Разработка, производство и использование высококачественных СПЭ-компаундов для кабелей высокого и сверхвысокого напряжения

Page 1

Page 2

«КАБЕЛЬ-news», март 2010

Доклад на конференции

ÏÎËÈÌÅÐÍÛÅ ÌÀÒÅÐÈÀËÛ

Спрос на кабели высокого и сверх-

высокого напряжения с изоляцией из

сшитого полиэтилена (СПЭ) стабиль-

но растет. Это связано с необходимо-

стью строительства новых и модер-

низации уже существующих систем

передачи электроэнергии. Рост горо-

дов приводит к сокращению площади

землеотводов под воздушные линии

электропередачи (ЛЭП). Кроме того,

экологические аспекты, связанные с

электромагнитным излучением воз-

душных ЛЭП, вызывают общественное

противодействие прокладке новых ли-

ний. В этих условиях альтернативное

решение в виде подземных кабельных

линий становится все более предпо-

чтительным.

Использование СПЭ для данного

применения является общепринятым

стандартом, а совершенствование

технологии материалов и кабельного

производства позволяют использовать

СПЭ для кабелей на напряжение до

500 кВ переменного тока.

В ходе эволюции технологии СПЭ

менялись важные характеристики от-

дельных изоляционных и полупрово-

дящих компаундов, что на сегодняш-

ний день обеспечивает безопасность

и экономическую эффективность

производства кабелей на этапе экс-

трузии и сшивки, в сочетании с вы-

сокой электрической прочностью,

низкими диэлектрическими потерями

и сниженным содержанием побочных

продуктов.

Разработка, производство и
использование высококачественных
СПЭ-компаундов для кабелей
высокого и сверхвысокого
напряжения

Анджей Урбанчик,

Ян-Ове Бустрем,

Бореалис

Анджей Урбанчик

Page 3

«КАБЕЛЬ-news», март 2010

Доклад на конференции

Данная статья освещает шаги,

предпринятые с целью обеспечения

повышенного уровня чистоты СПЭ изо-

ляции, а также гладкости поверхности

полупроводящих экранов, требуемых

для кабелей высокого и сверхвысо-

кого напряжения. Кроме того, здесь

описана технология переработки со-

временных СПЭ компаундов, включая

необходимость измерения количества

побочных продуктов, оставшихся по-

сле дегазации.

Введение

Эволюция кабелей берет свое

начало с 19 века, а технология их

производства несколько раз пре-

терпела существенные изменения.

Кабели, предназначенные для напря-

жения выше 100 кВ, были разработаны

в 1930-х годах, а система изоляции в

то время была основана на спрессо-

ванной, пропитанной маслом бумаге.

Данная технология была основой для

последующей эволюции кабелей для

напряжений до 500 кВ на протяжении

почти 40 лет.

Изобретение полиэтилена послу-

жило началом для разработки кабелей

с полимерной изоляцией. Начав с при-

менения ПЭ для кабелей низкого на-

пряжения, процесс повышения рабоче-

го напряжения шел довольно быстро, и

период времени, который потребовал-

ся, чтобы достичь напряжения в 500 кВ,

был относительно коротким — с конца

1960-х до конца 1980-х. Изобретение

сшитого полиэтилена (СПЭ) послужи-

ло мощным толчком в развитии техно-

логии, поскольку данный тип изоляци-

онной системы позволяет производить

более экономичные (с более высокой

рабочей температурой) кабели.

Один из ключевых элементов в тех-

нологической эволюции — это разра-

ботка компаундов и технологий произ-

водства кабеля, связанных с системой

обеспечения качества, а также мето-

дик и систем контроля качества.

Проекты

Переход на СПЭ для изоляции кабе-

лей высокого напряжения до 150-200 кВ

сегодня становится повсеместным.

Доля смонтированных кабелей с изоля-

цией из СПЭ в этом сегменте в период с

2001 по 2006 год составила более 90%.

Для более высоких напряжений СПЭ

также становится наиболее предпочти-

тельным типом изоляции. Это видно по

большому количеству проектов по про-

кладке СПЭ кабелей сверхвысокого на-

пряжения во всем мире.

Производство компаунда

Полиэтилен производится с ис-

пользованием различных технологий

полимеризации этилена. Для изоляции

кабелей высокого и сверхвысокого на-

пряжения основой является полиэтилен

низкой плотности (ПЭНП), произво-

димый по так называемой технологии

высокого давления. Поскольку ключе-

вым требованием для таких материа-

лов является высокая степень чистоты,

предпочтительно использование так

называемого тубулярного реактора

(реактора вытеснения). Данная техно-

логия позволяет придавать полиэтиле-

ну широкий спектр требуемых характе-

ристик в сочетании с высокой степенью

чистоты продукта. Другой тип реактора,

автоклавного типа (реактор смешения),

имеет вращающиеся лопатки внутри

сосуда, что повышает вероятность по-

падания включений от вращающихся

частей. По этой причине реакторы ав-

токлавного типа не используются для

производства СПЭ компаундов для вы-

сокого и сверхвысокого напряжения.

Для получения СПЭ изоляционного

компаунда с требуемыми характери-

стиками и степенью чистоты, добавка

присадок, таких как стабилизаторы и

пероксид для сшивки, осуществляется

Таблица 1. Некоторые проекты кабельных линий

высокого и сверхвысокого напряжения

Название проекта

Сечение

жилы, мм

Напряжение,

кВ

Протяжен-

ность, км

Начало экс-

плуатации

PUB, Russia

1000

220

168

1995

Powergrid, Сингапур

2000

245

1997

Copenhagen 1&2, Дания

1600

400

108

1997—1999

Berlin 1 &2, Германия

1600

400

1998—2000

Dublin, Ирландия

1600

220

2000

Madrid, Испания

2000

220

2001

Dachaoshan, Китай

800

525

2001

Тайвань

2500

345

2003

Seoul, Южная корея

2000

345

2003

London Project, Великобритания

2500

400

2004

Madrid Airport, Испания

2500

400

2004

Aarhus-Arlborg, Дания

1200

400

2004

Rotterdam, Нидерланды

1600

400

2005

Zhengzhou City, Китай

800

220

2005

Бурейская ГЭС, Россия

800

500

2,5

2005

Vienna, Австрия

1200

380

2006

Milan, Италия

2000

400

2006

Istanbul, Турция

2000

380

27,9

2008

Porce III Колумбия

800

500

5,4

2010

ÏÎËÈÌÅÐÍÛÅ ÌÀÒÅÐÈÀËÛ

Page 4

«КАБЕЛЬ-news», март 2010

Доклад на конференции

ÏÎËÈÌÅÐÍÛÅ ÌÀÒÅÐÈÀËÛ

только после стадии полимеризации.

Данный процесс интегрирован в абсо-

лютно закрытую систему, обеспечива-

ющую требуемую степень чистоты.

Все части производственного обо-

рудования тщательно отобраны и скон-

струированы, а управление производ-

ственным процессом осуществляют

подготовленные специалисты.

Не менее важно наличие обучен-

ного сервисного персонала, осущест-

вляющего обслуживание и ремонт обо-

рудования.

Качество

Система обеспечения качества.

Наличие совершенной системы обе-

спечения качества на основе обще-

признанных стандартов, таких как

ISO 9000, является необходимым усло-

вием организации любого современ-

ного производства. Хорошая система

обеспечения качества — это эффек-

тивный инструмент организации дея-

тельности, где наиболее критичные

операции тщательно спланированы,

выполнены и отслежены. Это также га-

рантирует постоянный процесс совер-

шенствования производства.

Эволюция стандарта привела к тес-

ной интеграции участников цепочки

поставщиков, а также необходимости

наличия системы обеспечения каче-

ства на каждом этапе. Цель — надеж-

ность поставок соответствующего сы-

рья и услуг по всей производственной

цепочке.

Контроль качества.

Процедуры

контроля качества для СПЭ-ком-

паундов претерпели значительные

усовершенствования с начала произ-

водства первого поколения изоляци-

онного материала Superclean и полу-

проводящего материала Supersmooth.

В 1970-х контроль степени чистоты и

гладкости поверхности были полно-

стью ручными операциями, основан-

ными на визуальной проверке пленки,

экструдированной из пробы материала

исследуемой промышленной партии.

На сегодняшний день специальные

автоматические устройства работают

в режиме «онлайн» и осуществляют

непрерывный контроль таких важных

свойств материалов, как степень чи-

стоты и гладкость поверхности.

Минимальный определяемый раз-

мер включений с тех пор был уменьшен

со 120 мкм до примерно 20 мкм, т.е. до

размера, невидимого невооруженным

глазом. Соответственно стало возмож-

ным последовательное повышение

чистоты конечного продукта. Для ма-

териалов с самыми высокими требо-

ваниями гарантируется минимальное

количество посторонних включений

размером до 50 мкм, что указывается

в спецификации.

Вместе с эволюцией чистоты изоля-

ционных компаундов, росло качество

полупроводящих материалов. Процесс

компаундирования постоянно совер-

шенствуется путем внедрения авто-

матических устройств непрерывного

контроля качества. Использование

ацетиленовой сажи дало возможность

улучшить гладкость до так называемо-

198

199

2001 20

200

2006 20

Относительное содержание примесей >100 мкм

Рис. 1. Автоматический
контроль чистоты

Рис. 2. Эволюция степени чистоты для СПЭ

Page 5

«КАБЕЛЬ-news», март 2010

Доклад на конференции

го SupersmoothTM уровня или уровня с

улучшенными характеристиками.

Производство кабеля

При производстве кабелей с изо-

ляцией из СПЭ для высокого и сверх-

высокого напряжения используется

сухая вулканизация и технология трой-

ной экструзии. Сухая вулканизация

означает, что сшивка происходит в

среде, свободной от влаги, что гаран-

тирует отсутствие влаги и пузырьков в

изоляции. Для производства крупных

кабелей, как правило, используют-

ся вертикальные линии непрерывной

вулканизации, где проще обеспечить

минимальный эксцентриситет при

больших сечениях жилы и с большой

толщиной изоляции.

Тройная экструзия означает, что

все три слоя накладываются на жилу

одновременно, в общей экструзионной

головке. Это обеспечивает гладкую

поверхность на границах между изо-

ляционным слоем и полупроводящими

слоями, что является крайне важным

аспектом. Чтобы гарантировать наи-

лучшую границу раздела, предпочти-

тельно использовать сверхгладкий по-

лупроводящий компаунд, особенно для

кабелей сверхвысокого напряжения.

Правильная организация произ-

водственного процесса важна как для

обеспечения экономической эффек-

тивности кабельного производства,

так и для гарантии высочайшего ка-

чества готовой продукции. Одним из

хорошо известных ограничивающих

факторов при экструзии СПЭ являет-

ся эффект преждевременной сшивки

(подсшивки) материала в экструдере.

В целях предотвращения попадания

подсшитого материала (скорча) из

экструдера в кабельную изоляцию не-

обходимо производить периодическую

чистку оборудования. Однако, данная

операция ограничивает максимально

возможную длину кабеля и снижает

общую эффективность производства,

повышая затраты.

Новые разработки в области СПЭ

компаундов были направлены на сни-

жение риска подсшивки полиэтилена

в экструдере.

Дегазация

Дегазация изолированной жилы

является важной частью процесса

производства кабелей высокого и

сверхвысокого напряжения. Это от-

дельный этап, при котором барабан

с кабельной заготовкой помещается

в нагретую дегазационную камеру и

выдерживается в ней в течение про-

должительного времени. Целью явля-

ется вывод всех газообразных компо-

нентов из изоляции. Эти компоненты

образуются в процессе сшивки, где в

качестве сшивающего агента исполь-

зуется перекись дикумила. Основные

побочные продукты, образующиеся в

процессе реакции сшивки, это метан,

ацетофенон и кумиловый спирт.

Наиболее важно снижение содер-

жания метана, т.к. данное вещество

является пожароопасным и может по-

служить причиной взрыва. Кроме того,

ÏÎËÈÌÅÐÍÛÅ ÌÀÒÅÐÈÀËÛ

Рис. 5. «Carrot scorch test» показывает меньший риск подсшивки для современных
СПЭ компаундов

Рис. 3: Повышение степени гладкости
стандартных полупроводящих ком-
паундов (количество поверхностных
дефектов на экструдированной ленте)

Рис. 4. Повышение степени гладкости
улучшенных полупроводящих компа-
ундов (количество поверхностных де-
фектов на экструдированной ленте)

Page 6

«КАБЕЛЬ-news», март 2010

Доклад на конференции

ÏÎËÈÌÅÐÍÛÅ ÌÀÒÅÐÈÀËÛ

метан может создавать повышенное

внутреннее давление в бронированном

кабеле. Данное избыточное давление

может послужить причиной выхода из

строя кабельной арматуры.

При разработке новых изоляцион-

ных компаундов на основе СПЭ уда-

лось значительно снизить необходимую

концентрацию перекиси дикумила, а

следовательно, уменьшить время, не-

обходимое для дегазации.

Новые области применения

Успешное внедрение СПЭ для ка-

белей высокого и сверхвысокого на-

пряжения для переменного тока созда-

ет основу для качественного прорыва в

области постоянного тока (HVDC).

Традиционно кабели высокого на-

пряжения постоянного тока (HVDC) изо-

лируются бумагой. Однако это доста-

точно трудоемкий и затратный метод.

Привязываясь к разработкам новых AC/

DC конверторов, так называемых кон-

верторов источника напряжения, были

разработаны кабели постоянного тока

высокого напряжения с полимерной

изоляцией на основе СПЭ.

Уже более 10 лет в промышленной

эксплуатации находится кабельная ли-

ния высокого напряжения постоянного

тока. В настоящее время готовы к за-

пуску новые системы на базе кабелей

на 320 кВ и мощностью более 1000.

Известно, что кабельные линии

высокого напряжения переменного

тока не могут использоваться на рас-

стояниях свыше 100 км. Вследствие

этого системы постоянного тока

становятся более интересными для

передачи энергии на большие рас-

стояния при подземной и подводной

прокладке.

Заключение

Разработка, производство и эф-

фективное использование высоко-

качественных СПЭ-компаундов для

кабелей высокого и сверхвысокого на-

пряжения требует наличия:

•

Сверхчистые изоляционные и

гладкие полупроводящие компаунды

•

Система обеспечения и кон-

троля качества

•

Современные технологии про-

изводства кабеля

•

Изоляционные и полупрово-

дящие компаунды с уменьшенным рис-

ком подсшивки

• Экономически

эффективное

производство кабеля с использовани-

ем компаундов, требующих наимень-

шего времени для дегазации,

•

Специальные СПЭ компаун-

ды для кабелей высокого напряжения

постоянного тока с экструдированной

изоляцией становятся новым решени-

ем для передачи энергии на большие

расстояния.

DiCumyl Peroxide

Cumyloxy Radical

a,a-Dimethyl

Benzyl Alcohol

(DMBA)

Acetophenone

Methyl
Radical

+ Methyl
Radical

Heat

beta
Cleavage

Hydrogen
Abstraction

Acid
Catalyzed
Dehydration

a-Methyl

Styrene

(AMS)

Methane

Ethane

Рис. 6. Реакция декомпозиции перекиси дикумила

Таблица 2. Основные проекты с использованием кабелей

высокого напряжения постоянного тока

Проект

Мощность,

МВт

Напряжение,

кВ

Длина,

км

Применение

Год

заказа

Hellsön

Тестовая линия

1994

Gotland

Подземный/Ветряной

1997

Tjäreborg

Ветряной

1998

Directlink

3x60

Подземный

1998

Eagle pass

B-t-B

1999

Cross sound

330

150

Подземный /Reliability

2000

Murray link

220

150

180

Подземный

2000

Troll

2x40

Oﬀ shore

2002

Estlink

350

150

100

Подземный+ Подводный/

Reliability

2005

Valhall

250

Оффшорный

2005

Troll II
Feed study

2x40

Оффшорный

2006

Штокман, ТЭО

Оффшорный, Подводный

2006

Bard, Study

350

150

200

Оффшорный, Ветряной

2006

Представительство

«Бореалис АГ, Австрия» в РФ

Адрес: 123610, Россия, Москва,

Краснопресненская наб., 12, 6-й

подъезд, оф. 420

Тел.: (495) 258-18-95/97

Факс: (495) 258-18-96

www.borealisgroup.com

Оригинал статьи: Разработка, производство и использование высококачественных СПЭ-компаундов для кабелей высокого и сверхвысокого напряжения

Читать онлайн

Спрос на кабели высокого и сверхвысокого напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ) стабильно растет. Это связано с необходимостью строительства новых и модернизации уже существующих систем передачи электроэнергии. Рост городов приводит к сокращению площади землеотводов под воздушные линии электропередачи (ЛЭП). Кроме того, экологические аспекты, связанные с электромагнитным излучением воздушных ЛЭП, вызывают общественное противодействие прокладке новых линий. В этих условиях альтернативное решение в виде подземных кабельных линий становится все более предпочтительным.