спэ изоляция что это
Кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена: устройство, конструкции, преимущества, области применения
В настоящее время на российском рынке кабельно-проводниковой продукции наблюдается стабильное увеличение производства-потребления кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ). Российское обозначение этих кабелей СПЭ, английское — XLPE, немецкое — VPE, шведское — РЕХ.
Отметим основные преимущества кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ-кабелей) перед кабелями с бумажной пропитанной изоляцией (БПИ-кабелями):
в зависимости от условий прокладки пропускная способность СПЭ-кабелей в 1,2—1,3 раза больше благодаря более высокой допустимой длительной температуре,
термическая стойкость СПЭ-кабелей при токах короткого замыкания (КЗ) выше благодаря большей предельной температуре, удельная повреждаемость СПЭ-кабелей в 10—15 раз ниже, чем у БПИ-кабелей,
большой срок службы СПЭ-кабеля (поданным заводов-изготовителей более 50 лет),
более легкие условия монтажа СПЭ-кабелей, обусловленные меньшими массой, диаметром, радиусом изгиба, отсутствием тяжелой свинцовой (или алюминиевой) оболочки,
отсутствие в конструкции СПЭ-кабелей жидких компонентов уменьшает время и снижает стоимость монтажа,
СПЭ-кабели высоко экологичны благодаря отсутствию утечки масла и загрязнения окружающей среды при повреждении,
гигроскопичность конструктивных элементов СПЭ-кабеля значительно меньше, чем БПИ-кабеля, высокие диэлектрические свойства изоляции,
СПЭ-кабели не имеют ограничений по разности уровней кабельной трассы.
Рис. 1. Кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена
Изоляция из сшитого полиэтилена сохраняет форму, электрические и механические характеристики даже при температуре 130 °С.
Термин «сшивка» или «вулканизация» подразумевает обработку полиэтилена на молекулярном уровне. Поперечные связи, образующиеся в процессе сшивки между макромолекулами полиэтилена, создают трехмерную структуру, которая и определяет высокие электрические и механические характеристики материала, меньшую гигроскопичность, больший диапазон рабочих температур.
В мировой кабельной промышленности при производстве силовых кабелей используются две технологии сшивки, принципиальное различие которых заключается в реагенте, с помощью которого происходит процесс сшивки полиэтилена.
Наибольшее распространение получила технология пероксидной сшивки, когда сшивка полиэтилена происходит с использованием специальных химических веществ — пероксидов в среде нейтрального газа при определенных температуре и давлении. Такая технология позволяет получить достаточную степень сшивки по всей толщине изоляции и обеспечить отсутствие воздушных включений. Помимо хороших диэлектрических свойств, это и больший, чем у других кабельных изоляционных материалов, диапазон рабочих температур, и отличные механические характеристики. Перок-сидная технология применяется при производстве кабелей среднего и высокого напряжений.
Менее распространенной является сила-нольная сшивка, при которой в полиэтилен добавляются специальные смеси (силаны) для обеспечения сшивки при более низкой температуре. Сектор применения этой более дешевой технологии охватывает кабели низкого и среднего напряжений.
Первым российским производителем СПЭ-кабеля в 1996 г. стала московская компания АББ «Москабель», использующая технологию пероксидной сшивки. Первым российским производителем СПЭ-кабеля из силаносшитого полиэтилена в 2003 г. стало ОАО «Камкабель».
Существуют два варианта исполнения СПЭ-кабелей — трехжильный и одножильный. В основном СПЭ-кабели выпускаются в одножильном исполнении (рис. 2).
Рис. 2. Внешний вид одножильного СПЭ-кабеля: 1 — круглая многопроволочная уплотненная токопроводящая жила, 2 — экран по жиле из полупроводящего сшитого полиэтилена, 3 — изоляция из сшитого полиэтилена, 4 — экран по изоляции из полупроводящего сшитого полиэтилена, 5 — разделительный слой из полупроводящей ленты или полупроводящей водоблокирующей ленты, 6 — экран из медных проволок, скрепленных медной лентой, 7 — разделительный слой из двух лент крепированной бумаги, прорезиненной ткани, полимерной ленты или водоблокирующей ленты, 8 — разделительный слой из алюмополиэтиленовой или слюдосодержащей ленты, 9 — оболочка из полиэтилена, ПВХ-пластиката
Отличительной особенностью трехжильного исполнения СПЭ-кабеля является наличие экструцированного междуфазного наполнителя из полиэтилена или поливинилхлоридного (ПВХ) пластиката.
Применение одножильных СПЭ-кабелей позволяет обеспечить прежде всего повышенную надежность электроснабжения за счет резкого снижения вероятности междуфазных коротких замыканий. Вероятность одновременного разрушения в одном месте изоляции двух конструктивно не связанных между собой одножильных кабелей (соединительных или концевых муфт) соответствует вероятности междуфазных повреждений ошиновки с изолированными шинами, т.е. очень мала.
Вероятность однофазных замыканий на землю при применении одножильных кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена намного меньше, чем при использовании трехжильных БПИ-кабелей. Это достигается как самой конструкцией одножильных СПЭ-кабелей, так и лучшими диэлектрическими свойствами изоляции.
Экранирование элементов кабеля необходимо для электромагнитной совместимости кабеля с различными внешними цепями и для обеспечения симметрии электрического поля вокруг жилы кабеля и, следовательно, для создания более благоприятных условий работы изоляции. Внутренние экраны выполняются из полупроводящей пластмассы, внешний экран — из медных проволок и лент.
Наружная защитная оболочка предохраняет внутренние элементы кабеля от попадания влаги и механических повреждений при его монтаже и эксплуатации. Наружные оболочки СПЭ-кабелей изготавливаются из полиэтилена или ПВХ-пластиката повышенной прочности.
Рис. 3. Кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена АПвПг
Условные буквенно-цифровые обозначения (маркировка) кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена:
А — алюминиевая токоведущая жила, нет обозначения — медная токоведущая жила,
Пв — материал изоляции — сшитый (вулканизированный) полиэтилен,
П или В — оболочка из полиэтилена или ПВХ-пластиката,
у — усиленная полиэтиленовая оболочка увеличенной толщины,
нг — оболочка из ПВХ-пластиката пониженной горючести,
нгд — оболочка из ПВХ-пластиката пониженного дымогазовыделения,
г — продольная герметизация экрана водоблокирующими лентами,
1 или 3 — количество токоведущих жил,
50—800 — сечение токоведущей жилы, мм2,
гж — герметизация токоведущей жилы, 2 16—35 — сечение экрана, мм,
1—500 — номинальное напряжение, кВ.
Пример обозначения: АПвПг 1×240/35—10 — кабель с алюминиевой жилой (А), СПЭ-изоляцией (Пв), полиэтиленовой оболочкой (П), герметизацией экрана (г), одножильный (1), сечение жилы 240 мм, сечение экрана 35 мм, номинальное напряжение 10 кВ.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена
С 60-х годов пластмассы стали применяться как для изоляции, так и для оболочек низковольтных кабелей, а разработанная в 1963 г. изоляция из сшитого полиэтилена (СПЭ) стала одним из ключевых факторов развития подземных кабельных систем среднего и высокого напряжения.
Сегодня кабели с изоляцией из СПЭ находятся в эксплуатации в области высокого и сверхвысокого напряжения.
В результате увеличения плотности мощностей в городских районах существующие конструкции высоковольтных кабелей, особенно кабели с изоляцией из СПЭ, были рассмотрены для дальнейшего повышения их нагрузочной способности.
Условия прокладки, транспонирование экранов, использование жил типа Milliken, эмалированных проволок, жил большого сечения, кабелей постоянного тока — всё это способы увеличения пропускной способности линии.
Новые разработки показывают возможность существенного снижения поверхностного эффекта и эффекта близости за счёт применения оксидирования или эмалирования проволок в сегментных жилах.
В настоящее время единственной технологией, способной обеспечить передачу электроэнергии на большие расстояния по подземному кабелю, является высоковольтная передача электроэнергии на постоянном напряжении.
Благодаря современным инновациям в технологии преобразователей, созданию кабелей с изоляцией из СПЭ и гибкости структуры системы наблюдается быстрый рост применения высоковольтных систем передачи постоянного напряжения.
НАДЁЖНОСТЬ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ
Достичь долгого срока службы кабеля с изоляцией из СПЭ не сложно. Но требуется уделять внимание деталям, которые сначала могут показаться малозначимыми.
С самого начала применения кабелей с пропитанной бумажной изоляцией и последующим применением СПЭ известно, что электрическая прочность изоляционной системы со временем снижается в процессе эксплуатации. Скорость этого снижения (старение) зависит от напряжённости электрического поля, температуры и условий окружающей среды, в которой проложены кабели (влажная или сухая среда). Международными комиссиями и национальными комитетами были разработаны различные долгосрочные испытания.
Испытания кабелей на долговременное старение не предназначены для оценки производственных дефектов, например, пустот, загрязняющих включений и неоднородностей на границах раздела изоляция/ экран. Для выявления этих дефектов перед тем, как кабель будет введён в эксплуатацию, проводятся заводские испытания, такие, как испытание на частичные разряды и напряжением переменного тока. Испытания на старение предназначены для гарантии того, что полимерные материалы изоляции обеспечат надёжные характеристики кабеля в течение длительных периодов эксплуатации во влажной среде. Основным механизмом старения кабелей с изоляцией из СПЭ является образование триингов. Образование электрических триингов — это механизм быстрой деструкции, которая обычно инициируется на дефекте.
Отказы кабелей не являются простой функцией времени их эксплуатации, а, скорее, функцией времени эксплуатации, совокупности воздействий и качества изготовления.
На рис. 1 отражён пример того, каким образом улучшались эксплуатационные характеристики каждого нового поколения кабелей, начиная с первых кабелей с изоляцией из термопластичного ПЭ, затем кабелей с классической изоляцией из СПЭ и, наконец, современных кабелей с изоляцией из ТСПЭ.
Рис. 1. Интенсивность отказов кабеля (отказов изоляции) в процессе эксплуатации в Германии
НОРМЫ ИСПЫТАНИЙ И ДИАГНОСТИКА КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ
Диагностические испытания кабеля предполагают процесс, а не одиночное событие. Необходимо анализировать данные о кабельной линии для того, чтобы для конкретного состава линии была выбрана соответствующая методика испытаний. В некоторых случаях лучше всего начать с наиболее простой в применении технологии, обеспечивающей общую информацию, которая впоследствии может быть использована для выбора более специализированных методов.
Кабельные муфты должны быть равнопрочным элементом кабельной системы как электрически, так и механически. Но на сегодняшний день статистика такова, что концевые муфты являются менее прочным элементом кабельной системы. Имеются случаи выхода из строя концевых муфт различных производителей. Наиболее вероятная причина — недостаточный уровень качества работ при монтаже. Другой возможный фактор — низкий уровень диэлектрических свойств изоляционной жидкости (наличие посторонних частиц, влаги), который также может быть связан с низким уровнем монтажа. Соответственно, для концевых муфт необходимо применять дополнительные меры контроля качества монтажа, а в последующем и методы их диагностики. Обязательными должны стать проверка уровня ЧР в муфтах после их монтажа и последующий периодический контроль уровня ЧР на протяжении эксплуатации. Напротив, проведение постоянной или периодической диагностики кабеля на наличие ЧР в изоляции не является обязательным, учитывая низкую повреждаемость и высокую стоимость данных систем.
К каждому из методов испытаний и диагностики необходимо относиться с особой тщательностью, оценивая их надобность.
Длинные кабельные линии представляют высокий риск в энергосистемах электропередачи в связи с возможными пробоями и длительными ремонтами. Частота пробоев среди прочего зависит от процедуры контроля качества. Также кабельные системы должны быть адаптированы для технического обслуживания и быстрого восстановления в случае аварии.
Опыт эксплуатации показывает, что только малую часть времени простоя кабельной линии составляет продолжительность ремонта кабеля. Полное время простоя значительно зависит от других аспектов — получения разрешения для входа на объект, исследования аварии и выбор наилучшего метода ремонта, получения разрешений для начала работ, очистки участка, наличия квалифицированного персонала, запчастей и т.д. Время простоя для высоковольтных линий с изоляцией из СПЭ может составлять 1-2 недели в одном случае и 6-9 месяцев — в другом.
Прежде всего качество должно быть заложено правильным определением технических параметров, испытаниями и монтажом кабельной системы. Затем качество необходимо поддерживать надлежащим обслуживанием. В случае аварии должна быть возможность оперативного восстановления требуемого качества.
После аварии кабельной системы качество должно быть восстановлено как можно быстрее. Поэтому бригада по обнаружению повреждений должна быть в состоянии готовности 24 часа/7 дней в неделю для предварительного осмотра в случае выхода из строя. Для следующего шага требуется внутренняя ремонтная служба для локализации проблемы (также 24/7 в состоянии готовности). Разрешения для доступа к собственности и для работы должны быть оформлены заранее таким образом, чтобы работа не могла быть остановлена в неподходящий момент.
Желательно поддерживать контакт с поставщиком кабеля/системы и гарантировать быструю готовность монтажников. Контракт с поставщиком кабеля в течение нескольких лет за определённую цену может помочь уменьшить время подготовки. Важно иметь под рукой квалифицированного подрядчика для земляных работ, для того чтобы была возможность открыть любую траншею для осмотра.
Запчасти обычно заказываются и поставляются вместе с кабельной системой, чтобы сразу иметь в наличии. Необходимо периодически проверять возможность использования тех или иных запчастей.
ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ГОРОДСКИХ И МАГИСТРАЛЬНЫХ КАБЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ
В эксплуатации остаётся большое количество старых маслонаполненных кабелей. При их замене планируется использовать кабели с изоляцией из СПЭ.
Преимущества кабелей с изоляцией из СПЭ перед кабелями с БПИ для среднего напряжения уже давно оценены и известны.
Маслонаполненные кабельные линии высокого и сверхвысокого напряжения показывают высокую надёжность. Многие кабели были проложены ещё в 60-70-х годах, некоторые выработали уже ресурс дважды. Но тем не менее они до сих пор продолжают работать.
Но есть одна важная проблема, от которой нельзя уйти, — термическая деструкция изоляции. Тангенс дельта, который и изначально имеет высокое значение 0,003 по сравнению с СПЭ, в течение срока службы постепенно растёт. В некоторых случаях он может превышать исходное значение в 5-10 раз. Как следствие — увеличение потерь на нагрев изоляции при сохранении расчётной нагрузки приведёт к тепловому пробою. В результате необходимо постепенно понижать температуру на жиле, уменьшая пропускную способность.
Большие затраты ложатся на содержание масло-хозяйства и постоянный отбор проб масла.
Алюминиевая оболочка кабелей низкого давления на 110-220 кВ подвергается существенной коррозии, и, следовательно, за 30-40 лет она почти полностью разлагается, и влага становится губительным фактором.
Конструкции кабелей высокого давления на 220-500 кВ более надёжны. Но большие трудности в ремонте — заморозка большого объёма масла, отсутствие квалифицированных ремонтных сотрудников и запчастей являются критичными факторами для дальнейшей их эксплуатации.
Сетевым и генерирующим компаниям уже сейчас необходимо продумывать план по замене данных линий и планировать соответствующие инвестиции.
Наиболее продвинутые компании уже сейчас включают в свои планы замену маслонаполненных кабелей, тем самым уменьшая затраты на текущее обслуживание и потери, развивая сети и предотвращая большие вынужденные затраты в случае аварии.
С ростом спроса на электроэнергию в условиях всё более осознанного отношения к охране окружающей среды и повышения скорости передачи информации очевидны следующие тенденции:
Нет сомнения в том, что применение и важность кабельных систем будут возрастать. В течение 10-15 лет современные кабели с изоляцией из СПЭ полностью вытеснят старые кабели с бумажно-пропитанной изоляцией, а уже через 50-70 лет уступят кабельным системам на базе сверхпроводников, разработки которых сегодня внедряются в первые промышленные проекты.
Кабель СПЭ
Подача электричества к потребителям и его распределение осуществляются с помощью кабельной продукции. Величина допустимого напряжения для каждого из проводов или кабелей зависит от целого ряда физических параметров. Одним из них является материал, из которого изготовлена изоляция проводника. При повышении номинального напряжения выше 10 кВ ужесточаются требования к изоляции, как между жилами, так и наружных оболочек. На смену кабелям для высокого напряжения, имеющим пластмассовую или поливинилхлоридную изоляцию, приходит кабель спэ. Изоляция такого продукта изготовлена из сшитого полиэтилена (СПЭ).
Преимущества сшитого полиэтилена
Современный российский рынок представляет кабельно-проводниковую линейку с СПЭ изоляцией. Иностранные обозначения такого материала – XLPE (Англия), VPE (Германия), РЕХ (Швеция).
Чтобы выявить преимущества СПЭ изоляции, нужно вспомнить, что она бывает:
Важно! Чтобы придать той или иной изоляции специфические свойства при производстве в продукт добавляют различные примеси. Они улучшают физические параметры изоляции в зависимости от предполагаемых условий эксплуатации.
В преимуществах изоляции из СПЭ перед вышеперечисленными видами диэлектриков можно выделить следующие позиции:
Благодаря тому, что в состав подобной кабельной продукции не входят жидкие компоненты, стоимость и время монтажных работ значительно снижены. Правильный монтаж продукции с изоляцией из сшитого полиэтилена должен предупреждать повреждения внешней оболочки.
Внимание! Недопустимо крепить проводник металлическими хомутами без использования защитных подложек (прокладок). Можно использовать для этого ленточные бандажи, полимерные литые хомуты и прочие специфические крепежи.
Особенности конструкции
Изоляция из полиэтилена при приближении к температурам плавления теряет свои качества: форму, механические параметры и электрические характеристики. Температура 850С является критичной для такого типа изоляции. СПЭ выдерживает без последствий нагрев до 1300С.
К сведению. Обработка полиэтилена, в результате которой меняются связи между молекулами (на уровне «макро»), называется «сшивкой». Трёхмерная структура поперечных связей, полученная с помощью такой вулканизации, даёт повышение параметров изоляции по всем позициям.
Технические характеристики кабелей СПЭ
Буквенная аббревиатура проводников указывает на их марку, устройство и варианты исполнения. Она включает в себя индексы, которые описывают состав материалов, из которых выполнены:
Цифры обозначают количество жил, сечение и номинальное напряжение (кВ).
Пример такой маркировки, обозначение и расшифровку можно разобрать, обратившись к картинке ниже.
Технические характеристики для любой марки продукции можно посмотреть в таблицах. При рассмотрении необходимо учитывать категорию сетей (по МЭК 60183).
К сведению. В таблицах учитываются минимальные сечения экрана, выбранные по значениям токов КЗ (коротких замыканий). С увеличением сечения экрана необходимо делать поправку на длительно допустимые токи, их значение уменьшается.
Варианты исполнения
Кабели-СПЭ выпускают на напряжение от 6 до 500 кВ и сечением жил: алюминиевых (35-800 мм2) и медных (25-630 мм2). Они исполняются в одножильном и трёхжильном вариантах.
Кстати! Одножильный (однофазный) – наиболее распространённый тип, потому что трёхжильные (трёхфазные) конструкции кабелей применяют только на напряжения до 35 кВ.
Устройство
Форма жил в кабелях может быть круглая или секторная. Токовод, имеющий форму сектора, обладает рядом недостатков, а именно:
Не может защитить сшитый полиэтилен кабель 10 кв технические характеристики которого в трехжильном исполнении не выдерживают прокладки в грунт без заполнения внутриполостных промежутков. Кабели с жилами круглого сечения лишены таких недостатков.
Специфика применения и классы продукции
Применяют кабели с изоляцией из СПЭ в сетях энергетических систем, там, где нужно выдержать следующие условия:
Основная классификация подобной кабельной продукции проводится с ориентировкой на конструктивные особенности.
Особенности включения по типу заземления
При расчётах на этапе проектирования схем прокладки кабелей рассматривают способ присоединения «нейтрали» к «земле». Нейтраль – это проводник, соединяющий в одну точку нулевые провода обмоток питающих трансформаторов или генераторов (в трёхфазных сетях). Различают два вида включения кабелей-СПЭ для эксплуатации, а именно:
В зависимости от вида включения, для линий организована защита от коротких замыканий. В сетях с изолированной нейтралью кабель может эксплуатироваться при замыкании одной фазы на «землю» (ОЗЗ) довольно продолжительное время. Такое однофазное замыкание не требует немедленного отключения для ремонта. Ток замыкания невелик, но вызывает старение кабеля.
Осторожно! ОЗЗ при глухозаземлённой нейтрали требует немедленного срабатывания защитного отключения. Ток замыкания при этом очень большой, и проводник может сгореть.
Трехфазные кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена
У кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена в состав конструкции входят три жилы, каждая из которых имеет собственную изоляцию. Если обеспечить достаточное заполнение для таких тоководов, то можно производить их монтаж в средах с любым процентом влажности.
Как производится
При производстве силовых кабелей (СК) во всём мире применяют две технологии.
Технология сшивки бывает:
Химический способ разделяют на два вида производства, в зависимости от реагентов, которые используют при химических реакциях: это пероксиды и силаны.
Пероксиды, помещённые в среду нейтральных газов, в сочетании с определённым давлением и заданной температурой дают эффект сшивки. Она распространяется по всей толщине и не имеет включений воздуха. Пероксидный метод применяют для выпуска кабелей, рассчитанных на среднее и высокое напряжения.
Силаны являются активно-поверхностными веществами (органическими соединениями кремния), они устойчиво связывают органическую матрицу и неорганические наполнители. Это более дешёвый способ, при котором изоляцию на жилу накладывают в кремневой кислоте. Силановый метод используют для производства кабелей, эксплуатируемых при низком и среднем напряжениях.
Радиационная технология, хоть и более эффективная, но из-за остаточной радиации применяется для изготовления кабелей для особых условий эксплуатации. Она выполняется путём облучения полиэтилена жёсткими гамма-лучами.
Интересно. Используемый в пероксидной технологии катализатор (перекись дикумила) имеет резкий особый запах. Он появляется при попытке механического разрушения изоляции. Насекомые и грызуны его не переносят, что является хорошей защитой от нападок грызущих животных.
Кабели с изоляцией из СПЭ начали вводиться в эксплуатацию ещё с середины прошлого века. Японцы стали первопроходцами в этом. На сегодняшний день такая продукция, рассчитанная на среднее напряжение, занимает от 80 до 95% в США, Канаде, Дании и Германии в общем объеме. Япония, Франция, Швеция и Финляндия приблизили этот показатель к 100%. Российские производители продукции для энергетики также взяли курс на выпуск таких надёжных проводников.