Фиг. 66. Сечение кабеля А. М. Taylor’a.
Появлению нижеописанных маслом наполненных кабелей, разрешивших задачу высоковольтного кабеля на напряжение от 100 кВ и выше, предшествовала эпоха одножильных высоковольтных кабелей, пропитанных вязкой массой, с помощью которых пытались решить проблему передачи энергии по кабелям при напряжении порядка 100 кВ. Для решения этой проблемы было предложено очень много различных конструкций, которые, хотя и имеют в настоящее время очень малое практическое значение, так как они не оправдали себя и уступили место маслом наполненному кабелю, но имеют большой теоретический интерес, а также важны для истории развития высоковольтного кабеля.
1. Кабель А. М. Т а у 1 о г’а. Этот кабель был предложен в 1923 г. и предназначался для напряжения 150 кВ.
Описан он был кроме автора А. М. Taylor'a
- также М. Klein’oм
- Кабель предназначался для передачи по шестифазно-трехфазной системе; для этой цели диэлектрик кабеля был подразделен металлическими оболочками, находившимися под принудительным потенциалом.
Для осуществления такой передачи требовалось два кабеля на фазу, а всего шесть кабелей, и кроме того, специально сконструированные трансформаторы. Разрез этого кабеля дан на фиг. 66, он сильно напоминает обычный концентрический кабель, но снабжен двумя свинцовыми оболочками, чтобы дать возможность провести пропитку кабеля в два приема, так как в один прием получается риск недопропитки его. Приводимая Taylor'oм векторная диаграмма передачи показывает, что для рабочих напряжений в 100 и 150 кВ между фазами напряжение между центральной жилой и первой концентрической, а также между первой концентрической и второй концентрической жилами будут соответственно 30 и 45 кВ, а между второй концентрической жилой и внешней свинцовой оболочкой—17,8 и соответственно 26,7 кВ. Концентрические и центральная жилы несут вместе полный рабочий ток. Градиенты напряжения на внутренней жиле не превосходят 3,8 кВ/мм, на первой концентрической жиле — 2,9 кВ/мм и на второй концентрической — 2,0 кВ/мм, т. е. остаются в обычных границах для высоковольтных кабелей. Идея Taylor'a не получила практического осуществления.
Главное возражение против его кабеля заключалось в том, что он требует трансформаторов специальной конструкции и что при его изготовлении получаются очень большие производственные затруднения, в особенности из-за необходимости двойной пропитки кабеля, причем во время второй пропитки легко может быть испорчена изоляция внутренних слоев.
Фиг. 67. Эквивалентная схема кабеля Dr. Zapf’a.
- Кабель S. S i lbегшапп'а [61]. Изобретателем этот тип кабеля был предложен в 1926 г., главным образом, для применения в качестве электрического конденсатора, но он был изготовлен также фирмой Felten u. Giiilleaume в Германии как опытный кабель и был проложен на опытной 110-кВ линии около Nayenahr'a. По существу этот тип кабеля является видоизменением известного ранее кабеля Dr. Zapf'a. Схема включения кабеля Dr. Zapf'a дана на фиг. 67, а на фиг. 68 дан его схематический разрез. В нем имеется промежуточная проводящая прослойка Е, между этой прослойкой и жилой кабеля L включен конденсатор. Благодаря этому слой диэлектрика между L и Е электрически разгружается, как это видно из схемы фиг. 67, так как благодаря включению конденсатора часть напряжения, приходящаяся на диэлектрик между жилой L и проводящей прослойкой Е, уменьшается. Соответствующее этому случаю распределение электрической напряженности будет соответствовать графику на верху фиг. 68. Кабель Zapf'a не получил практического применения потому, что на практике неудобно устраивать по концам кабеля конденсаторных батарей, кроме того, по промежуточной проводящей оболочке в нем текут большие выравнивающие токи.
Фиг. 68. Схема кабеля Dr. Zapf’a.
Кабель S. Silbermann'a отличается от кабеля Dr. Zapf’a тем, что в нем добавочный конденсатор на конце кабеля заменен жилой, включенной в самый кабель, а именно так, как показано на фиг. 69, изображающей схематический разрез этого кабеля, и на фиг. 70, изображающей схему включения его элементов. Здесь А — добавочная жила, играющая роль конденсатора кабеля Zapf’a;
Е—добавочная проводящая оболочка; L — основная жила кабеля. Все соединения элементов А,
L и Е делаются в муфтах. Благодаря тому, что электрическая емкость жилы А пропорциональна длине кабеля, здесь не нужно, как в кабеле Zapf'a, подбирать величины добавочного конденсатора в зависимости от длины линии. Расчет электрической напряженности диэлектрика в этом кабеле легко сделать, если определить те доли общего напряжения, которые ложатся на отдельные слои диэлектрика.
В настоящее время описываемый кабель представляет некоторый интерес как статический конденсатор, поскольку его емкость в 2,25 раза выше, чем емкость одножильного кабеля нормальной конструкции.
- Кабель Н. Meurer’a [121]. Сечение этого кабеля изображено на фиг. 71. Он был изготовлен на напряжение 110 кВ в трехфазной системе и имел сечение в 95 мм2. Его проводящая жила была подразделена на две части: внутренняя А, обмотанная пропитанной кабельной бумагой, и внешняя В, изготовленная из профильных проволок. Сделано это с целью увеличения диаметра проводящей жилы, чтобы уменьшить максимальный градиент напряжения.
Фиг. 69. Схематическое сечение кабеля S. Silbermann'a.
На этом кабеле впервые в Германии был применен принцип градирования изоляции каландрованной бумагой, а именно: изоляция поверх слоя профильных проволок состояла из трех слоев различных бумаг, причем первый слой — очень плотная бумага, второй — менее плотная и третий — нормальная бумага. Кабель имел диаметр под свинцовой оболочкой около 60,5 мм и внешний диаметр 80 мм. Он был бронирован стальными проволоками, изготовленными из специальной стали, обладающей малыми потерями. Проволоки располагались так, чтобы между ними было расстояние около 1\3 диаметра проволоки.
Фиг. 70. Эквивалентная схема кабеля S. Silbermann’a.
Добавочные потери в этом кабеле были: в броне около 5% и в свинцовой оболочке — около 15% от омических потерь в медной жиле. Кабель был проложен фирмой Felten u. Guilleaume на опытном участке вблизи Nayenahr'a вместе с кабелем S. Silbermann'a, а до этого демонстрировался в 1926 г. на выставке в Дюссельдорфе.
Фиг. 71. Сечение кабеля Н. Meurer’a.
4. Кабель в Кливленде. Проложенный в 1923—1924 гг. в Кливленде в США этот кабель, построенный на 66 кВ, представляет в настоящий момент интерес постольку, поскольку при его монтаже впервые были применены некоторые особенности, часть которых впоследствии оказалась очень плодотворной.
Особенности эти заключались в том, что здесь впервые был применен принцип подпитки кабелей с помощью расширяющихся консерваторов, а также была применена очень интересная механизация разделки кабеля. Сечение этого кабеля изображено на фиг. 72, он не представляет собой ничего особенного, если не считать исключительно высокой толщины изоляции в 24 мм, что значительно превышает толщины изоляции для современных маслом наполненных кабелей на 132 кВ. Такая толщина изоляции представляет большие трудности для процесса сушки и пропитки кабеля. Кабель имел сечение в 254 мм.
Фиг. 73. Схема подготовки к сращиванию концов 66-кВ кабеля, проложенного в Кливленде.
На фиг. 73 изображена подготовка концов этого кабеля к сращиванию. Сначала с конца кабеля снималась свинцовая оболочка и изоляция на длину в 19 мм, затем бумага под свинцовой оболочкой высверливалась так, чтобы вокруг проводящей жилы получилось бы конусное углубление в 89 мм глубины с углом около 15°.
Фиг. 72. Сечение 66-кВ кабеля, проложенного в Кливленде.
После этого две жилы соединялись медной гильзой так, как показано на фиг. 74; затем на место соединения ставилась полая латунная чашка с отверстиями, эта чашка входила в конусные углубления изоляции жил; после пригонки гильза спаивалась с жилами, а чашка заливалась припоем. Затем с каждой жилы кабеля снималась на 470 мм свинцовая оболочка, концы которой загибались буртиком. После этого место соединения покрывалось на длину в 600 мм обмоткой из пропитанной кабельной бумаги на конус. Эта обмотка окружалась прощелаченной бумажной трубкой. Тело самой муфты было сделано из двух латунных конусов, спаиваемых на месте стыка.
Фиг. 74. Разрез соединительной муфты 66-кВ кабеля, проложенного в Кливленде.
В местах соединения между свинцовой оболочкой и телом муфты находилась конусообразная набивка из пропитанной пряжи. Муфта имела два отверстия, из которых одно служит для заливки массы в муфту, а другое для выхода массы из муфты во время заливки, для того чтобы муфту можно было бы промыть горячей массой. На одно из этих отверстий ставился консерватор с диафрагмой, который наполнялся пропиточной массой, в данном случае петролатом. Вся работа по подготовке муфты шла с помощью специальных приспособлений, что исключало влияние на качество соединения ручной работы.
Со времени прокладки этого кабеля вопрос о подпитке кабеля был очень долгое время одним из важнейших вопросов, разрабатываемых американской линейной кабельной техникой. Отмечались случаи, когда удавалось восстанавливать на кабелях, переведенных с напряжения 24 кВ на 13 кВ из-за частых пробоев на линии, первоначальное напряжение 24 кВ благодаря устройству подпиточных резервуаров. Опыт показал, что кабели во время эксплуатации вообще могут поглощать очень большое количество пропиточной массы, например, согласно американским данным [24] три кабельные линии на 33 кВ За 200 недель поглотили соответственно 2,6; 1,8 и 1,35 куб. дюймов масла на 1 фут кабеля, и несмотря на это, все же подвергались многочисленным пробоям. Вообще результаты применения подпитки были чрезвычайно пестрыми. Прежде всего здесь нужно отметить, что скорость поглощения масла сначала очень высока, а затем уменьшается, она зависит от давления, рабочей температуры кабеля, тугости намотки бумаги, вязкости пропиточной массы, длины и уровня линии. Заполнение кабеля массой благоприятно в том отношении, что уменьшает опасность от разрушений, возникающих благодаря ионизации в кабеле, а с другой стороны, оно повышает возможность разрыва свинцовых оболочек.
- Кабельное кольцо вокруг Парижа. Кабельное кольцо вокруг Парижа, проложенное в 1924 г., может служить примером высоковольтных кабельных установок на 60 кВ (фазное напряжение 34,6 кВ), выполненных одножильными кабелями, пропитанными вязкой массой. В этом кольце уложено 660 km одножильного кабеля на это напряжение, причем сделано более 2500 соединительных муфт. При проектировке этого кольца производился выбор только между системой трех одножильных кабелей и трехфазным кабелем с поясной изоляцией, поскольку в то время кабели с экранированными жилами были мало известны. Исполненные кабели имели голую свинцовую оболочку и обладали следующими данными: сечение жилы 150 мм2, толщина изоляции 14 мм, толщина свинцовой оболочки 2,5 мм, строительная длина 250 т, максимальный градиент напряжения 4 250 V/мм. Кабель был описан Е. Mercier'oм [73]. Измерения на этом кабеле показали, что потери в его свинцовой оболочке были равны 10% от омических потерь в меди, однако при обсуждении доклада Е. Mercier’a в Английском институте инженеров-электриков было указано, что эти потери не могут превышать 3%. Нормальная нагрузка этого кабеля была определена в 300 А на жилу, причем температура жилы не превышала 50° С при температуре почвы 18° С. Кабель на заводе подвергался суровым испытаниям, а именно в течение часа удвоенным рабочим напряжением в 70 кВ и в течение 5 мин. утроенным рабочим напряжением в 110 кВ. Испытания на потери в диэлектрике не производилось.
Кабель был проложен в U-образных бетонных каналах.
Нужно сказать, что за последнее время кабели этого типа на напряжение до 66 кВ снова начинают приобретать значение. В эксплуатации они в общем не оказались плохими, а их конкурент — маслом наполненный кабель — хотя сам по себе значительно дешевле кабеля, пропитанного вязкой массой, но стоимость необходимых принадлежностей к этому кабелю, т. е. различных муфт, резервуаров давления и т. п., настолько высока, что их установка для таких напряжений становится уже невыгодной. В области же напряжений свыше 66 кВ кабели, пропитанные вязкой массой, теперь совсем не применяются, если не считать нижеописываемых .кабелей под давлением.
