Кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 10 и 20 кВ с токопроводящими жилами секторной формы

Page 1
background image

Page 2
background image

48

КАБЕЛИ С ИЗОЛЯЦИЕЙ ИЗ СШИТОГО 

ПОЛИЭТИЛЕНА НА НАПРЯЖЕНИЕ 10 И 20 КВ 

С ТОКОПРОВОДЯЩИМИ ЖИЛАМИ 

СЕКТОРНОЙ ФОРМЫ

Геннадий МЕЩАНОВ, генеральный директор, д.т.н.;

Михаил КАМЕНСКИЙ, заместитель заведующего отделением, к.т.н.;

Алексей СЛИВОВ, научный сотрудник;

ОАО «ВНИИКП»

В 

 последние годы кабели с изоляцией из сши-

того полиэтилена (СПЭ) среднего напряже-

ния успешно применяются в электрических 

распределительных сетях России наряду с 

традиционными кабелями с пропитанной бумажной 

изоляцией. По состоянию на 2013 год производство 

таких кабелей составило около 40% от общего объ-

ёма кабелей на среднее напряжение. Кабели с изо-

ляцией из СПЭ обладают более высоким уровнем 

технических характеристик и эксплуатационных 

свойств по сравнению с кабелями с пропитанной 

бумажной изоляцией, что позволяет прогнозировать 

в ближайшей перспективе прекращение производ-

ства кабелей с пропитанной бумажной изоляцией. 

Следует отметить, что в настоящее время производ-

ство кабелей с пропитанной бумажной изоляцией 

прекращено во всех развитых странах.

В России наиболее распространённый тип кабе-

лей с изоляцией из СПЭ на напряжение 10—35 кВ — 

одножильный кабель, конструкция которого приве-

дена на рис. 1. Производство такого кабеля в насто-

ящее время составляет примерно 85% от общего 

числа кабелей с пластмассовой изоляцией на напря-

жение 10—35 кВ. 

Высокая производительность, большие стро-

ительные длины и удобство монтажа делают при-

менение такой конструкции достаточно привлека-

тельным. Однако при использовании одножильных 

кабелей в трёхфазных электрических сетях (в случае 

заземления экранов с обеих концов линии) в экра-

нах индуцируются продольные токи, приводящие 

к дополнительным потерям электроэнергии и сни-

жению допустимых токов нагрузки. Величина тока в 

экране кабеля существенно зависит от сечения экра-

на. Расчёты показывают, что при минимальных сече-

ниях экрана, установленных в ГОСТ Р 55025-2012, 

значения тока в экранах не превышают 15% от тока в 

жиле. При этом в кабелях, сечение экранов которых 

определено по условиям термической устойчивости 

экранов при протекании токов короткого замыка-

ния при двухместном коротком замыкании, значе-

ние токов в экранах в нормальном режиме эксплуа-

тации может достигать 50% от тока нагрузки в жиле 

и более.

В трёхжильных кабелях с индивидуальными экра-

нами по изолированным жилам (рис. 2) или общим 

экраном поверх сердечника из скрученных изоли-

рованных жил токи в экранах в нормальном режиме 

эксплуатации при симметричной нагрузке практиче-

ски отсутствуют.

Рис. 1. Конструкция одножильного кабеля с 

изоляцией из СПЭ на напряжение 10—35 кВ

1 — ТПЖ

2 — э/п экран по жиле

3 — изоляция

4 — э/п экран по изоляции

5 — э/п крепированная бумага

6 — металлический экран

7 — разделительный слой

8 — наружная оболочка

ИННОВАЦИИ


Page 3
background image

49

Анализ конструкций серийно выпускаемых трёх-

жильных кабелей показал, что из-за наличия запол-

нения промежутков между скрученными жилами эти 

кабели имеют большую массу и наружный диаметр 

по сравнению с одножильными кабелями и мень-

шую строительную длину.

В этой связи ОАО «ВНИИКП» совместно с заводом 

ОАО «Электрокабель «Кольчугинский завод» и ОАО 

«Объединённая энергетическая компания» была 

поставлена задача создания экономичных конструк-

ций трёхжильных кабелей на напряжение 10 и 20 кВ, 

которые позволили бы уменьшить массогабаритные 

размеры кабелей, снизить их себестоимость и обе-

спечить сокращение потерь электроэнергии при 

эксплуатации.

Для более полной реализации преимуществ 

кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена были 

разработаны трёхжильные кабели с токопроводя-

щими жилами секторной формы. Типовая конструк-

ция кабеля с жилами секторной формы на напряже-

ние 10 кВ приведена на рис. 3.

Сравнение массогабаритных размеров одно-

жильных и трёхжильных кабелей с круглыми и сек-

торными жилами на напряжение 10 кВ приведено в 

табл. 1.

Как видно из данных, приведённых в табл. 1, мас-

са 1 км кабеля с секторными жилами на 15% меньше 

массы трёх одножильных кабелей и на 35% меньше 

массы трёхжильного кабеля с круглыми жилами.

Изолирование опытных образцов кабелей с 

токопроводящими жилами осуществлено на линии 

газовой вулканизации завода «Электрокабель 

«Кольчугинский завод» (ОАО «ЭКЗ») с использова-

нием специального технологического инструмента. 

Комплекс испытаний опытных образцов кабелей на 

напряжение 10 и 20 кВ, подтверждающих соответ-

ствие кабелей требованиям ГОСТ Р 55025-2012 [1] 

выполнен ОАО «ВНИИКП» совместно с заводом 

ОАО «ЭКЗ». Базовая программа квалификацион-

ных испытаний включала в себя оценку уровня 

электрических характеристик, устойчивость изо-

ляционной системы при воздействии циклов 

Рис. 2. Конструкция трёхжильного 

кабеля с круглыми жилами 

на напряжение 10 кВ 

1 —  ТПЖ
2 —  изоляция
3 —  э/п экраны
4 —  металлический 

экран

5 —  межфазное 

заполнение

6 —  наружная 

оболочка

1 —  ТПЖ
2 —  изоляция

3 —  э/п экраны
4 —  металлический 

экран

5 —  наружная 

оболочка

Рис. 3. Конструкция трёхжильного кабеля 

с токопроводящими жилами секторной формы 

с общим экраном на напряжение 10 кВ

Табл. 1. Сравнение массы конструктивных элементов и наружных диаметров одножильных и 

трёхжильных кабелей марки АПвП с изоляцией из СПЭ на напряжение 10 кВ 

Наименование показателя

Тип кабеля, марка

3 одножильных  

кабеля АПвП 

1х240мк/35—10

АПвП 3х240мк/35—10

(трёхжильный кабель 

с круглыми жилами)

АПвП 3х240мс/35—10

(трёхжильный кабель 

с секторными жилами)

1. Токопроводящие жилы, кг/км

1967

1981

1981

2. Изоляция, кг/км

723

729

832

3. Электропроводящие экраны, кг/км

321

323

447

4. Металлический экран, кг/км

987

391

354

5. Заполнение промежутков между 

жилами, кг/км 

2215

6. Наружная оболочка, кг/км

254

754

513

7. Масса кабеля, кг/км 

4884

6461

4161 

8. Наружный диаметр кабеля, мм 

77,8*

75,2

61,8 

*) Диаметр окружности, описанной вокруг трёх одножильных кабелей, проложенных треугольником вплотную.


Page 4
background image

50

механической нагрузки, термических циклов, а 

также испытания кабельной линии с концевой и 

соединительной арматурой на соответствие требо-

ваниям МЭК 60502-4 [2].

Принимая во внимание, что профиль токопрово-

дящей жилы секторной формы содержит боковые 

радиусы закруглений, которые значительно меньше 

радиуса круглой жилы, была дана оценка значений 

рабочей напряжённости электрического поля в изо-

ляции кабеля в сравнении со значениями напряжён-

ности электрического поля у жилы круглой формы.

Расчёт напряжённости на радиусе закругления 

изолированных жил с сечением 240 мм

2

 на напряже-

ние 10 кВ, выполненный в программе Elcut, приве-

дён в табл. 2.

Табл. 2. Сравнение напряжённостей 

электрического поля кабелей с круглыми и 

секторными жилами

Секторная жила

Круглая 

жила 

Радиус 

закругле-

ния r, мм

1,5 2,0 2,5  3,0 3,5 4,0  R

ж

 = 9,75

Е

max

, кВ/мм 2,76  2,6  2,48  2,39  2,29  2,19 

1,98

Приведённые в табл. 2 расчётные значения 

напряжённости электрического поля показали, что 

на радиусах закругления сектора 3—3,5 мм макси-

мальная напряжённость E

max

 превышает напряжён-

ность электрического поля у жилы круглой формы 

ориентировочно на 15—20%. 

На рис. 4 показано, что напряжённость электри-

ческого поля по периметру секторной токопрово-

дящей жилы сечением 240 мм

2

 с радиусом закру-

гления 3 мм неоднородна по величине. При этом 

на большом радиусе и боковых гранях сектора зна-

чения напряжённости электрического поля ниже 

значений, полученных для круглой жилы такого же 

сечения.

Принимая во внимание повышенные значения 

напряжённости электрического поля у токопро-

водящей жилы секторной формы была проведена 

экспериментальная проверка уровня пробивного 

напряжения изолированных жил секторной и кру-

глой формы с номинальной толщиной изоляции, 

равной 3,4 мм. Испытания проводились на образцах 

изолированной многопроволочной жилы длиной 

10 м. Сечение образца изолированной жилы сектор-

ной формы показано на рис. 5. Испытания прово-

дили при ступенчатом повышение напряжения до 

пробоя в соответствии с методом, приведённым в 

ГОСТ Р 55025-2012. 

Рис. 5. Поперечное сечение изолированной 

токопроводящей жилы секторной формы 

сечением 240 мм

2

Рис. 4. Распределение напряжённости электрического поля в изоляции жил круглой и секторной 

формы сечением 240 мм

2

Результаты испытаний по оценке уровня про-

бивного напряжения приведены в табл. 3 и на 

рис. 6, где рассматривается графическое представ-

ление распределения Вейбулла для измеренных 

значений пробивного напряжения. 

E

max 

= 1,98 кВ/мм

3,4 мм

R

E

max 

= 2,29 кВ/мм

3,4 мм

r

r

ИННОВАЦИИ


Page 5
background image

51

Табл. 3. Результаты испытаний по оценке 

электрической прочности в исходном состоянии

Номер 
образ-

ца

U

прi

, кВ

Секторная жила

Круглая жила

1

156

162

2

168 168

3

174 168

4

192

180

5

198

186

Полученные результаты испытаний показали, что, 

несмотря на повышенную напряжённость электри-

ческого поля на радиусах закругления сектора жил 

секторной формы, значения кратковременного про-

бивного напряжения изолированных жил сектор-

ной формы и круглых жил практически одинаковы. 

Это даёт основание сделать вывод о равнопрочно-

сти изоляции жил круглой формы и жил секторной 

формы при радиусе закругления сектора не менее 

3,0 мм.

Результаты квалификационных испытаний опыт-

ных образцов кабеля АПвП 3х240мс/35—10 кВ на 

соответствие комплекса требований ГОСТ Р 55025-

2012 приведены в табл. 4.

Рис. 6. Распределение Вейбулла для значений 

пробивного напряжения кабеля 

с токопроводящими жилами круглой 

и секторной формы

  — для кабеля с секторными жилами;

  — для кабеля с круглыми жилами.

Табл. 4. Результаты электрических испытаний кабеля с секторными жилами 

на напряжение 10 кВ

Виды испытаний. Наименование контролируемых параметров 

и единиц измерений

Значение параметра

нормируемое

фактическое

1. Измерение частичных разрядов (ЧР) на образце кабеля в 

исходном состоянии — уровень ЧР, пКл, не более 

5

1 жила —  <1

2 жила — 1,2

3 жила — 2,2

2. Измерение ЧР после испытания трёхкратным двухсторонним  

изгибом — уровень ЧР, пКл, не более

5

1 жила —  <1

2 жила — 1,2

3 жила — 2,2

3. Измерение ЧР после 20 циклов нагрева-охлаждения — уровень 

ЧР, пКл, не более

5

1 жила — 1,1

2 жила — 1,3

3 жила — 2,5

4. Измерение тангенса угла диэлектрических потерь при 

температуре жилы (95—100)

о

С

0,003

0,0008

5. Проверка стойкости кабеля к воздействию переменного 

напряжения 24 кВ в течение 4 ч

без пробоя

изоляции

испытание выдержали

6. Проверка стойкости кабеля к воздействию импульсного 

напряжения — 10 импульсов положительной и отрицательной 

полярности 75 кВ  

без пробоя

изоляции

испытание выдержали

7. Минимальное значение пробивного напряжения, кВ, не менее

150

156

ln(

U

пр

)

3

3,5

4,5

5,5

4

5

ln[1/(1 - 

P

(

U

пр

)]

4

2

0

-2

-4

-6

-8


Page 6
background image

52

Приведённые в табл. 4 результаты подтверждают 

полное соответствие разработанных конструкций 

кабелей нормированному комплексу электрических 

характеристик, установленному в ГОСТ Р 55025-2012, 

международном стандарте МЭК 60502-2 [3] и гармо-

низированном документе CENELEC HD 620 S2 [4].

На основе базовых разработанных конструкций 

созданы кабели различного конструктивного испол-

нения для различных областей применения, кабели 

для подземной прокладки, в том числе с водоблоки-

рующими элементами для прокладки в воде и силь-

но увлажнённых грунтах, а также кабели для про-

кладки во взрывоопасных зонах и пожароопасных 

помещениях исполнений «нг-LS» и «нг-HF».

Для примера в табл. 5 приведены результаты 

испытаний кабеля исполнения «нг-HF» на соответ-

ствие требованиям пожарной безопасности, а на 

рис. 7 — испытание на нераспространение горения 

при групповой прокладке. 

В соответствии с дополнительными требованиями 

ОАО «Россети» были проведены испытания кабель-

ной системы, состоящей из кабеля, соединительной 

и концевых муфт. Кабельная система испытывается на 

соответствие требованиям международного стандар-

та МЭК 60502-4. Кабели с секторными жилами успеш-

но прошли испытания в составе кабельной системы, 

выполненной с применением арматуры фирмы «3М». 

На рис. 8 показан образец кабеля со смонтированны-

ми концевыми муфтами наружной установки во вре-

мя испытаний циклами нагрева и охлаждения. 

Табл. 5. Результаты испытаний кабеля марки АПвПнг(А)-HF 3х240 мс/35—10 на соответствие 

требованиям пожарной безопасности

Виды испытаний. Наименование контролируемых параметров 

и единиц измерений

Значение параметра

нормируемое

фактическое

1. Испытание на нераспространение горения при групповой прокладке — 

длина обугленной или повреждённой пламенем части, м, не более

2,5

0,92

2. Испытание по определению оптической плотности дыма при горении и 

тлении кабелей — снижение светопроницаемости, %, не более

40

33

Рис. 7. Испытание на нераспространение горения 

при групповой прокладке кабеля марки

 АПвПнг(А)-HF 3х240 мс/35-10

Рис. 8. Кабельная система, состоящая из кабеля с секторными жилами, 

концевой и соединительной муфт

ИННОВАЦИИ


Page 7
background image

53

Результаты испытаний кабельной системы на 

соответствие требованиям МЭК 60502-4 приведены 

в табл. 6. 

Результаты проведённых испытаний подтвердили 

соответствие кабеля и применяемой арматуры тре-

бованиям МЭК 60502-4. Учитывая положительные 

результаты испытаний, кабели с секторными жилами 

могут быть рекомендованы для применения в элек-

трических распределительных сетях.

В процессе создания кабелей отработаны также 

приёмы монтажа арматуры кабелей с секторными 

жилами. Одной из главных особенностей монтажа 

кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена явля-

ется удаление полимерного электропроводящего 

экрана по изоляции с последующим монтажом муфт. 

Для кабелей с круглыми жилами такая операция 

производится с помощью специального инструмен-

та. Для кабелей с секторными жилами полимерный 

экран по изоляции выполнен из так называемых 

«легко снимаемых» композиций, для которых специ-

альный инструмент не требуется. Удаление электро-

проводящего экрана происходит в две операции, 

как показано на рис. 9, 10: на первой стадии произ-

водится продольный разрез вдоль средней части 

спинки сектора глубиной ~0,5 мм. При этом реко-

мендуется применять нож, позволяющий ограничи-

вать глубину прореза, чтобы не повредить изоляци-

онный слой. 

На второй стадии с конца жилы от линии надре-

за вручную отделяется электропроводящий экран в 

направлении, показанном стрелкой.

В стандарте ГОСТ Р 55025-2012 для полимерных 

экранов, выполненных из «легко снимаемых» ком-

позиций, кроме требований по толщине и электри-

ческому сопротивлению, предъявляется требование 

по усилию отрыва электропроводящего экрана от 

изоляции. В табл. 7 приведены результаты испыта-

ний электропроводящего экрана кабеля с сектор-

ными жилами на соответствие требованиям ГОСТ Р 

55025-2012. 

Данные результаты свидетельствуют о том, что 

характеристики электропроводящих композиций 

для «легко снимаемых» экранов соответствуют тре-

бованиям, изложенным в ГОСТ Р 55025-2012. При 

Табл. 6. Результаты электрических испытаний кабельной системы, выполненной из кабеля с 

секторными жилами на напряжение 10 кВ и арматуры фирмы «3М»

Виды испытаний. Наименование контролируемых 

параметров и единиц измерений

Значение параметра

нормируемое

фактическое

1. Испытание переменным напряжением 24 кВ в течение 4 ч

без пробоя

испытание выдержали

2. Испытание переменным напряжением 15 кВ в течение 60 

циклов нагрева-охлаждения. Каждый цикл состоит из нагрева 

жилы до температуры 90

о

С, выдержки и последующего 

охлаждения. Продолжительность цикла — 8 часов

без пробоя

испытание выдержали

3. Измерение ЧР после 60 циклов нагрева-охлаждения при 

напряжении 10 кВ — уровень ЧР, пКл, не более

10

≤2

4. Испытание импульсным напряжением 80 кВ — 10 импульсов 

положительной и отрицательной полярности

без пробоя

испытание выдержали

,

Рис. 9. Удаление электропроводящего экрана с изоляции кабеля с секторными жилами: 

первая стадия


Page 8
background image

54

этом, как показали результаты испытаний на терми-

ческое старение, адгезия электропроводящего экра-

на к изоляции не снижается, что является гарантией 

того, что в процессе эксплуатации на границе раз-

дела изоляция—электропроводящий экран пустоты 

образовываться не будут. 

Результаты выполненных исследований по соз-

данию серии кабелей с жилами секторной формы 

одобрены межведомственной комиссией с участием 

представителей ОАО «ОЭК», кабели рекомендованы 

к промышленному применению в распределитель-

ных сетях на напряжение 10 и 20 кВ. Выпуск кабелей 

осуществляется по ТУ 16.К71-462-2014. Допустимые 

токи нагрузки кабелей в нормальном режиме экс-

плуатации полностью соответствуют аналогичным 

типам кабелей с круглыми жилами. 

ЛИТЕРАТУРА

1.  

ГОСТ Р 55025-2012.

 Кабели силовые с пластмас-

совой изоляцией на напряжение 6—35 кВ включи-
тельно. Общие технические условия.

2.  

МЭК 60502-4-2010

. Кабели силовые с экструди-

рованной изоляцией и кабельная арматура на 
номинальное напряжение от 1кВ (U

m

 = 1,2 кВ) до 

30 кВ (U

m

 = 36 кВ) включительно. Часть 4. Мето-

ды испытаний арматуры для кабелей на номи-
нальное напряжение от 6 кВ (U

m

 = 7,2 кВ) до 30 кВ 

(U

m

 = 36 кВ).

3.  

МЭК 60502-2-2014.

 Кабели силовые с экструди-

рованной изоляцией и кабельная арматура на 
номинальное напряжение от 1кВ (U

m

 = 1,2 кВ) до 

30 кВ (U

m

 = 36 кВ) включительно. Часть 2. Кабели 

на номинальное напряжение от 6 кВ (U

m

 = 7,2 кВ) 

до 30 кВ (U

m

 = 36 кВ).

4.  

HD 620 S2-2010.

 Кабели для распределительных 

сетей с экструдированной изоляцией на номи-
нальное напряжение от 3,6/6 (7,2) кВ до 20,8/36 
(42) кВ включительно.

Рис. 10. Удаление электропроводящего экрана с изоляции кабеля с секторными жилами: 

вторая стадия

Табл. 7. Результаты испытаний электропроводящего экрана поверх изоляции

Наименование характеристик

Нормированное 

значение

Фактическое 

значение

1. Электрическое сопротивление полимерного экрана при 90

о

С Ом•м:

— до старения;

≤500

0,5

— после старения при температуре 135

о

С в течение 240 часов

≤500

0,5

2. Усилие отрыва отделяемого полимерного экрана поверх изоляции, Н: 

— в исходном состоянии; 

3,5—20

13,9

— после старения при температуре 130

о

С в течение 500 часов

20,7

направление отрыва

ИННОВАЦИИ


Читать онлайн

В последние годы кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена среднего напряжения успешно применяются в электрических распределительных сетях России наряду с традиционными кабелями с пропитанной бумажной изоляцией. По состоянию на 2013 год производство таких кабелей составило около 40% от общего объёма кабелей на среднее напряжение.

Поделиться:

«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение»