Кабели на напряжение 110 кВ и выше.

Кабельные линии 110 кВ и 220 кВ в отечественной практике нашли применение при построении сети крупнейших городов, в схемах электроснабжения химических, нефтеперерабатывающих, металлургических, автомобильных и других промышленных предприятий, выдачи мощности электростанций, преодоления водных преград и в других случаях.

В мировой практике в 1970-80-е годы прошлого столетия использование кабелей 220 кВ и выше переменного и постоянного тока было связано преимущественно с преодолением водных преград (реки, проливы). В последние годы наряду с этим всё более широкое применение получают кабельные прокладки сверхвысокого напряжения (СВН) при организации глубоких вводов в центральные районы крупнейших городов.

Кабели с бумажной изоляцией, пропитанной вязким маслоканифольным составом, имеют сравнительно невысокую электрическую прочность, что ограничивает их применение в сетях напряжением выше 35 кВ. Это объясняется наличием в изоляции воздушных включений, которые появляются в процессе эксплуатации кабельных линий.

В процессе эксплуатации кабель подвергается периодическому нагреванию и охлаждению (включение и отключение нагрузки). При нагревании все элементы кабеля (в том числе и пропитывающий состав) увеличиваются в объеме. После охлаждения оболочка кабеля вследствие остаточных деформаций не в состоянии оказывать давление на пропитывающий состав, необходимое для возвращения его в прежнее положение. В результате после нескольких циклов нагрева и охлаждения в кабеле появляются пустоты. Начинается ионизация пустот, сопровождающаяся повышением температуры изоляции в данном месте. Ионизация вызывает ускоренное старение изоляции.

Для увеличения электрической прочности бумажной  пропитанной изоляции необходимо либо создать условия, исключающие появление в ней газовых включений, либо повысить электрическую прочность имеющихся пустот, например, путем увеличения в них давления или путем заполнения этих пустот газом, обладающим повышенной электрической прочностью.

Первая возможность реализована при создании так называемых маслонаполненных кабелей, вторая – при создании газонаполненных кабелей.

Маслонаполненные кабели низкого давления. Первые кабели на напряжение 110 кВ, появившиеся в 1923-1931 гг., были одножильными кабелями  маслонаполненного типа.

В маслонаполненных кабелях возможность образования газовых включений при изготовлении и при эксплуатации исключается тем, что для пропитки их изоляции применяется маловязкое дегазированное масло, а сама технология пропитки исключает появление пустот в изоляции.

Давление масла в кабеле для обеспечения надежности его работы должно поддерживаться в определенных пределах. Для этого в конструкции кабеля предусматриваются маслопроводящие каналы, а вдоль кабельной линии устанавливаются специальные компенсаторы (баки питания и давления), которые принимают избыток масла при нагревании кабеля и отдают – при его охлаждении.

Токопроводящая жила маслонаполненного кабеля обычно имеет в центре канал, по которому происходит перемещение масла при изменении температуры кабеля, рис. 1.

Рис. 1. Одножильный маслонаполненный кабель:

1 – опорная металлическая спираль;2 – токоведущая жила; 3 – экран из полупроводящей бумаги; 4 -  пропитанная бумажная изоляция; 5 – экран из металлизированной бумаги; 6 -  свинцовая оболочка; 7 – вторая свинцовая оболочка; 8 – усиливающие ленты

Диаметр канала для кабелей на напряжения 110-220 кВ равен 12-14  мм; для кабелей на напряжение свыше 220 кВ – 18-20 мм. Канал внутри жилы образуется с помощью поддерживающей металлической плоской спирали 1, поверх которой накладываются повивы круглых проволок.

Токопроводящая жила 2, а также изоляция кабелей 4  экранируются полупроводящей бумагой. Для экранирования можно использовать металлизированную бумагу, медную или алюминиевую фольгу.

Изоляция  маслонаполненных кабелей состоит из лент кабельной бумаги, пропитанных дегазированным минеральным или синтетическим маслом. Такая изоляция обладает целым рядом ценных свойств: высокая электрическая прочность, малые диэлектрические потери, высокие механические параметры.

Наличие у жилы и оболочки 6 кабеля  экранов из полупроводящих бумаг, обладающих адсорбционными свойствами, способствует стабилизации электрических свойств изоляции.

Практика эксплуатации показала, что наиболее экономичными являются кабели с давлением масла, находящимся в пределах 0,024-0,29 МПа для кабелей в свинцовой оболочке и 0,024-0,5 МПа для кабелей в алюминиевой оболочке.

В нашей стране выпускаются маслонаполненные кабели низкого давления таких марок:

 МНС – кабель маслонаполненный, низкого давления, в свинцовой оболочке с упрочающими и защитными покровами;

МНСК – то же, но защитные покровы включают слой оцинкованных круглых стальных проволок;

МНСШВ – то же, но защитные покровы выполнены в виде шланга из поливинилхлоридного пластиката и т.д.

Маслонаполненные кабели высокого давления (в стальных трубопроводах). Эти кабели выпускаются на переменные напряжения 110, 220, 330 и 500 кВ, рис. 2.

Рис. 2. Маслонаполненный кабель высокого давления:

1 -  токоведущая жила; 2 – изоляция; 3 – оболочка кабеля;  4 – стальная труба; 5 – защитные покровы трубы

Линия содержит три одножильных кабеля, затянутых в стальной трубопровод, который заполняется маслом под давление 1,5 МПа. Эти кабели имеют ряд преимуществ по сравнению с кабелями низкого давления. Во-первых, электрическая прочность таких кабелей выше, так как изоляция кабеля находится под более высоким давлением. Кроме того, для  пропитки изоляции и для заполнения трубопровода применяется более вязкое масло, которое обеспечивает большую импульсную прочность кабелей.

Во-вторых, стальной трубопровод является надежной защитой кабеля от механических повреждений, благодаря чему кабельные линии высокого давления являются исключительно надежными.

Однако монтаж указанных линий несколько сложнее, а стоимость выше, чем монтаж и стоимость линий с одножильными маслонаполненными кабелями низкого давления.

Токопроводящие жилы кабелей 1 в стальном трубопроводе 4 с маслом под давлением имеют круглую форму и скручиваются из медных луженых проволок.

Изоляция кабеля 2 состоит из бумажных лент, пропитанных изоляционным маслом повышенной вязкости. Заполнение трубопровода производится этим же маслом. Применение вязкого пропиточного  масла облегчает монтаж кабельный линии, так как уменьшается вытекание его из изоляции полупроводящей бумаги. На изоляцию кабеля накладывается экран из лент полупроводящей бумаги, поверх которого размещаются медные перфорированные ленты для образования металлического экрана.

На место монтажа отдельные жилы кабеля доставляются в специальных герметичных контейнерах, заполненных маслом, либо во временной свинцовой оболочке.

Внутренняя поверхность трубопровода может тщательно очищаться до металлического блеска и покрываться лаком, что способствует сохранению стабильности электрических параметров масла.

В нашей стране выпускаются кабели в стальных трубах следующих марок:

МВДТ – маслонаполненный кабель высокого давления в свинцовой оболочке, снимаемой на месте прокладки при протягивании кабеля в трубопровод;

МВДТК – маслонаполненный кабель высокого давления в контейнере.

     Такие кабели могут прокладываться в туннелях, в земле и под водой.

     Затягивание кабелей в трубопровод происходит после прокладки трубопровода по трассе линии.

     Газонаполненные кабели. Как говорилось выше, электрическая прочность кабеля может быть значительно увеличена, если повысить давление в газовых включениях, находящихся в изоляции.

     Газонаполненные кабели устроены таким образом, что непосредственно в кабель подводится чистый сухой газ под давлением. Значение давления определяется особенностями конструкции кабеля и условиями прокладки и находится в пределах 0,7-3,0 МПа.

    В зависимости от конструкции кабеля сжатый газ может либо поступать непосредственно в изоляцию кабеля (зазоры между лентами, пространство между проволоками внутри жилы), либо не иметь непосредственного соприкосновения с изоляцией, а передавать давление на изоляцию через специальную мембрану.

Для заполнения газонаполненных кабелей применяется осушенный, очищенный от примесей азот или его смеси с элегазом (элегаз –10%, азот – 90%).

На рис. 3 приводится конструкция кабеля в трубопроводе с газом под давлением. Эти кабели наряду с кабелями в трубопроводе с маслом под давлением весьма распространены в США, ФРГ, Японии.

Рис. 3. Газонаполненный кабель в стальном трубопроводе с газом под давлением:

1 – токопроводящая жила; 2 – бумажная изоляция; 3 – пластмассовая оболочка; 4 – трубопровод

Отдельные фазы кабеля  1 изолированы бумагой 2, пропитанной масло-канифольным составом, и покрыты сверху пластмассовой оболочкой 3. Трубопровод 4 заполнен газом под давлением. Давление на изоляцию передается через пластмассовую оболочку, которая играет роль мембраны. Трубопровод 4 заполнен газом под давлением. Давление на изоляцию передается через пластмассовую оболочку, которая играет роль мембраны.

    Существуют разработки кабельных линий с газовой изоляцией,  криорезистивные кабельные линии с алюминиевыми жилами, охлаждаемыми жидким азотом, сверхпроводящие кабельные линии.