1.7. Силовые кабели с пластмассовой изоляцией на напряжение 110–500 кВ
Надежность кабелей в процессе длительной эксплуатации (25–40 лет) во многом связана с интенсивностью старения полимерной изоляции. В настоящее время установлено, что старение полиэтилена, являющегося основным изоляционным материалом для силовых кабелей, в условиях воздействия электрического поля определяется, прежде всего, наличием неоднородностей в изоляции, возникающих как в процессе производства кабелей, так и свойственных самому изоляционному материалу в исходном состоянии. Если в полимерной изоляции кабеля существуют неоднородности, то в процессе эксплуатации в этой изоляции начинают развиваться проводящие каналы, известные под названием дендритов (древовидных образований) или триингов.
Исследования изоляции кабеля в процессе эксплуатации позволили выявить два типа триингов: триинги чисто электрического происхождения и так называемые водные триинги (электрохимического происхождения).
Триинги электрического происхождения возникают и развиваются только при воздействии переменного тока, а также импульсного при очень высоких напряжениях. Они образуются в местах концентрации напряженности электрического поля, значение которой не приводит к немедленному пробою, но достаточно высоко для ионизации газового включения. При низких напряженностях электрического поля электрические триинги образуют только после очень длительной эксплуатации.
Образование в изоляции водных триингов связано с проникновением в изоляцию кабеля влаги. Этот процесс можно представить следующим образом: наличие влаги в изоляции приводит к конденсации ее в местах неоднородностей, образованию и росту водных триингов с последующим ухудшением электрических характеристик изоляции, в частности снижению электрической прочности, что может привести к пробою кабеля. Влага проникает в изоляцию как в результате процесса диффузии через пластмассовую оболочку, так и через дефекты в оболочке и изоляции под действием электрического поля. Установлено, что в целом проникновение воды в полимер зависит от температуры, электрического поля и типа и количества ионов, содержащихся в воде.
Главным фактором, влияющим на возникновение и рост каналов, являются местные увеличения напряженности электрического поля в кабеле, которые вызываются неоднородностью поверхности электропроводящих экранов и наличием пустот и загрязнений в изоляции. Поэтому в конструкции кабелей для увеличения однородности поверхности полупроводящих экранов предусматривают обычно уплотненную жилу и замену ленточных экранов на экструдированные.
Применяемая наружная оболочка должна препятствовать проникновению влаги в изоляцию. Это достигается либо увеличением толщины полиэтиленового шланга, либо использованием дополнительного слоя металлической или металлопластмассовой ленты, либо применением в качестве материала оболочки металла. Для защиты изоляции от увлажнения в случае повреждения наружной оболочки часто используется так называемая продольная герметизация кабеля. При этом герметизируются в основном области токопроводящей жилы и пространство между экраном по изоляции и защитной оболочкой.
Основные мероприятия, которые необходимо осуществить при организации выпуска кабелей высокого напряжения с пластмассовой изоляцией, сводятся к следующему:
1) исключение попадания пыли в полиэтилен, как при его изготовлении, так и при транспортировке, загрузке и экструзии, т. е. при производстве кабелей с пластмассовой изоляцией должна обеспечиваться максимальная чистота применяемых изоляционных и электропроводящих материалов;
2) обеспечение наложения экранов и изоляции на токопроводящую жилу в один проход через экструдер, для чего следует использовать экструдеры сдвоенного типа (при этом уменьшается количество пустот между изоляцией и экранами);
3) обеспечение достаточно плавного охлаждения кабеля, выходящего из пресса; наименьшее количество полостей в изоляции получается при охлаждении кабеля под давлением;
4) использование для вулканизации полиэтилена беспаровой среды (инертный газ).
Дополнительные требования выдвигаются к оборудованию для наложения сшитого полиэтилена. До недавнего времени был широко распространен способ вулканизации полиэтилена в среде пара. Как показали исследования, при таком способе происходит диффузия пара в изоляцию с образованием микрополостей, в которых при охлаждении конденсируются мельчайшие капельки воды. При достаточно высокой рабочей напряженности поля в изоляции эта влага будет сокращать срок службы кабеля. Поэтому для изготовления кабелей высокого напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена вулканизация должна производиться в беспаровой среде, например в среде инертного газа.
Конструкции кабелей с пластмассовой изоляцией на напряжение 110–500 кВ. Первые кабели с пластмассовой изоляцией на напряжение 110–220 кВ появились в конце 60-х годов. Эти кабели имели изоляцию из термопластичного полиэтилена. Затем все шире начинает использоваться изоляция из сшитого (вулканизированного) полиэтилена и, наконец, в начале 80-х годов кабели такого типа становятся основными, успешно заменяя маслонаполненные кабели. В 1986–1988 гг. были изготовлены первые образцы кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжения 400 и 500 кВ.
В России для напряжения 110–220 кВ используются конструкции кабелей с алюминиевыми токопроводящими жилами сечением до 625 мм2 и изоляцией из сшитого полиэтилена. Токопроводящие жилы могут быть однопроволочными (сечением до 500 мм2 включительно) и комбинированными, состоящими из многопроволочного сердечника и прессованной алюминиевой оболочки (сечения свыше 500 мм2). Выбор токопроводящих жил таких конструкций обусловлен необходимостью обеспечения продольной герметизации кабеля по жиле.
Кабели имеют ряд особенностей, которые обеспечивают существенное повышение технико-экономических и эксплуатационных показателей:
1) в качестве электрической изоляции применяется сшитый полиэтилен, предварительно очищенный методом фильтрации от посторонних примесей с размерами более 50 мкм;
2) снижена напряженность электрического поля на поверхности электропроводящего экрана по жиле благодаря наложению слоя полимерной композиции с увеличенной диэлектрической проницаемостью (εr=4,5); полимерная композиция имеет в своем составе диоксид титана и обладает антиэмиссионными свойствами, т.е. свойством захватывать свободные электроны эмиссии с поверхности электропроводящего экрана при высоких напряженностях электрического поля;
3) наложение изоляции, электропроводящих экранов и эмиссионного слоя производится методом экструзии за один проход с последующей их вулканизацией в беспаровой среде ("сухой" способ вулканизации), что обеспечивает отсутствие влаги и газовых включений в объеме изоляции.
В результате удается обеспечить для напряжения 110 кВ радиальную толщину изоляции, включая эмиссионный слой, равную 12 мм, для напряжения 220 кВ – толщину 23 мм. Длительная рабочая температура на жиле кабеля не должна превышать 90°С, допустимая температура при перегрузках 130°С. В режиме короткого замыкания допустимая температура составляет 250°С. Срок службы кабеля – не менее 25 лет.
По толщине изоляции, выпускаемые в России кабели на напряжение 110–220 кВ, относятся, к так называемым, кабелям второго поколения. Большинство зарубежных аналогов имеют повышенную толщину изоляции, а, следовательно, и повышенную материалоемкость. Так, в Японии толщина изоляции кабелей на 110 кВ составляет 18 мм. Как уже указывалось, снижение толщины изоляции в отечественных конструкциях достигнуто благодаря введению эмиссионного слоя и тщательной очистке полиэтилена перед его подачей в экструдер.
Все конструкции кабелей на 110–220 кВ имеют элементы продольной и радиальной герметизации, так как проникновение влаги в кабель сокращает срок его службы.
Находят применение следующие три способа обеспечения радиальной герметичности высоковольтных кабелей:
1) применение пластмассовой оболочки из полиэтилена;
2) применение многослойной оболочки, состоящей из металлических или ме-таллопластмассовыхх лент, имеющих достаточно хорошую взаимную адгезию;
3) применение сплошной металлической оболочки.
При повреждении радиального барьера, особое значение приобретает продольная герметизация кабеля, которая может быть как непрерывной, так и дискретной. Продольная герметизация по жиле может обеспечиваться, прежде всего, конструкцией жилы, как это сделано в отечественной практике, когда используется либо сплошная алюминиевая жила, либо алюминиевая комбинированная жила (со сплошной оболочкой поверх скрученного сердечника). Это по существу сплошная продольная герметизация жилы.
Ряд зарубежных фирм использует дискретную герметизацию жилы, герметизируя только ее концы во время производства, транспортировки, монтажа и эксплуатации кабеля. Продольная герметизация кабеля под наружной оболочкой, а иногда и по жиле, осуществляется следующим образом. Поверх электропроводящего покрытия по изоляции наносится слой пудры, набухающий при увлажнении и препятствующий продольному распространению воды. Также вместо пудры могут применяться гигроскопичные ленты.
На сегодняшний день силовые кабели с пластмассовой изоляцией производятся на напряжение до 500 кВ.
Одна из конструкций силового кабеля с пластмассовой изоляцией представлена на рис. 1.12.
Рис. 1.12. Конструкция кабеля с пластмассовой изоляцией:
1 – жила алюминиевая уплотненная; 2 – экран по жиле из полупроводящего полиэтилена;
3 – эмиссионный слой; 4 – изоляция (сшитый полиэтилен); 5 – экран по изоляции из полупроводящего полиэтилена; 6 – наполненная сажей крепированная бумага; 7 – свинцовая оболочка
В России, к настоящему времени организовано новое производство кабелей среднего напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена (ПЭ) на четырех российских заводах: «Камкабель» (10 кВ), «Электрокабель» (10–35 кВ), «Кавказкабель» (10 кВ), «Иркутсккабель» (10–35 кВ) и украинском заводе «Южкабель» (10–35 кВ). Освоена технология изготовления таких кабелей еще на двух российских заводах: «Севкабель», «Сарансккабель», причем пуск производства должны были осуществить в 2005 году.
В системе Мосэнерго начиная с 1996 года накоплен положительный опыт монтажа и эксплуатации кабелей с изоляцией из сшитого ПЭ на напряжение 10 кВ, на основе которого было принято решение с 2004 года применять только такие кабели при строительстве новых кабельных линий и реконструкции старых, отказавшись от использования кабелей с пропитанной бумажной изоляцией. Региональные энергосистемы также в большинстве своем взяли курс на использование этих прогрессивных кабелей. Таким образом, набирает темпы процесс замены кабелей с пропитанной бумажной изоляцией на кабели с изоляцией из сшитого ПЭ, предпосылками для которого являются высокие эксплуатационные показатели новых кабелей и наличие их отечественного производства.
С учетом действующего производства фирмы «АББ Москабель» кабели среднего напряжения будут выпускаться на постсоветском пространстве на восьми предприятиях с суммарной производственной мощностью не менее 8,5 тыс. км/год в приведении к трехжильному кабелю, что позволит заменить на рынках продаж 40–50% кабелей с пропитанной бумажной изоляцией на кабели с изоляцией из сшитого ПЭ.
Например, на кольчугинском заводе «Электрокабель», цех по производству кабелей на среднее напряжение с изоляцией из сшитого полиэтилена был построен в рекордно короткие сроки – два с половиной года и в конце декабря 2004 года госкомиссией был принят в эксплуатацию.
На производстве применяются две технологии сшивки ПЭ:
1) пероксидная сшивка;
2) силановая сшивка.
Как показали опыты (ОАО «ВНИИКП») промышленные кабели, изготовленные по технологии силановой сшивки, по уровню электрической прочности не уступают кабелям, изготовленным по технологии пероксидной сшивки.