70
Сборник докладов XIX заседания Ассоциации электроснабжения городов России «ПРОГРЕССЭЛЕКТРО»
МИЛЛЕР В.В.,
директор завода «Таткабель»
КАБЕЛИ С ИЗОЛЯЦИЕЙ ИЗ СШИТОГО
ПОЛИЭТИЛЕНА И КАБЕЛЬНАЯ АРМАТУРА К НИМ.
ТЕХНОЛОГИЯ СШИВКИ,
ПРОИЗВОДСТВО И КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА
ПОСТАВЛЯЕМОЙ ПРОДУКЦИИ.
РЕКОНСТРУКЦИЯ И СТРОИТЕЛЬСТВО
КАБЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ В ГОРОДСКИХ УСЛОВИЯХ
ВВЕДЕНИЕ
Электрическая прочность высоковольтных
кабелей приблизительно с 1890 г. была значи-
тельно улучшена за счёт применения пропитан-
ной минеральным маслом многослойной бумаж-
ной изоляции. Благодаря впервые применённой
компанией «Pirelli» в 1917 г. проводящей бумаге
под изоляцией жил стало возможным умень-
шить повреждаемость от частичных разрядов
на граничной поверхности между изоляцией
и жилой. Этим была достигнута ещё большая
электрическая прочность. В этой проводящей
бумаге можно усмотреть прообраз сегодняшних
внутренних проводящих слоёв. Приблизительно
в это же время начались измерения фактора
диэлектрических потерь tg
в кабельной технике.
С 60-х годов пластмассы стали применяться как
для изоляции, так и для оболочки низковольтных
кабелей, а разработанная и внедрённая в 1963 г.
компанией General Electric изоляция из сшитого
полиэтилена стала одним из ключевых факторов
развития подземных кабельных систем среднего
и высокого напряжения.
Сегодня кабели с изоляцией из СПЭ находятся
в эксплуатации в области высокого и сверхвысо-
кого напряжений.
КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ОТЛИЧИЯ
КАБЕЛЕЙ РАЗЛИЧНОГО ИСПОЛНЕНИЯ
Кабели среднего напряжения.
В сетях
на среднее напряжение применяются кабели
двух видов: с бумажно-пропитанной изоля-
цией и с изоляцией из сшитого полиэти-
лена.
Кабели с БПИ вытесняются кабелями с изоля-
цией из СПЭ.
На рис. 1 представлен трёхжильные кабель
на напряжение 10 кВ с поясной бумажно-
пропитанной изоляцией и общей свинцовой
оболочкой.
Рис. 1. Трёхжильный кабель на напряжение
10 кВ с поясной БПИ и общей свинцовой
оболочкой
71
6–8 февраля 2013 г. Ханты-Мансийск
На рис. 2 представлен трёхжильный кабель
среднего напряжения с тремя отдельными свин-
цовыми оболочками.
Под бумажно-пропитанной
изоляцией имеются внутренние проводящие
слои из проводящей бумаги, также имеется
коррозионная защита и броня из стальных лент.
Рис. 2. Трёхжильный кабель среднего
напряжения с тремя отдельными свинцовыми
оболочками
Для изготовления жил применяются медь
или алюминий. Токопроводящие жилы в боль-
шинстве своём изготавливаются многопрово-
лочными.
Чтобы уменьшить влияние проволочности и
исключить частичные разряды между жилой и
изоляцией, токопроводящие жилы покрывают
экструдированным полупроводящим слоем из
сшиваемой полиэтиленовой композиции, кото-
рая выполняется из триингостойкого сшиваемо-
го полиэтилена.
Разделительные слои выполняются из полу-
проводящей водоблокирующей ленты, которая
при повреждении кабеля препятствует распро-
странению влаги в области экрана в продольном
направлении.
Медный экран состоит из проволок и скрепля-
ется медной лентой. Наружная оболочка выпол-
няется из полиэтилена высокой плотности.
Кабели могут также изготавливаться с защит-
ной оболочкой из ПВХ-композиций пониженной
горючести (индекс «нг») и пожарной опасности
(индекс «нг-LS»), а также из безгалогенной поли-
мерной композиции (индекс «нг-HF»).
Универсальный кабель с несущим тросом
на напряжение 10—35 кВ
На рис. 5 представлен универсальный кабель с
несущим тросом на напряжение 10—35 кВ.
Рис. 5. Универсальный кабель с несущим
тросом на напряжение 10—35 кВ
На рис. 3 показана типичная конструкция кабе-
ля на среднее напряжение с изоляцией из СПЭ,
с продольной герметизацией медного экрана и
наружной оболочкой из полиэтилена.
Рис. 3. Одножильный кабель с изоляцией из
СПЭ на напряжение 10 кВ
Кабели с изоляцией из СПЭ также могут быть
трёхжильного исполнения, как с бронёй, так и
без неё (рис.4).
Рис. 4. Трёхжильный бронированный кабель с
изоляцией из СПЭ на среднее напряжение
Эти кабели являются аналогом кабелей типа
Multi-Wiski, применение которых было начато в
Германии и других странах Европы более 20 лет
назад. Данные кабели являются на сегодняшний
72
Сборник докладов XIX заседания Ассоциации электроснабжения городов России «ПРОГРЕССЭЛЕКТРО»
день перспективным путём развития распреде-
лительных сетей.
Высокая экономическая эффективность
использования универсальных кабелей дости-
гается за счёт значительного повышения надёж-
ности электроснабжения потребителей и резкого
снижения эксплуатационных затрат по сравне-
нию с неизолированными проводами
Универсальный кабель предназначен для
прокладки в земле, в воде и в воздухе и даёт
возможность перехода воздушной кабельной
линии в подземную (подводную) без использо-
вания соединительных муфт, что обеспечивает
безопасную эксплуатацию и охрану окружающей
среды.
Кабели на высокое и сверхвысокое напря-
жение.
В сетях на напряжение 110 кВ кабели
используются преимущественно в коммута-
ционном оборудовании и в районе городов.
В сетях мегаполисов, таких как Москва и Санкт-
Петербург, эксплуатируется большое количество
маслонаполненных кабелей низкого и высокого
давления на напряжение до 500 кВ. В новых сетях
используются преимущественно одножильные
высоковольтные кабели с изоляцией из СПЭ.
Маслонаполненный кабель низкого давле-
ния.
В маслонаполненных кабелях низкого
давления применяется бумажно-масляный
диэлектрик. Пропитывающая масса имеет очень
низкую вязкость. Она находится под давлением
от 0,15 до 0,8 MПa, благодаря чему предотвра-
щается образование пустот в изоляции. При
нагревании масло расширяется и перетекает,
в зависимости от конструкции, по каналу жилы
(в одножильном кабеле — рис. 6) или между-
жильному пространству (трёхжильный кабель)
в продольном направлении в расширительный
бак, откуда после охлаждения течёт обратно.
Таким образом предотвращается нежелатель-
ное влияние давления. Рабочее давление может
регулироваться также и насосами. Давление
масла контролируется для распознавания откло-
нений от рабочих значений.
Медная жила с каналом изготовлена из профи-
лированных проволок.
Маслонаполненные кабели высокого дав-
ления.
Маслонаполненные кабели высокого
давления в стальной трубе находятся под давле-
нием до 1,6 MПa, в особых случаях даже выше.
Газонаполненные кабели внутреннего
давления
(рис. 7)
.
При данной конструкции
кабеля чаще всего бумажная изоляция пропи-
тана высоковязкой массой. Экранированные
жилы скручены и проложены в стальной трубе.
Расположенный в стальной трубе газ находит-
ся под давлением до 1,6 MПa. Он проникает в
бумажную изоляцию и становится её элементом.
Коррозионная защита стальной трубы состоит
из чёрной полиэтиленовой оболочки, а ранее
состояла из битуминизированной стекловолок-
нистой ленты.
Рис. 7. Трёхжильный газонаполненный
кабель внутреннего давления на напряжение
110 кВ
Рис. 6. Одножильный маслонаполненный
кабель низкого давления на напряжение
110 кВ
Газонаполненный кабель внешнего давле-
ния.
Бумажная изоляция, пропитанная изоля-
ционным высоковязким маслом, отделена от
создающего давление газа свинцовой оболоч-
кой. Усиленный кабель затянут в защищённую
от коррозии стальную трубу, которая заполнена
азотом, находящимся под давлением около
1,6 MПa (рис. 8). Оболочки отдельных жил
действуют как мембраны, при охлаждении кабе-
ля и за счёт действующего снаружи давления
газа они сжимаются до исходного состояния
(противодействие образованию пустот). Для
73
6–8 февраля 2013 г. Ханты-Мансийск
осуществления мембранных функций проводни-
ки, а с ними и жилы выполняются овальными.
Рис. 8. Трёхжильный газонаполненный
кабель внешнего давления на напряжение
110 кВ
Кабели изначально имеют продольную и
радиальную герметизацию. Продольная герме-
тичность кабелей достигается набухающими
материалами (водоблокирующими лентами и
нитями) в жиле и в области экрана. В качестве
диффузионного барьера от проникновения влаги
(радиальная герметизация) применяется алюмо-
полимерная оболочка. Она состоит из алюмо-
полимерной ленты (фольги), которая прочно
склеена с полиэтиленовой оболочкой.
Кабели с изоляцией из СПЭ высокого и сверх-
высокого напряжения могут быть изготовлены со
встроенными оптоволоконными модулями. Тем
самым может быть обеспечена передача инфор-
мации без прокладки дополнительной линии или
для контроля температуры нагрева жилы.
С каждым годом кабельные линии с изоляцией
из СПЭ на напряжение 110—500 кВ получают всё
большее распространение. Развитие промыш-
ленности, инфраструктуры городов и уплотнение
застройки расширяют области применения этих
кабелей.
В связи с постоянно ужесточающимися требо-
ваниями по пожарной безопасности, а также
увеличением области применения кабелей с
изоляцией из СПЭ — для заходов на ПС, в здания
с КРУЭ и силовыми трансформаторами —
были созданы кабели на высокое напряжение,
не распространяющие горения, а также с огра-
ничениями по плотности дыма и коррозийной
активности газов при горении и тлении. Для
изготовления таких типов кабелей необходи-
мо решить несколько задач. Основная задача
Высоковольтный кабель с пластмассовой
изоляцией.
Кабели с изоляцией из СПЭ обла-
дают рядом преимуществ: меньшие диэлектри-
ческие потери, малые зарядные нагрузки, мень-
ший вес, облегчённая прокладка, упрощённый
монтаж, не требующая обслуживания эксплуата-
ция (рис. 9).
Рис. 9. Одножильный кабель с изоляцией
из сшитого полиэтилена на напряжение
110 кВ
Токопроводящие жилы сечениями 1000 мм
2
и более изготавливаются из четырёх—шести-
секторных заготовок. Они изолированы друг от
друга ленточной изоляцией. Конструкция жилы
типа Milliken (рис. 10) позволяет значительно
снизить поверхностный эффект за счёт пере-
распределения плотности тока по большему
сечению токопроводящей жилы.
Спиральная конструкция исключает постоян-
ное прохождение одних и тех же проводников
жилы рядом друг с другом, что способствует
снижению эффекта близости.
Рис. 10. Конструкция жилы типа Milliken
1 — скрученный из проволок сердечник;
2 — скрученные из проволок сегменты;
3 — ленточная изоляция из в/б лент;
4 — бандаж, выполненный из различных лент
74
Сборник докладов XIX заседания Ассоциации электроснабжения городов России «ПРОГРЕССЭЛЕКТРО»
состоит в использовании в конструкции кабеля
современных пожаробезопасных материалов
для защитных оболочек.
Кабели на сверхвысокое напряжение до
500 кВ.
Конструкции данных кабелей принципи-
ально отличаются от кабелей напряжением 110 и
220 кВ. Если для последних можно ограничиться
наличием алюмополимерной ленты и примене-
нием сверхчистых материалов, то для кабелей
сверхвысокого напряжения помимо сверхчистых
материалов необходимым элементом конструк-
ции является свинцовая металлическая оболоч-
ка либо оболочка из гофрированного алюминия
или меди. Оболочка может нести в себе функцию
металлического экрана, заменяя медные прово-
локи.
Типичная конструкция кабеля на 500 кВ с
гофрированной алюминиевой оболочкой приве-
дена на рис. 11.
Рис. 11. Кабель на напряжение 500 кВ
с медной жилой сечением 2000 мм
2
(Milliken),
изоляцией из СПЭ и гофрированной
алюминиевой оболочкой
Морские высоковольтные кабели.
Для длин-
ных морских линий электропередачи и больших
передаваемых мощностей применяются высоко-
вольтные линии постоянного тока.
На сверхвысокое напряжение вплоть до 600 кВ
используются кабели с бумажно-пропитанной
изоляцией (рис. 12). Кабели с изоляцией из СПЭ
на постоянном токе с недавнего времени исполь-
зуются до напряжения 300 кВ. Три—четыре года
назад это значение было ограничено напряжени-
ем 150 кВ.
Конструкции морских кабелей должны иметь
мощную броню, которая обычно выполняется из
двух повивов стальных проволок в противопо-
ложных направлениях.
Рис. 12. Морской кабель для передачи
постоянного тока на напряжение 450 кВ
Высоконагруженные кабели.
В результате
увеличения плотности мощностей в городских
районах существующие конструкции высоко-
вольтных кабелей, особенно маслонаполненные
кабели низкого давления и кабели с изоляцией
из СПЭ, были рассмотрены для дальнейшего
повышения их нагрузочной способности.
Условия прокладки, транспонирование экра-
нов, использование жил типа Milliken, эмалиро-
ванных проволок, жил большого сечения, кабе-
лей постоянного тока — это способы увеличения
пропускной способности линии.
Новые разработки показывают возможность
снижения поверхностного эффекта и эффекта
близости за счёт применения оксидирования или
эмалирования проволок в сегментных жилах.
Медная эмалированная жила.
Для медных
токопроводящих жил сечением более 1600 мм
2
при изготовлении сегментированной жилы типа
Milliken целесообразно использовать эмалирован-
ные диэлектрическим лаком проволоки (приблизи-
тельно 2/3 общего количества проволок) (рис. 13).
Рис. 13. Медные токопроводящие жилы
сечением более 1600 мм
2
75
6–8 февраля 2013 г. Ханты-Мансийск
Эффект близости практически устраняется,
потому что каждая проволока проходит как по
наружным, так и по внутренним областям жилы.
Использование конструкции с эмалированны-
ми проволоками позволяет уменьшить сечение
жилы при той же пропускной способности.
Формирование жилы с эмалированными прово-
локами выполняется с помощью специальной
технологии.
Прямое принудительное охлаждение.
На
рис. 14 показаны некоторые эффективные
способы увеличения пропускной способности
кабельных линий.
При прямом принудительном охлаждении
кабель омывается охлаждающим веществом.
Другая возможность — это охлаждение возду-
хом при прокладке в туннеле.
Рис. 14. Некоторые эффективные способы
увеличения пропускной способности
кабельных линий
в) вентиляция туннеля
Кабели с газовой изоляцией на сверхвысо-
кое напряжение.
Кабели с газовой изоляцией
(GIL) представляют собой жизнеспособную
альтернативу подземным кабелям на сверхвысо-
кое напряжение (рис. 15).
Рис. 15. Кабель с газовой изоляцией на
напряжение 400 кВ (GIL)
а) прямое принудительное охлаждение жилы;
б) прямое принудительное охлаждение поверх-
ности кабеля водой;
Внешняя оболочка
Алюминиевый
проводник
Изолятор
Изоляционный газ
Улавливатель частиц
Каждая фаза GIL включает в себя проводник
из алюминиевого сплава с низким удельным
сопротивлением, который расположен в центре
алюминиевой трубы. Изоляция выполняется из
смеси элегаза (SH
6
) и азота (N
2
). Данные линии
(табл. 1) имеют повышенную пропускную способ-
ность и позволяют минимизировать потери
(рис. 16 а и б).
76
Сборник докладов XIX заседания Ассоциации электроснабжения городов России «ПРОГРЕССЭЛЕКТРО»
Табл. 1. Построенные в мире газоизолированные линии
Страна
Номинальное
напряжение, кВ
Номиналь-
ный ток, A
Общая длина
цепи, км
Кол-во
цепей
Размещение
Дата монтажа,
год
Германия
420
2500
1,3
2
Туннель с верти-
кальной секцией
1975
Намибия
362
800
0,27
2
Вертикальное и
сварное
1976
Иран
420
1600
1,23
2
Туннель
—
Ливия
245
800
0,27
4
Снаружи
1980
Саудовская Аравия
420
2500
0,1
2
Снаружи
1981
Норвегия
300
3150
0,04
1
Снаружи
1981
Германия
420
1000
0,27
1
Туннель
1982
Саудовская Аравия
420
2500
0,17
Несколько
Снаружи с защитой
от солнца
1984
Саудовская Аравия
420
2500
0,33
2
Снаружи с защитой
от солнца
1984
Германия
420
1000
0,27
1
Туннель
1985
Канада
550
4000
6300
8000
0,4
0,14
0,53
Несколько
Снаружи
1985—1987
Саудовская Аравия
420
2500
0,17
2
Снаружи
1988
Германия
420
1000
0,27
1
Туннель
1990
Индонезия
150
3850
0,77
2
Снаружи
1992
Сингапур
245
2000
0,07
2
Подвал
1992
Египет
245
1250
0,22
2
Снаружи
1993
Швейцария
300
2000
0,85
2
Туннель
2001
Таиланд
550
4000
1,17
Несколько
Снаружи
2002
Египет
245
3150
0,6
2
Снаружи
2004
Великобритания
420
4000
0,25
2
Снаружи и в туннеле
2004
Индия
420
2000
1,5
2
Туннель
2006
ОАЭ (Дубай)
420
2500
1,3
Несколько
Снаружи
2007
Германия
420
2750
1,8
2
В земле
2009
Австрия
420
1000
0,2
1
Туннель
2010
ОАЭ (Дубай)
420
2500
0,3
Несколько
Снаружи
2010
ОАЭ (Дубай)
420
2500
0,2
Несколько
Снаружи
2010
Великобритания
420
4000
0,3
Несколько
Снаружи
2011
Саудовская Аравия
380
3150
7
Несколько
Снаружи
2011
Китай
550
4000
1,1
3
Вертикальная шахта
2011
Саудовская Аравия
420
4000
0,25
2
Снаружи
2012
Китай
550
4000
4,2
3
В земле
2013
Малайзия
550
4000
0,5
3
Снаружи
2013
77
6–8 февраля 2013 г. Ханты-Мансийск
Низкотемпературный кабель (криокабель,
сверхпроводник).
Есть такое физическое явле-
ние, когда сопротивление проводника проходяще-
му току увеличивается с повышением темпера-
туры. Аналогично, если проводник охлаждается,
сопротивление проводника уменьшается. Если
охладить медный проводник до температуры,
близкой к абсолютному нулю -273°C, тогда сопро-
тивление проводника падает практически до нуля.
В сверхпроводящем материале сопротивление
равно нулю и ток может протекать без нагревания
проводника и без каких-либо потерь на сопро-
тивление. Поддержание столь низкой темпера-
туры проводника требует наличия специальной
криогенной установки, и чем ниже температура,
тем труднее её поддерживать (рис. 17).
Открытие других сплавов, которые проявляют
свойства сверхпроводимости при температуре
жидкого азота или выше, сделало разработку
сверхпроводящих кабелей более привлекатель-
ной. Такие сверхпроводящие материалы высо-
кой температуры (HTSC) используют охлажде-
ние жидким азотом при температуре -196°C, что
позволяет создать несколько демонстрационных
проектов короткой длины для передачи энергии с
большой мощностью (табл. 2).
Однако технология HTSC ещё далека от прак-
тического применения, которое могло бы пред-
ложить альтернативную технологию передачи
электроэнергии. Сложность конструирования
передающего кабеля, муфты для него, надёжное
поддержание жилы при повышенном напряже-
нии на протяжении десятков километров — все
эти моменты пока ещё не достигли коммерче-
ской доступности.
а) GIL, проложенные в воздухе на эстакаде;
б) GIL, проложенные в земле
Рис. 16. Строительство газоизолированной линии (GIL)
Рис. 17. Низкотемпературный кабель
а) трёхфазный сверхпроводящий кабель;
б) криогенная установка;
в) сверхпроводящий низкотемпературный однофазный
кабель на напряжение 154 кВ и мощность 1 ГВА
78
Сборник докладов XIX заседания Ассоциации электроснабжения городов России «ПРОГРЕССЭЛЕКТРО»
Стоит отметить, что и российскими специали-
стами ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС» и ОАО «ВНИИКП»
ведутся аналогичные разработки. На стадии
внедрения находится высокотемпературный
сверхпроводящий кабель переменного тока на
напряжение 20 кВ, объект — ПС 110 кВ «Дина-
мо». В стадии разработки — другой ВТСП-кабель
постоянного тока на напряжение 20 кВ между ПС
«Синопская» и ПС «Центральная-110».
КАБЕЛЬНАЯ АРМАТУРА
Кабельные муфты должны иметь такую
же эксплуатационную надёжность, как и сам
кабель — должны отвечать не только своим
электрическим и механическим требованиям, но
и противостоять ожидаемому воздействию окру-
жающей среды, например влажности, коррозии,
озону, ультрафиолетовому излучению и грязи.
Концевые муфты
предназначены для вывода
из кабеля токопроводящей жилы и присоедине-
ния её к линии электропередачи, трансформа-
тору или элементам РУ как для наружной, так и
для внутренней установки, маслонаполненные
или сухого типа.
Электрическое поле контролируется стресс-
конусом и электроизолирующим материалом
муфты.
Методы управления электрическим полем:
•
геометрический, при котором контур
проводящих элементов контролирует
Табл. 2. Некоторые показатели использования HTSC
Год
Конструкция
Применение
Длина,
м
Мощ-
ность,
МВА
Напря-
жение,
кВ
Сила
тока, А
Тип кабеля
Соед.
муфта
Тип
Место
1999
50
400
115
2000
Тёплый
диэлектрик
1
да
испытание
Италия, высоковольт-
ная лаборатория в
Милане
2001—2007
30
27
12,4
1250
Холодный
диэлектрик
3
con
нет
демонстрация
США, Карролтон,
Джорджия
2001—2003
30
104
30
2000
Тёплый
диэлектрик
1
3
нет
демонстрация
Дания, AMK SS,
Копенгаген
2002
100
115
66
1000
Холодный
диэлектрик
3
нет
испытания
Япония, испыта-
тельная площадка
Yokosuka
2003—2005
500
133
77
3000
Холодный
диэлектрик
1
нет
испытания
Япония, испыта-
тельная площадка
Yokosuka
2005—2006
100
50
23
1260
Холодный
диэлектрик
3
да
испытания
Корея, испытатель-
ный центр KEPCO
2006
300
69
13,2
3000
Холодный
диэлектрик
3
con
да
демонстрация
США, Биксби,
Колумбус, Огайо
2006—2009
350
48
34,5
800
Холодный
диэлектрик
3
да
демонстрация
США, Олбани,
Нью-Йорк
2008
610
574
138
2400
Холодный
диэлектрик
1
3
нет
демонстрация
США, Холбрук,
пролив Лонг-Айленд
2010—2011
300
62
13,8
3000
Холодный
диэлектрик
3
con
нет
демонстрация
США, Манхэттен,
Нью-Йорк Сити
2011
1,760
48
13,8
2000
Холодный
диэлектрик
3
con
да
демонстрация
США, Labarre-Metairie
SS, Луизиана,
Нью-Орлеан
79
6–8 февраля 2013 г. Ханты-Мансийск
электростатическое поле на конце высоко-
вольтного кабеля;
• резистивный, при котором сопротивление
полупроводникового материала используется
для снижения электростатического напряже-
ния в областях сильного поля;
• рефракционный, при котором материал с
высокой диэлектрической проницаемостью
используется для «выталкивания» поля из
зоны высокого электростатического напряже-
ния.
Способы монтажа стресс-конуса: надвижной
(традиционный) и холодной усадки. Для второго
способа характерен ряд преимуществ: простота
монтажа, меньшая чувствительность к ошибкам
и заводская готовность.
Соединительные муфты
предназначены
для
электрического соединения строительных длин
кабеля. Для монтажа под засыпку, в колодцах,
на открытом воздухе и в производственных
помещениях.
Внешняя защита: термоусаживаемая манжета,
корпус медный, металлический, из композитного
материала или пластика. Возможность соедине-
ния оптоволокна внутри муфты.
Вводная муфта
для ввода кабельной линии
в газонаполненное или маслонаполненное
оборудование (КРУЭ или трансформаторы) —
маслонаполненная или сухого типа, варианты
монтажа: вертикальный и горизонтальный, одно-
фазная или трёхфазная подводка.
ОРГАНИЗАЦИЯ СОВРЕМЕННОГО
ПРОИЗВОДСТВА. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА
ПОСТАВЛЯЕМОЙ ПРОДУКЦИИ. НАДЁЖНОСТЬ
КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ.
Достичь долгого срока службы кабеля с изоля-
цией из СПЭ не сложно. Но требуется уделять
внимание деталям, которые сначала могут пока-
заться малозначимыми. Цель доклада — обрисо-
вать некоторые наиболее часто встречающиеся
методы, которые могут помочь промышленным
и энергетическим компаниям получить эконо-
мичный кабель с долгим сроком службы. Самым
важным элементом на протяжении всего процес-
са эксплуатации является понимание вопросов
качества и их главное значение.
Производство
Производство кабелей на высокое и сверхвы-
сокое напряжение отличается от производства
кабелей на низкое и даже среднее напряжение.
Ниже приведены основные принципы, которы-
ми нужно руководствоваться при производстве,
а также при контроле качества выпускаемой
продукции:
• специально обученные технические сотрудни-
ки;
• специальные инструкции и методики;
• чёткая последовательность производственно-
го маршрута;
• сосредоточение внимания на каждом отдель-
ном технологическом запуске линий;
• постоянно поддерживаемый высокий уровень
чистоты;
• ограничение длительности цикла производ-
ства;
• высокие требования к применяемым материа-
лам и их производителям;
• высокий уровень контроля качества — вход-
ного, онлайн, готового изделия, прокладка,
монтаж;
• архивирование истории/отчётов цикла произ-
водства и образцов;
• специальная упаковка, транспортировка и
хранение;
• специальная идентификация в производстве.
Контроль качества
Кабель, выполненный из материалов с
гарантированно хорошими характеристиками,
преждевременно выйдет из строя, если с этими
материалами в процессе производства не будет
должного обращения, даже если при этом
технология производства в целом будет соблю-
даться. Кроме того, самые современные техно-
логические процессы производства кабелей
не в состоянии обеспечить их длительный срок
службы, если применяемые для их изготовления
компаунды содержат загрязняющие включения
или в целом имеют плохие характеристики. Для
того чтобы обеспечить надёжность кабеля в
течение длительного периода времени, с само-
го начала процесса производства до его конца
необходимо выполнять эффективные процедуры
контроля качества. Ошибки, допущенные в нача-
ле процесса, накапливаются и осложняются на
последующих этапах производства.
Бдительные энергетические компании внима-
тельно относятся к следующим обстоятельствам:
• размеры кабеля меньше предусмотренных
техническими требованиями значений;
80
Сборник докладов XIX заседания Ассоциации электроснабжения городов России «ПРОГРЕССЭЛЕКТРО»
• большое количество отказов при проведении
приёмо-сдаточных испытаний;
• частые замены типов/марок материалов.
Заводские испытания
проводятся с целью
обеспечения хорошего качества кабелей и соот-
ветствия условий их производства установлен-
ным требованиям.
Тем не менее необходимо осознавать, что эти
испытания включают минимальные требования.
Опытные производители кабелей очень часто
дополняют эти минимальные требования особы-
ми или расширенными испытаниями, которые
дают дополнительные гарантии высокого каче-
ства продукции.
Заводские испытания жизненно важны и
должны серьёзно восприниматься производите-
лями и потребителями кабелей. Эти испытания
являются последней возможностью подтвердить
качество кабеля, а также избежать последую-
щего преждевременного выхода его из строя в
полевых условиях.
Электрические заводские испытания выполня-
ются на всей партии, с проверкой каждой строи-
тельной длины.
При условии правильного и тщательного
проведения испытаний их результаты могут
помочь производителю и потребителю кабеля
убедиться в том, что он изготовлен в соответ-
ствии с заявленными требованиями. Потребите-
лю необходимо запрашивать копии протоколов
заводских испытаний, для того чтобы убедиться
в том, что он получает соответствующим обра-
зом изготовленный кабель требуемого качества.
Аудиторские проверки производства.
Визиты потребителей на производственные
предприятия, производящие для них продукцию,
должны всемерно поощряться. Это даёт возмож-
ность производителю осознать, что заказчик
действительно заинтересован в покупке кабеля
высокого качества. С другой стороны, это даёт
возможность потребителю организовать обрат-
ную связь с производителем.
Основной целью аудитов является проверка
выполнения производителем всех необходимых
испытаний и применения при этом единообраз-
ных процедур, а также проверка чистоты и орга-
низации производства.
Одним из наиболее важных вопросов, затра-
гиваемых при аудите производства, является
периодическая поверка оборудования и его
техническое обслуживание. Производство
кабеля представляет собой интенсивный термо-
механический процесс. Такие элементы, как шнек
экструдера, волоки и др. технологический инстру-
мент, подвергаются износу, поэтому необходимо
осуществлять их соответствующее техническое
обслуживание для обеспечения их способности
производить высококачественную продукцию.
Хороший способ оценить практику произво-
дителя в сфере технического обслуживания и
поверки заключается в изучении его руководства
по качеству с последующей проверкой реально-
го исполнения установленных процедур. В неко-
торых случаях заказчикам кабельных изделий
целесообразно предусмотреть в своей закупоч-
ной деятельности аудит завода-изготовителя.
Выбор подходящего производителя.
Поль-
зователю при выборе поставщиков необходимо
особо принимать во внимание обеспечение
стабильно высокого качества кабельной систе-
мы, так как после прокладки и монтажа снова
она будет доступна лишь с большим трудом.
Для сохранения качества кабеля недостаточно
только того, чтобы сертифицированная система
менеджмента качества соответствовала отрас-
левым стандартам, кабели и арматура произво-
дились в соответствии с требуемыми стандар-
тами. Чтобы обеспечить качество, надёжность и
эффективность продукта к настоящему времени
неизвестного производителя, необходимо
провести процедуры выбора и аттестации произ-
водителя. Кроме того, может быть согласовано
предоставление образцов.
Во второй части этого процесса, в ходе визи-
та, проверяются и анализируются инструкции
завода-изготовителя и оцениваются производ-
ственные мощности. В случае положительного
результата этой проверки может быть согласо-
вана пробная поставка, а затем производитель
может быть принят в список так называемых
квалифицированных поставщиков.
Надёжность кабельных линий
Прогнозирование долгосрочных характе-
ристик.
Старение.
Старение является важным
фактором для кабелей как среднего, так и высо-
кого напряжения. С самого начала применения
кабелей с пропитанной бумажной изоляцией
известно, что электрическая прочность изоляци-
онной системы со временем снижается в процес-
се эксплуатации. Скорость этого снижения (старе-
ние) зависит от напряжённости электрического
81
6–8 февраля 2013 г. Ханты-Мансийск
поля, температуры и условий окружающей среды,
в которой проложены кабели (влажная или сухая
среда). Со временем были разработаны испыта-
ния на ускоренное старение кабелей, предназна-
ченные для оценки изменений работоспособности
кабеля в процессе эксплуатации.
Испытания кабелей на долговременное
старение не предназначены для оценки произ-
водственных дефектов, например пустот,
загрязняющих включений и неоднородностей на
границах раздела изоляция/экран. Для выявле-
ния этих дефектов, перед тем как кабель будет
введён в эксплуатацию, проводятся заводские
испытания, такие как испытание на частичные
разряды и испытания напряжением переменного
тока. Испытания же на старение предназначены
для гарантии того, что полимерные материалы
изоляции обеспечат надёжные характеристики
кабеля в течение длительных периодов эксплуа-
тации во влажной среде. Основным механизмом
старения кабелей с изоляцией из сшитого поли-
этилена является образование триингов. Обра-
зование электрических триингов — это механизм
быстрой деструкции, которая обычно иниции-
руется на дефекте. Сразу после возникновения
электрические триинги быстро развиваются в
течение нескольких секунд или минут, до тех пор
пока они не прорастут через всю изоляцию и не
вызовут электрический пробой.
Испытания на старение кабелей среднего
напряжения.
Для потребителей кабельной
продукции очень важно требовать данные испы-
таний кабелей на старение и анализировать их.
Эта информация является ценным индикатором
характеристик кабеля, относящимся не только
к изоляционной композиции, но и к материалам
электропроводящих экранов. Исходная электри-
ческая прочность, хотя и является показателем
качества изготовления кабеля, не отражает его
стойкости к старению. Во внимание необходи-
мо принимать как остаточную прочность после
испытаний на старение, так и скорость старения
в ходе испытаний.
Технологии сшивки.
Опыт показывает,
что при соблюдении технологии и культуры
производства кабели, произведённые по сила-
нольной технологии, полностью удовлетворяют
всем базовым требованиям по МЭК 60502 и
CENELEC HD620 и могут успешно использовать-
ся на среднее напряжение. В случае повышенных
требований к изоляции, таких как VDE и RWE в
Германии, необходимо использовать триинго-
стойкие пероксидосшиваемые компаунды.
Испытания на старение кабелей высокого
и сверхвысокого напряжения.
Последствия
отказов кабелей высокого и сверхвысокого
напряжения гораздо серьёзнее из-за высоких
нагрузок, обычно передаваемых этими кабеля-
ми. В отличие от кабелей среднего напряжения
в кабелях высокого и сверхвысокого напряжения
используются металлические влагозащитные
барьеры. Образование водных триингов не
рассматривается в качестве основной пробле-
мы, и испытания на долговременное старение
в воде для кабелей высокого и сверхвысокого
напряжения не проводятся.
Подход, используемый при подтверждении
надёжности кабелей высокого и сверхвысокого
напряжения, во многом сходен с методами,
используемыми при испытаниях маслонаполнен-
ных кабелей. В этих случаях принят системный
подход, когда, например, готовые кабели подвер-
гаются испытаниям вместе с арматурой (соеди-
нительными и концевыми муфтами). Квалифи-
кационные или типовые испытания проводятся
в течение одного или двух месяцев с использо-
ванием циклов термической нагрузки с одновре-
менным приложением повышенного напряжения.
До и/или после испытаний с тепловыми циклами
также проводятся испытания повышенным пере-
менным, постоянным или импульсным напряже-
нием. Отказы недопустимы.
Такой подход к квалификационным испыта-
ниям кабелей доказал свою эффективность,
так как эти системы в полевых условиях демон-
стрируют довольно высокую надёжность. Но
эти испытания также показали, что наиболее
слабым компонентом кабельной линии является
арматура.
Методика проведения предквалификацион-
ных испытаний сохраняет системный подход и
обобщает типовые испытания путём увеличения
длины кабеля и продолжительности испытаний.
Опыт эксплуатации.
Отказы кабелей являют-
ся не простой функцией времени их эксплуата-
ции, а скорее функцией времени эксплуатации,
совокупности воздействий и качества изготовле-
ния (рис. 18).
На рис. 18 отражён яркий пример того, каким
образом улучшались эксплуатационные харак-
теристики каждого нового поколения кабелей,
начиная с первых кабелей с изоляцией из
82
Сборник докладов XIX заседания Ассоциации электроснабжения городов России «ПРОГРЕССЭЛЕКТРО»
термопластичного ПЭ, затем кабелей с класси-
ческой изоляцией из СПЭ и, наконец, современ-
ных кабелей с изоляцией из ТСПЭ.
Удельная повреждаемость КЛ 6—35 кВ, выпол-
ненных кабелем с БПИ, по Московским кабель-
ным сетям — филиалу ОАО «МОЭСК» составляет
10—11 случаев/100 км, а для КЛ, выполненных
кабелем с изоляцией из СПЭ, — менее 1,5 случа-
ев/100 км, т.е. на порядок меньше, что является
хорошим показателем.
Касательно кабелей высокого и сверхвы-
сокого напряжения — ситуация аналогичная,
кабели имеют минимальное число отказов. Так,
по данным Высоковольтных кабельных сетей —
филиала ОАО «МОЭСК», на кабельных линиях,
находящихся в эксплуатации начиная с 1997 го-
да, не было ни одного случая отказа по причине
выхода из строя кабелей с изоляцией из СПЭ
современных конструкций.
Нормы испытаний и диагностика кабель-
ных линий.
Диагностические испытания не
всегда приводят к точным результатам, поэтому
по результатам испытаний нельзя строго пред-
сказать момент отказа кабеля. Однако при
соответствующем применении диагностические
испытания способны обеспечить информацию,
которую можно использовать для снижения
интенсивности отказов кабельной линии.
Диагностические испытания кабеля предпо-
лагают процесс, а не одиночное событие. Необхо-
димо анализировать данные о кабельной линии,
для того чтобы для конкретного состава линии
была выбрана соответствующая методика испы-
таний. В некоторых случаях лучше всего начать
с наиболее простой в применении
технологии, обеспечивающей общую
информацию, которая впоследствии
может быть использована для выбора
более специализированных методов.
Кабельные муфты должны быть
равнопрочным элементом кабель-
ной системы как электрически, так
и механически. Но на сегодняшний
день статистика такова, что конце-
вые муфты являются менее прочным
элементом кабельной системы.
Имеются случаи выхода из строя
концевых муфт различных произ-
водителей. Наиболее вероятная
причина — недостаточный уровень
качества работ при монтаже. Другой
возможный фактор — низкий уровень диэлек-
трических свойств изоляционной жидкости
(наличие посторонних частиц, влаги), который
также может быть связан с низким уровнем
монтажа. Соответственно, для концевых муфт
необходимо применять дополнительные меры
контроля качества монтажа, а в последующем —
и методы их диагностики. Предпочтительными
методами являются методы периодического
контроля уровня ЧР и тепловизионного контроля.
Напротив, проведение постоянной или перио-
дической диагностики кабеля на наличие ЧР в
изоляции не является обязательным, учитывая
низкую повреждаемость и высокую стоимость
данных систем.
К каждому из методов испытаний и диагности-
ки необходимо относиться с особой тщательно-
стью, оценивая их надобность.
ОЦЕНКА ПРОСТОЕВ И РИСКОВ
ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ КАБЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
Такие аспекты, как давление общественного
мнения, воздействие на природные запасы,
пересечение каналов, рек и плотно населённых
районов вынуждают операторов магистральных
сетей искать инновационные решения для разви-
тия сетей передачи. В результате ожидается, что
использование кабельных систем с изоляцией
из сшитого полиэтилена на высокое напряжение
переменного тока в передающих системах на
земле сильно увеличится в ближайшие годы.
Данное утверждение нельзя в полной мере отне-
сти к России, хотя применение кабельных линий
растёт в магистральных сетях и у нас.
1970
1975
1,000
0,500
0,100
0,050
0,010
0,005
Год прокладки кабеля
Внедрение «сополимерного» ТСПЭ
в 1980 году
Интенсивнос
ть отказов кабеля,
число/100 км/год
1980
1985
1990
2000
1995
Рис. 18. Интенсивность отказов кабеля
(отказов изоляции) в процессе эксплуатации
в Германии
83
6–8 февраля 2013 г. Ханты-Мансийск
Длинные кабельные линии — это высокая
степень риска в энергосистемах передачи в
связи с возможными пробоями и длительными
их ремонтами. Частота пробоев среди прочего
зависит от процедуры контроля качества. Также
кабельные системы должны быть адаптирова-
ны для технического обслуживания и быстрого
восстановления в случае аварии.
Опыт эксплуатации показывает, что только
малую часть времени простоя кабельной линии
составляет продолжительность ремонта кабеля.
Полное время простоя сильно зависит от других
аспектов — получения разрешения для входа на
объект, исследования аварии и выбора наилуч-
шего метода ремонта, получения разрешений
для начала работ, очистки участка, наличия
квалифицированного персонала, запчастей, и
т.д. Время простоя для высоковольтных линий
с изоляцией из сшитого полиэтилена может
составлять 1—2 недели в одном случае и 6—
9 месяцев — в другом.
Обеспечение качества.
Прежде всего, каче-
ство должно быть заложено правильным опреде-
лением технических параметров, испытаниями и
монтажом кабельной системы. Качество должно
поддерживаться надлежащим обслуживанием.
В случае аварии должна быть возможность
оперативного восстановления требуемого каче-
ства (рис. 19).
Качество, заложенное в систему.
Следует
определить, что качество будет заложено в
кабельной системе за счёт конструкции и соот-
ветствующих испытаний.
Как пример для концевых кабельных муфт —
важно работать над аспектами, которые могут
вызывать аварию на раннем сроке эксплуатации
сразу после монтажа. Таким образом, важно
иметь более детализированные процедуры
монтажа. Помимо процедур всё больше внима-
ния нужно уделять персональной квалификации
рабочих.
Перед монтажом муфт обязательно должны
выполняться испытания оболочки. Эти испыта-
ния позволяют определить даже малые повреж-
дения, например в результате различных меха-
нических действий, погрузочно-разгрузочных
работ. Если не выявить такие неисправности
сразу, это может стать причиной большой
проблемы позже.
Сохранение качества.
Предупредительные
осмотры в процессе эксплуатации и техобслужи-
вание могут помочь в предотвращении аварий.
После ввода в эксплуатацию кабельной системы
необходимо проводить периодические испыта-
ния кабельной оболочки. Повреждения от незна-
чительных ударов, которые не были обнаружены
ранее, конечно, проявятся через несколько лет.
Повреждения от третьих лиц могут быть легко
обнаружены благодаря таким измерениям и
могут быть направлены в суд, если они могут
быть зарегистрированы и подтверждены. Можно
избежать капитального ремонта, если проблема
обнаружена на ранней стадии.
Восстановление качества.
После аварии
кабельной системы качество должно быть
восстановлено как можно быстрее. Поэтому
бригада по обнаружению повреждений должна
быть в состоянии готовности 24 часа/7 дней в
неделю для предварительного осмотра в случае
выхода из строя. Для следующего шага требуется
внутренняя ремонтная служба для локализации
проблемы (также 24/7 в состоянии готовности).
Разрешения для доступа к собственности и для
работы должны быть оформлены заранее, таким
образом, чтобы работа не могла быть остановле-
на в неподходящий момент.
Желательно поддерживать контакт с постав-
щиком кабеля/системы и гарантировать
быструю готовность монтажников. Контракт с
поставщиком кабеля в течение нескольких лет
за определённую цену может помочь умень-
шить время подготовки. Важно иметь под рукой
Рис. 19. Структура системы управления качеством
Предквали-
фикационные
испытания
Испытания
образцов
Приёмо-сдат.
испытания на
заводе
Приёмо-сдат.
испытания на
объекте
Сохранение
качества
Восстановле-
ние качества
84
Сборник докладов XIX заседания Ассоциации электроснабжения городов России «ПРОГРЕССЭЛЕКТРО»
квалифицированного подрядчика для земляных
работ, для того чтобы была возможность открыть
любую траншею для осмотра.
Запчасти обычно заказываются и поставля-
ются вместе с кабельной системой, чтобы сразу
имелись в наличии. Необходимо периодически
проверять возможность использования тех или
иных запчастей.
ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ГОРОДСКИХ И
МАГИСТРАЛЬНЫХ КАБЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ.
МИРОВОЙ ОПЫТ
Кабели среднего напряжения.
Применение
кабелей с изоляцией из СПЭ в развитых сетях
имеет повсеместный характер. Кабельные линии
с БПИ вытесняются и применяются лишь для
ремонтов.
Основные преимущества СПЭ против БПИ
(в цифрах) приведены ниже.
Выше допустимая рабочая температура жилы
и пропускная способность:
• рабочая температура 90°С (СПЭ) против 70°С
(БПИ);
• при перегрузке — 130°С (СПЭ) против 90°С
(БПИ);
• при коротком замыкании — 250°С (СПЭ)
против 200°С (БПИ).
Меньше электрические потери:
•
диэлектрическая постоянная — 2,3—
2,4 против 3,6;
•
тангенс Дельта — 0,0001(0,0004) против
0,0030.
Нет ограничений по разности уровней проклад-
ки. Для кабелей с БПИ — не более 15 метров.
Меньший вес и радиус изгиба:
• вес — на 20—70% легче для СПЭ (в зависимо-
сти от конструкции и пропускной способности
кабеля);
• радиус изгиба — 1 (СПЭ) — 2,5—3,0 (БПИ).
Возможность прокладки больших длин, мень-
ше соединительных муфт, ниже вероятность
пробоя, дешевле.
Легче и дешевле прокладка:
• прокладка при температурах до -20°С (СПЭ)
против 0°С (БПИ);
• время сборки кабельной арматуры — 2 часа
(СПЭ) против 6 часов (БПИ).
Экологичность: нет свинца, нет утечек масла.
Меньше затрат при обновлении и обслужи-
вании кабельных сетей. Гораздо большее коли-
чество отказов кабелей с БПИ по сравнению с
экструдируемыми кабелями, что означает допол-
нительный обслуживающий персонал, больше
материалов и специального оборудования, необ-
ходимого для ремонта.
Кабели с изоляцией из сшитого полиэтиле-
на (СПЭ):
Наиболее продвинутые cетевые компании
используют только кабели с СПЭ.
Например, в Москве, начиная с 2004 года, для
всех новых проектов, а также для замены старых
кабелей с БПИ используются только кабели с
полимерной изоляцией.
Мировая практика.
Доля кабелей с изоляцией
из СПЭ, %:
•
Япония, Франция, Финляндия и Швеция — 100;
• Германия и Дания — 95;
• США и Канада — 85;
• Россия — 25.
Показатели надёжности по Москве, 2010 год:
• всего отказов — 11,7 случаев на 100 км/год;
• для изоляции из СПЭ — 1,8 на 100 км/год.
Показатели по Германии, 2006 год —
0,01 случаев на 100 км/год (WTR Copo).
КАБЕЛИ ВЫСОКОГО И СВЕРХВЫСОКОГО
НАПРЯЖЕНИЯ
В настоящее время кабели с изоляцией из
СПЭ являются предпочтительной конструкцией
почти для всех новых проектов по прокладке
высоковольтных и сверхвысоковольтных линий.
Австралия.
Производство кабелей высоко-
го и сверхвысокого напряжения основано на
технологии вертикальной непрерывной вулка-
низации. Популярны медные жилы типа
Milliken
и наружные оболочки из нержавеющей стали.
Кабели с изоляцией из СПЭ на напряжение
220 кВ применяются с середины 1990-х годов,
когда они впервые были проложены в пригоро-
де Мельбурна.
Система передачи постоянного напряжения
Мюррейлинк (Murraylink) (150 кВ, 220 МВт)
между Риверленд (Riverland) в штате Южная
Австралия и Санрейша (Sunraysia) в штате
Виктория представляет собой подземную высо-
ковольтную линию протяжённостью 177 км.
В качестве кабельной изоляции применяется
специальный СПЭ.
В настоящее время введена в эксплуатацию
подводная кабельная линия Басслинк (Basslink).
Для этой высоковольтной линии протяжённостью
290 км, соединяющей Австралию с Тасманией,
85
6–8 февраля 2013 г. Ханты-Мансийск
используются кабели на постоянное напряжение
400 кВ с изоляцией из бумаги с вязкой пропит-
кой.
Австрия.
Большая часть кабелей высоко-
го и сверхвысокого напряжения проложена в
районе вокруг Вены. Система состоит из 56 км
кабеля на напряжение 380 кВ и 757 км кабеля
на напряжение 110 кВ. В настоящее время на
существующей системе осуществляется монтаж
новых кабельных линий на основе кабелей с
изоляцией из СПЭ на напряжение 380 кВ. Для
повышения допустимой токовой нагрузки сети
в проекте применяется принудительное водяное
охлаждение.
Бельгия.
Сегодня
во всех системах высокого
или сверхвысокого напряжения используют-
ся кабели с изоляцией из СПЭ. Не так давно
завершён проект по прокладке кабеля на
150 кВ с жилами сечением 2000 мм
2
. В этом
проекте используется усовершенствованное
неферромагнитное экранирование для снижения
надземных магнитных полей.
Бразилия.
В проекте подземной кабельной
линии с применением отпаечных муфт T-Joints в
г. Сан-Пауло маршрут линии содержит несколь-
ко различных способов прокладки — две очень
тесно располагающиеся дороги, ручьи и выходы
скальных пород. Условия теплоотвода по длине
трассы существенно отличались.
Как показали исследования, наиболее эконо-
мичным решением в соответствии с допустимы-
ми токовыми нагрузками было использование
кабелей разных сечений и отпаечных муфт
(рис. 20).
Рис. 20. Проект подземной линии с
применением отпаечных муфт T-Joints в
г. Сан-Пауло, Бразилия
Россия.
Ещё одним проектом с применением
отпаечных муфт T-Joints является реконструк-
ция ВЛ-110 кВ «Восточная — Центральная»,
выполненная ОАО «Сетевая компания», Казань
(рис. 21). Существующая ВЛ-110 кВ проходила
по селитебной территории, и на основании СНИП
2.07.01-89, п. 7.1,7.9 «Градостроительство,
планировка и застройка» было принято реше-
ние перевести её в кабельную линию. Чтобы не
выполнять отпайку на ПС «Горки» в воздушном
исполнении (с установкой 18 концевых муфт на
надземной конструкции), проектом было преду-
смотрено применение отпаечных муфт T-Joints в
подземном кабельном тоннеле.
Рис. 21. Реконструкция ВЛ-110 кВ
«Восточная — Центральная»
T-Joints для прохода под рекой.
Другим
примером возможного использования отпаечных
муфт является применение их для разделения
отдельного кабеля на два кабеля с меньшим
сечением ТПЖ и, как следствие, увеличения
строительной длины для прохода под рекой.
86
Сборник докладов XIX заседания Ассоциации электроснабжения городов России «ПРОГРЕССЭЛЕКТРО»
Великобритания.
В настоящее время кабели
с изоляцией из СПЭ используются и на сверх-
высоком напряжении (Лондонская сеть, тоннель
Дартфорд, Великобритания). Это один из самых
больших тоннельных проектов протяжённостью
20 км и диаметром 3 м, реализованный в нацио-
нальной энергосистеме компанией National Grid.
При строительстве тоннеля для кабеля 400 кВ с
изоляцией из СПЭ большая часть работ выпол-
нялась под землёй.
Важная подводная высоковольтная кабель-
ная линия переменного напряжения связывает
основную территорию Великобритании с остро-
вом Мэн. Эта линия рассчитана на передачу
мощности 40 МВт и имеет протяжённость 105 км.
Кабель на напряжение 150 кВ имеет изоляцию
из СПЭ. Линия также включает подводную
волоконно-оптическую систему связи.
Германия.
Технология изготовления кабе-
лей сверхвысокого напряжения применялась
при производстве так называемых «городских
кабелей» (CityCable) или «трубных кабелей» (Pipe-
Cable) высокого напряжения, которые эксплуати-
руются при очень высоких значениях напряжённо-
сти электрического поля и могут прокладываться
в трубопроводах, которые ранее использовались
для кабелей с бумажной изоляцией.
Такие кабели применяются также на нескольких
объектах в Москве и Санкт-Петербурге (рис. 22).
Сверхвысоковольтные кабельные линии с
изоляцией из СПЭ.
В области высокого напря-
жения переход от маслонаполненных кабелей к
кабелям с изоляцией из СПЭ проводился уже в
течении многих лет. Опыта эксплуатации кабель-
ных систем на напряжение 380 кВ с кабелями в
пластмассовой изоляции ещё не было. Поэтому, в
тесном комплексном сотрудничестве с кабельной
промышленностью, типовые испытания кабеля и
арматуры вылились в один долгосрочный экспе-
римент.
Первая и самая важная долгосрочная цель
эксперимента заключалась в демонстрации
совместного использования способностей кабе-
лей, муфт и элегазовых линий, а также воздуш-
ных линий электропередачи. При этом следовало
изучить и проверить поведение диэлектрического
старения и термомеханические свойства. Испы-
тания в лаборатории CESI (Centro Sperimentale
Elettrotecnico ltaliano) в Милане были проведены
в два этапа.
В общей сложности шесть производителей
кабелей прошли оба этапа проверки. К эксплуа-
тации были допущены кабели двух производите-
лей (рис. 23, табл. 3).
В рамках технико-экономического обоснова-
ния было исследовано, в какой мере кабельная
линия может быть выполнена в одном непре-
рывном туннеле. На основании результатов
геологической экспертизы
существующих строительно-
исследовательских скважин и
проведённых глубоких бурений
было решено построить сквоз-
ной туннель. Этот туннель
проходит на глубине от 25
до 30 м ниже уровня земли,
наружный диаметр — 3,6 м и
чёткие внутренние размеры —
3,0 м. Длина туннеля составля-
ет около 6,3 км. Длины четырёх
участков туннеля между шахт-
ными сооружениями находятся
Рис. 22. «Городские» высоковольтные кабели
Рис. 23. Кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена на
напряжение 380 кВ
Силиконовый сжимающий конус
Сжимающее устройство
Высоковольтный
электрод
Соединительный
элемент
Изоляция (эпоксидная смола)
Усаживаемая трубка
XLPE кабель
87
6–8 февраля 2013 г. Ханты-Мансийск
на расстоянии между 1,1 и 1,9 км. Шахты исполь-
зуются для осмотров, вентиляции и отвода
тепловыделений от туннельных объектов.
Выработка туннеля была произведена с
помощью проверенной технологии. Проходка
отдельных участков туннеля осуществлялась
так называемым тюбинговым способом. Вслед
за проходческим комбайном туннель облицовы-
вался (укреплялся) сборными железобетонными
изделиями, так называемыми тюбингами. Шесть
тюбингов составляют одну водонепроницаемую
крепь в форме полного кольца длиной 1,2 м.
После европейского тендера на строитель-
ство второй очереди между подстанциями
Friedrichshain — Marzahn было решено и этот
участок выполнить в виде непрерывного тунне-
ля на глубине от 15 до 25 м ниже поверхности
земли. Протяжённость туннеля составляет около
5,2 км. Туннель, как и в предыдущем случае,
выполнен с внутренним диаметром 3 м.
Исключительно по техническим причинам
кабельная система может работать без прину-
дительного охлаждения. При этом тепловые
потери (около 300 Вт/м) полностью уходят в
зону туннеля и температура кабелей не превы-
шает максимально допустимую температуру.
Потепление грунтовых вод на расстоянии 3 м от
наружной стены туннеля может быть допустимо
не более чем на 5 градусов. Это требование
привело к тому, что принудительное воздушное
охлаждение не могло быть отменено. Для этой
цели была избрана принудительная вентиляция
со ступенчато регулируемым расходом воздуха
до 60000 м
3
/ч.
Кабели были прикреплены в туннеле через
каждые 7,2 м на консолях. Между точками закре-
пления они висят свободно и благодаря дистан-
ционным держателям фиксируются. Особое
внимание было уделено обеспечению качества
всей кабельной системы в целом (кабель, арма-
тура, монтаж).
В начале пусковых испытаний произведены
измерения частичных разрядов всей арматуры
при напряжении 230 кВ. После этого в течение
четырёх недель производились циклические
нагрузки при номинальном токе. Это позволило
определить термомеханические напряжения
кабеля и арматуры, которым они подвергнутся
позже при эксплуатации. Параллельно накапли-
вался опыт работы по использованию принуди-
тельной вентиляции. В заключение были произ-
ведены новые испытания при напряжении до
400 кВ (1,7·U
о
) с измерением частичных разрядов.
Для тоннельного комплекса была разработана
и осуществлена обширная концептуальная систе-
ма безопасности: противопожарная защита,
вентиляция, охранная система и система связи.
Кабели были покрыты огнезащитным слоем.
Для обслуживания и контроля всего комплекса
в процессе эксплуатации были смонтированы
монорельсовая подвесная дорога и щелевая
антенна для обеспечения устойчивого дистан-
ционного управления, передачи видеосигнала и
радиопереговорная система. Подвесная дорога
состояла из транспортёра для перевозки людей,
пульта дистанционного управления, видеокамер
и оснащалась противопожарным оборудовани-
ем. Вся система туннельной дороги включала
в себя транспортёр для материалов, а если это
необходимо, то могла быть связана с транспор-
тёром для персонала и спасательным транспорт-
ным средством. В туннеле с помощью дороги
возможно проведение обеих видов инспекции —
как с наличием персонала, так и без него (рис. 24
и 25).
Весь комплекс был введён в эксплуатацию
в ноябре 2000 года.
Дания.
В Дании реализованы три проекта
мировой значимости: Копенгагенское кольцо
(Copenhagen Ring), комплекс морских ветровых
электрогенерирующих установок Хорнс Рев
(Horns Rev Offshore Wind Farm) и линия Аргус-
Аалборг (Arhus-Aalborg). Особенно успешным
Табл. 3. Параметры кабелей 2ХS(FL)2Y и
2XKLD2Y
Кабель с
многослойной
оболочкой
2XS (FL)2Y
Кабель с
гофрирован-
ной оболочкой
2XKLD2Y
Сечение жил
1600 мм
2
Cu
1600 мм
2
Cu
Сечение
оболочки
240 мм
2
1400 мм
2
Наружный
диаметр
134 мм
150 мм
Номинальная
передаваемая
мощность
1100 MВA
1100 MВA
Погонный вес
кабеля
27 кг/м
28 кг/м
Максимальная
строительная
длина
750–900 м
750 м
88
Сборник докладов XIX заседания Ассоциации электроснабжения городов России «ПРОГРЕССЭЛЕКТРО»
считается проект Копенгагенское кольцо, в кото-
ром используются кабели с изоляцией из СПЭ,
поскольку это был первый случай прокладки
очень больших длин кабелей сверхвысокого
напряжения непосредственно в грунте. Морская
ветровая электростанция в Хорнс Рев — это
первый крупный проект, реализуемый в рамках
разработанного датским правительством плана
развития энергетики этой страны. Расчётная
мощность объекта составляет 160 МВт, эту
мощность обеспечивают 80 ветротурбин, распо-
ложенных в море в 16 км от берега.
Все эти проекты поддержаны обществен-
ностью, одобряющей прокладку подземных
кабелей. Политика Дании в области прокладки
кабельных линий сводится к следующему:
• все высоковольтные воздушные линии (от 50 до
150 кВ) должны быть заменены кабельными;
• линии на напряжение 400 кВ должны разме-
щаться под землей как в жилых районах, так и
в живописных природных районах.
Италия.
Ранее в конструкциях кабелей,
рассчитанных на 150 кВ, широко применялась
изоляция из ЭПР. В настоящее время предпочте-
ние отдается изоляции из СПЭ, что объясняется
её более низким весом, существенно
более низкими диэлектрическими
потерями и невысоким уровнем капи-
тальных затрат.
Кабель на напряжение 380 кВ с
изоляцией из СПЭ сечением жилы
2000 мм
2
и длиной 50 км в настоящее
время эксплуатируется в Милане.
В этом проекте применяется специаль-
ная металлическая оболочка кабеля,
снижающая воздействие создаваемо-
го кабелем внешнего магнитного поля.
Нидерланды.
В Роттердаме во
избежание образования участков локального
перегрева кабельной системы с изоляцией из
СПЭ на напряжение 400 кВ использована систе-
ма искусственного охлаждения водой, циркули-
рующей по трубам.
Финляндия.
Применение кабелей высокого
напряжения с изоляцией из СПЭ в энергосетях
Финляндии давно стало обычной практикой.
В настоящее время между Финляндией и
Эстонией осуществляется прокладка второй
очереди подводной системы кабелей высокого
напряжения постоянного тока (150 кВ) с изоля-
цией из СПЭ — Эстлинк-2 (Estlink-2), которая
свяжет энергетические системы этих двух стран.
Кабельная линия будет введена в эксплуатацию
в начале 2014 года. Общая мощность кабель-
ной линии между двумя странами достигнет
1000 МВт. Кабель был произведён в Норвегии
двумя кусками по 75 км и весом по 5800 тонн.
Франция.
Энергетическая система Франции
включает сеть магистральных линий на напряже-
ние 400 кВ и распределительную сеть высокого
напряжения (63, 90 и 225 кВ). В предыдущие
годы были проложены значительные объёмы
кабелей с изоляцией из ПЭНД и ПЭВД. Однако
в настоящее время стандартным стало приме-
нение кабеля с изоляцией из СПЭ от местных
производителей; проведены многочисленные
исследования и квалификационные испытания
для кабелей на номинальное напряжение 400 и
225 кВ. Кабели на 400 кВ прокладываются толь-
ко в исключительных случаях.
Швеция.
В течение многих лет в Швеции
успешно используются высоковольтные кабели
с изоляцией из СПЭ на напряжение до 245 кВ.
Эта тенденция находит продолжение в амби-
циозном проекте замены воздушных линий на
кабельные в Стокгольме. В конце 1990-х годов
Рис. 25. Вид тоннеля с тоннельной дорогой
Рис. 24. Транспортировщик персонала в сочетании с
перевозчиком материалов
Камера-фара
Видеокамера
Несущая шина
Установка
пожаро-
тушения
Перевозка
персонала
Носилки
Инструмент
Материалы
Перевозка материалов
Дюзы гасители
Инфракрасный
фонарь
89
6–8 февраля 2013 г. Ханты-Мансийск
на острове Готланд впервые в мире был реали-
зован коммерческий проект с использованием
высоковольтных кабелей постоянного тока с
изоляцией из СПЭ. Эта система, оказавшаяся
экономически более эффективной, чем воздуш-
ные линии, продолжает функционировать без
каких-либо проблем.
Япония.
В новых кабельных конструкциях,
рассчитанных на напряжение до 500 кВ, изоля-
ция из СПЭ заменила традиционную бумажную
и бумажную, ламинированную полипропиленом.
Построено много электросетей на напряжение
275 и 500 кВ, которые успешно эксплуатируются.
В последнее время причиной для беспокойства
стала надёжность маслонаполненных кабелей,
в частности, из-за утечек масла, вызванных
усталостью металла кабельных трубопроводов.
Проблема обостряется, и компания Tokyo Electric
Power Company в 2005 году приступила к полной
замене маслонаполненных кабелей протяжённо-
стью 280 км на кабели с изоляцией из СПЭ.
Россия.
В эксплуатации остаётся большое
количество старых маслонаполненных кабелей.
При их замене планируется использовать кабели
с изоляцией из СПЭ.
ЗАМЕНА МАСЛОНАПОЛНЕННЫХ
КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ ВЫСОКОГО И
СВЕРХВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
Маслонаполненные кабельные линии высоко-
го и сверхвысокого напряжения показывают
высокую надёжность. Многие кабели были
проложены ещё в 1960—70-х годах, некоторые
выработали ресурс уже дважды. Тем не менее
они до сих пор продолжают работать.
Но есть одна важная проблема, от которой
нельзя уйти — термическая деструкция изоля-
ции. Тангенс дельта, который и изначально
имеет высокое значение 0,003 по сравнению
с СПЭ, в течение срока службы постепенно
растёт. В некоторых случаях он может превы-
шать исходное значение в 5—10 раз. Как след-
ствие, увеличение потерь на нагрев изоляции
при сохранении расчётной нагрузки приведёт к
тепловому пробою. В результате — необходимо
постепенно понижать температуру на жиле,
уменьшая пропускную способность.
Большие затраты ложатся на содержание
маслохозяйства и постоянный отбор проб масла.
Сетевым и генерирующим компаниям уже
сейчас необходимо продумывать план по замене
данных линий и планировать соответствующие
инвестиции.
Наиболее продвинутые компании уже сейчас
занимаются заменой маслонаполненных кабе-
лей, тем самым уменьшая затраты на потери,
развивая свои сети и ограждая себя от больших
вынужденных затрат в случае аварии.
ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ
С ростом спроса на электроэнергию, в условиях
всё более осознанного отношения к охране окру-
жающей среды и повышения скорости передачи
информации очевидны следующие тенденции:
•
электроэнергетическим компаниям нужны
более простые в прокладке и техническом
обслуживании и менее дорогостоящие кабель-
ные системы;
• конечные потребители хотят получить кабели с
повышенным сроком службы;
• существенное снижение уровня потерь элек-
троэнергии в передающих и распределитель-
ных системах;
• повышение внимания к проблемам, связанным
с электромагнитными полями;
• развитие подземных сетей в городских райо-
нах с целью устранения отрицательного визу-
ального воздействия воздушных линий;
• объединение передачи данных и энергии;
• повышение уровня надёжности электроснаб-
жения в условиях роста зависимости жизни и
деятельности человека от электроснабжения.
Благодаря современным инновациям в техно-
логии преобразователей, созданию кабелей с
изоляцией из СПЭ и гибкости структуры систе-
мы наблюдается быстрый рост применения
высоковольтных систем передачи постоянного
напряжения, единственной технологии, способ-
ной обеспечить передачу электроэнергии на
большие расстояния по подземному кабелю.
Очевидно, что средства диагностики станут
важнейшей частью систем управления электро-
сетями. Новые виды кабелей и арматуры, по
всей вероятности, будут иметь характеристики,
обладающие значительной информационной
ёмкостью.
Нет сомнения в том, что применение
и важность кабельных систем будут возрастать.
В скором времени (10—15 лет) кабели с БПИ
будут заменены кабелями с изоляцией из СПЭ,
которые в свою очередь через 50—60 лет будут
заменены кабельными системами на базе сверх-
проводников.
Электрическая прочность высоковольтных кабелей приблизительно с 1890 г. была значительно улучшена за счёт применения пропитанной минеральным маслом многослойной бумажной изоляции. Благодаря впервые применённой компанией «Pirelli» в 1917 г. проводящей бумаге под изоляцией жил стало возможным уменьшить повреждаемость от частичных разрядов на граничной поверхности между изоляцией и жилой. Этим была достигнута ещё большая электрическая прочность. В этой проводящей бумаге можно усмотреть прообраз сегодняшних внутренних проводящих слоёв. Приблизительно в это же время начались измерения фактора диэлектрических потерь tg в кабельной технике. С 60-х годов пластмассы стали применяться как для изоляции, так и для оболочки низковольтных кабелей, а разработанная и внедрённая в 1963 г. компанией General Electric изоляция из сшитого полиэтилена стала одним из ключевых факторов развития подземных кабельных систем среднего и высокого напряжения. Сегодня кабели с изоляцией из СПЭ находятся в эксплуатации в области высокого и сверхвысокого напряжений.