнять свои функции при номинальном напряжении.[0004] The ferromagnetic heat pipe of the surface effect pipeline heating system is prone to corona effect, since a difference in charge is formed between the surface of the pipe and the surface of the insulated conductor, exceeding the breakdown value of the electric field for air (3 × 10 ⁶ V / m). This effect becomes a serious problem for long pipelines that require a higher voltage potential to induce current, which also results in a higher charge between the two surfaces. Partial discharge of stored static electricity can damage or cause premature wear to insulation and other components, and at high voltages (relative to the nominal voltage of component materials) it can be discharged during arcing events. Therefore, industry standards have been developed to limit partial discharge. The materials of the components of the heating cable and, in particular, the materials of electrical insulation are characterized by a rated voltage at which partial discharge from the material does not exceed 10 picocoulombs. It is noteworthy that some materials can withstand discharges far in excess of 10 picocoulombs (for example, silicone, which withstands about 20 picocoulombs), but in service conditions they must perform their functions at rated voltage.

[0005] Следовательно, значения номинального напряжения материалов, используемых в греющих электрокабелях, должны рассматриваться во взаимосвязи с другими преимуществами материалов. Например, перфторалкоксиполимер (PFA) представляет собой идеальный изоляционный материал для высокотемпературных сфер применения, таких как линии перекачки серы, где температура рабочих кабелей составляет около 135-140 градусов Цельсия. Изоляция из PFA рассчитана на температуру 265°C и обеспечивает возможность выполнения своих функций при более высокой плотности тока в сравнении с низкотемпературной изоляцией, такой как полиэтилен высокой плотности (HDPE), каучук на основе этилен-пропилен-диенового мономера (EPDM), этилен-пропиленовый каучук (EPR) и силикон. Однако номинальное напряжение неэкранированного кабеля с изоляцией из PFA составляет около 2,5 кВ или 3 кВ, что обуславливает требование к тому, чтобы длина цепей и, соответственно, длина кабелей была короче, чем при использовании материалов с более высоким номинальным напряжением (например, силикона при 5 кВ), но с более низкой рабочей температурой.[0005] Therefore, the voltage ratings of materials used in electrical heating cables must be considered in conjunction with other material advantages. For example, perfluoroalkoxypolymer (PFA) is an ideal insulating material for high temperature applications, such as sulfur transfer lines, where service cables reach temperatures of around 135-140 degrees Celsius. PFA insulation is rated at 265°C and is capable of performing at higher current densities than low temperature insulation such as high density polyethylene (HDPE), ethylene propylene diene monomer rubber (EPDM), ethylene propylene rubber (EPR) and silicone. However, the nominal voltage of unshielded PFA cable is about 2.5 kV or 3 kV, which requires that the length of the circuits, and therefore the length of the cables, be shorter than when using materials with a higher voltage rating (for example, silicone at 5 kV), but with a lower operating temperature.

Краткое раскрытие настоящего изобретенияBrief summary of the present invention

[0006] Варианты осуществления настоящего изобретения устраняют указанные недостатки, предлагая греющий электрокабель, который может быть установлен для обогрева протяженных трубопроводов с использованием минимально возможного количества отдельных отрезков греющего электрокабеля с целью максимального увеличения длины цепи, что минимизирует количество отдельных цепей, необходимых для всего трубопровода. В частности, настоящее изобретение предлагает греющий электрокабель, который может быть рассчитан на высокое напряжение, но с возможностью удержания частичного разряда на приемлемом уровне. Греющий электрокабель включает в себя широко используемые материалы, в частности, электроизоляционные материалы, но при этом он может выдерживать непрерывно подаваемое напряжение, превышающее обычно применяемое номинальное напряжение таких материалов, не создавая частичный разряд недопустимого уровня. Греющий электрокабель содержит жилу и электроизоляционный слой, охватывающий указанную жилу. Греющий электрокабель дополнительно содержит наружный открытый полупроводниковый слой, охватывающий электроизоляционный слой. Полупроводниковый слой находится в физическом и электрическом контакте с внутренним диаметром ферромагнитной тепловой трубки.[0006] Embodiments of the present invention overcome these disadvantages by providing a heating cable that can be installed to heat long pipelines using the least possible number of individual lengths of heating cable to maximize the length of the circuit, which minimizes the number of individual circuits needed for the entire pipeline. In particular, the present invention provides a heating cable that can be designed for high voltage, but with the ability to keep partial discharge at an acceptable level. The heating cable includes widely used materials, in particular electrical insulating materials, but it can withstand a continuously applied voltage in excess of the commonly used voltage rating of such materials without creating an unacceptable level of partial discharge. The heating electric cable contains a core and an insulating layer covering the specified core. The heating electric cable additionally contains an outer open semiconductor layer enclosing the electrical insulating layer. The semiconductor layer is in physical and electrical contact with the inner diameter of the ferromagnetic heat pipe.

[0007] В одном из вариантов своего осуществления настоящее изобретение предлагает систему обогрева трубопроводов на основе поверхностного эффекта, которая включает в себя: ферромагнитную тепловую трубку, передающую тепло рабочей трубе; и греющий электрокабель, расположенный внутри тепловой трубки и взаимодействующий с тепловой трубкой с целью выработки тепла и снабжения электрической цепи источником питания за счет поверхностного эффекта. Греющий электрокабель включает в себя проводник; внутренний полупроводниковый слой, охватывающий проводник; электроизоляционный слой, охватывающий внутренний полупроводниковый слой; и наружный полупроводниковый слой, охватывающий электроизоляционный слой и характеризующийся наличием наружной поверхности, которая контактирует с внутренней поверхностью тепловой трубки.[0007] In one embodiment, the present invention provides a skin effect piping heating system that includes: a ferromagnetic heat pipe that transfers heat to a working pipe; and a heating cable located inside the heat pipe and cooperating with the heat pipe to generate heat and supply the electrical circuit with a power source due to the skin effect. The heating cable includes a conductor; an inner semiconductor layer surrounding the conductor; an electrically insulating layer surrounding the inner semiconductor layer; and an outer semiconductor layer enclosing the electrical insulating layer and having an outer surface that contacts the inner surface of the heat pipe.

[0008] В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения наружный полупроводниковый слой характеризуется таким удельным электрическим сопротивлением, что при подаче переменного тока на проводник при напряжении, превышающем 5 кВ и достигающим около 10 кВ или 14 кВ (например, наружный полупроводниковый слой нанесен на изоляционный слой из силикона), частичный разряд греющего электрокабеля не превышает 20 нанокулонов. Согласно другому аспекту наружный полупроводниковый слой характеризуется таким удельным электрическим сопротивлением, что при подаче переменного тока на проводник при напряжении в пределах от около 2,5 кВ до около 5 кВ или 7 кВ (например, наружный полупроводниковый слой нанесен на изоляционный слой из перфторалкоксиполимера (PFA)) частичный разряд греющего электрокабеля не превышает 1 нанокулон; и далее он может не превышать 10 пикокулонов. Кроме того, согласно любому аспекту лишь незначительная часть обратного электрического тока, т.е. обратного электрического тока, протекающего по внутренней поверхности тепловой трубки в направлении, противоположном направлению течения переменного тока, отводится на наружный полупроводниковый слой, благодаря чему потеря тепловой трубкой этой незначительной части не влияет на теплоотдачу тепловой трубки. Удельное электрическое сопротивление наружного полупроводникового слоя может лежать в пределах от 10^-1 до 10⁵ Ом⋅см включительно; или в предпочтительном варианте - в пределах от 5 до 1000 Ом⋅см включительно; или же в наиболее предпочтительном варианте - в пределах от 5 до 50 Ом⋅см включительно. Наружный полупроводниковый слой может представлять собой экструдированный слой, который экструдирован на электроизоляционный слой. В альтернативном варианте наружный полупроводниковый слой может представлять собой полупроводниковую ленту, намотанную вокруг электроизоляционного слоя.[0008] In one embodiment of the present invention, the outer semiconductor layer is characterized by such electrical resistivity that when an alternating current is applied to the conductor at a voltage greater than 5 kV and reaching about 10 kV or 14 kV (for example, the outer semiconductor layer is applied to the insulating layer silicone), partial discharge of the heating cable does not exceed 20 nanocoulombs. In another aspect, the outer semiconductor layer has an electrical resistivity such that when an alternating current is applied to the conductor at a voltage ranging from about 2.5 kV to about 5 kV or 7 kV (for example, the outer semiconductor layer is applied to a perfluoroalkoxy polymer (PFA) insulating layer )) partial discharge of the heating cable does not exceed 1 nanocoulomb; and then it may not exceed 10 picocoulombs. In addition, according to any aspect, only a small part of the reverse electric current, i. the reverse electric current flowing along the inner surface of the heat pipe in the direction opposite to the direction of the AC flow is diverted to the outer semiconductor layer, due to which the loss of this small part by the heat pipe does not affect the heat transfer of the heat pipe. The specific electrical resistance of the outer semiconductor layer can range from 10 ^-1 to 10 ⁵ Ohm⋅cm inclusive; or preferably in the range from 5 to 1000 Ohm⋅cm inclusive; or in the most preferred embodiment - in the range from 5 to 50 Ohm⋅cm inclusive. The outer semiconductor layer may be an extruded layer which is extruded onto the electrical insulating layer. Alternatively, the outer semiconductor layer may be a semiconductor tape wrapped around the electrically insulating layer.

[0009] В другом варианте осуществления настоящего изобретения электроизоляционный слой может быть выполнен из PFA, который в обычной сфере применения спутникового обогрева с использованием неэкранированных кабелей, где задействованы температуры свыше 200 градусов Цельсия, характеризуется максимальным рабочим напряжением (которое именуется также «номинальным напряжением»), составляющим около 2500-3000 В; при этом наружный полупроводниковый слой характеризуется удельным электрическим сопротивлением, выбранным таким образом, что частичный разряд греющего электрокабеля не превышает 1 нанокулон, в частности, 10 пикокулонов при подаче на жилу переменного тока при напряжении в диапазоне 3500-7500 В включительно. Наружный полупроводниковый слой может быть выполнен из PFA, совмещенного с токопроводящим материалом таким образом, что наружный полупроводниковый слой характеризуется требуемым удельным электрическим сопротивлением.[0009] In another embodiment of the present invention, the electrical insulation layer may be made of PFA, which, in a typical satellite heating application using unshielded cables, where temperatures in excess of 200 degrees Celsius are involved, is characterized by a maximum operating voltage (which is also referred to as "nominal voltage") , which is about 2500-3000 V; at the same time, the outer semiconductor layer is characterized by electrical resistivity chosen in such a way that the partial discharge of the heating electric cable does not exceed 1 nanocoulomb, in particular, 10 picocoulombs when an alternating current is applied to the core at a voltage in the range of 3500-7500 V inclusive. The outer semiconductor layer may be made of PFA, combined with a conductive material in such a way that the outer semiconductor layer has the desired electrical resistivity.

[0010] В другом варианте своего осуществления настоящее изобретение предлагает греющий электрокабель для системы обогрева трубопроводов на основе поверхностного эффекта. Греющий электрокабель включает в себя жилу; электроизоляционный слой, охватывающий жилу; и наружный полупроводниковый слой, охватывающий электроизоляционный слой; при этом наружный полупроводниковый слой контактирует с внутренней поверхностью ферромагнитной тепловой трубки таким образом, что греющий электрокабель формирует электрическую цепь с тепловой трубкой и источник питания, подающий переменный ток на жилу, а электроизоляционный слой обеспечивает нагрев тепловой трубки за счет поверхностного эффекта. Наружный полупроводниковый слой уменьшает частичный разряд греющего электрокабеля при постоянной подаче переменного тока на жилу при напряжении, превышающем 3 кВ; или, в частности - 3,5 кВ; или даже, в частности, - 5 кВ.[0010] In another embodiment, the present invention provides a heating cable for a skin effect pipeline heating system. The heating cable includes a core; electrical insulating layer covering the core; and an outer semiconductor layer surrounding the electrical insulating layer; at the same time, the outer semiconductor layer contacts the inner surface of the ferromagnetic heat pipe in such a way that the heating cable forms an electrical circuit with the heat pipe and a power source supplying alternating current to the core, and the electrical insulating layer provides heating of the heat pipe due to the surface effect. The outer semiconductor layer reduces the partial discharge of the heating cable with a constant supply of alternating current to the core at a voltage exceeding 3 kV; or, in particular - 3.5 kV; or even, in particular, - 5 kV.

[0011] В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения для кабеля с изоляционным слоем из силикона наружный полупроводниковый слой может обладать удельным электрическим сопротивлением, которое ограничивает частичный разряд греющего электрокабеля 20 нанокулонами или 10 пикокулонами; при этом наружный полупроводниковый слой может дополнительно предотвращать поступление существенной части электрического тока, протекающего по внутренней поверхности тепловой трубки, на наружный полупроводниковый слой. Наружный полупроводниковый слой может уменьшить частичный разряд греющего электрокабеля при непрерывной подаче на жилу переменного тока при напряжении в пределах от 10 кВ до 14 кВ включительно. В другом варианте осуществления настоящего изобретения для кабеля с изоляционным слоем из PFA наружный полупроводниковый слой может характеризоваться удельным электрическим сопротивлением, ограничивающим частичный разряд греющего электрокабеля, как максимум, 1 нанокулоном или, в частности, как максимум, 10 пикокулонами при подаче на жилу напряжения от 3,5 кВ до 7,5 кВ включительно или, в частности, напряжения 3 кВ или от 3 кВ до 5 кВ.[0011] In one embodiment of the present invention, for a cable with an insulating layer of silicone, the outer semiconductor layer may have an electrical resistivity that limits partial discharge of the heating cable to 20 nanocoulombs or 10 picocoulombs; wherein the outer semiconductor layer can further prevent a substantial portion of the electric current flowing through the inner surface of the heat pipe from reaching the outer semiconductor layer. The outer semiconductor layer can reduce the partial discharge of the heating cable when continuously supplied to the conductor of alternating current at a voltage ranging from 10 kV to 14 kV inclusive. In another embodiment of the present invention, for a cable with a PFA insulating layer, the outer semiconductor layer may have an electrical resistivity limiting the partial discharge of the heating electrical cable to a maximum of 1 nanocoulomb, or in particular, a maximum of 10 picocoulombs when a voltage of 3 pC is applied to the core. .5 kV up to and including 7.5 kV or, in particular, voltages of 3 kV or from 3 kV to 5 kV.

[0012] Наружный полупроводниковый слой может характеризоваться удельным электрическим сопротивлением в пределах от 10^-1 до 10⁵ Ом⋅см включительно. Наружный полупроводниковый слой может быть соединен с электроизоляционным слоем путем выполнения процесса экструзии, или же наружный полупроводниковый слой может представлять собой отрезок полупроводниковой ленты, намотанный вокруг электроизоляционного слоя. Греющий электрокабель дополнительно включает в себя внутренний полупроводниковый слой, расположенный между жилой и электроизоляционным слоем. Электроизоляционный слой может представлять собой первый изоляционный материал, а наружный полупроводниковый слой может представлять собой комбинацию или соединение первого изоляционного материала и первого токопроводящего материала.[0012] The outer semiconductor layer may have an electrical resistivity in the range of 10 ⁻¹ to 10 ⁵ ohm⋅cm, inclusive. The outer semiconductor layer may be bonded to the electrical insulating layer by performing an extrusion process, or the outer semiconductor layer may be a piece of semiconductor tape wound around the electrical insulating layer. The heating electric cable additionally includes an internal semiconductor layer located between the core and the electrically insulating layer. The electrically insulating layer may be a first insulating material, and the outer semiconductor layer may be a combination or combination of the first insulating material and the first conductive material.

[0013] В еще одном из вариантов своего осуществления настоящее изобретение предлагает систему обогрева трубопроводов на основе поверхностного эффекта, включающую в себя ферромагнитную тепловую трубку, которая подает тепло на рабочую трубу, и греющий электрокабель, расположенный внутри тепловой трубки. Греющий электрокабель включает в себя: проводник; внутренний полупроводниковый слой, охватывающий проводник; электроизоляционный слой, охватывающий внутренний полупроводниковый слой, причем электроизоляционный слой соотносится с частотой возникновения частичного разряда, который превышает требуемую максимальную величину, если электроизоляционный слой не экранирован и подвержен воздействию напряжения, превышающего первое номинальное напряжение; и наружный полупроводниковый слой, охватывающий электроизоляционный слой и экранирующий его, а также характеризующийся наличием наружной поверхности, которая контактирует с внутренней поверхностью тепловой трубки. Наружный полупроводниковый слой характеризуется удельным электрическим сопротивлением, которое в ответ на подачу на проводник переменного тока при подаваемом напряжении, превышающем первое номинальное напряжение, позволяет греющему электрокабелю удерживать величину частичного разряда греющего электрокабеля на уровне не выше допустимого максимального уровня, а также позволяет лишь незначительной части обратного электрического тока, протекающего по внутренней поверхности тепловой трубки в направлении, противоположном направлению течения переменного тока, отводиться на наружный полупроводниковый слой, благодаря чему потеря тепловой трубкой этой незначительной части не влияет на теплоотдачу тепловой трубки. Удельное электрическое сопротивление наружного полупроводникового слоя может лежать в диапазоне 5-1000 Ом⋅см включительно. Электроизоляционный слой может быть выполнен из перфторалкоксиполимера (PFA) с первым номинальным напряжением около 3000 вольт, причем подаваемое напряжение может лежать в диапазоне 3500-7500 вольт включительно. Наружный полупроводниковый слой может представлять собой экструдированный слой из токопроводящего PFA, который экструдирован на электроизоляционный слой.[0013] In yet another embodiment, the present invention provides a surface effect piping heating system including a ferromagnetic heat pipe that supplies heat to a work pipe and an electrical heating cable disposed within the heat pipe. The heating cable includes: a conductor; an inner semiconductor layer surrounding the conductor; an electrically insulating layer enclosing the inner semiconductor layer, the electrically insulating layer corresponding to a partial discharge frequency that exceeds a required maximum value if the electrically insulating layer is unshielded and exposed to a voltage greater than the first rated voltage; and an outer semiconductor layer enclosing and shielding the electrically insulating layer and having an outer surface that contacts the inner surface of the heat pipe. The outer semiconductor layer is characterized by an electrical resistivity which, in response to the application of an alternating current to the conductor at an applied voltage in excess of the first rated voltage, allows the heating cable to keep the amount of partial discharge of the heating cable at a level not exceeding the permissible maximum level, and also allows only a small part of the reverse the electric current flowing along the inner surface of the heat pipe in the direction opposite to the direction of the AC flow is diverted to the outer semiconductor layer, due to which the loss of this insignificant part by the heat pipe does not affect the heat transfer of the heat pipe. The specific electrical resistance of the outer semiconductor layer can be in the range of 5-1000 Ohm⋅cm inclusive. The electrically insulating layer may be made of a perfluoroalkoxypolymer (PFA) with a first nominal voltage of about 3000 volts, the applied voltage being in the range of 3500-7500 volts inclusive. The outer semiconductor layer may be an extruded layer of conductive PFA that is extruded onto the electrically insulating layer.

[0014] Указанные и прочие аспекты и преимущества настоящего изобретения станут понятными после ознакомления с последующим описанием. В этом описании даются ссылки на прилагаемые чертежи, которые образуют его неотъемлемую часть, и на которых в качестве иллюстрации представлен один из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения. Однако такой вариант осуществления настоящего изобретения не обязательно отображают полный объем заявленного изобретения, и поэтому даются ссылки на формулу изобретения, также и для интерпретации объема заявленного изобретения.[0014] These and other aspects and advantages of the present invention will become clear after reading the following description. In this description, reference is made to the accompanying drawings, which form an integral part of it, and in which, by way of illustration, one of the preferred embodiments of the present invention is presented. However, such an embodiment of the present invention does not necessarily reflect the full scope of the claimed invention, and therefore reference is made to the claims, also for interpreting the scope of the claimed invention.

Краткое описание фигурBrief description of the figures

[0015] Ниже представлены чертежи, где:[0015] The following are the drawings, where:

[0016] на фиг. 1 представлено перспективное изображение греющего электрокабеля согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения;[0016] in FIG. 1 is a perspective view of a heating cable according to various embodiments of the present invention;

[0017] на фиг. 2А представлен вид спереди в разрезе, а на фиг. 2В представлен вид сбоку в разрезе, которые иллюстрируют расположение греющего электрокабеля, показанного на фиг. 1, внутри тепловой трубки согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения;[0017] in FIG. 2A is a front sectional view, and FIG. 2B is a sectional side view which illustrates the location of the heating cable shown in FIG. 1 inside a heat pipe according to various embodiments of the present invention;

[0018] на фиг. 3 показан греющий электрокабель согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения, расположенный в тепловой трубке и на рабочей трубе как части системы спутникового обогрева трубопроводов на основе поверхностного эффекта; а[0018] in FIG. 3 shows a heating cable according to various embodiments of the present invention, located in a heat pipe and on a working pipe as part of a surface effect satellite heating system for pipelines; A

[0019] на фиг. 4 показан график зависимости частичного электрического разряда от рабочего напряжения для различных вариантов осуществления греющего электрокабеля с силиконовым изоляционным слоем согласно настоящему изобретению.[0019] in FIG. 4 shows a graph of partial electrical discharge versus operating voltage for various embodiments of a heating cable with a silicone insulating layer according to the present invention.

Подробное раскрытие настоящего изобретенияDetailed disclosure of the present invention

[0020] На фиг. 1 показан греющий электрокабель 100 с последовательно снятыми слоями, чтобы можно было отчетливо видеть его устройство согласно, по меньшей мере, одному варианту осуществления настоящего изобретения. Греющий электрокабель 100 содержит в своей сердцевине проводник 102. Проводник 102 может быть выполнен из любого подходящего токопроводящего материала, включая луженую медь, никелированную медь, алюминий, сталь, золото, платину, серебро и прочие материалы. Проводник 102 может представлять собой одножильный провод или многожильный провод. Проводник 102 заключен в непроводящий электроизоляционный слой 104. Электроизоляционный слой 104 может быть выполнен из любого подходящего материала, включая силикон, перфторалкоксиполимер (PFA), каучук на основе этилен-пропилен-диенового мономера (EPDM), этилен-пропиленовый каучук (EPR), сшитый полиэтилен (XPLE) и прочие материалы. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения окружность проводника 102 целиком находится в физическом контакте с электроизоляционным слоем 104; иначе говоря, между проводником 102 и электроизоляционным слоем 104 отсутствуют какие-либо слои или другие компоненты.[0020] FIG. 1 shows a heating cable 100 with successive layers removed so that its arrangement can be clearly seen according to at least one embodiment of the present invention. Heating cable 100 includes a conductor 102 at its core. Conductor 102 may be made of any suitable conductive material, including tinned copper, nickel-plated copper, aluminum, steel, gold, platinum, silver, and other materials. Conductor 102 may be a solid wire or a stranded wire. The conductor 102 is enclosed in a non-conductive electrical insulating layer 104. The electrical insulating layer 104 may be made of any suitable material, including silicone, perfluoroalkoxypolymer (PFA), ethylene propylene diene monomer rubber (EPDM), ethylene propylene rubber (EPR), crosslinked polyethylene (XPLE) and other materials. In some embodiments, implementation of the present invention, the circumference of the conductor 102 is entirely in physical contact with the electrical insulating layer 104; in other words, there are no layers or other components between the conductor 102 and the electrical insulating layer 104.

[0021] В других вариантах осуществления настоящего изобретения проводник 102 заключен во внутренний полупроводниковый слой 106 или находится в прямом электрическом контакте с ним. В этих вариантах осуществления настоящего изобретения внутренний полупроводниковый слой 106 может быть заключен в электроизоляционный слой 104, а также может отделять проводник 102 от электроизоляционного слоя 104. Внутренний полупроводниковый слой 106 может полностью контактировать с электроизоляционным слоем 104, а также полностью или частично контактировать с проводником 102. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения греющий электрокабель может дополнительно включать в себя съемный слой (не показан), располагающийся между проводником 102 и полупроводниковым слоем 106. Съемный слой облегчает полную очистку проводника 102; иначе говоря, на проводнике 102 не остается остатков ни полупроводникового слоя 106, ни съемного слоя. Съемный слой может быть токопроводящим; или же он может быть непроводящим, но по-прежнему способным обеспечивать электрический контакт между проводником 102 и полупроводниковым слоем 106.[0021] In other embodiments, implementation of the present invention, the conductor 102 is enclosed in the inner semiconductor layer 106 or is in direct electrical contact with it. In these embodiments of the present invention, the inner semiconductor layer 106 may be enclosed in the electrical insulating layer 104, and may also separate the conductor 102 from the electrical insulating layer 104. The inner semiconductor layer 106 may be in full contact with the electrical insulating layer 104, and also in full or partial contact with the conductor 102 In some embodiments of the present invention, the electrical heating cable may further include a removable layer (not shown) positioned between conductor 102 and semiconductor layer 106. The removable layer facilitates complete cleaning of conductor 102; in other words, no residue of either the semiconductor layer 106 or the removable layer remains on the conductor 102. The removable layer may be conductive; or it may be non-conductive but still capable of providing electrical contact between conductor 102 and semiconductor layer 106.

[0022] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения многожильный проводник 102 может быть причиной формирования воздушных карманов между жилами на внутреннем полупроводниковом слое 106 в процессе производства. Если между проводником 102 и электроизоляционным слоем 104 образуются такие воздушные карманы, то они могут стать источником частичного коронного разряда по мере накопления заряда на наружной поверхности проводника 102. Внутренний полупроводниковый слой 106 может использоваться для нейтрализации или «закорачивания» любых воздушных карманов, образуемых на наружной поверхности проводника 102, предотвращая частичный разряд за счет использования дополнительной токопроводящей дорожки для устранения накапливающегося заряда и поддержания гладкой поверхности раздела, обеспечивающей пологий градиент электрического поля, на границе «полупроводник-изоляция». Кабель 100 может дополнительно включать в себя тонкий токопроводящий съемный слой (не показан) между внутренним полупроводниковым слоем 106 и проводником 102. Этот слой облегчает полную очистку (т.е. снятие всех слоев, не оставляя каких-либо мешающих остатков или отложений) проводника 102 для его соединения с выводом, обжимной гильзой или другим проводником.[0022] In some embodiments of the present invention, stranded conductor 102 may cause air pockets to form between strands on inner semiconductor layer 106 during manufacture. If such air pockets form between conductor 102 and insulating layer 104, they can become a source of partial corona discharge as charge builds up on the outer surface of conductor 102. Inner semiconductor layer 106 can be used to neutralize or "short" any air pockets formed on the outer surface of the conductor 102, preventing partial discharge by using an additional conductive path to eliminate the accumulated charge and maintain a smooth interface providing a gentle electric field gradient at the semiconductor-insulation interface. Cable 100 may further include a thin, conductive, removable layer (not shown) between inner semiconductor layer 106 and conductor 102. This layer facilitates complete cleaning (i.e., removing all layers without leaving any disturbing residue or deposits) of conductor 102 to connect it to a lead, crimp sleeve or other conductor.

[0023] Наружный полупроводниковый слой 108 охватывает электроизоляционный слой 104. Наружный полупроводниковый слой 108 может представлять собой любой подходящий полупроводниковый материал, сочетание полупроводниковых материалов или комбинацию полупроводящего электроизоляционного материала/материалов с токопроводящим материалом/материалами. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения основа наружного полупроводникового слоя 108 может быть выполнена из того же материала, что и изоляция (например, силикона, PFA и т.п.), но она может быть смешана, легирована или иным образом соединена с техническим углеродом или иным токопроводящим материалом для придания слою 108 свойства полупроводимости. В частности, и в соответствии с описанием, представленным ниже, состав наружного полупроводникового слоя 108 может быть выбран таким образом, чтобы наружный полупроводниковый слой 108, который контактирует с нагреваемой внутренней поверхностью греющего электрокабеля, уменьшал или устранял частичный коронный разряд, не влияя на электрическое взаимодействие между греющим электрокабелем 100 и тепловой трубкой, что обеспечивает возможность обогрева на основе поверхностного эффекта. Таким образом, удельное электрическое сопротивление материала, из которого выполнен наружный полупроводниковый слой 108, может быть достаточно низким, чтобы уменьшить или устранить электрическую корону на наружной поверхности греющего электрокабеля 100. В частности, удельное электрическое сопротивление может быть достаточно низким для предотвращения коронного разряда вдоль длины греющего электрокабеля 100 даже в тех местах, где греющий электрокабель 100 постоянно не контактирует с взаимодействующей тепловой трубкой.[0023] The outer semiconductor layer 108 encloses the electrical insulating layer 104. The outer semiconductor layer 108 may be any suitable semiconductor material, a combination of semiconductor materials, or a combination of semi-conductive electrical insulating material/materials with conductive material/materials. In some embodiments of the present invention, the core of the outer semiconductor layer 108 may be made of the same material as the insulation (e.g., silicone, PFA, etc.), but it may be blended, doped, or otherwise combined with carbon black or other conductive material to make the layer 108 semi-conductive. In particular, and as described below, the composition of the outer semiconductor layer 108 may be selected such that the outer semiconductor layer 108, which is in contact with the heated inner surface of the heating cable, reduces or eliminates partial corona discharge without affecting the electrical interaction. between the heating cable 100 and the heat pipe, which enables skin effect heating. Thus, the electrical resistivity of the material from which the outer semiconductor layer 108 is made can be low enough to reduce or eliminate electrical corona on the outer surface of the heating cable 100. In particular, the electrical resistivity can be low enough to prevent corona discharge along the length heating cable 100 even in places where the heating cable 100 is not constantly in contact with the cooperating heat pipe.

[0024] Кроме того, удельное электрическое сопротивление наружного полупроводникового слоя 108 может быть достаточно высоким, чтобы обратный переменный ток, протекающей вдоль внутренней поверхности взаимодействующей тепловой трубки (например, тепловой трубки 200, показанной на фиг. 2) в направлении, противоположном направлению течения переменного тока в проводнике 102, по существу не поступал на наружный полупроводниковый слой 108. В частности, следует понимать, что передача тепловой трубой обратного тока, обеспечивающего поверхностный эффект, может давать более половины (обычно около 70%) тепловой энергии в системе спутникового обогрева на основе поверхностного эффекта (остальная часть тепловой энергии приходится на долю греющего кабеля); при этом наружный полупроводниковый слой 108 может характеризоваться таким удельным электрическим сопротивлением, которое позволяет, как максимум, лишь незначительной части обратного тока попадать на наружный полупроводниковый слой 108 или протекать через него, благодаря чему обогрев тепловой трубки на основе поверхностного эффекта не нарушается. Например, наружный полупроводниковый слой 108 может отводить с внутренней поверхности тепловой трубки менее чем около 1% обратного тока.[0024] In addition, the electrical resistivity of the outer semiconductor layer 108 may be high enough to reverse the AC current flowing along the inner surface of the cooperating heat pipe (e.g., heat pipe 200 shown in FIG. 2) in a direction opposite to that of the AC flow. current in conductor 102 does not substantially enter the outer semiconductor layer 108. In particular, it should be understood that the heat pipe's skin-effect reverse current transfer can provide more than half (typically about 70%) of the thermal energy in a satellite heating system based on surface effect (the rest of the thermal energy is accounted for by the heating cable); however, the outer semiconductor layer 108 may have an electrical resistivity such that at most only a small portion of the return current can enter or flow through the outer semiconductor layer 108, so that skin effect heating of the heat pipe is not disturbed. For example, the outer semiconductor layer 108 may draw less than about 1% of the reverse current from the inner surface of the heat pipe.

[0025] В различных вариантах осуществления настоящего изобретения, которые минимизируют или устраняют коронный разряд и тепловые потери, объемное удельное сопротивление наружного полупроводникового слоя 108 может лежать в диапазоне от 10^-1 до 10⁶ Ом⋅см, или в диапазоне от 10⁰ до 10² Ом⋅см, или в диапазоне от 5 до 50 Ом⋅см, включительно. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения объемное удельное сопротивление может составлять 109 или более, по-прежнему сохраняя свою эффективность. В другом примере осуществления настоящего изобретения греющий электрокабель 100 рассчитан на работу при температуре свыше 150 градусов Цельсия (т.е. проводник 102 выполнен с возможностью проведения электрического тока, который преобразуется кабелем 100 в тепловую энергию, нагревающую кабель 100 до температуры свыше 150 градусов Цельсия); при этом электроизоляционный слой 104 выполнен из PFA, а греющий кабель 100 рассчитан на работу при напряжении около 3500-7500 В внутри тепловой трубки из углеродистой стали при температуре до 260 градусов Цельсия, причем наружный полупроводниковый слой 108 может быть выполнен из экструдируемого токопроводящего PFA с объемным удельным сопротивлением около 5-1000 Ом⋅см. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения наружный полупроводниковый слой 108 может быть наложен поверх изоляционного слоя 104 методом обычной экструзии и/или соэкструзии, и может характеризоваться минимальной толщиной около 0,5 мм. В других вариантах осуществления настоящего изобретения наружный полупроводниковый слой 108 может накладываться другими способами, такими как намотка отрезка полупроводниковой ленты вокруг изоляционного слоя 104 для формирования наружного полупроводникового слоя 108. Пригодная для использования полупроводниковая лента (например, этиленпропиленовая) может характеризоваться минимальной толщиной около 0,1 мм. При использовании любого способа наложения максимальная подходящая толщина наружного полупроводникового слоя 108 ограничивается факторами стоимости, наличием материала, простотой наложения и прочностью (т.е. достаточным сопротивлением протаскиванию через тепловую трубку во время установки). С учетом таких практических соображений, как наибольший наружный диаметр греющего электрокабеля 100 и отношение его диаметра к внутреннему диаметру тепловой трубки, в которой установлен греющий электрокабель 100, толщина наружного полупроводникового слоя может характеризоваться верхним предельным значением, лежащим в диапазоне 5-10 мм включительно.[0025] In various embodiments of the present invention that minimize or eliminate corona and thermal losses, the volume resistivity of the outer semiconductor layer 108 may range from 10 ^-1 to 10 ⁶ ohm⋅cm, or in the range from 10 ⁰ to 10 ² Ohm⋅cm, or in the range from 5 to 50 Ohm⋅cm, inclusive. In some embodiments, implementation of the present invention, the volume resistivity can be 109 or more, still retaining its effectiveness. In another embodiment of the present invention, heating cable 100 is designed to operate at temperatures above 150 degrees Celsius (i.e., conductor 102 is configured to conduct electric current, which is converted by cable 100 into thermal energy that heats cable 100 to temperatures above 150 degrees Celsius) ; while the electrical insulating layer 104 is made of PFA, and the heating cable 100 is designed to operate at a voltage of about 3500-7500 V inside a carbon steel heat pipe at temperatures up to 260 degrees Celsius, and the outer semiconductor layer 108 can be made of extruded conductive PFA with bulk resistivity of about 5-1000 Ohm⋅cm. In some embodiments, implementation of the present invention, the outer semiconductor layer 108 may be applied over the insulating layer 104 by conventional extrusion and/or co-extrusion, and may have a minimum thickness of about 0.5 mm. In other embodiments, implementation of the present invention, the outer semiconductor layer 108 may be applied in other ways, such as winding a piece of semiconductor tape around the insulating layer 104 to form the outer semiconductor layer 108. Suitable semiconductor tape (for example, ethylene propylene) may have a minimum thickness of about 0.1 mm. With either overlay method, the maximum suitable thickness of the outer semiconductor layer 108 is limited by cost factors, material availability, ease of overlay, and strength (ie, sufficient resistance to being pulled through the heat pipe during installation). Taking into account such practical considerations as the largest outer diameter of the heating cable 100 and the ratio of its diameter to the inner diameter of the heat pipe in which the heating cable 100 is installed, the thickness of the outer semiconductor layer can be characterized by an upper limit value lying in the range of 5-10 mm inclusive.

[0026] На фиг. 2А-2В показан греющий электрокабель 100, установленный в тепловой трубке 200. Жила 102 греющего электрокабеля может охватываться внутренним полупроводниковым слоем 106, хотя в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения внутренний полупроводниковый слой 106 может отсутствовать. Далее проводник и внутренний полупроводниковый слой 104 охватывается изоляционным слоем 104. Изоляционный слой 104 охватывается наружным полупроводниковым слоем 108. Греющий электрокабель 100 может располагаться внутри тепловой трубки 200 (не показана в масштабе). Греющий электрокабель 100 может быть окружен воздухом во внутреннем пространстве 202 тепловой трубки 200, за исключением той точки 204 или участка, где наружная поверхность 208 наружного полупроводникового слоя 108 контактирует с внутренней поверхностью 210 тепловой трубки 200. Когда проводник 102 и тепловая трубка 200 подключены к источнику 220 питания переменного тока (АС), образуя электрическую цепь согласно описанию, представленному в настоящем документе (т.е. когда проводник 102 соединен со стороной под напряжением, а тепловая трубка 200 соединена с нейтралью), то электрический заряд, который при отсутствии наружного полупроводникового слоя 108 накапливается на поверхности изоляции 104 и разряжается в виде коронного разряда (частичного разряда), теперь может рассеиваться без образования электрической короны через полупроводниковый слой 108, который находится в физическом и электрическом контакте с внутренней поверхностью 210 тепловой трубки 200, эффективно уменьшая или устраняя коронный разряд и его пагубные последствия.[0026] FIG. 2A-2B show a heating cable 100 installed in a heat pipe 200. The heating cable core 102 may be surrounded by an inner semiconductor layer 106, although in some embodiments of the present invention, the inner semiconductor layer 106 may be omitted. Next, the conductor and the inner semiconductor layer 104 is surrounded by an insulating layer 104. The insulating layer 104 is covered by an outer semiconductor layer 108. The heating cable 100 may be located inside the heat pipe 200 (not shown to scale). The heating cable 100 may be surrounded by air in the interior space 202 of the heat pipe 200 except at the point 204 or area where the outer surface 208 of the outer semiconductor layer 108 contacts the inner surface 210 of the heat pipe 200. When conductor 102 and heat pipe 200 are connected to a source 220, forming an electrical circuit as described herein (i.e., when conductor 102 is connected to the live side and heat pipe 200 is connected to neutral), then an electric charge that, in the absence of an external semiconductor layer 108 accumulates on the surface of insulation 104 and is discharged as a corona discharge (partial discharge), can now be dissipated without the formation of an electrical corona through the semiconductor layer 108, which is in physical and electrical contact with the inner surface 210 of the heat pipe 200, effectively reducing or eliminating the ronny discharge and its detrimental consequences.

[0027] Таким образом, экран греющего электрокабеля 100 повышает эффективность применения греющего электрокабеля 100 для обогрева на основе поверхностного эффекта в системах трубопроводов, где обратный переменный ток передается тепловой трубкой 200 и концентрируется (т.е. обладает наивысшей плотностью заряда) в «глубине поверхностного слоя», замеренной в тепловой трубке 200 с внутренней поверхности 210 (глубина поверхностного слоя обратно пропорциональна квадратному корню магнитной проницаемости тепловой трубки 200). В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения полупроводящий экран греющего электрокабеля 100 согласно описанию, представленному в настоящем документе, облегчает использование полимерных материалов, которые рассчитаны на выполнение своих функций при температуре свыше 150 градусов Цельсия при напряжении, превышающем обычное номинальное напряжение таких материалов, заданное для предотвращения частичного коронного разряда. Например, PFA является подходящим теплостойким материалом, как для электроизоляционного слоя 104, так и в качестве токопроводящего соединения для наружного полупроводникового слоя 108; тогда как неэкранированный PFA, используемый в качестве диэлектрика, начинает испытывать воздействие частичного разряда при напряжении около 2500-3000 В; при этом экранированный греющий электрокабель, описанный выше, может использовать PFA в электроизоляционном слое 104 и выполнять свои функции при напряжении 3500-7500 В, не испытывая разрушительного или опасного воздействия частичного разряда.[0027] In this way, the shield of the heating cable 100 improves the efficiency of using the heating cable 100 for surface effect heating in piping systems where the reverse AC current is carried by the heat pipe 200 and is concentrated (i.e., has the highest charge density) in the "depth of the surface layer" measured in the heat pipe 200 from the inner surface 210 (the depth of the surface layer is inversely proportional to the square root of the magnetic permeability of the heat pipe 200). In some embodiments of the present invention, the semi-conductive shield of heating cable 100 as described herein facilitates the use of polymeric materials that are rated to perform at temperatures in excess of 150 degrees Celsius at a voltage in excess of such materials' normal voltage rating, which is specified to prevent partial corona discharge. For example, PFA is a suitable heat resistant material, both for the electrical insulating layer 104 and as a conductive connection for the outer semiconductor layer 108; while unshielded PFA used as a dielectric begins to experience partial discharge at about 2500-3000 V; however, the shielded heating cable described above can use PFA in the electrical insulating layer 104 and perform its functions at a voltage of 3500-7500 V without experiencing the damaging or dangerous effects of partial discharge.

[0028] В одной из схем обогрева на основе поверхностного эффекта, которая показана на фиг. 3, ферромагнитная тепловая трубка 300, в качестве которой может быть использована тепловая трубка 200, показанная на фиг. 2, прилегает к рабочей трубе 304, используемой для транспортировки нефти, газа или иных тяжелых текучих сред. Внутри тепловой трубки 300 располагается полупроводящий экранированный греющий электрокабель согласно настоящему изобретению. Вокруг рабочей трубы 304 и тепловой трубки 300 предусмотрена теплоизоляция, удерживающая тепло. Трансформатор 306 и блок 308 управления поддерживают электрическую связь с тепловой трубкой 300 через клеммные коробки 302. Эти клеммные коробки 302 обеспечивают возможность модификации, замены или обслуживания отдельных отрезков или цепей греющего электрокабеля и/или тепловой трубки 300, не затрагивая изоляцию 310. Отрезки цепи определяются сочетанием таких параметров, как размеры кабеля, напряжение кабеля, допустимый интервал температур, размеры тепловой трубки и способ соединения. В настоящее время можно обогревать до 20 километров (12 миль) от единого источника питания в средней точке с использованием напряжения, приближающегося к 5000 вольт, и применяя изоляционные материалы, рассчитанные на температуру до 150°C. Аналогичным образом, применяя изоляцию, рассчитанную на температуру свыше 150°C, можно обогревать до 6-10 километров от единого источника питания в средней точке при использовании напряжения в 2000-2500 В. На эти отрезки цепи накладываются частичные ограничения, связанные с риском возникновения электрической дуги, что определяется материалами и конструкцией греющих электрокабелей. Например, как было описано выше, использование широко распространенного материала PFA в качестве диэлектрика может ограничивать максимальное напряжение величиной в 2500-3000 В во избежание появления частичного разряда. И наоборот, поскольку представленная система обогрева трубопроводов на основе поверхностного эффекта устраняет или уменьшает накопление заряда, на греющий электрокабель может подаваться более высокое напряжение (например, до трех раз выше в греющем электрокабеле с изоляцией из PFA). Соответственно, тепловая трубка 300 может быть задействована при большем удалении друг от друга соединений 302 выводов линии.[0028] In one of the skin effect heating schemes shown in FIG. 3, a ferromagnetic heat pipe 300, which can be the heat pipe 200 shown in FIG. 2 is adjacent to a workpipe 304 used to transport oil, gas, or other heavy fluids. Inside the heat pipe 300 is a semi-conductive shielded heating cable according to the present invention. Thermal insulation is provided around the work pipe 304 and the heat pipe 300 to retain heat. Transformer 306 and control unit 308 are in electrical communication with heat pipe 300 via terminal boxes 302. These terminal boxes 302 allow individual lengths or circuits of the heating cable and/or heat pipe 300 to be modified, replaced, or serviced without affecting the insulation 310. Circuit lengths are defined a combination of parameters such as cable dimensions, cable voltage, allowable temperature range, heat pipe dimensions and connection method. It is currently possible to heat up to 20 kilometers (12 miles) from a single power source at a midpoint using voltages approaching 5,000 volts and using insulation materials rated up to 150°C. Similarly, using insulation rated above 150°C, it is possible to heat up to 6-10 kilometers from a single power source at the midpoint using a voltage of 2000-2500 V. Partial restrictions are imposed on these sections of the circuit due to the risk of electrical arc, which is determined by the materials and design of heating cables. For example, as described above, the use of the widely used PFA material as dielectric may limit the maximum voltage to 2500-3000V to avoid partial discharge. Conversely, because the present skin effect heating system eliminates or reduces charge buildup, a higher voltage can be applied to the heating cable (eg, up to three times higher in a PFA insulated heating cable). Accordingly, the heat pipe 300 can be used with more spaced line lead connections 302.

[0029] На фиг. 4 представлены результаты экспериментов, выполненных для подтверждения улучшенных рабочих характеристик греющих электрокабелей согласно настоящему изобретению, снабженных полупроводниковой оболочкой и расположенных внутри тепловой трубки, в сравнении с греющими электрокабелями обычного типа, которые используются в данной области техники. По оси Y отложен средний частичный разряд в нанокулонах в зависимости от рабочего напряжения греющего электрокабеля применительно к разным тепловым трубкам. На графиках 404, 406, 408 и 410 показано, что тепловые трубки с обычными неэкранированными греющими электрокабелями для обогрева тепловой трубки на основе поверхностного эффекта, где в качестве электроизоляционного слоя используется силикон, сталкиваются с частичными разрядами крайне высокого уровня. Таким образом, обычно они ограничены рабочим напряжением 5 кВ или меньше. Греющие электрокабели, в которых используется полупроводниковый экранирующий слой согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения, отображены на графиках 400 и 402; в частности, на графике 400 показан средний частичный разряд внутри тепловой трубки, использующей греющий электрокабель, представленный на графике 408, но дополненный описанным наружным полупроводниковым слоем согласно раскрытому выше варианту осуществления настоящего изобретения. Как можно видеть, даже при крайне высоком напряжении эти греющие электрокабели не испытывают частичные разряды свыше 20 нанокулонов, и они могут функционировать даже при напряжении 10 кВ без частичных разрядов свыше 10 нанокулонов. При дополнительном тестировании раскрытых вариантов осуществления настоящего изобретения был отмечен частичный разряд всего в 50-200 пикокулонов при напряжении до 14 кВ.[0029] FIG. 4 shows the results of experiments performed to confirm the improved performance of the heating cables according to the present invention, provided with a semiconductor sheath and located inside the heat pipe, in comparison with conventional heating cables used in the art. The Y-axis shows the average partial discharge in nanocoulombs depending on the operating voltage of the heating cable for different heat pipes. Plots 404, 406, 408, and 410 show that heat pipes with conventional unshielded electric heating cables for surface effect heat pipe heating, where silicone is used as the electrical insulating layer, experience extremely high levels of partial discharge. Thus, they are usually limited to an operating voltage of 5 kV or less. Heating cables that use a semiconductor shield layer according to various embodiments of the present invention are shown in plots 400 and 402; in particular, graph 400 shows the average partial discharge inside a heat pipe using the heating cable shown in graph 408, but supplemented with the described outer semiconductor layer according to the above-disclosed embodiment of the present invention. As can be seen, even at extremely high voltage, these electrical heating cables do not experience partial discharges above 20 nanocoulombs, and they can operate even at 10 kV without partial discharges above 10 nanocoulombs. Upon further testing of the disclosed embodiments of the present invention, a partial discharge of as little as 50-200 picocoulombs was noted at voltages up to 14 kV.

[0030] С учетом графика, показанного на фиг. 4, в отношении греющего электрокабеля, в котором используется силиконовая изоляция, понятно, что аналогичные улучшения, хотя и при более низких напряжениях, могут быть обеспечены в экранированном кабеле, описанном выше, в котором в качестве электроизоляционного слоя используется PFA.[0030] Considering the graph shown in FIG. 4, with respect to a heating cable using silicone insulation, it is understood that similar improvements, albeit at lower voltages, can be achieved in the shielded cable described above using PFA as the electrical insulating layer.

[0031] Настоящее изобретение раскрыто на примере одного или нескольких предпочтительных вариантов его осуществления, но следует понимать, что возможны многие другие эквиваленты, альтернативные варианты, изменения и модификации, входящие в объем настоящего изобретения, но отличные от тех, которые были явным образом изложены в настоящем документе.[0031] The present invention has been described in terms of one or more preferred embodiments, but it should be understood that many other equivalents, alternatives, variations, and modifications are possible and are within the scope of the present invention, but other than those expressly set forth in this document.

Claims

1. A surface effect pipeline heating system, comprising:

a ferromagnetic heat pipe configured to supply heat to the working pipe; And

a heating cable located inside a ferromagnetic heat pipe, and the heating cable contains:

conductor;

an inner semiconductor layer enclosing a conductor, an electrically insulating layer enclosing the inner semiconductor layer, the electrically insulating layer corresponding to a partial discharge occurrence frequency that exceeds a predetermined maximum value if the electrically insulating layer is unshielded and exposed to a voltage greater than the first rated voltage; And

an outer semiconductor layer that encloses and shields an electrically insulating layer, and is also characterized by the presence of an outer surface that is in electrical and direct physical contact with the inner surface of a ferromagnetic heat pipe, and the outer semiconductor layer is characterized by an electrical resistivity, which, in response to applying an alternating current to the conductor current at a supplied voltage exceeding the first rated voltage, allows the heating cable:

keep the amount of partial discharge of the heating cable at a level not higher than the specified maximum level of partial discharge; And

provide passage through the outer semiconductor layer of not more than one percent of the reverse electric current flowing along the inner surface of the ferromagnetic heat pipe in the direction opposite to the direction of the AC current flow of the conductor.

2. The pipeline heating system based on the surface effect according to claim 1, in which the electrical resistivity of the outer semiconductor layer lies in the range of 5-1000 Ohm-cm inclusive.

3. The skin effect pipeline heating system according to claim 1, wherein the electrically insulating layer is a perfluoroalkoxypolymer (PFA), the first rated voltage is in the range of 2500-3000 volts inclusive, and the applied voltage is in the range of 3500-7500 volts inclusive.

4. The skin effect pipeline heating system of claim 3, wherein the outer semiconductor layer comprises an extruded layer of conductive PFA that is extruded onto the electrical insulating layer.

5. The skin effect pipeline heating system according to claim 1, wherein the outer semiconductor layer comprises a semiconductor tape wound around the electrically insulating layer.

6. Pipeline heating system based on surface effect, comprising:

a ferromagnetic heat pipe configured to supply heat to the working pipe; And

heating cable, containing:

vein;

an electrically insulating layer covering at least the core and characterized by a first rated voltage; And

an outer semiconductor layer enclosing an electrically insulating layer, wherein the outer semiconductor layer is in electrical and direct physical contact with the inner surface of a ferromagnetic heat pipe such that the heating cable forms an electrical circuit with the heat pipe and a power source supplying alternating current to the core at a voltage exceeding the first nominal voltage, and the electrical circuit causes the heating of the heat pipe due to the skin effect.

7. Pipeline heating system based on the surface effect according to claim 6, in which the outer semiconductor layer is characterized by electrical resistivity, which limits the partial discharge of the heating electric cable to a level not exceeding 1 nanocoulomb when an alternating voltage of up to 7500 volts is applied to the core.

8. The skin effect pipeline heating system of claim 6, wherein the outer semiconductor layer has an electrical resistivity that limits partial discharge of the heating cable to at most 10 picocoulombs when an AC voltage of up to 7500 volts is applied to the core.

9. The skin effect piping heating system of claim 6, wherein the outer semiconductor layer further prevents the flow of an electric current that is more than one percent higher than the electric current flowing through the inner surface of the heat pipe through the outer semiconductor layer.

10. The pipeline heating system based on the surface effect according to claim 6, in which the outer semiconductor layer is characterized by electrical resistivity in the range of 5-1000 Ohm-cm inclusive.

11. The skin effect pipeline heating system of claim 10, wherein the electrically insulating layer is a perfluoroalkoxypolymer.

12. The skin effect pipeline heating system according to claim 6, wherein the outer semiconductor layer is bonded to the electrical insulating layer using an extrusion process.

13. The skin effect piping heating system of claim 6, wherein the outer semiconductor layer comprises a piece of semiconductor tape wound around the electrically insulating layer.

14. The skin effect pipeline heating system according to claim 6, wherein the electric heating cable further comprises an inner semiconductor layer between the core and the electrical insulating layer.

15. The skin effect pipeline heating system of claim 6, wherein the electrically insulating layer comprises a first insulating material and the outer semiconductor layer comprises a first insulating material and a first conductive material.

16. The skin effect pipeline heating system of claim 15, wherein the first insulation material is a perfluoroalkoxy polymer.

17. The skin effect pipeline heating system of claim 16, wherein the first conductive material is selected such that the outer semiconductor layer has an electrical resistivity in the range of 5-1000 ohm-cm, inclusive.

18. The skin effect piping heating system according to claim 6, wherein the first rated voltage corresponds to a maximum operating voltage in the unshielded state, lying in the range of 2500-3000 volts.