Способы увеличения пропускной способности КЛ с изоляцией из сшитого полиэтилена

КАБЕЛЬ−news / № 9 / сентябрь  2009

62

Актуально

В  электроэнергетике  в  настоящее  время  намети-

лась тенденция к применению относительно нового 
типа кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена 
различных  классов  напряжения.  Этот  тип  кабелей 
также  активно  внедряется  в  сетях  электроснаб-
жения  различных  производственных  комплексов. 
Наибольшую  актуальность  приобретает  приме-
нение  указанного  вида  кабелей  в  энергосистемах 
крупных  городов.  Известно,  что  все  большее  рас-
пространение  внутри  крупных  городов  находят 
кабельные  линии  высоких  классов  напряжений. 
Это  связано  с  такими  специфическими  условиями 
внутри крупных городов как высокая плотность за-
стройки,  сокращение  свободных  площадей  внутри 
города, связанное с развитием его инфраструктуры, 
высокие требования к электромагнитной совмести-
мости  электрических  сетей  высокого  напряжения 
с  установками  техносферы  и  коммуникационными 
сетями,  допустимыми  уровнями  воздействия  элек-
тромагнитных полей, создаваемых воздушными ли-
ниями электропередачи на человека и т. д. 

Естественно,  что  при  применении  нового  элек-

трооборудования  возникают  новые  явления  в 
электрических сетях, которых не было ранее [1]. Об-
условлены  они    разными  причинами,  основные  из 
которых заключаются в новых конструктивных осо-
бенностях, а как следствие и в новых электрических 
параметрах такого оборудования, которое является 
составной частью любой энергосистемы. Неизучен-
ность  основных  процессов,  происходящих  при 
применении  кабелей  с  изоляцией  из  сшитого  по-
лиэтилена,  приводит  к  авариям,  ограничивающим 
электроснабжение  потребителей,  и  значительным 
затратам  временных  и  материальных  ресурсов  на 
устранение их последствий.

 Примером сказанному могут служить значитель-

ное  количество  пожаров  в  кабельных  линиях  ВН  и 
СВН с изоляцией из СПЭ, причиной которых, веро-
ятно,  является  несоответствие  пропускной  способ-
ности  кабельных  линий  по  условию  стабильности 
теплового  баланса  кабелей  протекающим  по  ним 
перетокам  мощности.  В  связи  с  этим  для  правиль-
ного  выбора  параметров  кабельных  линий  с  изо-
ляцией  из  сшитого  полиэтилена,  обеспечивающих 
требуемую  в  каждом  конкретном  случае  пропуск-

ную  способность  по  условию  теплового  баланса 
этих  кабелей,    необходимо  учитывать  их  конструк-
тивные  особенности  и  основные  физические  про-
цессы, происходящие в них при эксплуатации. 

Рассмотрим  конструктивные  особенности  кабе-

лей  с  изоляцией  из  сшитого  полиэтилена.  Основ-
ными материалами для токопроводящих жил (ТПЖ) 
кабелей  в  настоящее  время  являются  металлы  с 
высокой  проводимостью  —  медь  и  алюминий  [2]. 
Электропроводность алюминия в 1,65 раза меньше, 
чем у меди, но плотность его в 3,3 раза меньше плот-
ности  меди,  что  позволяет  получить  алюминиевые 
ТПЖ с одинаковым электрическим сопротивлением 
в два раза легче медных. Однако ТПЖ из меди имеют 
хорошую пластическую деформацию по сравнению 
с жилами из алюминия, хорошо работают на изгиб.

Что  касается  основной  изоляции  кабелей,  то  в 

современных  условиях  она  выполняется  из  отно-
сительно нового для России вида изоляции — сши-
того  (вулканизированного)  полиэтилена  —  СПЭ  (в 
английском обозначении 

XLPE

) [1]. При этом СПЭ на-

ходит применение для силовых проводов и кабелей 
напряжением от 0,4 до 500 кВ.

В промышленно развитых странах Европы и Аме-

рики практически 100% рынка силовых кабелей за-
нимают кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена. 
Переход  к  кабелям  с  изоляцией  из  сшитого  поли-
этилена,  связан  с  все  возрастающими  требования-
ми  эксплуатирующих  организаций  к  техническим 
параметрам  кабелей.  Обеспечение  этих  требова-
ний  возможно  благодаря  тому,  что  СПЭ  имеет  ряд 
существенных  преимуществ  перед  другими  изоля-
ционными  материалами  по  физико-механическим, 
диэлектрическим,  конструкционным  и  технологи-
ческим  свойствам  переработки.  Соответственно, 
кабели  из  СПЭ  обладают  следующими  преимуще-
ствами  по  сравнению  с  маслонаполненными  кабе-
лями, кабелями с бумажно-пропитанной изоляцией 
и др.: высокая пропускная способность; низкий вес, 
меньший  диаметр  и  радиус  изгиба;  СПЭ  изоляция 
обладает  малой  плотностью,  малыми  значениями 
относительной  диэлектрической  проницаемости  
ε = 2,5 и коэффициента диэлектрических потерь 

K

 = 

ε × tgδ, который остается практически постоянным, 
где tgδ = 0,001 — тангенс угла диэлектрических по-

Способы увеличения пропускной способности КЛ 
с изоляцией из сшитого полиэтилена

Халилов Ф.Х.

, главный научный сотрудник СПбГПУ, действительный член  

Академии электротехнических наук РФ, доктор технических наук, профессор.

Кузнецов Д.В.

, инженер I категории ОАО «СевЗапНТЦ»

КАБЕЛЬ−news / № 9 / сентябрь  2009

63

Актуально 

терь [3]; возможность прокладки на сложных трас-
сах  и  монтажа  без  использования  специального 
оборудования; значительное снижение себестоимо-
сти прокладки; отсутствием опасности загрязнения 
окружающей среды из-за отсутствия масла, а также 
свинцовой  оболочки;  низкая  удельная  повреждае-
мость кабеля (на 1-2 порядка ниже, чем у маслона-
полненного кабеля).  

По  комплексу  свойств  в  качестве  электрической 

изоляции для силовых кабелей стационарной про-
кладки  в  настоящее  время  с  СПЭ  не  может  конку-
рировать  ни  один  вид  изоляционных  материалов. 
Основным достоинством СПЭ является увеличение 
рабочей температуры токопроводящей жилы кабе-
лей с изоляцией из СПЭ до 90 °С, что означает уве-
личение пропускной способности таких кабелей по 
сравнению с кабелями с другими видами изоляции, 
высокий ток термической устойчивости при корот-
ком замыкании, что особенно важно в случае, когда 
сечение проводника выбирается только из условий 
номинального тока короткого замыкания. Отметим, 
что для кабелей с изоляцией из СПЭ максимальная 
допустимая температура ТПЖ  при перегрузках со-
ставляет 130 °С, при этом продолжительность рабо-
ты кабеля [4] в режиме перегрузки должна быть не 
более 100 ч за год и не более 1000 ч за срок службы. 
А предельно допустимая температура ТПЖ при ко-
ротком замыкании (к.з.) равна 250 °С.

Изначально термопластичному полиэтилену при-

сущи серьезные недостатки, главным из которых яв-
ляется резкое ухудшение механических свойств при 
температурах,  близких  к  температуре  плавления. 
Решением  этой  проблемы  стало  применение  сши-
того полиэтилена. Термин «сшивка» подразумевает 
обработку  полиэтилена  на  молекулярном  уровне. 
«Сшивка» ПЭ — это сложный химический и техноло-
гический процесс, от правильности его проведения 
зависят  свойства  СПЭ  и  надежность  кабельных  ли-
ний.  Поперечные  связи,  образующиеся  в  процессе 
сшивки между макромолекулами полиэтилена, соз-
дают  трехмерную  структуру,  которая  и  определяет 
высокие  электрические  и  механические  характе-
ристики  материала,  меньшую  гигроскопичность, 
большой  диапазон  рабочих  температур  кабеля.  На 
рисунке 1 приведена структура СПЭ.

В подтверждение сказанного выше о высокой по 

сравнению  с  другими  типами  изоляции  допусти-
мой  рабочей  температуре  ТПЖ  для  СПЭ  в  табл.  1 
приведены  допустимые  температуры  нагрева  то-
копроводящих  жил  кабелей  с  различными  видами 
изоляции.

Табл. 1. Допустимые температуры нагрева ТПЖ  

жил кабелей с различными видами изоляции

Материал

Длительная 

рабочая  

температура,  °С

Предельно допустимая 

температуры при к.з.  

длительностью 4 с,  °С

СПЭ

90

250

ПЭ

70

150

ПВХП

70

160

Высокий  уровень  напряжения  жилы  кабеля  при-

водит  к  необходимости  использования  металли-
ческого  экрана,  основным  назначением  которого 
является  обеспечение  равномерности  распреде-
ления  электрического  поля,  воздействующего  на 
главную изоляцию кабеля. Толщина экрана hэ прак-
тически для всех классов напряжения от 110 кВ [4] и 
выше составляет в среднем 2 мм, но при этом сече-
ние  экрана  может  варьироваться  в  пределах  от  35 
до 340 мм

2

, но не более, что обусловлено экономи-

ческими соображениями, вследствие того, что даже 
для кабелей с алюминиевыми жилами токопроводя-
щий экран все равно выполняется из меди. Увеличе-
ние сечения медных экранов одножильных кабелей 
при  относительно  постоянной  толщине  экрана  до-
стигается  за  счет  того,  что  экран  выполняется  из 
медных  проволок  с  расстоянием  между  ними  не 
более 10 мм , для увеличения площади поперечно-
го сечения экрана при сохранении его толщины до-
статочно  просто  увеличить  плотность  заполнения 
соответствующих медных проволок. При этом мед-
ные проволоки экрана скреплены спирально нало-
женной медной лентой номинальной толщиной не 
менее 0,7 мм. Сечение скрепляющей медной ленты 
включается в сечение экрана.

Кабели  с  изоляцией  из  сшитого  полиэтилена 

чаще  всего  выполняются  в  однофазном  исполне-
нии,  однако  бывают  и  трехфазными.  Трехфазные 
силовые  кабели  с  изоляцией  из  сшитого  полиэти-
лена  выполняются  только  до  класса  напряжения 
110  кВ  включительно  и  с  сечением  токопрово-
дящей  жилы  каждой  фазы  не  более  240  мм

2

,  что 

значительно  ограничивает  сферу  применения 
такой  конструкции.  Это  ограничение  связано  с 
тем  обстоятельством,  что  при  увеличении  сече-

H

3

C—CH—CH

2

—CH—CH

2

—CH— ..... CH

2

—CH—CH

3

H

3

C—CH—CH

2

—CH—CH

2

—CH— ..... CH

2

—CH—CH

3

H

3

C—CH—CH

2

—CH—CH

2

—CH— ..... CH

2

—CH—CH

3

Рис. 1. Структура СПЭ

КАБЕЛЬ−news / № 9 / сентябрь  2009

64

Актуально

ния токопроводящей жилы сверх 240 мм

2

, а также 

при  росте  толщины  основной  изоляции  при  уве-
личении  класса  напряжения  сверх  110  кВ,  массо-
габаритные  параметры  такого  кабеля  становятся 
таковыми,  что  транспортировка  готового  изделия 
с  завода-изготовителя  кабеля  на  строительную 
площадку  и его монтаж становятся весьма затруд-
нительными, а в ряде случаев практически невоз-
можными.  Поэтому  ограничимся  рассмотрением 
наиболее  востребованной  на  практике  однофаз-
ной конструкции кабелей из СПЭ.

На рисунке 2 показан поперечный разрез наибо-

лее часто встречающейся на практике конструкции 
одножильного кабеля с изоляцией из СПЭ.

На  рисунке  2:  1  —  ТПЖ,  медь  или  алюминий, 

круглая  компактной  скрутки;  для  сечений  алюми-
ниевой  ТПЖ  свыше  1200  мм

2

  и  сечений  медной 

ТПЖ  свыше  1000  мм

2

  жила  кабеля  выполняется 

сегментированной;  2  —  полупроводящий  экран 
по  токопроводящей  жиле;  3  —  изоляция  из  сши-
того полиэтилена; 4 — полупроводящий экран по 
изоляции;  5  —  промежуточный  слой  продольной 
герметизации;  6  —  медный  экран  и  влагонабу-
хающая  лента;  7  —  слой  поперечной  герметиза-
ции,  алюминиевая  лента;  8  —  внешняя  оболочка  
(полиэтилен).

Известно, что кабельные линии ВН с кабелями из 

СПЭ  эксплуатируются  с  тремя  возможными  систе-

мами  заземления  экранов  одножильных  кабелей  
[3, 5, 6], а именно:

1.  Заземление  экранов  каждой  фазы  по  концам 

каждой  электрической  секции  (электрической  сек-
цией считается часть трассы между точками, в кото-
рых соединены оболочки или экраны всех кабелей 
между  собой  или  с  «землей»),  т.е  двустороннее  за-
земление экранов;

2.  Заземление  экранов  в  одной  точке  каждой 

электрической  секции  с  установкой  на  разземлен-
ных концах соответствующих ОПН, характеристики 
которых  должны  быть  скоординированы  с  харак-
теристиками защищаемой ими изоляции, в данном 
случае с изоляцией поверх токопроводящего экра-
на  одножильного  кабеля,  т.е.  внешней  оболочкой 
кабеля, которая в последнее время выполняется из 
полиэтилена; 

3.  Транспозиция  экранов  соответствующих  кабе-

лей из СПЭ.

На  рисунках  3,  4,  5  схематически  показаны  при-

веденные выше системы заземления экранов одно-
жильных силовых высоковольтных кабелей из СПЭ, 
соответственно.

1       2       3      4       5       6       7      8

Рис. 2. Поперечный разрез силового кабеля из СПЭ

Кабельная арматура

Жила

Экран

Заземление экранов

Кабельная арматура

Жила

Экран

ОПН

Заземление экранов

Рис. 3. Двустороннее заземление экранов

Рис. 4. Заземление экранов в одной точке 

электрической секции

КАБЕЛЬ−news / № 9 / сентябрь  2009

65

Актуально 

В  силу  однофазной  конструкции  кабелей  из  СПЭ 

и  применения  одной  из  трех,  приведенных  выше 
систем заземления их экранов, при прочих равных 
условиях  пропускная  способность  трехфазной  КЛ 
из  СПЭ  будет  иметь  различные  значения  даже  при 
одной той величине сечения ТПЖ. Пропускная спо-
собность кабеля определяется на основе теплового 
расчета. 

Тепловой  расчет  кабелей  в  общем  случае  сво-

дится  к  определению  температуры  ТПЖ  с  учетом 
потерь в жилах, изоляции, оболочках и броне. При 
этом учитываются тепловые сопротивления кабеля 
и окружающей среды, а также колебания температу-
ры окружающей среды за счет сезонных изменений 
температуры  и  посторонних  источников  тепла,  и 
составляются  для наглядности расчета допустимых 
нагрузок  схемы  замещения  тепловых  сопротивле-
ний и потоков для конкретных конструкций кабеля 
и условий прокладки.

В общем случае вызывающие нагрев кабеля и сни-

жающие  его  пропускную  способность  суммарные 
потери на единицу длины описываются выражени-
ем [2, 3]:

   W

∑

 = 

W

тпж

 + 

W

d

 + 

W

э

 + 

W

бр

 + 

W

ос

 ,  

(2)

где 

W

∑

 — суммарные потери; 

W

тпж

 — потери в ТПЖ; 

W

d

 —  диэлектрические потери в изоляции кабеля; 

W

э

 — потери в металлических экранах кабеля, обу-

словленные  выравнивающими  и  вихревыми  тока-
ми; 

W

бр

 — потери в броне кабеля; 

W

ос

 — потери в 

окружающем кабель пространстве.

В большинстве практически значимых случаев по-

терями в окружающем кабель пространстве в усло-
виях Санкт-Петербурга можно пренебречь.

На  основании  выражения  (2)  и  тепловой  схемы 

замещения кабеля записывается выражение превы-
шения температуры ТПЖ по сравнению с темпера-
турой окружающей среды [7, 8]:

∆

θ

 = (

I

2 

· 

R

 + 1/2·

W

d

)·

T

1

 + (

I

2 

· 

R

(1 + 

λ

1

) + 

W

d

)·

n

·

T

2

 +

+ (

I

2 

· 

R

(1 + 

λ

1

+ 

λ

2

) + 

W

d

) ·

n

·(

T

3

 + 

T

4

), 

(3)

где Δ

θ

 — превышение температуры ТПЖ по сравне-

нию с температурой окружающей среды, К; 

I

 — до-

пустимый  ток  в  жиле,  А; 

R

  —  сопротивление  ТПЖ 

переменному току при максимальной рабочей тем-
пературе,  Ом/м; 

W

d

  —  диэлектрические  потери  в 

изоляции  кабеля,  Вт/м; 

Т

1

  —  тепловое  сопротивле-

ние между ТПЖ и экраном, К·м/Вт; 

Т

2

 — тепловое со-

противление слоев между экраном и броней, К·м/Вт; 

Т

3

 — тепловое сопротивление наружной защитной 

оболочки  кабеля,  К·м/Вт; 

Т

4

  —  тепловое  сопротив-

ление  между  поверхностью  кабеля  и  окружающей 
средой, К·м/Вт; 

n

 — число ТПЖ, несущих нагрузку, в 

кабеле (жилы одинакового размера и несущие одну 
и ту же нагрузку);  

λ

1

 — отношение потерь в металли-

ческом экране к общим потерям во всех ТПЖ; 

λ

2

 — 

отношение потерь в броне к общим потерям во всех 
ТПЖ кабеля.

Сгруппировав  все  слагаемые  в  (3),  содержащие 

множитель в правой части уравнения, находим вели-
чину допустимой токовой нагрузки на кабель [2, 8]:

 (4)

Очевидно,  что  для  наиболее  распространенной 

в условиях энергосистем однофазной конструкции 
кабелей  из  СПЭ 

n

  =  1,  а 

Т

2

  и 

λ

2

  равны  нулю.  Кроме 

этого, для таких кабелей допустимо пренебречь со-
ставляющей 

λ

1

, обусловленной потерями от вихре-

вых токов.

Расчет  пропускной способности КЛ по (4) следует 

производить  при  наиболее  тяжелых  температур-
ных условиях эксплуатации кабеля, а именно летних 
температур. 

На  пропускную  способность  КЛ  с  изоляцией  из 

СПЭ  существенное  влияние  оказывает  взаимное 
пространственное  расположение  фаз  линии,  а 
также  глубина  прокладки  линии.  Взаимное  про-
странственное  расположение  одножильных  ка-
белей  из  СПЭ  в  кабельных  линиях  различных 
классов напряжений обычно ограничивается двумя  
вариантами: 

Кабельная арматура

Экран

Жила

ОПН

Заземление

Транспозиция 

экранов

Разделитель

экрана

Рис. 5. Транспозиция экранов кабелей

КАБЕЛЬ−news / № 9 / сентябрь  2009

66

Актуально

1)  расположение  фаз  линии  треугольником  (при 

этом поверхности кабелей соприкасаются); 

2) расположение фаз линии плоскостью с некото-

рым расстоянием между осями фаз. 

При проектировании кабельных линий с кабелями 

из СПЭ стараются при расположении фаз треуголь-
ником расстояние между осями фаз 

l

∆

 выдерживают 

равным  наружному  диаметру 

D

н

  соответствующих 

одножильных кабелей, а при расположении в пло-
скости стараются выдержать расстояние между ося-
ми фаз 

l

пл

 обычно равным двум 

D

н

. 

Вполне  закономерно  ожидать,  что  при  приме-

нении заземления экранов с двух сторон у соеди-
нительных  и  концевых  муфт  по  экранам  кабелей 
протекают продольные токи, так называемые «об-
ратные», приближенные к рабочим токам в жилах, 
и появляется дополнительный источник тепла, ка-
бели дополнительно греются, что приводит к сни-
жению  тока  нагрузки  кабеля,  т.е.  его  пропускной 
способности. 

При  заземлении  экранов  кабелей  в  одной  точ-

ке  на  разомкнутом  конце  возникает  потенциал, 
который  растет  с  увеличением  длины  кабельной 
линии. 

Заметим,  что  при  заземлении  экранов  одно-

жильных  кабелей  в  одной  точке,  а  также  при 
транспозиции  экранов,  которая  по  сути  являет-
ся  электромагнитной  компенсацией  суммы  э.д.с, 
наводимых  в  экранах  трех  секций  транспозиции 
вследствие сдвига э.д.с на 120 электрических гра-
дусов,  в  них  отсутствуют  продольные  токи,  а  зна-
чит  и  потери,  создаваемые  ими.  Следовательно, 
можно  утверждать,  что  при  этих  системах  зазем-
ления экранов пропускная способность кабельной 
линии будет выше, нежели чем при двусторонней 
системе заземления экранов.

При  расположении  фаз  линии  треугольником 

электромагнитная  связь  между  ними  больше,  чем 
при  расположении  плоскостью,  но  при  этом  усло-
вия теплоотвода с поверхности кабелей оказывают-
ся  хуже.  Поэтому  при  одностороннем  заземлении 
экранов  и  их  транспозиции  ввиду  отсутствия  про-
дольных  токов  по  экранам  при  этом  пропускная 
способность оказывается выше при расположении 
фаз линии в плоскости. 

При  двустороннем  заземлении  экранов  наобо-

рот  пропускная  способность  выше  при  располо-
жении  фаз  линии  треугольником  из-за  меньших 
величин  наведенных  в  экранах  «обратных  токов». 
Однако  применение  двусторонней  системы  за-
земления  экранов  однофазных  кабелей  из  СПЭ  в 
независимости  от  их  пространственного  располо-

жения в среднем на 40÷50% снижают ток пропуск-
ной  способности  КЛ  по  условиям  их  теплового 
баланса  по  сравнению  с  односторонней  системой 
заземления  экранов  и  их  транспозицией.  Поэтому 
применение  двустороннего  заземления  экранов 
кабелей  из  СПЭ  является  нецелесообразным  и  мо-
жет  быть  использовано  только  для  кабельных  ли-
ний малой длины (~100÷600 м), передающим малую 
мощность,  т.е.  несущими  ограниченную  токовую  
нагрузку.

Таким образом, при прочих равных условиях для 

достижения  максимальной  величины  пропускной 
способности  КЛ  с  изоляцией  из  СПЭ  по  условию 
обеспечения  требований  соблюдения  их  теплово-
го баланса является  использование односторонней 
системы заземления экранов или их транспозицию 
и расположение фаз этих линий должно быть в пло-
скости. 

Отметим, что чем ближе к поверхности земли бу-

дет  находиться  КЛ,  тем  будет  выше  ее  пропускная 
способность.  Иными  словами,  чем  глубже  в  земле 
находится КЛ, тем ее пропускная способность ниже, 
что обусловлено ухудшением условий отвода от нее 
тепла. 

Литература

1.  Канискин  В.А.,  Михасев  С.Ю.,  Троицкий  Л.К.,  Хали-

лов  Ф.Х.,  Шилина  Н.А.  Проблемы  внедрения  кабелей  с 
изоляцией из сшитого полиэтилена в сети средних клас-
сов  напряжения  //  «Электромагнитная  совместимость  в 
электроэнергетике», 2007 г.

2.  Ларина  Э.Т.    Силовые  кабели  и  высоковольтные  ка-

бельные линии: Учебник для вузов. — 2-е изд., перераб. и 
доп. — М.: Энергоатомиздат, 1996.

3.  Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М.  Элек-

тротехнические материалы: Учебник для вузов. — 7-е из., 
изд.,  перераб.  и  доп.  —  Л.:  Энергоатомиздат,  Ленинград-
ское отделение, 1985.

4.  Технические условия ТУ 16.К71 — 273 — 98. Кабели 

силовые  с  изоляцией  из  сшитого  полиэтилена  на  напря-
жение 64/110 кВ. 1998 г.

5.  Дмитриев  М.В.,  Евдокунин  Г.А.  Заземление  экранов 

однофазных  силовых  кабелей  высокого  напряжения  // 
«Перенапряжения и надежность эксплуатации электроо-
борудования», СПб, 2008 г.

6.  Костенко М.В., Кадомская К.П., Левинштейн М.Л., Еф-

ремов Н.А., Перенапряжения и защита от них в воздушных 
и кабельных электропередачах высокого напряжения. — 
Л.: Наука, 1988. — 302 с.

7.  Международный стандарт. МЭК №60287. 2006 г.
8.  Международный стандарт. МЭК №60853. 1989 г.