Кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ)

Статистика неумолимо свидетельствует, что наиболее повреждаемыми являются силовые кабели с пропитанной бумажно-масляной изоляцией на напряжение до 10 кВ. Во многих странах шёл интенсивный поиск изоляционного материала на основе полимерных композиций, который обладал бы значительными преимуществами и мог бы заменить БПИ. Такой материал был получен на основе полиэтилена и получил название сшитый полиэтилен (СПЭ).

Кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена призваны заменить морально устаревшие  кабели  с  изоляцией,  пропитанной  маслоканифольным составом.

В большинстве промышленно развитых стран мира на напряжения от 10 до 500 кВ используются кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена. Особенно широко такие кабели используются на напряжение 10 кВ. В Японии их начали прокладывать уже в пятидесятых годах прошлого века.

В 90-е годы в работу были введены первые кабельные линии напряжением 500 кВ. С 1996 г. международный концерн АББ (Asea Brown Boveri) освоил производство кабелей с СПЭ-изоляцией в России  на предприятии «АББ Москабель», где в настоящее время выпускаются кабели напряжением до 220 кВ включительно. Предприятие «Иркутсккабель» освоил выпуск кабелей с СПЭ-изоляцией напряжением до 35 кВ включительно.

На сегодняшний день кабели среднего напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена занимают 80-85 % рынка в США и Канаде, 95 % - в Германии и Дании, 100 % - в Японии, Финляндии, Швеции и Франции. В последнее время в России ведущие энергосистемы также ориентированы на использование кабелей среднего напряжении  с изоляцией из СПЭ при прокладке новых кабельных линий и замене либо капитальном ремонте старых. Переход от кабелей с БПИ к кабелям с изоляцией из СПЭ, связан со всё возрастающими требованиями эксплуатирующих организаций к техническим параметрам кабелей. В этом отношении преимущества кабелей из СПЭ очевидны.

Перечислим некоторые из них:

- более высокая надёжность в эксплуатации (удельная повреждаемость на 2-3 порядка ниже, чем кабелей с бумажной изоляцией);

- низкие диэлектрические потери (коэффициент диэлектрических потерь 0,001 вместо 0,008);

- большая пропускная способность за счёт увеличения допустимой температуры нагрева жил: длительной (90^о С вместо 70^о С), при перегрузке (130^о С вместо 90^о С);

- меньшие расходы  на  реконструкцию  и  содержание  кабельных  линий;

- более высокий ток термической стойкости при коротком замыкании (250^о С вместо 200^о С);

- высокая стойкость к повреждениям;

- низкая допустимая температура при прокладке без предварительного подогрева (-20^о С вместо 0^о С);

- низкое влагопоглощение;

- меньший вес, диаметр и радиус изгиба, что облегчает прокладку на сложных трассах;

- возможность прокладки на трассах с неограниченной разностью уровней;

- более экологичный монтаж и эксплуатация (отсутствие свинца, масла, битума)

- более высокий срок службы  (не менее 30 лет);

- большая строительная длина (до 2000-4000 м) при использовании однофазного кабеля.

Своими уникальными свойствами кабели с изоляцией из СПЭ обязаны применяемому изоляционному материалу. Полиэтилен в настоящее время является одним из наиболее применяемых  изоляционных материалов при производстве кабелей. Но изначально термопластичному полиэтилену присущи серьёзные недостатки, главным из которых является резкое ухудшение механических свойств при  температурах, близких к температуре плавления. Решением этой проблемы стало применение сшитого полиэтилена.

Термин «сшивка» подразумевает обработку полиэтилена на молекулярном уровне. Поперечные связи, образующиеся в процессе сшивки между макромолекулами полиэтилена, создают трёхмерную структуру, которая и определяет высокие электрические и механические характеристики материала, меньшую гигроскопичность, больший диапазон рабочих температур.

Конструкция кабелей с изоляцией из СПЭ значительно отличается от традиционных кабелей с БПИ. Кабели выпускаются с многопроволочной круглой медной или алюминиевой жилой, а возможность различных типов оболочек и возможность герметизации позволяет использовать кабель как для прокладки в земле (траншее), так и для кабельных сооружений  ( тоннели, галереи, эстакады), в блоках (трубах), в производственных помещениях (в кабельных каналах, по стенам) в том числе при групповой прокладке.

При прокладке в земле применяется оболочка из полиэтилена высокой плотности, обеспечивающая необходимую защиту кабеля от механических повреждений. Если необходима герметизация экрана, используется два разделительных слоя водоблокирующих лент под и поверх медного экрана.

Выпускаются кабели, предназначенные для прокладки на объектах с  требованиями к пониженному дымогазовыделению (АЭС, метрополитены, крупные промышленные объекты, высотные здания и т.д.).

Конструкция  кабеля напряжением 10 кВ  с круглой многопроволочной уплотнённой токопроводящей жилой приведена на рис. 1.

Рис. 1. Конструкция одножильного кабеля с изоляцией из СПЭ

Цифры на рис. 1 означают:

1. Круглая многопроволочная уплотнённая токопроводящая жила,  материал:

– алюминий (А);

– медь.

      2. Экран по жиле из экструдируемого полупроводящего сшитого полиэтилена.

3. Изоляция из сшитого полиэтилена (Пв).

     4. Экран по изоляции из экструдируемого полупроводящего сшитого          полиэтилена.

      5. Слой из полупроводящей водоблокирующей ленты – для кабелей с      

               индексом «r», «2r».

       6. Экран из медных проволок, скреплённых медной лентой. Сечение

 экрана выбирается в зависимости от токов короткого замыкания.

  7. Разделительный слой:

             - для кабелей с индексом «2r»  из водоблокирующей ленты.

        8. Разделительный слой:

               - для кабелей с индексом «2r» из алюмополимерной ленты;

             - для кабелей с индексом  Внr-LS категории А из слюдосодержащей ленты

9. Оболочка:

                - из полиэтилена (П);

                - из полиэтилена увеличенной толщины (Пу);

                - из  ПВХ пластиката (В);

                - из ПВХ  пластиката пониженной пожароопасности.  

         Конструкция трёхжильного кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена приведена на рис. 2.

Рис. 2. Конструкция трёхжильного кабеля с изоляцией из СПЭ

         Цифры на рис. 2 означают:

1 - многопроволочная уплотнённая токопроводящая жила, алюминиевая или медная;

2 - внутренний экструдированный полупроводящий слой;

3 - изоляция из сшитого полиэтилена;

4 - внешний экструдированный полупроводящий слой;

5 -  слой обмотки полупроводящим полотном;

6 - медный экран;

7 - экструдированная подушка;

8 - броня из двух стальных оцинкованных лент;

9 - наружная оболочка.

      ОАО «Завод «Саранскабель» выпускает силовые кабели с изоляцией из СПЭ на напряжение 6, 10, 20, 35 кВ в оболочке из полиэтилена и ПВХ-пластиката сечением от 35 до 800 мм² (алюминиевая жила), от 25 до 630 мм² (медная жила).

СитиКабель напряжением 132 кВ. Это трёхжильный кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена в стальной трубе, рис. 3.

Рис. 3. СитиКабель напряжением 132 кВ

Цифры на рис. 3 означают:

1 – медная жила;

2 – изоляция из СПЭ;

3 – водоблокирующий слой;

4 – водозащитный слой из алюмополимерной ленты;

5 -  полиэтиленовая оболочка;

6 – оболочка, скручивающая три жилы вместе;

7 – броня из плоской стальной проволоки;

8 – стальные трубы;

9 – полиэтиленовое покрытие.

В СитиКабеле объединены преимущества газонаполненных кабелей и кабелей с изоляцией из СПЭ. Кабель специально разработан для применения в городских кабельных сетях для повторной и новой прокладки. Основные конструкции были разработаны с учётом возможности использования уже существующих старых труб. Концепция СитиКабеля позволяет проводить дешёвую замену старых кабельных контуров и экономичный и безопасный монтаж кабельных сетей в многолюдных зонах.

Использование СитиКабеля обеспечивает:

- быструю и дешёвую замену кабелей за счёт протаскивания кабелей в уже существующие трубы;

- компактную и прочную трёхжильную конструкцию;

- эксплуатацию без дополнительного обслуживания;

- отсутствие загрязнения окружающей среды.

Кабели напряжением 110 и 220 кВ. В Германии выпускаются одножильные кабели с изоляцией из СПЭ и медным проволочным экраном, герметизированные, с многопроволочной уплотнённой  жилой. При сечении медных или алюминиевых жил от 240 до 1000 мм²  пропускная способность кабелей с медными жилами от 161 до 287 МВ*А, а алюминиевых – от 127 до 245 МВ*А. При сечении медных или алюминиевых жил от 1000 до 2500 мм² их пропускная способность составляет от 377 до 536 МВ*А и от 298 до 458 МВ*А соответственно. На рис. 4 представлен кабель с СПЭ-изоляцией на напряжения 110, 220 кВ. Кабель состоит из: 1 – круглой многопроволочной медной или алюминиевой жилы, 2 – полупроводящего слоя по жиле; 3 – изоляции из сшитого полиэтилена; 4 – полупроводящего слоя по изоляции; 5 -  полупроводящей ленты; 6 – экрана из медных проволок; 7 – медной ленты; 8 – полупроводящей ленты; 9 – оболочки из полиэтилена или ПВХ пластиката.

Рис. 4. Конструкция кабеля напряжением 110 и 220 кВ

 с СПЭ-изоляцией

Металлический экран состоит из медных проволок и спирально наложенной поверх них медной ленты. Площадь сечения экрана выбирается по условию протекания токов короткого замыкания. Площадь сечения экрана выбирается по условию протекания токов короткого замыкания. Для обеспечения продольной герметизации в кабелях с индексом «r» используется слой водонабухающего материала. При контакте с водой  этот слой разбухает и формирует продольный барьер, предотвращая, таким образом, распространение влаги при повреждении наружной оболочки. Кабели с индексом «2r» помимо продольной герметизации экрана, имеют оболочку из алюмополимерной ленты, сваренной с полиэтиленовой оболочкой.

Данная конструкция создаёт эффективный барьер, препятствующий проникновению паров воды, а наружная оболочка из чёрного полиэтилена служит как механическая защита.

В настоящее время во всём мире наблюдается существенный рост использования кабельных линий напряжением 110 кВ и выше. В основном они применяются при организации глубоких вводов в центральные районы крупнейших городов.  В табл. 1  приведены данные о крупнейших кабельных объектах последних лет с СПЭ-кабелями. Конструкция кабелей на высокие и сверхвысокие напряжения отличается в основном толщиной изоляции и защитной оболочки. Кабельная жила изготовляется  уплотнённой и герметизированной, а при сечении более 1000 мм² – сегментированной для уменьшения поверхностного эффекта. Максимальная площадь жилы может составлять 2500 мм².

Таблица 1. Крупнейшие кабельные объекты