Силовые кабели высокого напряжения

К этому классу относятся кабели на напряжение 110, (150), 220, (380) и 500 кВ применительно к номинальным напряжениям систем электропередачи, принятых в России и странах СНГ. Напряжения 150 и 380 кВ используются в отдельных случаях. Кабели предназначены для передачи крупных мощностей электроэнергии (60—620 MB · А) на указанных напряжениях. Области применения кабелей следующие:

1. глубокие вводы к центрам потребления электроэнергии в условиях крупных городов (применяются кабели на напряжение 110—220 кВ для питания районных городских подстанций);

2. выводы мощности с крупных гидро - и тепловых электростанций преимущественно при напряжениях 220 и 500 кВ;

3. питание энергоёмких производственных комплексов (автозаводы, металлургические и химические предприятия).

К электрической изоляции кабелей высокого напряжения предъявляются высокие требования в части электрической прочности, высокой надёжности в течение длительных сроков службы (35 и более лет). Напряжённости электрического поля в изоляции таких кабелей составляют от 7 до 15 кВ/мм, т.е. являются наиболее высокими по сравнению с напряжённостями поля в любых электротехнических аппаратах и устройствах. Напряжённость электрического поля является одним из главных параметров, обеспечивающих приемлемые конструктивные размеры (диаметры) кабелей. Высокие рабочие напряжённости электрического поля ставят серьёзные научно-технические проблемы с точки зрения обеспечения высокого ресурса работы кабелей. Эти проблемы успешно решены для двух видов электрической изоляции кабелей: бумажно-пропитанной, работающей под избыточным давлением масла (маслонаполненные кабели — МНК) и из сшитого ПЭ с применением соответствующих технологий, обеспечивающих чистоту и требуемое качество изоляции.

В конструкциях и технологии изготовления МНК приняты меры для обеспечения надёжной работы изоляции при высоких напряжённостях электрического поля:

1. изоляция кабеля в процессе эксплуатации находится под постоянным избыточным давлением изоляционного масла для предотвращения частичных разрядов в структуре изоляции;

2. технология изготовления кабеля предусматривает тщательную термовакуумную обработку изоляции и масла для обеспечения минимальных диэлектрических потерь в изоляции, которые определяют высокий ресурс работы кабеля.

На рисунке 9.5 приведена конструкция МНК низкого давления, а на рисунке 9.6 — МНК высокого давления в стальной трубе.

Рис.9.5 Конструкция маслонаполненного кабеля низкого давления на напряжение 110 кВ:

1 – канал для циркуляции масла; 2 – Zобразные проволоки токопроводящей жилы; 3 – сегментные проволоки жилы; 4 – слой изоляции из уплотнённой бумаги; 5 - слой изоляции из неуплотнённой бумаги; 6 – экран из электропроводящей бумаги; 7 – свинцовая оболочка; 8 – уплотняющие ленты; 9 – защитные покровы

Рис.10.6 Конструкция маслонаполненного кабеля высокого давления в стальной трубе:

1 – бумажная изоляция пропитанная маслом; 2 – стальная труба; 3 – экран из медной ленты; 4 – медная проволока скольжения; 5 – токопроводящая жила; 6 – антикоррозионное покрытие

Кабели высокого напряжения со сшитой ПЭ-изоляцией имеют ряд важных преимуществ в эксплуатации по сравнению с МНК:

1. не требуют систем подпитки маслом и сигнализации давления, что снижает трудоёмкость обслуживания и капитальные затраты на сооружение кабельных линий;

2. позволяют осуществлять прокладку без ограничения разностей уровней на трассе;

3. снижают трудоёмкость монтажных работ при сооружении кабельных линий;

4. экологически безопасны (отсутствует утечка масла в грунт, что наблюдается при эксплуатации МНК);

5. имеют повышенную нагрузочную способность и стойкость к токам короткого замыкания за счёт более высокой теплостойкости изоляции из сшитого ПЭ по сравнению с пропитанной бумагой.

Напряжённость электрического поля в пластмассовой изоляции находится на уровне напряжённости в бумажно-пропитанной изоляции и составляет от 6 до 15 кВ/мм в зависимости от номинального напряжения кабелей. Типовая конструкция кабеля высокого напряжения с изоляцией из сшитого ПЭ показана на рисунке 9.7.

Рис. 9.7 Конструкция силового кабеля высокого напряжения с изоляцией из сшитого ПЭ:

1 – токопроводящая жила; 2 – экран по токопроводящей жиле; 3 – изоляция; 4 – экран по изоляции; 5,7 – водонабухающая лента; 6 – проволочный экран; 8 – наружная оболочка

Несмотря на все достоинства кабелей переменного напряжения, имеется по крайней мере одна область, где их использование практически невозможно, а именно — передача электроэнергии на большие расстояния. Зарядный ток I _з (ток утечки через изоляцию кабеля) уменьшает передаваемую мощность, причём значение I _з, а значит, и отбираемой мощности пропорционально длине l кабельной линии:

I_З = U C ₀ l (9.1)

где U — фазное напряжение; w — угловая частота; C ₀ — электрическая ёмкость фазы кабеля на единицу длины.

По достижении некоторой, так называемой критической длины l _кр ток I _з окажется равным допустимому току нагрузки на кабель, что сделает передачу энергии невозможной. Значения l _кр ориентировочно составляют несколько десятков километров.