Электрический кабель с тензометрическим датчиком и системой контроля, и способ для обнаружения растяжения, по меньшей мере, в одном электрическом кабеле

Электрический кабель с тензометрическим датчиком и системой контроля, и способ для обнаружения растяжения, по меньшей мере, в одном электрическом кабеле

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к электрическому кабелю с внедренным тензометрическим датчиком, пригодным, в частности, для измерения статических и динамических деформаций растяжений.

Настоящее изобретение также направлено на способ и систему контроля для измерения, по меньшей мере, растяжения, по меньшей мере, в одном электрическом кабеле.

Настоящее изобретение, кроме того, относится к системе и способу контроля для обнаружения растяжения во множестве электрических кабелей. В частности, настоящее изобретение относится к системе и способу контроля с использованием технологии обратного рассеяния по Бриллюэну для контроля множества электрических кабелей, установленных в передвижном оборудовании.

Уровень техники

Электрические кабели, в частности, для тяжелых режимов применения и/или для передвижных установок, таких как передвижные портовые краны, контейнерные краны класса корабль-берег, корабельные разгрузочные машины, распределители, а также горное и проходческое оборудование, специально спроектированы для того, чтобы выдержать суровые климатические условия и высокие механические нагрузки, такие как силы растяжения и крутящие моменты. В качестве дополнительного примера кабелей для тяжелых режимов применения, вплоть до кабелей насосов нисходящих скважин для подачи тока к погружаемым электрическим системам насосов в глубоких скважинах, обычно установленных в физически ограниченных областях и в условиях неблагоприятной окружающей среды, часто в контакте с коррозионными скважинными флюидами. Как правило, вышеупомянутые кабели проектируют таким образом, чтобы они были прочными и гибкими. В рамках настоящего описания заявитель в основном ссылается на кабели для работы в тяжелом режиме, упоминая кабели для тяжелых режимов применения, и, в частности, но не исключительно, для передвижных установок.

Пример электрического кабеля для тяжелых режимов представлен в документе DE 3934718, в котором описан армированный свободно тянущийся кабель для выемочных комбайнов в шахтах.

В WO 01/78086 раскрыт электрический кабель, в частности, для использования в захватывающей системе, такой как кран или укладывающая система. Кабель содержит сердечник, который включает в себя первые проводники, полностью окруженные первой выдерживающей напряжение матрицей, в которую он внедрен. По меньшей мере, один дополнительный слой расположен вблизи первой выдерживающей напряжение матрицы и имеет по меньшей мере один дополнительный проводник в дополнительном слое, который полностью окружен второй выдерживающей напряжение матрицей, в которую он внедрен. Говорят, что выдерживающие напряжение матрицы в кабеле делают возможным распределение напряжения по всему кабелю и, таким образом, по существу, снижают эффект буравчика.

Растягивающие нагрузки и скручивание в передвижном кабеле могут возникнуть в результате усиленного ведения кабеля во время стадий его наматывания и разматывания вокруг катушек, или вследствие сбора кабеля в корзины (например, для распределительных кабелей). Стадии наматывания и разматывания обычно являются быстроменяющимися и часто резкими, например, когда они вызваны горизонтальным движением крана, что, таким образом, налагает значительные динамические растягивающие нагрузки на кабель и, таким образом, на отдельные проводники внутри кабеля. В дополнение, другие системы для перемещения кабеля, такие как талевые системы и буровые системы обычно предполагают высокие растягивающие нагрузки на кабель в ходе эксплуатации.

Избыточное удлинение кабеля может вызвать растягивающие нагрузки, которые должны быть переданными электрическим проводникам с последующим повреждением последних. Избыточные и/или длительные растягивающие нагрузки могут привести к перманентному удлинению кабеля, которое может сократить срок службы кабеля.

В Патенте США № 5767956 описано использование обратно рассеянного бриллюэновского света для обеспечения устройства контроля, пригодного к исследованию в режиме реального времени того, находится ли оптическое волокно в нормальном состоянии, или на грани разрушения. Устройство использует оптическую рефлектометрию во временной области (optical time domain reflectometry, OTDR) для контроля модулированного бриллюэновского рассеянного света путем использования одного из оптоволоконных сердечников в оптическом кабеле. Что касается использования электрического кабеля, то здесь не предусмотрено никаких конкретных рекомендаций.

В WO 08/073033 описана система для контроля изгиба и растяжения силового кабеля, соединенного с движущейся морской платформой, путем измерения растяжения в оптических волокнах, прикрепленных или включенных в силовой кабель. Изгиб в силовом кабеле будет приводить к росту растяжения в оптическом волокне, и это растяжение будет изменять оптические свойства волокна. Изменение оптических свойств можно измерить посредством оптического рефлектометра во временной области (optical time domain reflectometer, OTDR) или оптического рефлектометра в частотной области (optical frequency domain reflectometer, OFDR).

Настоящий документ не касается проблемы защиты тензометрического датчика от внешних механических нагрузок, для предотвращения повреждения датчика и для обеспечения долговременной надежности измерений. Напротив, в заявке указано, что существует риск того, что оптические волокна, внедренные или прикрепленные к кабелю, могут быть повреждены, и, таким образом, предполагается обеспечить кабель лишними волокнами. Кроме того, здесь нет никаких упоминаний проблемы передачи растяжения между волокнами и кабелем, который должен быть измерен. В качестве возможного места расположения для волокна упоминают промежутки между армированными проводами.

В заявке США 2004/0258373 описан комбинированный кабель, который может быть внедрен в здания, составные шланги или трубопроводы, содержащие оптическое средство для контроля температуры и растяжения. Кабель содержит внешнюю защитную оболочку и оптическое средство для контроля температуры и растяжения, причем упомянутое оптическое средство находится внутри упомянутой внешней защитной оболочки и содержит: первую трубку, включающую в себя по меньшей мере первое оптическое волокно для того, чтобы контролировать температуру, причем упомянутое первое оптическое волокно находится в свободном состоянии в упомянутой первой трубке и содержит по меньшей мере одну отражающую секцию, называемую брэгговской решеткой, по меньшей мере второе оптическое волокно, включающее в себя по меньшей мере одну брэгговскую решетку для того, чтобы контролировать растяжение, причем упомянутый кабель характеризуется тем, что упомянутое оптическое волокно находится снаружи упомянутой первой трубки, упомянутое оптическое средство дополнительно содержит средство для натягивания упомянутого второго оптического волокна.

Заявитель отметил, что в этом документе не раскрыт электрический кабель со встроенным тензометрическим оптоволоконным датчиком или со встроенным температурным датчиком. Раскрытый кабель является комбинированным кабелем, который может включать в себя силовые кабели, однако, отделенные от волокон для контроля растяжения и температуры.

В Европейском патенте 0203249 раскрыт силовой кабель среднего напряжения (от 6 до 60 кВ), который включает в себя по меньшей мере одно оптическое волокно, воспринимающее температуру и/или растяжение.

Заявитель обнаружил, что на раскрытое оптическое волокно, воспринимающее растяжение, встроенное в кабель, значительное влияние может оказывать изгиб кабеля, в зависимости от местоположения оптического волокна в кабеле и/или степени изгиба кабеля, в частности, при превышении некоторого значения.

Чен Цзихао (Chen Xihao) и Хуанг Джунхуа (Huang Junhua), в работе «Strain Transfer Capability of Strain Sensing Optical Fiber Cable and its Measurement Method», опубликованной в Протоколах 57-го Международного Симпозиума по проводам и кабелям (2008), страницы 424 - 428, анализируют различные структуры воспринимающих оптоволоконных кабелей (т.е. кабелей, которые должны быть использованы для восприятия растяжения связанного устройства или системы). Упоминается, что плотность слоев внутри оптоволоконного кабеля воспринимающего растяжение имеет большое значение, и может быть описана посредством силы расслаивания между слоями кабеля и способности к передаче растяжения, т.е., по максимальному растяжению, которое может быть передано от внешнего слоя кабеля к внутреннему волокну, без ослабления.

В данном документе не упомянуто никакое применение раскрытых воспринимающих оптоволоконных кабелей для кабельного контроля силовых или электрических кабелей.

В WO 07/107693 раскрыт оптоволоконный кабель, включающий в себя элемент, переносящий растяжение, центральное оптическое волокно, расположенное по элементу, переносящему растяжение, и плотную оплетку, механически связывающую центральное оптическое волокно и элемент, переносящий растяжение. Растяжение, претерпеваемое элементом, переносящим растяжение, передается центральному оптическому волокну через плотную оплетку.

Документ не решает задачу создания электрического кабеля с оптоволоконным датчиком.

Заявитель столкнулся с проблемой того, как реализовать электрический кабель, в частности, пригодный для тяжелых режимов применения, а более конкретно, для передвижных установок, которые могут позволить контролировать и, предпочтительно, осуществлять контроль в реальном времени относительного растяжения, которому подвергается кабель в ходе эксплуатации, при обеспечении долговременной надежности измерений.

В частности, Заявитель решил проблему осуществления измерений в электрическом кабеле посредством датчика, который остается по существу неподверженным внешним механическим напряжениям, отличным от относительного растяжения, налагаемого на кабель.

Сущность изобретения

Из-за высоких механических напряжений, возникающих в ходе эксплуатации, типичный срок службы кабеля для работы в тяжелом режиме (как, например, для применения в горном деле, или в установках для крана) бывает в основном относительно коротким и, в зависимости от конкретного применения, может колебаться от нескольких месяцев до нескольких лет. Заявитель обнаружил, что является предпочтительным обеспечить кабель для работы в тяжелом режиме, который можно контролировать в ходе его эксплуатации. Зная изменение состояния кабеля во времени, можно осуществлять эффективное периодическое техническое обслуживание кабеля, например, можно корректировать работу плохо функционирующего направляющего ролика и/или регулировать параметры электронного управления автоматизированной системы в передвижном оборудовании.

Периодические проверки состояния кабеля можно выполнять в «автономном» режиме, с кабелем, не находящимся в использовании, или даже удаленным из оборудования, на котором он был смонтирован, но на практике такие проверки обычно не выполняются из-за потери рабочего времени, вызванной необходимой остановкой оборудования или устройства, содержащего кабель.

Может быть особо выгодным записывать во время работы кабеля динамические события, которые вызывают пики упругого растяжения, которые, однако, могут повредить кабель за счет усталости. Также такой контроль может предотвратить события неожиданного выхода из строя и сохранить соответствующие издержки.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение электрического кабеля с тензометрическим датчиком, способным обеспечить считывания для, по существу, большого диапазона измеряемых удлинений, в частности, от 0,1% до 1%, предпочтительно, от -0,2% до 1%. Также можно измерить более высокие значения удлинения, например, до 2%, или даже до 4%.

В таком случае может возникнуть снижение скорости считывания данных, что может повлиять на сбор данных с контролируемого кабеля в режиме «реального времени».

Другой задачей настоящего изобретения является обеспечение электрического кабеля с тензометрическим датчиком, измеряющим динамические растягивающие усилия, в частности, контролирующим всплески растяжения на локальном участке по длине кабеля, тем самым, обнаруживая повреждение, вызванное усталостью.

Дополнительной задачей настоящего изобретения является обеспечение системы контроля для обнаружения перманентного повреждения электрического кабеля, возможно вызванного собственной выработкой или ненадлежащим использованием, например, использованием, не соответствующим рекомендациям, предоставленным изготовителем кабеля.

Еще одной задачей настоящего изобретения является обеспечение системы контроля для контроля, по меньшей мере, деформации растяжения множества электрических кабелей, в частности, кабелей для работы в тяжелом режиме, установленных в передвижном оборудовании.

В общих чертах и согласно аспекту, решение относится к электрическому кабелю, содержащему по меньшей мере два продольных структурных элемента и оптоволоконный тензометрический датчик для контроля деформации растяжения вдоль длины кабеля. Тензометрический датчик содержит оптическое волокно, которое простирается вдоль длины кабеля. Оптическое волокно тензометрического датчика в дальнейшем будет называться также тензометрическим оптическим волокном.

В рамках настоящего описания термин «продольный структурный элемент» указывает полуобработанную структуру электрического кабеля, по существу продольно простирающуюся вдоль длины кабеля. Продольные структурные элементы согласно настоящему описанию и формуле изобретения вносят вклад в функцию электрического транспорта кабеля, как будет ясно из следующего описания.

По меньшей мере два продольных структурных элемента, содержащихся в электрическом кабеле, включают в себя по меньшей мере один кабельный сердечник.

Термин «сердечник» означает полуобработанную структуру электрического кабеля, содержащего по меньшей мере один электропроводящий элемент, такой как электрический проводник, и обычно по меньшей мере один изолирующий слой, окружающий электрический проводник. В типичных конфигурациях электрические проводники содержат множество многожильных проводящих проводов.

Заявитель выяснил, что при обеспечении механической связи, и, в частности, механической конгруэнтности между продольными структурными элементами электрического кабеля и оптическим волокном тензометрического датчика, растяжение передается от продольных структурных элементов, которые должны быть подвержены контролю, к тензометрическому оптическому волокну. Под «механической конгруэнтностью» понимают способность двух или более частей перемещаться или выдерживать растяжение, по существу, как одно целое. Только что описанная механическая конгруэнтность позволяет получать кабель, способный обеспечивать надежные считывания исследуемых статических и динамических растягивающих нагрузок в относительно большом диапазоне удлинений. Согласно аспекту изобретения тензометрический датчик внедряют в переносящий растяжение наполнитель, механически связывающий датчик, по меньшей мере, с одним из по меньшей мере двух продольных структурных элементов кабеля.

Деформация растяжения выражается как процент увеличения по длине кабеля сверх исходной длины, ΔL/L, где L - длина, а именно, линейное удлинение в процентах. Деформация растяжения возникает, когда кабель принудительно растягивают под действием внешних сил (например, растягивающих нагрузок) в его продольном направлении.

Заявителю стало понятно, что тензометрический датчик должен быть встроен в кабель и скомпонован таким образом, чтобы он оставался, по существу, неповрежденным посредством изгиба кабеля на его минимальный радиус изгиба. В частности, Заявитель понял, что оптическое волокно, содержащееся в тензометрическом датчике, должно быть расположено в изгибающейся нейтральной области, простирающейся продольно вдоль кабеля и обладающей поперечным сечением, скомпонованным, по существу, симметрично вокруг нейтральной оси кабеля, здесь и далее именуемой нейтральной областью.

Как рассматривается в данном описании, термин «нейтральная область» предназначен для описания области вокруг оси («нейтральной оси»), где удлинения, вызванные изгибом, минимальны. Нейтральная ось может быть задана как воображаемая линия вдоль длины кабеля, будучи кабелем, подвергаемым изгибу, не имеет место никакая существенная продольная деформация, и напряжения при изгибе в тензометрическом датчике минимальны. Является предпочтительным, чтобы кабель был спроектирован таким образом, чтобы нейтральная ось была расположена в местоположении, где крутящее влияние на кабель определяет минимальное продольное удлинение воспринимающего волокна.

С учетом минимального радиуса изгиба для электрического кабеля, который в основном соответствует наименьшему радиусу кривизны, ρ_min, который предусмотрен для того, чтобы избежать какого-либо перманентного повреждения кабеля, нейтральная область может быть задана как область, где тензометрический датчик подвергается удлинению не более чем на 2%, а предпочтительно, не более чем на 1%, благодаря изгибу при радиусе кривизны не менее ρ_min.

Расположение тензометрического оптического волокна в нейтральной области предохраняет его от разрыва или перманентного повреждения, вызванного изгибом кабеля.

В круглых кабелях, т.е. в кабелях, обладающих кругообразно симметричным поперечным сечением, нейтральная область представляет собой радиальную область вокруг нейтральной оси в плоскости поперечного сечения кабеля. В предпочтительных вариантах воплощения, когда они относятся к круглым кабелям, нейтральная ось представляет собой центральную продольную ось кабеля. Является предпочтительным, чтобы тензометрический датчик был расположен вдоль кабеля в пределах радиального расстояния от нейтральной оси не более чем на 0,02 ρ_min, а более предпочтительно, не более чем на 0,01ρ_min.

Согласно аспекту, настоящее изобретение направлено на электрический кабель, содержащий тензометрический датчик, простирающийся продольно вдоль кабеля, и включающий в себя тензометрическое оптическое волокно, скомпонованное внутри изгибающейся нейтральной области, окружающей и включающей в себя изгибающуюся нейтральную продольную ось электрического кабеля, и по меньшей мере два продольных структурных элемента, где по меньшей мере один из по меньшей мере двух продольных структурных элементов представляет собой сердечник, содержащий электрический проводник, в котором тензометрический датчик внедрен в переносящий растяжение наполнитель, механически связывающий по меньшей мере один из по меньшей мере двух продольных структурных элементов с тензометрическим датчиком. С помощью кабеля согласно изобретению растяжение, претерпеваемое по меньшей мере одним из по меньшей мере двух продольных структурных элементов, будет передаваться к тензометрическому датчику, по меньшей мере, в растянутом состоянии.

Кабели для работы в тяжелом режиме спроектированы таким образом, чтобы они выдерживали поперечные нагрузки и силы растяжения, которые сжимают продольные структурные элементы внутри кабелей. Заявитель обнаружил, что было бы желательным, если бы тензометрический датчик оставался, по существу, неподверженным поперечному сжатию кабеля, которое, при воздействии на тензометрическое оптическое волокно, может вызвать оптические потери, связанные с микроизгибом. Кроме того, когда оптическое волокно тензометрического датчика сжато, часть поперечной нагрузки, которая прикладывается в направлении, поперечном продольной оси кабеля, может быть некорректно преобразована в колебания деформации растяжения. В частности, было обнаружено, что при приложении поперечного сжатия в направлении, перпендикулярном или вообще поперечном продольной оси кабеля, если поперечное сжатие передается оптическому волокну, компонент, параллельный оси тензометрического волокна, может вызвать колебание растяжения вдоль этой оси.

Является предпочтительным, чтобы нейтральная ось кабеля была выбрана таким образом, чтобы она, по существу, не страдала бы от поперечного сжатия в направлении, поперечном продольному направлению кабеля. Заявитель обнаружил, что является предпочтительным окружать тензометрическое оптическое волокно с помощью защитной оболочки для повышения механического сопротивления поперечным нагрузкам, причем упомянутая защитная оболочка непосредственно контактирует с необязательным буферным оптическим волокном тензометрического датчика. Является предпочтительным, чтобы защитная оболочка содержала армированный волокном композиционный материал.

Электрический кабель обычно подвергается одному или нескольким сеансам термообработки, в частности, процессам сушки в ходе его изготовления, что влечет за собой термообработку при типичных температурах 150-200°C в течение нескольких минут. Заявитель отметил, что является предпочтительным, чтобы переносящий растяжение наполнитель и тензометрический датчик содержали материалы, стойкие к процессам сушки, имеющим место при изготовлении кабеля, в который встраивают тензометрический датчик, при поддержании (1) упругих свойств тензометрического датчика, которые способствуют восстановлению тензометрического датчика без его перманентного растяжения, по меньшей мере, в диапазоне, в котором кабель демонстрирует упругие свойства, и (2) адгезии или стойкости, с большим коэффициентом трения, к нежелательному скольжению, для поддержания механической конгруэнтности между слоями и элементами кабеля.

Является предпочтительным, чтобы защитная оболочка была изготовлена из армированного волокном композиционного материала, в котором армирующие волокна представляют собой волокна углерода, графита, бора, арамида или стекла; является предпочтительным, чтобы полимер, вмещающий армирующие волокна, представлял собой поперечно сшитую смолу, например, ненасыщенный полиэфир, такой как виниловые эфиры, или эпоксидную смолу.

Является предпочтительным, чтобы переносящий растяжение наполнитель был основан на эластомерном материале, более предпочтительно, на термоотверждающемся эластомере. Переносящий растяжение наполнитель представляет собой, по меньшей мере, эластик в диапазоне растяжения, в котором кабель обладает упругими свойствами.

Заявитель отметил, что было бы желательным, чтобы был обеспечен силовой кабель с температурным датчиком.

Рабочие температуры кабеля для работы в тяжелом режиме могут находиться в диапазоне от -50°C до 90°C, где -50°C - это минимальная температура окружающей среды во время работы, а 90°C - максимальная температура, достигаемая электрическими проводниками в ходе работы. Продольно локализованное увеличение внутренней температуры кабеля, усредненное по некоторому временному интервалу (т.е. без пикового увеличения), может указывать на присутствие повреждения, вызывающего, например, увеличение сопротивления проводников и локальные джоулевы потери. Кроме того, электрическая нагрузка влияет на общую температуру кабеля, и, таким образом, со ссылкой на модель Аррениуса, которая прогнозирует ускорение выхода из строя из-за увеличения температуры, контроль температуры кабеля позволяет предсказывать оставшийся срок службы кабеля, и, таким образом, и его своевременную замену.

Контроль температуры можно использовать для разделения растяжения от температурных эффектов в бриллюэновском оптическом анализе.

Для получения измерения температуры, на которое влияет только термическое состояние стекловолокна тензометрического оптического волокна, оптическое волокно должно быть свободно от механических напряжений, и, в частности, оно должно быть, по существу, неподверженным деформациям растяжения кабеля, в который оно встроено. В некоторых предпочтительных вариантах воплощения в электрический кабель встраивают температурный датчик, причем температурный датчик содержит оптическое волокно, свободно вставленное в продольно простирающийся модуль, скрученный с продольными структурными элементами кабеля. В такой конструкции уровень ослабления волокна (т.е. величина избыточной длины волокна в трубке) таков, что ожидаемое максимальное удлинение кабеля (и трубки, вмещающей волокно) полностью скомпенсировано так, что никакое существенное растяжение не передается оптическому волокну, воспринимающему температуру.

В некоторых предпочтительных вариантах воплощения электрический кабель представляет собой круглый кабель с, по существу, круглым поперечным сечением и содержит по меньшей мере три продольных структурных элемента, расположенных радиально относительно тензометрического датчика.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение далее будет более подробно описано со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показаны некоторые, но не все варианты воплощения изобретения. Чертежи, иллюстрирующие варианты воплощения, представляют собой схематические представления без соблюдения масштаба.

В целях настоящего описания и прилагаемой формулы изобретения, если не указано иное, все числа, выражающие величины, количества, процентные содержания, и т.д., следует понимать как модифицированные во всех случаях термином «примерно».

Также все диапазоны включают в себя раскрытые максимальные и минимальные точки и включают в себя любые промежуточные диапазоны, которые могут быть специально пронумерованы или не пронумерованы в данном описании.

Фиг. 1a представляет собой схематический вид в перспективе электрического кабеля согласно варианту воплощения настоящего изобретения.

Фиг. 1b представляет собой схематический поперечный разрез электрического кабеля, показанного на Фиг. 1a.

Фиг. 2a представляет собой схематический вид в перспективе тензометрического датчика, используемого в электрическом кабеле согласно настоящему изобретению.

Фиг. 2b представляет собой схематический поперечный разрез тензометрического датчика, показанного на Фиг. 2a.

Фиг. 3 представляет собой схематический поперечный разрез электрического кабеля согласно еще одному варианту воплощения настоящего изобретения.

Фиг. 4 представляет собой схематический поперечный разрез электрического кабеля согласно еще одному варианту воплощения настоящего изобретения.

Фиг. 5 представляет собой схематический поперечный разрез электрического кабеля согласно еще одному варианту воплощения настоящего изобретения.

Фиг. 6 представляет собой схематический поперечный разрез плоского электрического кабеля согласно еще одному варианту воплощения настоящего изобретения.

Фиг. 7 представляет собой принципиальную схему для иллюстрации принципов работы технологии обратного рассеяния по Бриллюэну в электрическом кабеле согласно варианту воплощения изобретения.

Фиг. 8 представляет собой схематическое изображение системы контроля растяжения и температуры множества кабелей для работы в тяжелом режиме, установленных в передвижном оборудовании, согласно варианту воплощения настоящего изображения.

Фиг. 9 представляет собой частичный вид сбоку вдоль линии C-C, иллюстрирующий кран для работы в тяжелом режиме из системы контроля, представленной на Фиг. 8.

Фиг. 10 представляет собой принципиальную схему, иллюстрирующую принципы работы системы контроля множества кабелей для работы в тяжелом режиме согласно варианту воплощения настоящего изображения.

Фиг. 11 представляет собой схематическое изображение системы контроля растяжения и температуры множества кабелей для работы в тяжелом режиме, установленных в передвижном оборудовании, согласно еще одному варианту воплощения настоящего изобретения.

Фиг. 12 представляет собой принципиальную схему, иллюстрирующую принципы работы системы контроля множества кабелей для работы в тяжелом режиме согласно еще одному варианту воплощения настоящего изобретения.

Подробное описание

Фиг. 1a и 1b иллюстрируют, соответственно, вид в перспективе и поперечный разрез электрического кабеля согласно варианту воплощения настоящего изобретения. Кабель, показанный в данном варианте воплощения, может быть пригодным для тяжелых режимов применения, более конкретно, для передвижных установок. Кабель 1 является круглым кабелем, содержащим три сердечника 2, радиально скомпонованных вокруг центральной продольной оси Z (видимой на Фиг. 1a) кабеля. Сердечники 2 могут обеспечивать электропередачу трехфазным током. Кабель 1 может представлять собой силовой кабель низкого или среднего напряжения, где низкое напряжение означает напряжение до 1 кВ, а среднее напряжение означает напряжение 1-60 кВ. Каждый сердечник 2 содержит электрический проводник 12, например, медный проводник, образованный в виде пучка луженых или оголенных медных электрических проводов, скрученных друг с другом в соответствии с традиционными способами. Внутренний полупроводящий слой 13, изолирующий слой 16, внешний полупроводящий слой 17 последовательно обеспечены в радиальном наружном местоположении по отношению к каждому электрическому проводнику 12. Внутренний полупроводящий слой 13, изолирующий слой 16 и внешний полупроводящий слой 17 изготавливают из материалов на основе полимеров, которые могут быть получены посредством экструдирования одного поверх другого, или получены путем совместного экструдирования на проводник 12. Изолирующий слой 16 может представлять собой, например, поперечно сшитый этиленпропиленовый каучук (ЭПК); внутренний и внешний полупроводящие слои 12 и 17 могут представлять собой, например, ЭПК, терполимеры этилена/пропилена/диена (ethylene/propylene/diene terpolymers), или их смесь, с введенным подходящим количеством проводящего наполнителя, который обычно может представлять собой углеродную сажу.

В качестве альтернативы, всякий раз, когда рабочие условия пригодны для этого, как изолирующий слой, так и полупроводящие слои можно изготавливать из термопластичных соединений, таких как соединения на основе полипропилена.

В некоторых применениях сердечник кабеля 2 содержит по меньшей мере один слой 22 металлического экрана в радиальном наружном местоположении относительно внешнего полупроводящего слоя 17.

Следует понимать, что вышеприведенное описание сердечников 2 представляет только одну из возможных структур сердечников, содержащихся в электрическом кабеле, которые в основном могут представлять собой фазовые сердечники для передачи электроэнергии или заземления, сердечники для переноса управляющих сигналов, или сердечники, переносящие как электроэнергию, так и управляющие сигналы.

Согласно признаку изобретения, электрический кабель 1 содержит оптоволоконный тензометрический датчик 5.

Из-за того факта, что кабели для работы в тяжелом режиме в течение их срока службы подвергаются частым механическим напряжениям, Заявитель выяснил, что особо уместным является локализовать тензометрический датчик внутри кабеля таким образом, чтобы тензометрическое оптическое волокно не было повреждено при изгибе кабеля при любом радиусе кривизны не менее, чем минимальный радиус кривизны, ρ_min, который соответствует минимальному радиусу, при котором кабель может быть изогнут без получения перманентного повреждения. Изгиб кабеля вызывает удлинение в тензометрическом датчике. Было обнаружено, что тензометрический датчик, как правило, не повреждается при изгибе кабеля при радиусе кривизны не менее ρ_min, при продольном растяжении, вызванном изгибом, меньшим, чем растяжение, налагаемое на волокно при испытании растяжения, и составляющим обычно 1 или 2%.

Область кабеля, простирающаяся вдоль длины кабеля, в которой тензометрическое оптическое волокно остается неповрежденным из-за изгиба кабеля, задана как (изгибающаяся) нейтральная область кабеля. В круглых областях в плоскости поперечного сечения кабеля нейтральная область представляет собой радиальную область около нейтральной оси, которая в настоящем варианте воплощения соответствует центральной продольной оси Z.

Является предпочтительным, чтобы в пределах нейтральной области оптического кабеля тензометрический датчик испытывал удлинение, равное или меньшее чем 2%, более предпочтительно, равное или меньшее чем 1%, из-за изгиба при ρ_min.

Заявитель обнаружил, что значения ρ_min, указанные для кабелей для работы в тяжелом режиме, особенно для применений в передвижном оборудовании, могут быть относительно низкими, например, 250 мм, и, таким образом, чтобы гарантировать прочность на изгиб тензометрического датчика, нейтральная область должна находиться на относительно небольшом радиальном расстоянии от центральной продольной оси, например, не более 5 мм. Например, всегда, что касается круглых кабелей, для ρ_min=300 мм, для достижения относительного удлинения 1%, радиальное расстояние должно составлять 3 мм.

В некоторых предпочтительных вариантах воплощения нейтральная область расположена вдоль длины кабеля в пределах расстояния от центральной продольной оси (а именно, нейтральной оси) не более 0,02 ρ_min, а предпочтительно, не более 0,01 ρ_min.

В частности, было обнаружено, что размещение тензометрического датчика, по существу, вдоль центральной продольной оси может быть успешным, поскольку в некоторых конкретных случаях это соответствует симметрии оси радиально наружных сердечников и/или, как будет описано ниже, это может быть совместимым с упрощенным процессом изготовления кабеля.

Дополнительно к сердечникам 2 для передачи электроэнергии и/или управляющих сигналов, электрический кабель 1 содержит по меньшей мере один заземляющий проводник 7. В варианте воплощения, показанном на Фиг. 1a и 1b, кабель содержит два заземляющих проводника 7, например, в форме пучка скрученных луженых или оголенных медных электрических проводов. Особенно для применений для среднего напряжения, пучок электрических проводов заземляющих проводников может быть окружен полупроводящим слоем (не показан на фигурах). Заземляющие проводники 7 скомпонованы радиально снаружи относительно тензометрического датчика 5 и скручены вместе с сердечниками 2 вдоль продольного направления кабеля. В частности, сердечники 2 и заземляющие проводники 7 спирально закручены вокруг центральной продольной оси Z кабеля, в соответствии с традиционными способами.

В варианте воплощения, показанном на Фиг. 1a-1b, кабель 1 содержит оптоволоконный элемент 3, включающий в себя множество оптических волокон, например, от 6 до 24 волокон, для передачи управляющих сигналов, голоса, видео и других сигналов данных. Одно оптическое волокно или волоконная пара могут быть вставлены в буферную конструкцию со свободной трубкой в продольно простирающихся модулях 19, предпочтительно, изготавливают из гибкого материала, такого как полибутилентерефталат (ПБТ) или этилен-тетрафторэтилен (ЭТФЭ). В проиллюстрированном примере модули, содержащие волокна, представляют собой SZ-скрутку, спирально намотанную вокруг продольного несущего элемента 18, представляющего собой, например, стекловолокно, арамидовую нить накала или углеродное волокно. Оптоволоконный элемент 3 может быть скручен вместе с сердечниками 2 и заземляющими проводниками 7. Обычно, если конструкция кабеля позволяет, заземляющие проводники и оптоволоконный элемент могут быть скомпонованы во внешних промежутках, образованных сердечниками 2.

Сердечники 2 и, если они присутствуют, заземляющие проводники 7 и/или оптоволоконный элемент 3 вместе называются продольными структурными элементами электрического кабеля.

Деформация растяжения, претерпеваемая электрическим кабелем, передается тензометрическому датчику для измерения растяжения кабеля. Для передачи растяжения тензометрический датчик является механически конгруэнтным, по меньшей мере, с одним продольным структурным элементом в кабеле, таким образом, чтобы растяжение, претерпеваемое по меньшей мере одним продольным структурным элементом, по меньшей мере, частично, но в значительной степени, передавалось тензометрическому датчику. С этой цел