Результат интеллектуальной деятельности: ГИБКИЙ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ КАБЕЛЬ

Изобретение относится к области высоковольтной техники, в частности, к кабелям высокого напряжения, и может быть использовано для передачи импульсов высоких и сверхвысоких напряжений.

Актуальность технической проблемы состоит в следующем. В ходе разработки мощных электрофизических установок может возникнуть необходимость создания гибкого высоковольтного коаксиального кабеля, позволяющего передать без значительных искажений, высоковольтные импульсы напряжения до 250 кВ от высоковольтного источника к потребителю (например, ускорителю электронов). При этом важно, чтобы с помощью данного соединения были возможны циклические отклонения положения потребителя относительно высоковольтного источника более чем на 50° в любую сторону.

Известен силовой кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена (патент на полезную модель №119928, опубликовано 27.08.2012), рассчитанный на напряжения до 330 кВ. Данный кабель содержит токопроводящую медную или алюминиевую жилу, изолированную не менее чем тремя слоями экструдированного сшитого полиэтилена (первый слой - из электропроводящей сшитой композиции на основе полиэтилена, второй слой - изоляционного сшитого полиэтилена, третий слой - из электропроводящей сшитой композиции на основе полиэтилена). На изолированные жилы наложен слой из электропроводящих лент, поверх которого наложен металлический экран из алюминия, разделительный слой и защитная оболочка. Минимальный радиус кривизны сгиба данного кабеля R_сг>1500 мм, что соответствует минимальной длине вывода L_min=4.7 м. В некоторых электрофизических установках, где возможны циклические отклонения положения потребителя относительно высоковольтного источника, существует необходимость, чтобы длина кабеля была значительно короче (может составлять 1-2 м), что делает проблематичным подвод напряжения к потребителю при использовании данного кабеля. К тому же, вызывает сомнение его способность выдержать многочисленные изгибы без пробоев.

Известна также газоизолированная линия сверхвысокого напряжения, содержащая цилиндрическую оболочку, заполненную газом, и коаксиально размещенную в ней токоведущую трубу, фиксированную с помощью опорных изоляторов, установленных на внутренней поверхности оболочки [Тех. журнал Японии "Hitachi Review", v. 28 (1979), №5, стр. 27]. Основным недостатком данной газоизолированной линии является невозможность ее циклических изгибов в процессе передачи напряжения из-за жесткости конструкции кабеля, что также ограничивает сферу его применения.

Наиболее близким техническим решением является выбранный за прототип гибкий газоизолированный кабель (авторское свидетельство SU 1304083, опубликовано 15.04.1987), содержащий токоведущий электрод, выполненный из гибкого гофрированного герметичного рукава сильфонного типа, внешней оболочки, коаксиально расположенной относительно токоведущего электрода и изготовленной из аналогичного гофрированного герметичного рукава. Объем между внешней оболочкой и внутренним токоведущим электродом заполнен изолирующей средой - газом. Между внешней оболочкой и внутренним токоведущим электродом расположены опоры, изготовленные из диэлектрического материала.

Объем между внешней оболочкой и внутренним токоведущим электродом заполнен изолирующей средой - газом, который имеет относительно низкую электрическую прочность (E_{порог.элегаза}=80 кВ/см), что при переходе к сверхвысоким рабочим напряжениям, для исключения возникновения пробоев приводит к чрезмерно большим диаметрам кабелей, а это является причиной возникновения затруднений при их изготовлении и монтаже. К недостаткам данного кабеля также можно отнести его ограниченную гибкость в местах опорных изоляторов, размещенных в цилиндрических гильзах. Большой радиус изгиба приведет к увеличению длины кабеля, соединяющего высоковольтный источник и потребитель (например, ускоритель электронов), в случае, когда необходимы их циклические отклонения относительно друг друга, что увеличит габариты установки в целом.

Технический результат состоит в том, что при сохранении габаритов кабеля обеспечена передача от источника к потребителю импульсов существенно большего напряжения за счет уменьшения его радиуса изгиба и увеличения электропрочности.

Технический результат достигается тем, что в отличие от известного гибкого высоковольтного кабеля, содержащего токоведущий электрод, выполненный из гибкого гофрированного герметичного рукава сильфонного типа, и внешней оболочки, коаксиально расположенной относительно токоведущего электрода и изготовленной из аналогичного гофрированного герметичного рукава, объем между внешней оболочкой и внутренним токоведущим электродом заполнен изолирующей средой, между внешней оболочкой и внутренним токоведущим электродом расположены опоры, изготовленные из диэлектрического материала, в предложенном кабеле изолирующей средой является трансформаторное масло, опоры выполнены в виде тороидальных диэлектриков, соединенных между собой эластичным жгутом, препятствующим существенному перемещению опор вдоль оси кабеля, на жгуте между диэлектриками расположены эластичные втулки, исключающие соприкосновение опор между собой.

То есть, - изолирующей средой является трансформаторное масло (E_{порог.масла} ≥ 200 кВ/см), электрическая прочность которого выше электропрочности газовой изоляции, более, чем в два раза. Таким образом, маслонаполненный кабель может выдерживать большие электрические нагрузки, по сравнению с газоизолированным, при одинаковых габаритах; - опоры выполнены в виде тороидальных диэлектриков (с формой сечения, обеспечивающей минимальную напряженность электрического поля на поверхности изолятора), соединенных между собой эластичным жгутом, препятствующим существенному перемещению опор вдоль оси кабеля. При этом на жгуте между диэлектриками расположены эластичные втулки, исключающие соприкосновение опор между собой. Таким образом, опоры равномерно распределены вдоль кабеля и за счет своей формы не препятствуют его изгибам. В конструкции прототипа дисковые опорные изоляторы расположены между цилиндрическими металлическими гильзами, что снижает гибкость кабеля.

То есть, технический результат достигается тем, что кабель с изоляцией из трансформаторного масла выдерживает большие электрические нагрузки, по сравнению с газоизолированным кабелем, при одинаковых габаритах, а конструкция расположения и форма диэлектрических опор при этом позволяет изгибать кабель на больший угол.

На фиг. 1 схематично изображен гибкий высоковольтный кабель.

На фиг. 2 приведен график входного напряжения (сигнал 1) и выходного напряжения (сигнал 2).

Предлагаемый гибкий коаксиальный высоковольтный кабель (фиг.), содержит токоведущий электрод 1, выполненный из гибкого гофрированного герметичного рукава сильфонного типа, например, KFIS 132, внешнюю оболочку 2, например, KFIS 1150, коаксиально расположенную относительно токоведущего электрода и изготовленную из аналогичного гофрированного герметичного рукава большего диаметра, диэлектрические опоры 3, расположенные между внешней оболочкой и внутренним токоведущим электродом. Кабель отличается от прототипа (патент SU 1304083) тем, что изолирующей средой является трансформаторное масло 4, опоры выполнены в виде тороидальных диэлектриков, например из ПА6 (с формой сечения, обеспечивающей минимальную напряженность электрического поля на поверхности изолятора), соединенных между собой эластичным жгутом 5, например, МБС, препятствующим существенному перемещению опор вдоль оси кабеля, на жгуте между диэлектриками расположены эластичные втулки 6, исключающие соприкосновению опор между собой.

Работа заявляемого кабеля смоделирована в габаритах прототипа. Для оценки электрической стойкости гибкого высоковольтного кабеля и выбора его оптимальных размеров для передачи импульсов напряжения до 250 кВ было проведено компьютерное моделирование с помощью программного пакета ANSYS (Разработчик ANSYS, Inc. Сайт ansys.com). Полученные данные позволяют судить о надежности выбранной конструкции кабеля. При определении значения напряженности на поверхности опорных изоляторов гибкого кабеля также было проведено моделирование в ANSYS. Из анализа полученных данных следовало, что конструкция диэлектрика удовлетворяет требованиям электропрочности. При этом радиус изгиба уменьшен относительно прототипа.

Для изучения способности передачи высоковольтного импульса без искажений по гибкому высоковольтному кабелю проводилось экспериментальное исследование. Анализ осциллограмм (фиг. 2) высоковольтного импульса напряжения на входе и выходе кабеля показал, что форма сигнала (сигнал 1 и сигнал 2) осталась без изменений. Это означает, что выбранная нами конструкция удовлетворяет поставленным требованиям разработки мощных электрофизических установок.

Таким образом, при одинаковых габаритах прототипа и заявляемого кабеля обеспечена передача к потребителю импульсов существенно большего напряжения за счет уменьшения радиуса изгиба последнего и увеличения электропрочности не менее, чем в два раза. Усовершенствование обеспечивает гибкую связь между высоковольтным источником и потребителем, а также передачу без значимых искажений импульса напряжения до 250 кВ. С помощью данного соединения возможны циклические отклонения положения потребителя относительно высоковольтного источника более чем на 50° в любую сторону.