Силовые кабели - Градирование изоляции

Выше мы видели, что коэффициент использования изоляции одножильного кабеля даже в самом лучшем случае очень невелик, поэтому, естественно, возникает вопрос, нельзя ли создать такую изоляцию, которая повышала бы использование материала кабеля за счет более равномерного распределения напряженности диэлектрика. Средством для получения более равномерно распределенной напряженности является использование материалов с различными диэлектрическими постоянными. Распределение материалов с различными диэлектрическими постоянными в диэлектрике кабеля с целью получения более равномерной напряженности называется градированием изоляции. Вопрос этот независимо друг от друга прорабатывали O’Gorman и Е. Iona, инженер итальянской фирмы Pirelli, последний построил по этому принципу кабель, который будет описан ниже.
Рассмотрим по A. Russel’ra [17] вопрос с теоретической стороны, для чего зададимся целью определить условия для градирования изоляции, предположив, что изоляция кабеля разделена на ряд слоев с различными диэлектрическими постоянными и что максимальные и минимальные градиенты напряжения в каждом таком слое соответственно одинаковы. Пусть будут также одинаковы диэлектрические прочности этих слоев, а величина утечки тока через них будет ничтожна по сравнению с емкостными токами. Пусть фиг. 18 изображает сечение такого кабеля. Поскольку на основании формул (65)и (71) имеем
(81)
где  r1-2 и т. д. — радиусы внутренних поверхностей слоев. Выражение (81) показывает, что при принятых определениях правильного градирования все радиусы отдельных слоев изоляции, имеющих различную диэлектрическую постоянную, должны быть расположены в геометрической прогрессии с показателем, где п — число таких слоев.
Для проверки правильности этого положения в формулу для последнего
члена геометрической прогрессии подставимтогда получим

Фиг. 18. Схема одножильного кабеля.

т. е. конечную величину нашей прогрессии.
Ряд, составленный из толщин изоляции отдельных слоев, поскольку каждая толщина изоляции будет разностью двух последовательных радиусов, является также геометрической прогрессией с таким же подавателем
Если и1, и2 и т. д. — потенциалы точек на расстоянии R от оси кабеля, то мы имеем я конденсаторов, включенных последовательно, причем разность потенциалов на каждом из них должна быть обратно пропорциональна их емкостям.
Первый кабель с градированной (по емкостям) изоляцией был сконструирован инж. Е. Iona, изготовлен фирмой Pirelli и выставлен на выставке в Милаке в 1906 г. Этот одножильный кабель имел сечение в 162 мм2, он выдержал испытание на 150 кВ, что по тому времени считалось очень большой величиной. Конструкция его была следующая:

По подсчетам Russell’я максимальные градиенты напряжения этого кабеля при 150 кВ были последовательно 12,4; 13,2; 12,3 и 9,74 кВ/мм, а при изотропной (т. е. однородной) изоляции он был бы 17,4 кВ/мм. На фиг. 19 дано графическое распределение напряженностей по слоям этого кабеля при его рабочем напряжении, которое оценивалось в 100 кВ.
Кабель Iona не удержался и не мог удержаться в практике, хотя бы по одному тому, что он был построен технологически неправильно, ибо совмещение резиновой изоляции с пропитанной бумажной изоляцией невозможно, поскольку масло разрушает резину. Принцип градирования, однако, часто применяется и сейчас в кабельной технике, в особенности в кабелях на сверхвысокое напряжение, но новые градированные кабели имеют однородный по природе диэлектрик, а именно обычную бумажную пропитанную изоляцию с бумагой различной плотности. Над такой идеей работал еще O’Gorman, который рекомендовал для целей градирования добавку к пропиточной массе внутренних слоев касторового масла, затем утяжеление кабельной бумаги добавкой наполнителей с высокой диэлектрической постоянной, каковы глина и барит. Теперь, однако, различие в диэлектрических постоянных достигается за счет уплотнения самой бумаги. По измерениям Campbell’a диэлектрическая постоянная волокна целлюлозы около 6, а пропиточная масса имеет диэлектрическую постоянную около 2,5, отсюда ясно значение каландрирования бумаги (уплотнения посредством вальцевания) для градирования. Благодаря увеличению плотности бумаги полу-' чается также и некоторое увеличение емкости кабеля, однако это увеличение невелико и равно по Меиегег’у [12] около 4 %.

Фиг. 19. Распределение напряженности диэлектрика обычного одножильного кабеля и кабеля Iona.
Какие  пределы изменения диэлектрической постоянной, достижимые при этом способе градирования, показывают данные W. Vogel’H [122], согласно которому описываемый им кабель имел последовательно диэлектрические постоянные пропитанной бумаги: 4,2; 4,0 и 3,7. W. Vogel, между прочим, нашел следующие дополнительные хорошие свойства градированного таким образом кабеля: градированный кабель имел лучшие кривые, ионизации после 10 циклов нагрева, чем кабель с обычной бумагой, и затем в таком кабеле меньше объем пропиточной массы, чем в обычном кабеле. Оба эти свойства, как увидим далее, очень ценятся в современных кабелях.