Кабель и провод
Кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена
Применение кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена
Практически любое предприятие, эксплуатирующее электрические сети напряжением 6–10 кВ и выше, имеет дело с силовыми кабелями. Потенциально кабельные линии имеют огромное преимущество перед воздушными: занимают меньше места, безопасны, надежней и удобней в эксплуатации. Именно поэтому большая часть электрических сетей в городах и на крупных промышленных предприятиях построено на основе кабельных линий.
Подавляющее большинство применяемых в России и странах СНГ кабелей – с пропитанной бумажной изоляцией, конструкция которых не претерпевала существенных изменений на протяжении нескольких десятков лет. Этим обусловлены и многочисленные недостатки кабелей: высокая повреждаемость, ограничения по нагрузочной способности, ограничения по разности уровней прокладки, низкая технологичность монтажа муфт. Ввиду отсутствия реальной альтернативы кабелям с бумажной изоляцией приходилось мириться с их недостатками и принимать дополнительные меры для обеспечения надежности электроснабжения и требований по передаваемой мощности. Это означало создание резервирования, прокладку параллельных кабелей, и, как следствие, значительное усложнение схемы сети и увеличение капитальных вложений. С другой стороны, высокая повреждаемость кабельных линий делала необходимым содержание значительных сил для проведения земляных работ, ремонта кабельных линий, испытаний и отысканию мест повреждений в кабелях. Таким образом, значительная часть ресурсов предприятия отвлекалась на содержание дополнительного персонала, закупку материалов для ремонта, техники, инструмента.
СПЭ кабель
Такое положение могло изменить только принципиальное изменение конструкции кабелей, что и произошло с началом производства кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ). Кабели с СПЭ изоляцией лишены большинства недостатков кабелей с бумажной изоляцией, поэтому их применение позволяет решить многие назревшие проблемы по надежности электропитания, оптимизировать схему сети, значительно снизить расходы на реконструкцию и содержание кабельных линий.
Своими уникальными свойствами СПЭ кабели обязаны применяемому изоляционному материалу. На современных кабельных предприятиях процесс сшивки или вулканизации производится в среде нейтрального газа при высоком давлении и температуре. Такой способ вулканизации позволяет получить достаточную степень сшивки по всей толщине изоляции и обеспечить отсутствие воздушных включений. Поперечные связи, образующиеся в процессе сшивки между молекулами полиэтилена, в основном и определяют характеристики нового материала. Помимо хороших диэлектрических свойств, это и больший, чем у других кабельных изоляционных материалов диапазон рабочих температур, и отличные механические характеристики. Так, в нормальном режиме для сшитого полиэтилена допускается температура 90°С, в кратковременном режиме (протекание токов короткого замыкания) 250°С, прокладка и монтаж кабелей могут осуществляться при температуре до –20°С. При этом монтаж кабелей допускается с радиусом изгиба до 7, 5 наружных диаметров.
Однако основное преимущество СПЭ кабелей перед бумажными – это низкая повреждаемость. К сожалению, из–за небольшого опыта эксплуатации, отсутствует достоверная информация о количестве повреждений кабелей в России. По зарубежным же источникам, процент электрических пробоев СПЭ кабелей на 2–3 порядка ниже, чем на кабелях с бумажной изоляцией.
Сравнительные характеристики:
В основном кабели выпускаются в одножильном исполнении, а применение различных типов оболочек и возможность герметизации позволяет использовать кабель как для прокладки в земле, так и для кабельных сооружений, в том числе при групповой прокладке.
СПЭ кабель может заменить кабель с бумажной изоляцией практически во всех случаях, однако на этапе внедрения кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена на том или ином предприятии необходимо выделить те области, где их применение наиболее целесообразно. Для этого проведем короткое технико–экономическое сравнение традиционных и СПЭ кабелей. К сожалению из–за различий в затратах на ремонты и содержание кабельных линий для конкретных предприятий, разницу в общих эксплуатационных затратах оценить затруднительно, поэтому предлагаем сравнивать только первоначальные вложения в кабель.
Для корректного сравнения возьмем кабели с одинаковой пропускной способностью – бумажный АСБ 3х240 10 кВ и три однофазных кабеля АПвП 1х185/25–10 кВ. Сравнительные характеристики кабелей приведены в Таблице 1.
Из приведенных данных видно, что при одинаковой пропускной способности и лучших остальных параметрах стоимость СПЭ кабеля примерно на 60–70% выше. Это объясняется более дорогими материалами и технологией изготовления, большим расходом материалов при радиальной конструкции кабеля. Но с другой стороны, такая конструкция обеспечивает равномерное распределение электрического поля и, как следствие, увеличение электрической прочности.
Данная картина меняется кардинально при возрастании требований по пропускной способности кабельной линии. Так, параллельные кабели АСБ 1х240 10 кВ целесообразно заменить СПЭ кабелем большего сечения (см. Таблицу 2).
Для СПЭ кабеля на напряжение 35 кВ картина еще более благоприятная (см. Таблицу 3).
Это объясняется тем, что на этот класс напряжений применение конструкции с секторными жилами невозможно. Поэтому бумажные кабели изготавливаются с отдельно освинцованными жилами, что влечет за собой значительное удорожание по сравнению с кабелями 10 кВ. Стоимости кабелей с бумажной и полиэтиленовой изоляцией одинакового сечения приблизительно равны. Однако, как видно из Таблицы 3, полиэтиленовый кабель дает 40%–ное преимущество по нагрузочной способности.
Сферы применения СПЭ кабеля
Исходя из приведенного сравнения можно определить сферы, где применение СПЭ кабеля может быть наиболее целесообразно и принесет наибольший эффект.
Во–первых, исходя из стоимости, это уровни напряжений 15, 20, 35 кВ, где даже первоначальные капитальные затраты на кабель будут ниже.
Во–вторых, при необходимости передачи большой мощности. Классическим примером может послужить вывод мощности от генератора на шины РУ тепловой электростанции. Несколько таких проектов уже были реализованы на российских предприятиях. При этом в качестве альтернативы рассматривались сооружение медного шинопровода, прокладка 8–12 бумажных кабелей или нескольких кабелей с СПЭ изоляцией сечением 630 или 800 кв.мм. Как показывает практика, применение полиэтиленовых кабелей позволяет достичь экономии не только за счет кабельных линий, но и за счет уменьшения затрат на строительную часть. При обслуживании затраты на содержание полиэтиленового кабеля минимальны.
В третьих, СПЭ кабель может исправить ситуацию, когда кабель с бумажной изоляцией даже максимального сечения не проходит по пропускной способности. Так как пропускная способность полиэтиленового кабеля выше и максимальное сечение жилы может достигать 800 кв.мм. целесообразней использовать один кабель большого сечения. Это касается и случаев прокладки «спаренных» кабелей, когда взамен 2–х кабелей 240 кв.мм. целесообразней проложить 1 кабель сечением 500 кв.мм.
Еще одним случаем обязательного применения полиэтиленовых кабелей является наличие большой разности уровней по трассе прокладки. При использовании бумажно–масляных кабелей происходит осушение изоляции кабелей в высоких точках, что может повлечь за собой пробой. При этом даже небольшая разность уровней прокладки может стать причиной многочисленных повреждений на КЛ. В качестве классического примера можно привести ситуацию на одном из нефте–химических предприятий в Сибири, где эксплуатируется большое количество бумажно–масляных кабелей 35 кВ. При заходе кабельных линий на подстанцию перепад уровней составляет 10–15 м. Несмотря на неистекающую изоляцию кабелей, каждая кабельная линия в теле подстанции повреждалась по несколько раз, в результате практически на каждой фазе были установлены соединительные муфты.
Для исключения случаев пробоя бумажных кабелей и обеспечения надежности электроснабжения руководством энергетического комплекса предприятия было принято решение о замене концевых участков кабельных линий на кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена.
В пятых, использование кабелей с СПЭ изоляцией необходимо при особых требованиях к надежности электроснабжения, так как повреждаемость СПЭ кабелей чрезвычайно мала.
И, наконец, при наличии требований по нераспространению горения, рекомендуется применять кабели с оболочкой из ПВХ пластиката пониженной горючести, который прошел соответствующие испытания и имеет сертификат на соответствие нормам пожарной безопасности.
Из практики применения СПЭ кабеля
Опыт внедрения кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена в других странах показал их большие возможности и преимущества. Однако не обошлось без ошибок при постановке данных кабелей в производство. Так, первоначально при изготовлении кабелей многие производители применяли более дешевую технологию «силановой сшивки» полиэтиленовой изоляции. Ее отличительной особенностью является то, что наложение изоляции происходило на обычной экструзионной линии, при этом в полиэтиленовый пластикат добавлялись специальные смеси для обеспечения сшивки при нормальной температуре. Для сравнения сейчас в основной массе сшивка кабелей производится в среде нейтрального газа при температуре 300–400 гр.С и давлении 8–9 атмосфер. Для обеспечения необходимых эксплуатационных качеств сшивка должна происходить равномерно по толщине изоляции. При применении силановой сшивки это требование обеспечить чрезвычайно трудно при толщине изоляции, которая применяется для кабелей на напряжении 10 кВ. В результате неравномерной сшивки эксплуатационные качества, срок службы, степень подверженности изоляции воздействию водотриингов, электрическая прочность оказывались значительно хуже расчетных, что приводило к большому числу электрических пробоев. Поэтому на сегодняшний день подавляющее большинство производителей используют технологию сшивки в среде нейтрального газа.
Этот опыт был учтен и при постановке в производство данного кабеля в России, также как и другие требования, предъявляемые к кабелям среднего напряжения российскими заказчиками. В результате конструкция кабеля, производимого в России отличается от европейской. Так как кабель применяется в основном в сетях 10/10 кВ, толщина изоляции была увеличена с 3, 4 до 4, 0 мм. При прокладке в земле применяется оболочка из полиэтилена высокой плотности, обеспечивающая необходимую защиту кабеля от механических повреждений, как при прокладке, так и в процессе эксплуатации. Если необходима герметизация экрана, используются два слоя водонабухающих лент под и поверх медного экрана, накладываемых с перекрытием. При прокладке кабеля в кабельных сооружениях применяется оболочка из ПВХ пониженной горючести.
Их всего вышесказанного можно заключить, что кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена являются предпочтительными и наиболее перспективными при строительстве и реконструкции кабельных линий 6–35 кВ. Благодаря уникальным свойствам, высокой электрической прочности изоляции, низкой повреждаемости, длительному сроку службы СПЭ кабелей, их применение становится не только технически целесообразным, но и экономически выгодным.
Практически любое предприятие, эксплуатирующее электрические сети напряжением 6–10 кВ и выше, имеет дело с силовыми кабелями. Потенциально кабельные линии имеют огромное преимущество перед воздушными: занимают меньше места, безопасны, надежней и удобней в эксплуатации. Именно поэтому большая часть электрических сетей в городах и на крупных промышленных предприятиях построено на основе кабельных линий.
Подавляющее большинство применяемых в России и странах СНГ кабелей – с пропитанной бумажной изоляцией, конструкция которых не претерпевала существенных изменений на протяжении нескольких десятков лет. Этим обусловлены и многочисленные недостатки кабелей: высокая повреждаемость, ограничения по нагрузочной способности, ограничения по разности уровней прокладки, низкая технологичность монтажа муфт. Ввиду отсутствия реальной альтернативы кабелям с бумажной изоляцией приходилось мириться с их недостатками и принимать дополнительные меры для обеспечения надежности электроснабжения и требований по передаваемой мощности. Это означало создание резервирования, прокладку параллельных кабелей, и, как следствие, значительное усложнение схемы сети и увеличение капитальных вложений. С другой стороны, высокая повреждаемость кабельных линий делала необходимым содержание значительных сил для проведения земляных работ, ремонта кабельных линий, испытаний и отысканию мест повреждений в кабелях. Таким образом, значительная часть ресурсов предприятия отвлекалась на содержание дополнительного персонала, закупку материалов для ремонта, техники, инструмента.
СПЭ кабель
Такое положение могло изменить только принципиальное изменение конструкции кабелей, что и произошло с началом производства кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ). Кабели с СПЭ изоляцией лишены большинства недостатков кабелей с бумажной изоляцией, поэтому их применение позволяет решить многие назревшие проблемы по надежности электропитания, оптимизировать схему сети, значительно снизить расходы на реконструкцию и содержание кабельных линий.
Своими уникальными свойствами СПЭ кабели обязаны применяемому изоляционному материалу. На современных кабельных предприятиях процесс сшивки или вулканизации производится в среде нейтрального газа при высоком давлении и температуре. Такой способ вулканизации позволяет получить достаточную степень сшивки по всей толщине изоляции и обеспечить отсутствие воздушных включений. Поперечные связи, образующиеся в процессе сшивки между молекулами полиэтилена, в основном и определяют характеристики нового материала. Помимо хороших диэлектрических свойств, это и больший, чем у других кабельных изоляционных материалов диапазон рабочих температур, и отличные механические характеристики. Так, в нормальном режиме для сшитого полиэтилена допускается температура 90°С, в кратковременном режиме (протекание токов короткого замыкания) 250°С, прокладка и монтаж кабелей могут осуществляться при температуре до –20°С. При этом монтаж кабелей допускается с радиусом изгиба до 7, 5 наружных диаметров.
Однако основное преимущество СПЭ кабелей перед бумажными – это низкая повреждаемость. К сожалению, из–за небольшого опыта эксплуатации, отсутствует достоверная информация о количестве повреждений кабелей в России. По зарубежным же источникам, процент электрических пробоев СПЭ кабелей на 2–3 порядка ниже, чем на кабелях с бумажной изоляцией.
Сравнительные характеристики:
В основном кабели выпускаются в одножильном исполнении, а применение различных типов оболочек и возможность герметизации позволяет использовать кабель как для прокладки в земле, так и для кабельных сооружений, в том числе при групповой прокладке.
СПЭ кабель может заменить кабель с бумажной изоляцией практически во всех случаях, однако на этапе внедрения кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена на том или ином предприятии необходимо выделить те области, где их применение наиболее целесообразно. Для этого проведем короткое технико–экономическое сравнение традиционных и СПЭ кабелей. К сожалению из–за различий в затратах на ремонты и содержание кабельных линий для конкретных предприятий, разницу в общих эксплуатационных затратах оценить затруднительно, поэтому предлагаем сравнивать только первоначальные вложения в кабель.
Для корректного сравнения возьмем кабели с одинаковой пропускной способностью – бумажный АСБ 3х240 10 кВ и три однофазных кабеля АПвП 1х185/25–10 кВ. Сравнительные характеристики кабелей приведены в Таблице 1.
| Параметры сравнения | Кабель с бумажной изоляцией АСБ 3x240 - 10 кВ | Одножильный кабель с СПЭ изоляцией, ЗхАПвП 1x185/25-10 кВ |
Вид кабельной линии в разрезе |
|
|
Сечение жил, мм2 | 240 | 185 |
Ток нагрузки при прокладке в земле, А | 355 | в плоскости / треугольником 375/360 |
Максимально-допустимый 1-сек ток КЗ, А | 20,56 | 17,5 |
Наружный диаметр, мм | 62 | 36 |
Строительная длина, м | 500-600 | до 1400 (бар. N22) |
Минимальный радиус изгиба, м | 1.64 | 0.54 |
Масса, кг/км | 7050 | 1370 (4110) |
Допустимая разность уровней, м | 15 | не ограничена |
Сравнительная стоимость. % | 100 | 160 |
Из приведенных данных видно, что при одинаковой пропускной способности и лучших остальных параметрах стоимость СПЭ кабеля примерно на 60–70% выше. Это объясняется более дорогими материалами и технологией изготовления, большим расходом материалов при радиальной конструкции кабеля. Но с другой стороны, такая конструкция обеспечивает равномерное распределение электрического поля и, как следствие, увеличение электрической прочности.
Данная картина меняется кардинально при возрастании требований по пропускной способности кабельной линии. Так, параллельные кабели АСБ 1х240 10 кВ целесообразно заменить СПЭ кабелем большего сечения (см. Таблицу 2).
Параметры сравнения | Кабели с бумажной | Одножильный кабель |
Вид кабельной линии в разрезе |
|
|
Сечение жил, мм2 | 240 | 500 |
Ток нагрузки при прокладке в земле, А | 639 | в плоскости / треугольником |
Максимально-допустимый 1-сек ток КЗ, А | 20,56 | 47 |
Наружный диаметр, мм | 62 | 46 |
Строительная длина, м | 500-600 | до 850 (бар. N22) |
Минимальный радиус изгиба, м | 1.64 | 0.74 |
Масса, кг/км | 2x7050 | 2570 (7710) |
Допустимая разность уровней, м | 15 | не ограничена |
Сравнительная стоимость. % | 100 | 115-120 |
Для СПЭ кабеля на напряжение 35 кВ картина еще более благоприятная (см. Таблицу 3).
Параметры сравнения | Кабели с бумажной изоляцией | Одножильный кабель |
Вид кабельной линии в разрезе |
|
|
Сечение жил, мм2 | 150 | 150 |
Ток нагрузки при прокладке в земле, А | 250 | в плоскости / треугольником |
Максимально-допустимый 1-сек ток КЗ, А | 7,58 | 14,2 |
Строительная длина, м | 300 | до 1000 (бар. N22) |
Минимальный радиус изгиба, м | 1.45 | 0.67 |
Масса, кг/км | 6400 | 1805 (5415) |
Допустимая разность уровней, м | 15 | не ограничена |
Сравнительная стоимость. % | 100 | 100-105 |
Это объясняется тем, что на этот класс напряжений применение конструкции с секторными жилами невозможно. Поэтому бумажные кабели изготавливаются с отдельно освинцованными жилами, что влечет за собой значительное удорожание по сравнению с кабелями 10 кВ. Стоимости кабелей с бумажной и полиэтиленовой изоляцией одинакового сечения приблизительно равны. Однако, как видно из Таблицы 3, полиэтиленовый кабель дает 40%–ное преимущество по нагрузочной способности.
Сферы применения СПЭ кабеля
Исходя из приведенного сравнения можно определить сферы, где применение СПЭ кабеля может быть наиболее целесообразно и принесет наибольший эффект.
Во–первых, исходя из стоимости, это уровни напряжений 15, 20, 35 кВ, где даже первоначальные капитальные затраты на кабель будут ниже.
Во–вторых, при необходимости передачи большой мощности. Классическим примером может послужить вывод мощности от генератора на шины РУ тепловой электростанции. Несколько таких проектов уже были реализованы на российских предприятиях. При этом в качестве альтернативы рассматривались сооружение медного шинопровода, прокладка 8–12 бумажных кабелей или нескольких кабелей с СПЭ изоляцией сечением 630 или 800 кв.мм. Как показывает практика, применение полиэтиленовых кабелей позволяет достичь экономии не только за счет кабельных линий, но и за счет уменьшения затрат на строительную часть. При обслуживании затраты на содержание полиэтиленового кабеля минимальны.
В третьих, СПЭ кабель может исправить ситуацию, когда кабель с бумажной изоляцией даже максимального сечения не проходит по пропускной способности. Так как пропускная способность полиэтиленового кабеля выше и максимальное сечение жилы может достигать 800 кв.мм. целесообразней использовать один кабель большого сечения. Это касается и случаев прокладки «спаренных» кабелей, когда взамен 2–х кабелей 240 кв.мм. целесообразней проложить 1 кабель сечением 500 кв.мм.
Еще одним случаем обязательного применения полиэтиленовых кабелей является наличие большой разности уровней по трассе прокладки. При использовании бумажно–масляных кабелей происходит осушение изоляции кабелей в высоких точках, что может повлечь за собой пробой. При этом даже небольшая разность уровней прокладки может стать причиной многочисленных повреждений на КЛ. В качестве классического примера можно привести ситуацию на одном из нефте–химических предприятий в Сибири, где эксплуатируется большое количество бумажно–масляных кабелей 35 кВ. При заходе кабельных линий на подстанцию перепад уровней составляет 10–15 м. Несмотря на неистекающую изоляцию кабелей, каждая кабельная линия в теле подстанции повреждалась по несколько раз, в результате практически на каждой фазе были установлены соединительные муфты.
Для исключения случаев пробоя бумажных кабелей и обеспечения надежности электроснабжения руководством энергетического комплекса предприятия было принято решение о замене концевых участков кабельных линий на кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена.
В пятых, использование кабелей с СПЭ изоляцией необходимо при особых требованиях к надежности электроснабжения, так как повреждаемость СПЭ кабелей чрезвычайно мала.
И, наконец, при наличии требований по нераспространению горения, рекомендуется применять кабели с оболочкой из ПВХ пластиката пониженной горючести, который прошел соответствующие испытания и имеет сертификат на соответствие нормам пожарной безопасности.
Из практики применения СПЭ кабеля
Опыт внедрения кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена в других странах показал их большие возможности и преимущества. Однако не обошлось без ошибок при постановке данных кабелей в производство. Так, первоначально при изготовлении кабелей многие производители применяли более дешевую технологию «силановой сшивки» полиэтиленовой изоляции. Ее отличительной особенностью является то, что наложение изоляции происходило на обычной экструзионной линии, при этом в полиэтиленовый пластикат добавлялись специальные смеси для обеспечения сшивки при нормальной температуре. Для сравнения сейчас в основной массе сшивка кабелей производится в среде нейтрального газа при температуре 300–400 гр.С и давлении 8–9 атмосфер. Для обеспечения необходимых эксплуатационных качеств сшивка должна происходить равномерно по толщине изоляции. При применении силановой сшивки это требование обеспечить чрезвычайно трудно при толщине изоляции, которая применяется для кабелей на напряжении 10 кВ. В результате неравномерной сшивки эксплуатационные качества, срок службы, степень подверженности изоляции воздействию водотриингов, электрическая прочность оказывались значительно хуже расчетных, что приводило к большому числу электрических пробоев. Поэтому на сегодняшний день подавляющее большинство производителей используют технологию сшивки в среде нейтрального газа.
Этот опыт был учтен и при постановке в производство данного кабеля в России, также как и другие требования, предъявляемые к кабелям среднего напряжения российскими заказчиками. В результате конструкция кабеля, производимого в России отличается от европейской. Так как кабель применяется в основном в сетях 10/10 кВ, толщина изоляции была увеличена с 3, 4 до 4, 0 мм. При прокладке в земле применяется оболочка из полиэтилена высокой плотности, обеспечивающая необходимую защиту кабеля от механических повреждений, как при прокладке, так и в процессе эксплуатации. Если необходима герметизация экрана, используются два слоя водонабухающих лент под и поверх медного экрана, накладываемых с перекрытием. При прокладке кабеля в кабельных сооружениях применяется оболочка из ПВХ пониженной горючести.
Их всего вышесказанного можно заключить, что кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена являются предпочтительными и наиболее перспективными при строительстве и реконструкции кабельных линий 6–35 кВ. Благодаря уникальным свойствам, высокой электрической прочности изоляции, низкой повреждаемости, длительному сроку службы СПЭ кабелей, их применение становится не только технически целесообразным, но и экономически выгодным.
| Оплетка проводов |
| Монтаж СИП кабеля: пошаговая инструкция |
| Бортовой провод: применение и монтаж |