1.5. Силовые кабели с резиновой изоляцией
Основным преимуществом кабелей с резиновой изоляцией является их гибкость, позволяющая при прокладке допускать меньшие радиусы изгибов. Однако по электрическим параметрам такие кабели значительно уступают силовым кабелям с пропитанной бумажной или пластмассовой изоляцией. Кроме того, изоляционные оболочки кабелей с течением времени теряют свои эластичные свойства; физико-механические и электрические параметры их снижаются из-за старения резины. Старение резины может происходить под воздействием различных факторов (высокая температура, наличие озона, кислорода, света и т.д.) и является следствием окислительной деструкции содержащегося в резине каучука. Все это не позволяет в настоящее время выпускать кабели с резиновой изоляцией на высокие напряжения. В частности, на практике максимальные рабочие напряжения кабелей с резиновой изоляцией не превышают 35 кВ, хотя отдельные зарубежные фирмы и выпускают кабели с изоляцией из этиленпропиленовой резины на напряжения 66 и 110 кВ.
Как показывают исследования, причиной пробоя кабелей с резиновой изоляцией является разрушение резины озоном, возникающим в кабеле при ионизации воздушных включений. Поэтому для создания кабелей высокого напряжения необходимо применять полупроводящие экраны на жиле и изоляции, а также озоностойкие резины.
Наиболее перспективными резинами для кабелей высокого напряжения являются резины на основе бутилкаучука и этиленпропиленового каучука.
Силовые кабели с резиновой изоляцией, выпускаемые в России, предназначены для неподвижной прокладки в сетях переменного напряжения 660 В или переменного и постоянного напряжения 1, 3, 6 и 10 кВ.
Кабели имеют медные или алюминиевые токопроводящие жилы круглой формы сечением от 1 до 500 мм2. Изоляция выполняется из изоляционной резины; поверх изолированных жил накладывается оболочка из свинца, поливинилхлорида или шланговой резины. При необходимости кабели имеют упрочняющие покровы и защитные покровы обычной конструкции.
В зависимости от типа применяемой резины длительная рабочая температура кабелей составляет 65 и 90°С.
В зависимости от типа применяемых материалов морозостойкость кабелей находится в пределах от –10 до –60°С.
Специфические характеристики силовых кабелей с резиновой изоляцией, особенно их повышенная гибкость обусловливают их дальнейшее совершенствование и развитие. В настоящее время вопрос о замене таких кабелей кабелями с пластмассовой изоляцией не может быть решен положительно.
Срок службы гибких силовых кабелей по сравнению со сроком службы кабелей для стационарной прокладки (20–25 лет) значительно меньше (3–5 лет).
1.6. Силовые кабели на напряжение 110 кВ и выше с бумажной пропитанной изоляцией
Кабели с бумажной изоляцией, пропитанной вязким маслоканифольным составом, имеют сравнительно невысокую электрическую прочность, что ограничивает их применение в сетях напряжением выше 35 кВ. Это объясняется наличием в изоляции воздушных включений, которые появляются в процессе эксплуатации кабельных линий.
В процессе эксплуатации кабель подвергается периодическому нагреванию и охлаждению (включение и отключение нагрузки). При нагревании все элементы кабеля (в том числе и пропитывающий состав) увеличиваются в объеме. После охлаждения оболочка кабеля вследствие остаточных деформаций не в состоянии оказывать давление на пропитывающий состав, необходимое для возвращения его в прежнее положение. В результате после нескольких циклов нагрева и охлаждения в кабелях появляются пустоты.
Для увеличения электрической прочности бумажной пропитанной изоляции необходимо либо создать условия, исключающие появление в ней газовых включений, либо повысить электрическую прочность имеющихся пустот, например, путем увеличения в них давления или путем заполнения этих пустот газом, обладающим повышенной электрической прочностью.
Первая возможность реализована при создании так называемых маслонаполненных кабелей, вторая – при создании газонаполненных кабелей.
Маслонаполненные кабели низкого давления. Первые кабели на напряжение 110 кВ, появившиеся в 1923–1931 гг., были одножильными кабелями маслонаполненного типа. Эта конструкция кабелей высокого напряжения является одной из распространенных и в настоящее время.
В маслонаполненных кабелях возможность образования газовых включений при изготовлении, а также при эксплуатации исключается тем, что для пропитки их изоляции применяется маловязкое дегазированное масло. В процессе эксплуатации пропиточный состав находится в кабеле под избыточным давлением, поэтому даже при резком падении нагрузки в кабеле не могут образовываться газовые включения.
Давление масла в кабеле для обеспечения надежности его работы должно поддерживаться в определенных пределах (для этих кабелей, как правило, до 0,5 МПа). Для этого в конструкции кабеля предусматриваются маслопроводящие каналы, а вдоль кабельной линии устанавливаются специальные компенсаторы (баки питания и давления), которые принимают избыток масла при нагревании кабеля и отдают – при его охлаждении.
Токопроводящая жила маслонаполненного кабеля обычно имеет в центре канал, по которому происходит перемещение масла при изменении температуры кабеля. Канал внутри жилы образуется либо с помощью поддерживающей металлической плоской спирали, поверх которой накладываются повивы круглых проволок, либо применением для первого повива проволок специальной конфигурации (рис. 1.7).
а) б)
Рис. 1.7. Конструкция жил одножильных маслонаполненных кабелей.
На рис. 1.7, а приведена конструкция токопроводящей жилы маслонаполненного кабеля, канал в которой образован проволоками, имеющими z-образную форму, что обеспечивает устойчивую конструкцию жилы. Последующие повивы накладываются из проволок сегментообразной формы. Использование сегментных проволок для второго повива необходимо для создания гладкой наружной поверхности жилы. Это обстоятельство весьма существенно для кабелей высокого напряжения, так как любая неровность на поверхности жилы вызывает значительное местное увеличение напряженности электрического поля.
Для токопроводящих жил сечением свыше 600 мм2 целесообразно применять секционированную жилу. Конструкция показана на рис. 1.7, б. Жила скручивается из четырех или шести изолированных друг от друга сегментов, что уменьшает ее сопротивление переменному току за счет снижения поверхностного эффекта и эффекта близости.
Поверхностный эффект проявляется в том, что под действием магнитного поля кабеля ток, протекающий по жиле, вытесняется ближе к ее поверхности. Таким образом, плотность тока в слоях жилы, прилегающих к поверхности, несколько выше, чем в центре жилы, что приводит к увеличению общего сопротивления жилы.
Эффект близости также увеличивает сопротивление жил из-за неравномерного распределения плотности тока по сечению жилы. Наибольшая концентрация тока наблюдается в областях, обращенных к соседним кабелям, или в противоположно расположенных областях.
Токопроводящая жила, а также изоляция кабелей высокого напряжения экранируются полупроводящей бумагой. При этом масляные пленки, находящиеся между жилой и изоляцией, а также между изоляцией и металлической оболочкой, обладающие меньшей электрической прочностью по сравнению с пропитанной бумагой, оказываются в зоне с нулевой напряженностью электрического поля. Кроме того, электрическая прочность изоляции кабеля возрастает за счет сглаживания поверхности жилы слоями полупроводящей бумаги.
Для экранирования, в принципе, можно использовать, кроме полупроводящих бумаг, металлизированную бумагу, медную или алюминиевую фольгу, однако при применении полупроводящих бумаг дополнительно положительный эффект получается за счет того, что полупроводящая (сажевая) бумага обладает адсорбционными свойствами.
При изменении температуры кабеля происходит движение масла сквозь слои изоляции, прилегающие к жиле и оболочке. Контакт с металлами отрицательно сказывается на свойствах изоляционного масла, способствует увеличению диэлектрических потерь в изоляции.
Наличие у жилы и оболочки кабеля экранов из полупроводящих бумаг, обладающих адсорбционными свойствами, способствует стабилизации электрических свойств изоляции. Очевидно, что стабилизирующее действие экранов ограниченно. С течением времени, когда полупроводящая бумага начинает насыщаться продуктами старения фильтрующегося масла, адсорбционные свойства экранов начинают теряться.
Изоляция маслонаполненных кабелей состоит из лент кабельной бумаги, пропитанных дегазированным минеральным или синтетическим маслом. Такая изоляция обладает целым рядом ценных свойств: высокая электрическая прочность, малые диэлектрические потери, высокие механические параметры, причем стабильность перечисленных свойств сохраняется в процессе эксплуатации. Однако неуклонная тенденция к повышению напряжения при передаче электрической энергии выдвинула дополнительные требования к изоляции силовых кабелей, которым традиционная кабельная бумага из сульфатной целлюлозы, пропитанная изоляционными маслами, не всегда может соответствовать.
Для создания конструкций кабеля на напряжение свыше 500 кВ необходимо использовать материалы с более низкими диэлектрическими потерями. Это возможно лишь при полной или частичной замене целлюлозной бумаги на синтетические электроизоляционные материалы. Однако на сегодняшний день сделать это не удалось.
В настоящее время во всем мире наибольшее внимание уделяется усовершенствованию бумаги или созданию новых бумагоподобных материалов, обладающих соответствующими свойствами. Известны следующие основные направления в этой области:
1. Применение кабельной бумаги повышенного качества. Она получается путем отбора особо чистой целлюлозы, использования при производстве бумаги воды, прошедшей специальную очистку, а также путем усовершенствования отделки кабельной бумаги. Эти бумаги обеспечивают минимальное значение tg δ = 5×10 -3.
2. Использование специальных кабельных бумаг, изготовляемых из древесной целлюлозы с добавками волокон синтетических материалов (лавсан, полиэтилен и т. д.). В этом случае можно получить изоляцию кабелей, имеющую tg δ < 4×10 -3. Однако электрическая прочность такой изоляции пока несколько ниже изоляции, выполненной из обычной кабельной бумаги.
3. Создание изоляционных бумаг путем добавления к целлюлозе слюды в виде мелких чешуек (tg δ < 5×10 -3). Стоимость таких бумаг значительно выше обычных.
4. Разработка новых видов бумаг из синтетических волокон.
5. Создание многослойной комбинированной бумаги в виде чередующихся слоев бумаги и синтетической пленки.
Наиболее перспективны последние два направления.
Для пропитки изоляции маслонаполненных кабелей используется маловязкое нефтяное изоляционное масло марки МН-4. Для кабелей низкого давления в России и за рубежом синтезированы маловязкие пропиточные составы на основе додецилбензолов, алкилбензолов и т. п., обладающие высокой стойкостью к разложению в электрическом поле, а также способностью к газопоглощению.
Практика эксплуатации маслонаполненных кабелей низкого давления показала, что наиболее экономичными являются кабели с давлением масла, находящимся в пределах 0,024–0,29 МПа для кабелей в свинцовой оболочке и 0,024–0,5 МПа – для кабелей в алюминиевой оболочке.
Для защиты от увлажнения поверх изоляции накладывается металлическая (свинцовая или алюминиевая) оболочка. Конструкции кабелей на напряжение свыше 220 кВ иногда предусматривают два маслонаполненных канала. Один – в центре жилы, другой – под металлической оболочкой. Оболочка таких кабелей на внутренней стороне имеет продольные канавки.
Наличие каналов под металлической оболочкой необходимо для уменьшения перепада давления масла в изоляции при нагревании и охлаждении кабеля. Металлические оболочки имеют упрочняющие и защитные покровы.
Примеры выпускаемых в России маслонаполненных кабелей низкого давления:
МНС – кабель в свинцовой оболочке с упрочняющими и защитными покровами;
МНСК – то же, но защитные покровы включают слой оцинкованных круглых стальных проволок (рис. 1.8);
МНСШв – то же, но защитные покровы выполнены в виде шланга из ПВХ пластиката.
Рис. 1.8. Кабель марки МНСК на напряжение 220 кВ
Маслонаполненные кабели высокого давления (в стальных трубопроводах). Большое распространение в России получили маслонаполненные кабели высокого давления (рис. 1.9). Эти кабели выпускаются на переменные напряжения 110, 220 и 550 кВ.
Рис. 1.9. Кабель в стальном трубопроводе с маслом под давлением
Линия содержит три одножильных кабеля, затянутых в стальной трубопровод, который заполняется маслом под давлением 1,5 МПа. Эти кабели имеют ряд преимуществ по сравнению с кабелями низкого давления. Во-первых, электрическая прочность таких кабелей выше, так как изоляция кабеля находится под более высоким давлением. Кроме того, для пропитки изоляции и для заполнения трубопровода применяется более вязкое масло, которое обеспечивает большую импульсную прочность кабелей. Во-вторых, стальной трубопровод является надежной защитой кабеля от механических повреждений, благодаря чему кабельные линии высокого давления являются исключительно надежными.
Однако монтаж указанных линий несколько сложнее, а стоимость выше, чем монтаж и стоимость линий с одножильными маслонаполненными кабелями низкого давления.
Токопроводящие жилы кабелей в стальном трубопроводе с маслом под давлением имеют круглую форму и скручиваются из медных луженых проволок. Если сечение жилы превышает 700 мм2, жила скручивается из четырех секторов, два из которых изолированы бумажными лентами. Поверх накладывается экран из полупроводящей бумаги. Изоляция кабеля состоит из бумажных лент, пропитанных изоляционным маслом повышенной вязкости. Заполнение трубопровода производится этим же маслом. Применение вязкого пропиточного масла облегчает монтаж кабельной линии, так как уменьшается вытекание его из изоляции. На изоляцию кабеля накладывается экран из лент полупроводящей бумаги, поверх которого размещаются медные перфорированные ленты для образования металлического экрана. Назначение последнего – создание равномерного радиального поля в изоляции кабеля.
Для облегчения затягивания изолированных жил кабеля в трубопровод поверх медных перфорированных лент накладываются с шагом 100–300 мм две-три медные или бронзовые полукруглые проволоки скольжения. Благодаря проволокам скольжения кабели в трубопроводе расположены на некотором расстоянии друг от друга, что несколько улучшает охлаждение области внутри треугольника, образованного центрами изолированных жил кабелей.
Компенсация изменения объема масла в кабельной линии при ее нагревании или охлаждении, а также поддержание давления в линии в определенных пределах осуществляются с помощью автоматического подпитывающего устройства, расположенного на одном из концов линии.
В России выпускаются кабели в стальных трубах следующих марок: МВДТ – маслонаполненный кабель высокого давления в свинцовой оболочке, снимаемой на месте прокладки при протягивании кабеля в трубопровод; МВДТк – маслонаполненный кабель высокого давления в контейнере с маслом.
Такие кабели могут прокладываться в туннелях, в земле и под водой.
Газонаполненные кабели. Газонаполненные кабели устроены таким образом, что непосредственно в кабель подводится чистый сухой газ под давлением. Значение давления определяется особенностями конструкции кабеля и условиями прокладки и находится в пределах 0,7–3,0 МПа.
В зависимости от конструкции кабеля сжатый газ может либо поступать непосредственно в изоляцию кабеля (зазоры между лентами, пространство между проволоками внутри жилы), либо не иметь непосредственного соприкосновения с изоляцией, а передавать давление на изоляцию через специальную мембрану. Если газ под давлением подается в изоляцию кабеля, то кабель может изолироваться двумя способами. Во-первых, может применяться обедненно-пропитанная бумажная изоляция. В этом случае на жилу накладываются бумажные ленты, затем после сушки и пропитки изоляции излишки пропиточного состава удаляются. Пропиточный состав остается лишь в капиллярах бумажных лент. Промежутки между бумажными лентами заполняются газом под давлением. Во-вторых, для изолирования кабеля могут использоваться ленты кабельной бумаги, подвергнутые предварительной сушке и пропитке. В кабеле с изоляцией из предварительно пропитанных бумажных лент пространство между бумажными лентами также заполняется сжатым газом. Если сжатый газ не имеет доступа в изоляцию, то кабель изолируется бумажными лентами с последующей пропиткой вязким составом или жидким маслом. Поверх изоляции на кабель наносят пластмассовую оболочку, играющую роль мембраны.
Для заполнения газонаполненных кабелей применяется осушенный, очищенный от примесей азот. Наиболее перспективным является применение для этих целей азота в смеси с электрически более прочным газом – элегазом (SF6).
Электрическая прочность газонаполненных кабелей значительно ниже, чем маслонаполненных. Кроме того, электрические параметры этих кабелей весьма нестабильны, так как сильно зависят от давления газа и температуры.
Но они имеют свои преимущества: эти кабели значительно дешевле маслонаполненных, так как в их конструкции отсутствует дорогостоящее дегазированное масло; пропитка изоляции может производиться обычным маслоканифольным составом; для поддержания давления внутри кабеля используется простая подпитывающая аппаратура; возможна установка пунктов подпитки на значительном расстоянии друг от друга, а также прокладка кабеля по трассе различной сложности.
Элементы конструкции газонаполненного кабеля те же, что и у маслонаполненного. На рис. 1.10 приводится конструкция кабеля в трубопроводе с газом под давлением. Эти кабели получили большое распространение за рубежом.
Рис. 1.10. Кабель в стальной трубе с газом под давлением
Кабели с газовой изоляцией. В настоящее время нашла практическое применение идея создания кабелей высокого напряжения с основной изоляцией из сжатого газа. В таких кабелях элегаз находится под давлением до 0,25 МПа (кабели низкого давления) или до 1,5 МПа (кабели высокого давления). Основными элементами кабеля являются алюминиевые трубчатые токопроводящая жила и оболочка. Соосное расположение жилы и оболочки обеспечивается изоляционными распорками, расположенными на определенном расстоянии друг от друга вдоль секции.
Кабели с газовой изоляцией имеют ряд преимуществ по сравнению с маслонаполненными:
1) они могут передать значительно большие мощности, что достигается за счет малых диэлектрических потерь в изоляции и хорошими условиями отвода теплоты от токопроводящей жилы;
2) они имеют малую электрическую емкость благодаря тому, что диэлектрическая проницаемость газа близка к единице (при определенных условиях, возможно добиться работы элегазовых кабелей в режиме равенства нулю реактивной мощности);
3) они могут быть созданы для работы в системах самого высокого уровня напряжения.
Однако кабели с газовой изоляцией имеют и некоторые недостатки, например, существуют определенные технологические трудности при изготовлении, транспортировке, прокладке и монтаже секций, ремонтные работы в случае отказа сложны и занимают много времени.
Кабели в одножильном исполнении разработаны на классы напряжения до 500 кВ переменного тока. В разработке конструкции на напряжения до 1200 кВ. Трехжильные кабели разрабатывают в основном Япония и США – до 500 кВ.
Один из вариантов кабеля с газовой изоляцией, разработанный в Великобритании, представлен на рис. 1.11.
Рис. 1.11. Гибкий кабель с элегазовой изоляцией:
1 – жила; 2 – оболочка; 3 – изоляционная распорка