Початок arrow Справка arrow Кабели arrow Конструктивное устройство силовых электрических кабелей

Конструктивное устройство силовых электрических кабелей

Силовые электрические кабели

Силовые электрические кабели на напряжение до 1 кВ изготавливаются двух-, трех-, четырех- и пятижильными, а на напряжение 6... 10 кВ - одножильными (кабели с полиэтиленовой изоляцией на напряжение 10 кВ) и трехжильными (кабели с бумажной изоляцией на напряжение 6-10 кВ и полиэтиленовой изоляцией на напряжение 6 кВ), а кабели на напряжение 110 кВ и выше - только одножильными.
Силовой электрический многожильный кабель с бумажно-масляной изоляцией состоит из медных или алюминиевых одно-либо многопроволочных токопроводящих жил с бумажно-масляной фазной и поясной изоляцией и защитными покровами.
Токопроводящие алюминиевые или медные жилы могут изготавливаться однопроволочными с поперечным сечением площадью до 240 и 50 мм2 или многопроволочными (алюминиевые - с поперечным сечением площадью 70... 240 мм2; медные - до 240 мм2) круглой, сегментной либо секторной формы.
Токопроводящие жилы для однофазных маслонаполненных кабелей на напряжение 110 кВ и выше изготавливаются только медными. Медная токопроводящая жила для маслонаполненных силовых кабелей низкого давления на напряжение 110...220 кВ состоит из двух повивов. Первый повив выполнен из Z-образных проволок, соединение которых в замок образует маслопроводящий канал диаметром 12...14 мм. Второй повив выполняется из сегментных проволок. Многопроволочная медная жила для маслонаполненного кабеля высокого давления на напряжение 330 кВ выполняется из проволок круглой формы.
Кабели с бумажно-масляной изоляцией на напряжение 10 кВ имеют (рис. 1):

  1. фазную и поясную бумажную изоляцию, пропитанную маслоканифольным составом;
  2. герметичную свинцовую или алюминиевую оболочку, предохраняющую изоляцию от проникновения в нее влаги и обеспечивающую защиту от механических повреждений;

Трехжильный кабель с бумажно-масляной изоляцией
Рис. 1. Трехжильный кабель с бумажно-масляной изоляцией на напряжение 10 кВ:
1 - токопроводящие жилы секторной формы; 2 - фазная изоляция толщиной 2,75 мм: 3 - поясная изоляция толщиной 1.25 ым: 4 - свинцовая оболочка: 5 - подушка под броней; 6 - стальная броня: 7 - наружный защитный покров: 8 - джутовые заполнители меж фазного пространства 9 - защитный покров, состоящий из подушки, брони и наружного покрова и предназначенный для защиты металлических оболочек от коррозии и механических повреждений.

Подушка у кабелей с бумажной изоляцией, состоящая из нити чередующихся слоев битум - крепированная бумага, предназначена для защиты металлической оболочки кабеля от почвенной коррозии и механических повреждений при наложении на кабель брони. Подушка может включать также вязкий подклеивающий состав, полиэтилентерефталатную ленту, вы прессованный полиэтиленовый или поливинилхлоридный шланг.
Для защиты кабелей от механических повреждений применяют стальную броню, состоящую, как правило, из двух лент толщиной 0,5 ... 0,8 мм или стальных оцинкованных плоских либо круглых проволок толщиной 1.4...6 мм.
Наружный покров, состоящий из чередующихся слоев битума, пропитанной кабельной пряжи, битума и мелового покрытия (предохраняющего витки кабеля от слипания на барабане), предназначен для защиты стальной брони от коррозии.
Толщину фазной изоляции Ди для одножильного кабеля определяют исходя из допустимой напряженности электрического поля Е у поверхности экрана жилы радиусом г, т.е.

где R - радиус жилы кабеля по изоляции; U - номинальное напряжение, кВ; е - основание натурального логарифма.
Поскольку отношение R/r для бумажной изоляции лежит в пределах 2...3, то Ди - (1...2)г.
Кабель с бумажно-масляной изоляцией (т.е. с вязкой пропиткой) на напряжение выше 35 кВ не применяется, так как в пропитанной изоляции готового кабеля всегда имеются воздушные включения. Если они находятся у жилы, т.е. в местах с наибольшей напряженностью электрического поля, то происходит ионизация воздуха, вызывающая ускоренное местное старение изоляции и снижение ее электрической прочности. Следствие этого - пробой изоляции.
Если воздушные включения находятся в местах, где напряженность электрического поля недостаточна для возникновения ионизации (например, у оболочки), то постепенно объем воздушных включений увеличивается из-за нагрева проходящим по жилам электрическим током, неодинакового расширения всех элементов кабеля (бумаги, пропитываемого состава, оболочки) и наличия остаточных деформаций у указанных элементов при их охлаждении. В результате увеличенные воздушные включения, находящиеся у оболочки, начинают перемещаться по направлению к жиле в область с наибольшей напряженностью электрического поля, где вероятность возникновения ионизации и пробоя весьма высока, особенно при номинальном напряжении кабельной линии 110 кВ и выше.
Для снижения возможности ионизации воздушных промежутков в изоляции идут по пути совершенствования технологии изготовления изоляции, исключающей образование воздушных включений, и применяют маловязкое дегазированное пропиточное масло (кабели низкого давления), а также увеличивают давление в воздушных включениях, что обусловливает повышение их электрической прочности (кабель высокого давления).
В маслонаполненных кабелях низкого давления на напряжение 110...220 кВ исключается возможность образования газовых включений за счет применения маловязкого дегазированного масла при избыточном давлении 0,3 МПа с компенсацией тепловых расширений. Последнее обеспечивается наличием в кабеле маслопроводящего канала диаметром 12...14 мм и установкой специальных компенсаторов - баков давления, принимающих масло при нагреве кабеля и отдающих масло при его охлаждении, поддерживая в кабеле требуемое избыточное давление. Контроль за давлением масла в подпитывающей системе осуществляется с помощью контактных манометров, присоединенных к бакам давления. Сигналы от контактных манометров при уменьшении или увеличении давления, а также объема масла в изоляции позволяют определить секцию, в которой возникла утечка масла. Давление 0,3 МПа оказывается достаточным для заполнения образующихся при эксплуатации линии пустот в бумажно-масляной изоляции и, следовательно, устранения причин ионизации воздушных включений и последующего пробоя изоляции.
Дальнейшее увеличение давления в маслопроводящем канале требует более сильного упрочнения свинцовой оболочки кабеля. Поэтому был предложен другой путь повышения электрической прочности изоляции - за счет повышения давления на изоляцию, не имеющую свинцовой оболочки. Этот принцип реализован в маслонаполненных кабелях высокого давления (до 1,5 МПа), которые прокладываются в трубопроводах, заполненных маслом. Имеющиеся в изоляции газовые включения при высоком давлении обладают высокой электрической прочностью. Для изготовления таких кабелей используется обычный маслоканифольный пропиточный состав. Высокое давление, приложенное к изоляции, не позволяет также образовываться дополнительным воздушным включениям при нагреве и охлаждении элементов кабеля.
У маслонаполненных однофазных силовых кабелей низкого давления на напряжение U0...220 кВ (рис. 2) поверх токопроводящей медной жилы с поперечным сечением площадью 120...800 и 300...800 мм2, которая состоит из Z-образных и сегментных проволок, образующих маслопроводящий канал, последовательно накладываются: экран из полупроводящей бумаги; бумажно-масляная изоляция толщиной 10 мм из слоев бумаги толщиной 0,075 и 0,125 мм; экран по изоляции из полупроводящей бумаги; оболочка из медистого свинца толщиной 3,2 мм; битум и ленты из поливинилхлоридного пластиката для защиты от коррозии свинцовой оболочки, медные усиливающие ленты толщиной 0,2 мм, накладываемые с зазором 2-4 мм так, чтобы верхняя лента перекрывала зазоры между краями нижней на середине своей ширины; ленты из поливинилхлоридного пластиката (для защиты медных усиливающих лент от коррозии); подушка под броню, состоящая из слоя битума и пропитанной кабельной пряжи; броня из 30 круглых стальных диаметром 4 мм и трех или четырех медных проволок такого же диаметра; защитный антикоррозионный покров толщиной 4,2 мм, состоящий из 7 слоев (битум, лента поливинилхлоридного пластиката, лента пропитанной бумаги, битум, кабельная пряжа, битум, меловое покрытие).
МНСК
Рис. 2. Маслонаполненный кабель (типа МНСК) низкого давления со свинцовой оболочкой, усиленной круглыми проволоками на напряжение 110 кВ:
1 - маслопроводящий канал диаметром 12 мм; 2 - токоведущая жила с поперечным сечением площадью 120...800 мм2:3 - экран по жиле: 4 - бумажная изоляция общей толщиной 10 мм: 5 - экран по изоляции: 6 - свинцовая оболочка толщиной 3,2 мм; 7 - битумный состав; 8, 10 - поливинилхлоридные ленты; 9 - упрочняющие оболочку медные ленты; 11 - подушка под броню; 12 - броневой покров из проволок диаметром 4 мм; 13 - наружный антикоррозионный покров толщиной 4.2 мм

На оболочку накладывают подушку, состоящую из слоя битума и поливинилхлоридных лент. Далее наматывают усиливающие ленты, поверх которых накладывают такую же подушку и броню.
Маслонаполненные кабели низкого давления на напряжение выше 220 кВ выполняются с двумя маслонаполненными каналами: в центре полой жилы и под свинцовой оболочкой в виде продольных борозд на внутренней ее поверхности. Последнее обеспечивает уменьшение передачи
давления в изоляции при нестационарных тепловых процессах.
Для уменьшения и даже устранения потерь мощности в стальной броне ее изготавливают проволочной оцинкованной из круглых проволок и включают три или четыре медные проволоки (взамен стальных), сдвинутые относительно друг друга на угол 120° или 90° соответственно. Круглая форма стальных проволок, оцинковка и медные проволоки обусловливают значительное увеличение магнитного сопротивления, а следовательно, уменьшение индукции магнитного потока в стальной броне.
У маслонаполненных однофазных силовых кабелей высокого давления на напряжение 330 кВ и выше (рис. 3), прокладываемых в стальных трубах, заполненных маслом, поверх многопроволочной токопроводящей медной жилы с поперечным сечением площадью 120...700 мм2 (на напряжение 110 кВ) и 300...700 мм2 (на напряжение 220 кВ) последовательно накладывают: экран из полупроводящей бумаги; бумажно-масляную изоляцию; экран по изоляции из полупроводящей бумаги и медной перфорированной ленты; проволоки скольжения.
Маслонаполненный кабель высокого давления
Рис.73. Маслонаполненный кабель высокого давления для прокладки в трубах (типа МВДТ):
1 - полукруглая проволока скольжения: 2 - экран по изоляции из полупроводящей бумаги и медных перфорированных лент; 3 - бумажная изоляция; 4 - токопроводящая экранированная жила; 5 - масло; 6 стальная труба; 7 - наружный антикоррозионный покров
Отметим, что одножильные кабели, предназначенные для использования на маслонаполненных кабельных линиях высокого давления, изготавливают со свинцовой оболочкой, размещаемой поверх проволок скольжения. Перед протяжкой кабелей в стальную трубу указанную свинцовую оболочку снимают с использованием, например, специальной свинцесдирочной машины.
У кабелей с полиэтиленовой или поливинилхлоридной изоляцией на напряжение до 1 кВ поверх токопроводящей жилы накладывают фазную и поясную изоляцию, а также защитный покров, состоящий из двух лент стальной брони и наружного защитного шланга из выпрессованного поливинилхлоридного пластиката толщиной 1,25 мм; 4 - из сшитого полиэтилена толщиной 11,4 mr. 5 - эмиссионный слой из полимерного материала с относительной диэлектрической проницаемостью, равной 4Д б - электропроводящий экран по жиле из вулканизированного полимера толщиной 1,15 юг. 7 - сплошной выпрессованный слой из мягкого алюминия; 8 - круглые проволоки токопроводящей жилы
Одножильный кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена
Рис. 4. Одножильный кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена на навряжеиис 110 кВ:

  1. - наружная залипая полиэтиленовая оболочка толщиной 23 мы;
  2. - экран из медной гофрированной в поперечном направлении ленты

  Одножильные кабели с полиэтиленовой изоляцией на напряжение 10 кВ поверх токопроводящей жилы имеют: экран по жиле; изоляцию из полиэтилена; экран по изоляции; комбинированный экран (слой медных проволок, водоблокирующие ленты, крепированная или кабельная бумага); полиэтиленовую наружную оболочку. Одножильный кабель с полиэтиленовой изоляцией на напряжение 110 кВ отличается от такого же кабеля на напряжение 10 кВ конструкцией жил, толщиной изоляции, экранов и защитной наружной оболочки (рис. 4).
Стоимость сооружения кабельной линии напряжением 10 кВ с однофазными кабелями и изоляцией из сшитого полиэтилена почти в 2 раза выше, чем стоимость сооружения такой же линии, но при использовании трехжильных кабелей с бумажно-масляной изоляцией.
У кабельных линий, проложенных кабелями с полиэтиленовой изоляцией, имеются следующие преимущества перед традиционными кабельными линиями, выполненными трехжильными кабелями с бумажно-масляной изоляцией:

  1. более высокая пропускная способность за счет более высокой допустимой температуры нагрева жил (90 °С вместо 70 °С);
  2. более высокий ток термической стойкости (допустимая температура нагрева жил кабеля токами короткого замыкания 250 “С вместо 200 °С - для традиционного кабеля);
  3. более высокое сопротивление изоляции при рабочей температуре жил и, следовательно, меньшие диэлектрические потери;
  4. меньшая масса (в 1,2... 1,4 раза с учетом массы барабанов);
  5. значительно меньшая повреждаемость (на один-два порядка);
  6. неограниченная разность уровней прокладки;
  7. возможность изготовления кабелей с площадью поперечного сечения жил 800 мм2 (вместо 240 мм2 для трехжильных кабелей с комбинированной изоляцией);
  8. возможность прокладки кабеля при температуре наружного воздуха до -20 °С без его предварительного подогрева;
  9. меньший допустимый радиус изгиба кабеля (15 наружных диаметров) при его прокладке по сравнению с многожильными кабелями с алюминиевой оболочкой (25 наружных диаметров кабеля).

Отмеченные достоинства кабеля на напряжение 10 кВ с полиэтиленовой изоляцией в значительной мере обосновывают целесообразность их применения, несмотря на более высокую стоимость по сравнению с кабелями с бумажно-масляной изоляцией.
В то же время необходимо иметь в виду, что полиэтилен неоднороден по структуре, т.е. содержит пустоты и включения, в которых возможно образование водных или электрических триингов (каналов пробоя), приводящих к электрическому пробою изоляции. Прокладка кабельных линий с одножильными кабелями с полиэтиленовой изоляцией в стальных трубах недопустима.
Действующие нормы испытаний изоляции, разработанные применительно к кабелям на напряжение 10 кВ с бумажно-масляной изоляцией, распространяются также на все типы кабелей данного номинального напряжения, в том числе и на кабели с полиэтиленовой изоляцией. Но использование напряжения постоянного тока в качестве испытательного напряжения для кабелей с полиэтиленовой изоляцией может привести к пробоям из-за того, что полиэтилен является материалом, способным восстанавливать электрическое поле внутри объема после того, как внешнее поле уже перестало воздействовать па изоляцию. Это значит, что после снятия напряжения в течение некоторого времени на изоляции кабеля восстанавливается напряжение, представляющее опасность как для изоляции (особенно в момент включения линии, обладающей остаточным потенциалом), так и для обслуживающего персонала. После проведения испытаний полиэтиленовой изоляции кабеля выпрямленным напряжением жила кабеля должна быть соединена с заземленными медным экраном или присоединена непосредственно к земле на продолжительное время (не менее 1 ч). Кроме того, формирующийся в полиэтилене поя воздействием постоянного электрического поля объемный заряд может создавать перенапряжения, приводящие к пробоям (особенно в соединительных и концевых муфтах). В момент пробоя изоляции (в случае приложения постоянного испытательного напряжения) начинается переходный процесс, сопровождающийся перенапряжениями, который, накладываясь на поле объемного электрического заряда, может привести к повреждениям других участков кабеля.
Силовые электрические кабели на номинальное напряжение 10 кВ с полиэтиленовой изоляцией не нуждаются (по данным заводов-изготовителей) в периодических испытаниях изоляции повышенным напряжением. В европейских странах их рекомендуется испытывать после прокладки в течение 1 ч испытательным трехкратным линейным переменным напряжением частотой 0,1 Гц или испытательным двукратным линейным переменным напряжением 50 Гц. В России в некоторых энергосистемах допускается проведение испытаний переменным номинальным напряжением частотой 50 Гц, приложенным в течение 24 ч между жилой и металлическим экраном кабеля. Продолжительность отмеченных испытаний кабелей в процессе эксплуатации ограничивается 5-15 мин.
Отметим, что при использовании частоты 0,1 Гц смена полярности происходит через каждые 5 с. Это позволяет выявлять дефекты в изоляции без формирования объемных зарядов в структуре полиэтиленовой изоляции в отличие от того, как это происходит при приложении постоянного тока испытательного напряжения.

 
< КНЭ   Конструкции СПЭ кабелей 35-500 кВ «Алкатель кабель» >