Кабели с пласмассовой изоляцией на напряжения 6–500 кВ

Кабели на напряжения 6 кВ и выше преимущественно изготавливаются однофазными. Область применения трехфазных кабелей ограничена напряжениями 6–35 кВ.

Токоведущая жилы кабеля выполняются однопроволочными или многопроволочными опресованными из алюминия или меди сечением 35–500 мм². Многопроволочные жилы используются при больших сечениях. В трехфазных кабелях для уменьшения диаметра кабеля жилы имеют секторную форму. Сегментированные жилы используют в одножильных кабелях 220–500 кВ при больших сечениях для уменьшения поверхностного эффекта.

Основная изоляция жил выполняется из ПВХ пластиката на напряжение 6 кВ и СПЭ – 10 кВ и выше. Конструкция одножильного кабеля напряжением 10–500 кВ (рис. 3.14) имеет многослойную структуру, состоящую из 9–11 слоев в зависимости от назначения и способа прокладки. Назначение и материал слоев кабеля: 1 – токоведущая жила; 2 – полупроводящий слой из полимерной сшитой композиции толщиной 0,6–1,5 мм, исключающий осевую составляющую электрического поля и создающий радиальное электрическое поле. Кроме того, полупроводящий слой обеспечивает перемещение жилы относительно изоляции при изгибе, увеличивая тем самым механическую прочность кабеля; 3 – изоляция из СПЭ (ПВХ на 6 кВ), создает герметичную и электрически прочную изоляцию; 4 – полупроводящий слой из полимерной сшитой композиции толщиной 0,5–1,5 мм создает радиальное поле. Полупроводящие слои и изоляция наносятся методом тройной экструзии; 5 – разделительный слой толщиной приблизительно 0,2 мм из электропроводящих бумажных или полимерных лент исключает оплавление изоляции при протекании тока КЗ по экрану 6, обеспечивает герметизацию изоляции; 6 – комбинированный экран защищает изоляцию и внешние оболочки 7–10 от воздействия тока КЗ, экранирует внешние конструкции от электромагнитного поля тока жилы, улучшает однородность электрического поля. Экран выполняется из повива медной проволоки диаметром 0,7–2,0 мм, поверх которой наложена медная лента толщиной 0,1 мм и шириной 20 мм для скрепления отдельных проволок и выравнивания потенциала по ним; 7 – разделительный слой из стеклоленты толщиной 0,2 мм защищает от оплавления при протекании тока КЗ по экрану оболочку 8–9, а также экран 6 от проникновения влаги при повреждении внешней оболочки; 8 – водоблокирующий слой из алюмополимерной ленты или стеклоленты; 9 – защитная оболочка из ПВХ пластиката защищает кабель от внешних воздействий, обеспечивает нераспространение горения; 10 – металлическая броня из стальных оцинкованных лент защищает кабель от механических повреждений.

Трехфазные кабели на напряжения 6–35 кВ имеют следующую конструкцию: 1) токоведущая жила, медная или алюминиевая, многопроволочная опрессованая или круглой формы; 2) полупроводящий слой (экран) по жиле; 3) изоляция из СПЭ; 4) полупроводящий слой (экран) по изоляции» 5) комбинированный экран по жиле; 6) экранированные жилы скручиваются в сердечник вокруг жгута из ПВХ пластиката пониженной пожароопасности; 7) междуфазное заполнение, выполненное экструзией из ПВХ пластиката пониженной пожароопасности, имеет толщину не менее 0,3 м для придания кабелю круглой формы; 8) оболочка, выпресованная из ПВХ пластиката пониженной пожароопасности; 9) броня из двух стальных лент толщиной 0,3 или 0,5 мм; 10) оболочка из ПВХ пластиката пониженной пожароопасности.

Трехфазные кабели на напряжения 6–35 кВ (рис. 3.15) с уплотненными жилами секторной формы имеют следующую конструкцию: 1) токоведущая жила; 2) экран по жиле (полупроводящий слой); 3) изоляция и СПЭ; 4) экран по изоляции (полупроводящий слой). Секторные жилы скручиваются в сердечник; 5) комбинированный экран, состоящий из водоблокирующей полупроводящей бумаги или ленты, повива из медных проволок, поверх которых наложена медная лента; 6) разделительный слой из электропроводящей ленты или кабельной бумаги, прорезиненной ткани, полипропиленовой ленты и других композиций; 7) оболочка из полиэтилена или ПВХ пластиката толщиной не менее 1 мм; 8) броня из двух стальных лент; 9) защитная оболочка из полиэтилена.

Рис. 3.15 – Трехфазный кабель с изоляцией из СПЭ

 

Некоторые марки кабелей не имеют брони 10 (рис. 3.14) и внешней защитной оболочки (9).

Для воздушных линий напряжением 1–35 кВ изготавливаются самонесущие изолированные провода (СИП-1, СИП-2, СИП-3 и СИП-4). СИП имеют следующую конструкцию: 1) токопроводящая жила, выполненная из круглых проволок алюминиевого сплава, уплотненная; 2) изоляция выпрессована из светостабилизированного СПЭ толщиной 2,3–3,5 мм в зависимости от напряжения.

Маркировка кабелей. Жилы: А – алюминиевая; медная – без обозначения. Изоляция: ПВ – СПЭ; В – ПВХ пластикат. Броня: Бб – броня из двух стальных оцинкованных лент без подушки; Б – броня из двух стальных оцинкованных лент. Оболочка: В – оболочка из ПВХ пластиката; ШВ – зашитный шланг из ПВХ пластиката. Индексация после обозначения оболочки: Г – кабель без защитного повива (голый); НГ-LS – изоляция и оболочка (защитный шланг) из ПВХ пластиката пониженной пожароопасности; LS – низкое дымо- и газовыделение; А – предел распространения горения, указывается только для кабелей с СПЭ изоляцией; FR – огнестойкий.

 

3.17. Некоторые вопросы эксплуатации кабелей с пластмассовой изоляцией

Соединительные и концевые муфты кабелей с ПМИ работают при отсутствии гидростатического давления и вакуума, поэтому менее чувствительны к увлажнению. Маслоканифольные компаунды не могут использоваться в арматуре кабеля, т.к. температура разогрева этих компаундов перед заливкой выше максимально допустимой температуры нагрева термопластичной изоляции. Кроме того, масло, содержащееся в этих компаундах, оказывает разрушающее действие на изоляцию. Битумные составы можно применять лишь в отдельных случаях для кабеля до 1 кВ при защите пластмассовой изоляции подмоткой из стеклоленты.

Муфты с эпоксидными компаундами могут применяться для кабелей до 6 кВ с поливинилхлоридной изоляцией, т.к. эпоксидный компаунд имеет плохую адгезию к полиэтилену. При разделке кабелей с ПМИ применяют низкомолекулярный полиэтилен, самосклеивающуюся ленту, термоусаживаемые трубки, эластичные муфты, материалы с высокими адгезивными свойствами. Для повышения огнестойкости муфт, устранения ядовитых газов подбирают соответствующие комбинации наполнителя, компаунда и корпуса. В качестве наполнителя применяют гидроокись алюминия, что снижает объем горючих материалов. При  гидроокись алюминия выделяет воду. В результате действует как охладитель и предотвращает тепловое разрушение изоляции.

 

 

Кабели с бумажно-масляной изоляцией (до 35 кВ)

Основой БМИ является кабельная бумага толщиной 0,08–0,17 мм и маслоканифольный или синтетический состав повышенной вязкости. Технология изготовления включает намотку, сушку, пропитку под вакуумом и герметизацию.

Конструкция кабеля на напряжение 10 кВ (рис. 3.16) включает: токоведущую жилу 1, выполненную сплошной или многопроволочной сечением 25–240 мм²; фазную 2 и поясную 3 изоляцию, общую для всех жил; защитную оболочку 4; подушку под броню 5; защитную броню из двух стальных лент 6 и антикоррозийное покрытие 7 из стеклопряжи.

Фазная и поясная изоляция выполнены из бумажной ленты. Чтобы изоляция обладала достаточной гибкостью и не рвалась при изгибе кабеля лента накладывается с зазором 1,5–3,5 мм. Зазоры между лентами одного слоя перекрываются лентами другого слоя. Толщина междуфазной изоляции примерно на 30 % больше толщины поясной, т.к. междуфазная изоляция всегда находится под линейным напряжением, а поясная может находиться под линейным напряжением только при металлическом замыкании одной фазы на землю. Толщина изоляции составляет 0,75–0,95 мм для кабелей на 6 кВ и 2,75 мм для кабелей на 10 кВ.

Кабели данной конструкции предназначены для прокладки в земле с различной коррозийной активностью. Длительно допустимые температуры для данной конструкции составляют 80–70ºC соответственно для напряжений 6–10 кВ. Максимально допустимая температура при КЗ – 200ºC.

Отличительной особенностью кабеля с БМИ на напряжения 20–35 кВ (рис. 3.17) является наличие полупроводящих слоев 2 и 4 соответственно по жиле 1 и изоляции 3, а также отдельных защитных оболочек 5 по каждой фазе.  Жилы трехфазного кабеля скручиваются с заполнением между фазами пропитанной кабельной пряжей 6 до круглого сечения, обматываются тканевой лентой и бронируются круглой проволокой 7, поверх которой наносится антикоррозийный покров 8.

Главным достоинством такой конструкции является то, что электрическое поле в изоляции радиальное. Наличие полупроводящего слоя по жиле исключает местное увеличение напряженности поля у многопроволочных жил. Применение полупроводящих слоев и отдельных защитных оболочек позволяют повысить максимальную напряженность поля в изоляции до 3–3,5 кВ/мм. Отсутствие поясной изоляции улучшает теплоотвод от жилы, что позволяет увеличить токоведущую нагрузку по сравнению с кабелями с поясной изоляцией при таких же сечениях на 10–20 %.

Одним из недостатков БМИ с вязкой пропиткой является наличие газовых включений. Эти включения образуются как в процессе производства, примерно 0,1–0,3 % от объема, так и в процессе эксплуатации. В процессе эксплуатации имеет место циклический нагрев и охлаждение кабеля. При нагреве все материалы кабеля увеличивают свой объем. Особенно увеличивается объем пропиточного материала, примерно на 0,8 % на 1ºC. В результате имеет место расширение защитной оболочки. После охлаждения кабеля объем пропитанного материала уменьшается, а размер металлической оболочки не уменьшается, т.к. ее деформация носит необратимый характер. В результате чего в изоляции возникают пустоты. Т.к. кабель охлаждается снаружи, то вязкость пропитки увеличивается в первую очередь в наружных слоях и происходит подтягивание менее вязкой пропитки от жилы к оболочке. Поэтому больше газовых включений образуются в области более сильного поля у жилы. Газовые включения образуются и при стекании пропитки, если трасса проходит на различных уровнях. Поэтому кабели с маслоканифольной пропиткой не рекомендуется прокладывать при разности уровней более 10–15 м.

Возникающие в газовых включениях ЧР приводят к разрушению изоляции. Для улучшения электрических характеристик кабелей с БМИ применяют специальные синтетические пропитывающие составы с высокой вязкостью. При вертикальной прокладке используют кабели со стопорными муфтами и кабели с обедненной изоляцией. Изоляция таких кабелей после пропитки нагревается до 70ºC в течение определенного времени. В результате около 70 % пропиточной массы вытекает. Необходимая электрическая прочность обедненных кабелей достигается за счет увеличения толщины изоляции примерно на 40 %.

 

Кабели с резиновой изоляцией (до 35 кВ)

Кабели с резиновой изоляцией выпускаются со сплошными и многопроволочными жилами. Основным преимуществом кабелей с резиновой изоляцией является их гибкость, позволяющая при прокладке и намотке делать меньший радиус изгиба. Они находят широкое применение в передвижных установках.

По электрическим характеристикам они уступают кабелям с БМИ и пластмассовой изоляцией. С течением времени под воздействием озона, кислорода, света, температуры и др. факторов резина теряет свои эластичные свойства, снижаются физико-механические и электрические параметры.

Наиболее разрушительное действие оказывает озон. Поэтому применяют озоностойкую резину на основе бутилкаучука и этиленпропиленового каучука, применяют полупроводящие экраны.

Изоляция кабеля (рис. 3.18) состоит из фазной изоляции 2 и защитной оболочки 3. Толщина изоляции принимается 1,3–1,8 мм для кабелей на напряжение до 6 кВ и 5 мм для кабелей 10 кВ. Толщина защитной оболочки принимается соответственно 1,2–3,8 мм и 1,0–1,2 мм. Защитная оболочка может быть свинцовая, резиновая или поливинилхлоридная.

Рис. 3.18 – Кабель с резиновой изоляцией

 

Маслонаполненные кабели (110–750 кВ)

На напряжения 110–750 кВ изготавливаются кабели двух модификаций: с полыми жилами и в стальных трубах, заполненных маслом. В процессе производства изоляция таких кабелей пропитывается дегазированным, маловязким, стойким к разложению в электрическом поле, и обладающим хорошими газопоглощающими свойствами маслом. В процессе эксплуатации пропитанная изоляция находится под избыточным давлением масла, которое циркулирует в полой жиле кабеля или в трубе. Масло проникает в изоляцию через зазоры в жиле и тем самым исключает появление газовых включений, что значительно повышает электрическую прочность изоляции.

Давление масла в каналах поддерживается в определенных пределах. Для этого вдоль трассы кабеля через 1–2,5 км устанавливаются специальные баки питания (компенсаторы), которые подключены к концевым и стопорным муфтам и регулируют давление при колебаниях температуры.

В настоящее время изготавливаются кабели низкого (до 0,2 МПа), среднего (0,4–0,6 МПа) и высокого (1–1,6 МПа) давления. С увеличением давления улучшается пропитка изоляции, но в то же время требуется более прочная защитная оболочка и защитные покровы. Для кабелей со свинцовой оболочкой экономически выгодно использовать давление 0,24–0,29 МПА, для кабелей с алюминиевой оболочкой – 0,2–0,5 МПа.

На рис. 3.19 представлена конструкция маслонаполненного кабеля на напряжение 110–220 кВ. Токоведущая жила 2 имеет в центре канал 1, по которому циркулирует масло. Диаметр канала 12–14 мм для кабелей 110–220 кВ и 14–18 мм для кабелей 330–500 кВ.

Канал образуется с помощью луженых проводов Z-образной формы, поверх которых наносится второй повив из проволоки сегментной формы. Такая конструкция жилы обладает достаточной устойчивостью и гладкой внешней поверхностью, что весьма существенно при высоких напряжениях, т.к. неровность на поверхности жилы создает местное увеличение напряженности электрического поля. Лужение проводников предотвращает контакт меди с маслом и исключает старение масла.

При сечении жилы свыше 600 мм² целесообразно применять секционированные жилы, скрученные из четырех или шести изолированных друг от друга сегментов, что уменьшает активное сопротивление жилы за счет снижения поверхностного эффекта и эффекта близости. Изоляция сегментов – полупроводящая бумага. Общая изоляция – градированная. Изготавливаются такие полые жилы путем намотки круглой проволоки на поддерживающую металлическую плоскую спираль. Полые жилы различной конструкции в настоящее время изготавливаются сечением 120–2000 мм².

В изоляции маслонаполненного кабеля малая вероятность образования газовых включений и развития ЧР. Однако, возникает возможность теплового пробоя при возрастании диэлектрических потерь. Поэтому главным требованием к бумаге является низкое значение  и произведения .

В настоящее время для снижения диэлектрических потерь применяют специальные сорта бумаги: бумагу с добавлением волокнистых материалов на основе полиэфиров и связующего на основе поликарбонатов; полипропиленовую пленку, проложенную между слоями бумаги и другие комбинации. Такая бумага обладает малым  и произведением , а также высокой электрической и механической прочностью. Некоторые зарубежные фирмы используют нетканые материалы на основе полипропилена и полипропиленового волокна. Эти материалы хорошо пропитываются маслом, обладают гидрофобными свойствами, что позволяет упростить пропитку и просушку.

Поверх токоведущей жилы 2 и изоляции 4 наносятся полупроводящие экраны из полупроводящей бумаги 3 и 5. Защитная оболочка кабеля 6 выполняется из свинца или алюминия. Поверх защитной оболочки накладывают упрочняющий покров 7 из синтетических лент и лент из немагнитных материалов (металл). Если оболочка выполнена из алюминия, то упрочняющего покрова не требуется.

Защитный покров у кабелей со свинцовой оболочкой состоит из следующих слоев: битума, лент поливинилхлоридного пластиката, лент пропитанной кабельной пряжи, брони из стальной проволоки. Для кабелей с алюминиевой оболочкой применяют защитный покров повышенной влагостойкости из полиэтилена и поливинилхлоридного пластиката.

Маслонаполненный кабель низкого давления на напряжение 750 кВ (рис. 3.20) отличается от рассмотренной выше конструкции тем, что имеет два масляных канала: один – в полой жиле 2; второй – под металлической свинцовой оболочкой 6. Свинцовая оболочка выполнена из двух коаксиальных цилиндров 5 и 6. Наличие масляного канала под оболочкой уменьшает перепад давления масла в изоляции при нагревании и охлаждении.

Токоведущая жила кабеля 2 выполнена из круглой проволоки, повитой на плоскую спираль. Остальные элементы кабеля выполнены так же, как и в кабелях среднего давления.

В ряде стран находят применения трехжильные маслонаполненные кабели на напряжения 88–132 кВ круглого и плоского типа. У трехжильных кабелей каналы для масла выполнены из трех спиральных лент под металлической оболочкой. Для увеличения гибкости трехжильных круглых кабелей, металлическая оболочка выполняется гофрированной и защищается от коррозии пластиковым шлангом. Кабели такой конструкции значительно дешевле одножильных маслонаполненных, но обладают низкой термической устойчивостью при КЗ (применяются на 110 кВ). Плоский кабель состоит из трех экранированных и изолированных жил в общей свинцовой оболочке. Упрочняющий покров содержит рифленые полосы из бронзы. Полосы стягиваются медными проволоками и оказывают давление на свинцовую оболочку, благодаря чему внутри поддерживается давление 0,2 МПа. Такие кабели не нуждаются в подпитке и применяются на подводных трассах.

Маслонаполненные кабели в стальных трубах (рис. 3.21) применяются на напряжения 110–500 кВ. Они представляют собой стальной маслотрубопровод под давлением 1,5 МПа, внутрь которого затянуты три одножильных кабеля. Давление в трубопроводе поддерживается автоматически специальными устройствами, расположенными на расстоянии 10–15 км.

Преимущества такой конструкции в следующем: не нужна защитная оболочка, воспринимающая давление масла 3; увеличивается электрическая прочность, т.к. масло находится под высоким давлением; стальная труба надежно защищает кабель от механических повреждений. Однако монтаж таких линий несколько сложнее, а стоимость выше по сравнению с одножильными кабелями.

Трубопровод 2 выполняется из стальной трубы длиной 10–12 м. Наружная поверхность трубопровода имеет антикоррозийное покрытие толщиной 10 мм. Внутренняя поверхность после тщательной зачистки покрывается лаком, чтобы исключить контакт масла с металлом и сохранить стабильность характеристик масла. Внутренний диаметр труб составляет , где  – наружный диаметр одной фазы кабеля, что позволяет обеспечить радиус изгиба кабеля за счет температурных изменений длины не менее . Наружный диаметр трубы 219–273 мм, толщина стенки – 10 мм.

Токоведущие жилы круглой формы 5 скручиваются из медной луженой проволоки. Если сечение жилы более 700 мм², то жила скручивается из четырех секторов, два из которых изолированы. Изоляция жилы 6 содержит те же элементы, что и кабели с полыми жилами. Для уменьшения электрических потерь применяют металлический экран 4, состоящий из двух лент, разделенных полупроводящей бумагой. Толщина изоляции для кабелей различных напряжений приведена в табл. 3.3.

 

Таблица 3.3 – Толщина изоляции маслонаполненных кабелей

	110	220	330	500
	9,6–12,4	17,5–20,7	23–25	30–31

 

Поверх перфорированной ленты навивают две-три медные или бронзовые проволоки 1 с шагом 100–300 м, для облегчения затягивания кабеля в трубу. Наличие проволоки создает зазор между отдельными фазами, что улучшает условия охлаждения. На место монтажа отдельные жилы кабеля доставляются в свинцовой оболочке или специальных контейнерах, чтобы предохранить изоляцию от увлажнения. В трубу кабель затягивается без свинцовой оболочки. Свинцовая оболочка может заменяться полиэтиленовой, которая не демонтируется и защищает изоляцию от увлажнения и загрязнения. Эластичная оболочка свободно передает давление масла в трубе изоляции и тем самым исключает образование газовых включений в изоляции при колебаниях температуры. Масло в трубе не соприкасается с изоляцией и выполняет роль охлаждающей среды, поэтому может иметь другие характеристики. Допустимая температура до 110ºC, значение .

 

Газонаполненные кабели

Кабели с газонаполненной изоляцией (рис. 3.22) нашли широкое применение в ряде стран на напряжение 35–275 кВ. Преимущества кабелей с газовой изоляцией: 1) дешевле кабелей с БМИ, т.к. не содержат дорогого дегазированного масла, а бумагу можно пропитать обычным маслоканифольным составом; 2) используется подпитывающая аппаратура, обеспечивающая стабильность давления при колебаниях температуры, а пункты на трассе могут располагаться на значительном расстоянии; 3) прокладка может осуществляться на трассах различной сложности. Недостатки: меньшая электрическая прочность, зависимость прочности от давления и температуры. В качестве изолирующего газа применяется сухой очищенный азот, элегаз, смесь азота с элегазом.

Рис. 3.22 – Газонаполненные кабели: а – с полыми каналами; б – в трубопроводе

 

По конструктивному исполнению выпускаются следующие модификации: 1) кабели с подачей газа в полый проводник, как в маслонаполненных кабелях; 2) трехжильные кабели с подачей газа по каналам, расположенным под защитной металлической оболочкой между фазами (рис. 3.22 а); 3) кабель в трубопроводе с газовым наполнением (рис. 3.22 б).

Кабели с полыми жилами получили широкое применение на напряжение 110 кВ и выше и по конструкции не отличаются от маслонаполненных кабелей. В них применяется обедненная БМИ. Бумажная лента накладывается на жилу. Затем после сушки и пропитки излишки пропиточного состава удаляются. Пропиточный состав остается только в капиллярах бумаги. Промежутки между лентами заполняются газом. Поверх изоляции наносится эластичная оболочка, играющая роль мембраны. Электрическая прочность такой изоляции выше, чем в кабелях других модификаций, т.к. изоляция у жилы, где максимальная напряженность электрического поля, находится под высоким давлением. Давление газа у жилы мало зависит от утечки газа через оболочку или кожух муфты. В трехфазных кабелях два газовых канала образованы металлическими спиралями и дают свободный доступ газу в изоляцию по всей длине. Третий канал представляет собой трубу со сплошными стенками.

В газонаполненном кабеле в стальной трубе изоляция жил выполнена из бумаги, пропитанной маслоканифольным составом, и покрыта сверху пластиковой оболочкой. Давление на изоляцию передается через оболочку.

Перспективной является конструкция с чисто газовой изоляцией. В такой конструкции токопровод изолируется с помощью изолирующих распорок из эпоксидного компаунда и закрепляется в специальной трубе. Пространство между токопроводом и трубой заполняется газом под давлением. Внешняя оболочка для увеличения гибкости может выполняться гофрированной. Строительная длина 100–200 м, наружный диаметр – 127 мм. (275 кВ).

Преимущества: передача больших мощностей, малая емкость, самовосстанавливающаяся изоляция.

 

Кабели постоянного тока

В настоящее время изготавливаются на напряжение до 400 кВ, как одножильные, так и двухжильные. По конструкции кабели постоянного тока аналогичны кабелям переменного тока. Однако, толщина изоляции у них значительно меньше, т.к. при постоянном напряжении более благоприятное распределение напряженности электрического поля и процесс поляризации носит замедленный характер. Выпускаются следующие виды кабелей постоянного тока: 1) кабели с БМИ с вязкой пропиткой; 2) маслонаполненные кабели; 3) газонаполненные кабели,