Предназначение высокотемпературных сверхпроводящих кабелей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Линия электропередачи (ЛЭП) -- один из компонентов электрической сети, система энергетического оборудования, предназначенная для передачи электроэнергии посредством электрического тока. Также электрическая линия в составе такой системы, выходящая за пределы электростанции или подстанции. Различают воздушные и кабельные линии электропередачи. В последнее время приобретают популярность газоизолированные линии -- ГИЛ. По ЛЭП также передают информацию при помощи высокочастотных сигналов (по оценкам специалистов, в СНГ используется порядка 60 тысяч ВЧ-каналов по ЛЭП) и ВОЛС. Используются они для диспетчерского управления, передачи телеметрических данных, сигналов релейной защиты и противоаварийной автоматики. Строительство ЛЭП -- сложная задача, которая включает в себя проектирование, производственные работы, монтаж, пусконаладку, обслуживание.

1. Силовые кабели с пластмассовой изоляцией на напряжение 1-35кВ

Силовые кабели с пропитанной маслом бумажной изоляцией, обладая высокими электрическими параметрами и большой надежностью в эксплуатации, тем не менее не лишены ряда существенных недостатков, а именно: технологический процесс их изготовления сложен и малопроизводителен; кабели изготовляют только в металлической оболочке, так как пропитанная бумага невлагостойка, что значительно удорожает и утяжеляет их конструкцию; из-за стекания пропиточного состава в кабелях имеются ограничения при вертикальных прокладках и т.п. Применение пластмасс для изоляции силовых кабелей позволяет значительно упростить технологию их изготовления. Пластмассовая изоляция может быть наложена на токопроводящие жилы методом выдавливания (экструзии) на червячных прессах. Этот процесс значительно более производителен, чем изолирование методом обмотки лентами. Применение пластмасс позволяет также облегчить конструкцию кабелей, упростить прокладку и монтаж, а также производить прокладку на трассах с большой разностью уровней.

Основными материалами, применяемыми для замены пропитанной маслом бумажной изоляции, являются полиэтилен, поливинилхлорид и этиленпропиленовая резина.

Таблица 1. Параметры материалов, применяемых для изоляции силовых кабелей

Таблица 2. Электрические параметры кабелей с пластмассовой изоляцией

Рабочие напряженности в пластмассовой изоляции кабелей на напряжение 10...30 кВ, а также толщина изоляции, рекомендуемые МЭК, приведены в табл. Одним из наиболее перспективных материалов для изоляции кабелей является полиэтилен. Этот материал обладает целым рядом преимуществ по сравнению с другими материалами: высокая электрическая прочность; малые значения плотности, е и tg 8; хорошая гибкость; влагостойкость. Следует отметить также, что из всех известных полимерных материалов в настоящее время только полиэтилен может быть получен очень чистым, содержащим минимальное количество примесей, что позволяет применять его в изделиях, предназначенных для работы при высоких напряженностях электрического поля. Впервые полиэтилен был применен для силовых кабелей на напряжение 5 кВ в США в 1944 г.

Наиболее пригодным материалом для изоляции кабелей является сшитый полиэтилен, т.е. полиэтилен, имеющий пространственную структуру молекул. Электрические свойства его находятся на уровне свойств термопластичного полиэтилена, а нагревостойкость выше:

Таблица 3

Последнее особенно важно, если сечение кабеля выбирается из условий короткого замыкания (КЗ). В этом случае кабели с пластмассовой изоляцией при использовании термопластичного полиэтилена и поливинилхлорида следует выбирать большего сечения, чем кабели с бумажной изоляцией, которые допускают кратковременный нагрев до 200 °С. Сшитый полиэтилен в этом отношении имеет преимущества и перед бумажной изоляцией. Поливинилхлорид также обладает рядом ценных свойств, необходимых для изоляции силовых кабелей: достаточная электрическая прочность, малая плотность, хорошая водостойкость, негорючесть, стойкость к воздействию солнечной радиации и микроорганизмам, хорошие технологические характеристики. Однако большие диэлектрические потери ограничивают применение этого материала для кабелей на напряжение свыше 20 кВ. В России силовые кабели с пластмассовой изоляцией на напряжение 0,66-6 кВ, предназначенные для передачи и распределения электроэнергии в стационарных установках, выпускаются с алюминиевыми и медными жилами сечением от 1,5 до 240 мм²

Число жил составляет 1...5, причем для четырехжильных кабелей максимальное сечение жил составляет 185 мм², а для пятижильных 35 мм². Жилы этих кабелей могут быть круглыми и секторными. В качестве изоляции могут быть использованы поливинилхлоридный пластикат, самозатухающий полиэтилен и вулканизированный полиэтилен. Допускается применение термопластичного полиэтилена, однако производство таких кабелей из-за пониженной стойкости к распространению огня и недостаточной стойкости к действию токов КЗ сокращается. Толщина изоляции в зависимости от сечений жил и номинального напряжения составляет 0,6...3,4 мм. Кабели имеют в основном круглую форму. В качестве междуфазного заполнения обычно используется материал изоляции. Для кабелей на напряжение до 3 кВ включительно можно применять заполнение из непропитанной кабельной пряжи, стеклянной штапелированной пряжи или других подобных материалов.

Таблица 4. Кабели с пластмассовой изоляцией (ГОСТ 16442-80)

Примечание. В марках кабелей используют следующие буквенные обозначения: А в начале

1. жила из алюминия; А в середине -- герметическая оболочка из алюминия; Б -- броня нз двух стальных лент; В первая или третья -- изоляция из поливинилхлоридного пластиката; В в конце -- обедненно-пропитанная изоляция из вертикальных прокладок; Г -- отсутствие защитного покрова на броне; К в конце -- броня из круглых стальных проволок; Н -- резиновая негорючая оболочка; П -- первая или вторая -- полиэтиленовая изоляция; П в конце -- броня из плоской стальной проволоки; Р

2. резиновая изоляция; С -- оболочки из свинца; Бл, Бн -- броня нз двух стальных лент с различной подушкой; Шв -- наружный покров в виде шланга нз полнвинилхлорндного пластиката.

3. Кабели некоторых типов на напряжение до 1 кВ могут быть изготовлены без заполнения. Двухжильные кабели сечением до 16 мм² на это же напряжение, как правило, изготавливают плоскими. Поверх скрученных изолированных жил в кабелях на 1 кВ накладывают с перекрытием ленту из полиэтилентерефталатной или поливинилхлоридной пленки, а затем оболочку из поливинилхлоридного пластиката. Для остальных кабелей необходима поясная изоляция толщиной 0,4... 1,1 мм. Поясная изоляция из поливинилхлоридного пластиката или материала изоляции может быть наложена методом экструзии. Возможен другой вариант конструкции поясной изоляции -- сочетание лент из полиэтилентерефталатной или поливинилхлоридной пленки и крепированной бумаги. Типичная конструкция низковольтного кабеля с пластмассовой изоляцией показана на рис., а основные характеристики и область применения в табл. В кабелях на напряжение 6 кВ поверх поясной изоляции должен быть наложен методом экструзии или обмоткой лентами экран из электропроводящего материала, соответствующего материалу изоляции, толщиной не менее 0,2 мм. Для большинства конструкций кабелей этого класса напряжения поверх электропроводящего экрана накладывается также металлический экран из медных или алюминиевых лент или фольги в комбинации с обмоткой лентами марок ААШвУ, ААШпсУ, ААБлГУ и ААБ2лУ на напряжение 1 кВ по ГОСТ 18410-73.

Рисунок 1. Кабель типа АПВГ с пластмассовой изоляцией на напряжение 3 кВ: 1 -- жила; 2 -- фазная изоляция; 3 -- поясная изоляция; 4 -- оболочка из полиэтилентерефталатной или поливинилхлоридной пленки.

Для защиты от влаги и механических повреждений кабели имеют пластмассовую или алюминиевую (марки АВАШв и т.п.) оболочку. Кабели такого типа предназначены для эксплуатации при температуре окружающей среды от -50 до +50 °С. Допустимый нагрев жил кабелей в аварийном режиме, не превышающем 8 ч в сутки и не более 1000 ч за срок службы, не должен превышать 80 °С для изоляции из поливинилхлоридного пластиката, полиэтилена и самозатухающего полиэтилена и 130 °С -- для изоляции из вулканизированного полиэтилена.

Силовые кабели на напряжение 10--35 кВ выпускают, как правило, с изоляцией из вулканизированного полиэтилена как одножильными, так и трех- жильными. Наиболее часто используют одножильные кабели, которые поставляют большими строительными длинами, они более просты в монтаже и эксплуатации (с точки зрения выполнения ремонтных работ). Отечественные одножильные кабели с изоляцией из вулканизированного полиэтилена на напряжение 10 кВ выпускают с алюминиевыми токопроводящими жилами сечением 120...240 мм². Оболочка толщиной 1,9...2,1 мм может быть выполнена из поливинилхлоридного пластиката, светостабилизированного самозатухающего полиэтилена, поливинилхлоридного пластиката пониженной горючести. Номинальная толщина изоляции 4 мм. Электропроводящие экраны по жиле и по изоляции имеют номинальную толщину 0,7 мм. Поверх экрана по изоляции должен быть наложен экран из медной ленты, гофрированной в поперечном направлении и наложенной продольно с перекрытием. Между медным экраном и оболочкой продольно накладывают по- лиэтилентерефталатную ленту. Кабель должен выдержать испытание переменным напряжением 40 кВ в течение 4 ч, а уровень частичных разрядов на строительных длинах кабеля (не менее 500 м) должен быть не более 5 пКл при напряжении 15 кВ. Длительная рабочая температура не должна превышать 90 °С. Аналогичную конструкцию имеют и отечественные кабели на напряжение 35 кВ. В качестве изоляции используют вулканизированный полиэтилен, в качестве оболочки -- полиэтилен, самозатухающий полиэтилен или поливинилхлоридный пластикат. При наличии значительных растягивающих усилий в эксплуатации применяют броню из круглых стальных оцинкованных проволок. Сечения жил кабелей -- от 95 до 240 мм², токопроводящие жилы -- медные или алюминиевые. Толщина изоляции -- 7 мм; толщина электропроводящего экрана по жиле -- 1,0 мм, по изоляции -- 0,4 мм. Номинальная толщина оболочки должна составлять 2,3...2,5 мм. Кабель в готовом виде должен выдержать в течение 15 мин испытание переменным напряжением 88 кВ, а также переменное напряжение 80 кВ в течение 4 ч. Уровень частичных разрядов на строительных длинах кабеля не должен превышать 20 пКл при напряжении 52 кВ.

Примечание. В марках кабелей используются следующие буквенные обозначения: А в начале -- жила из алюминия; А в середине -- герметическая оболочка нз алюминия; Б -- броня из двух стальных лент; В первая или третья -- изоляция из поливинилхлоридного пластиката; В в конце -- обедненно-пропитанная изоляция из вертикальных прокладок; Г -- отсутствие защитного покрова на броне; К в конце -- броня из круглых стальных проволок; Н -- резиновая негорючая оболочка; П первая или вторая -- полиэтиленовая изоляция; П в конце -- броня из плоской стальной проволоки; Р -- резиновая изоляция; С -- оболочки из свинца; Бл, Бн -- броня из двух стальных лент с различной подушкой; Шв -- наружный покров в виде шланга из поливинилхлоридного пластиката.

Кабели на напряжение 35 кВ следует испытывать на надежность. Испытания проводят в воде, содержащей 0,5% NaCl. При испытаниях образцы кабеля помещают в стальную трубу с уплотнительными фланцами, заполненную водой при давлении 2 МПа (20 атм). Образцы соединяют последовательно в кабельную линию и подвергают воздействию 200 циклов нагрева и охлаждения с приложением между жилой и экраном переменного напряжения 35 кВ. Испытательный цикл состоит из нагрева током по жиле до длительно допустимой температуры 90 °С, выдержки при установившейся температуре в течение 4 ч. Температура нагрева в последних 20 циклах повышается до максимально допустимой температуры 130 °С. После воздействия 200 циклов образцы кабеля должны выдержать испытание постоянным напряжением 175 кВ в течение 10 мин. Кроме перечисленных конструкций в России выпускают также силовые кабели с пластмассовой изоляцией специального назначения, например кабели с изоляцией из вулканизированного полиэтилена на напряжение 1 и 6 кВ для гермозоны атомных электростанций, предназначенные для работы при температуре окружающей среды от -50 до +60 °С, влажности окружающей среды 90% и уровне радиации 0,1 Гр/ч. Эти кабели трех- или четырехжильные (марки ПвБВнг, ПвВнг -- бронированные или без брони), имеют оболочку из поливинилхлоридного пластиката пониженной горючести, не распространяющего горение. Для подводной прокладки выпускают кабели на 1 и 6 кВ трех- четырехжильные, имеющие изоляцию из вулканизированного полиэтилена, броню из круглых стальных оцинкованных проволок и защитный полиэтиленовый шланг (марка ПвКШп). Кабель на напряжение 35 кВ для подводной прокладки имеет более сложную конструкцию: круглая медная жила; полупроводящий экран толщиной 1 мм; эмиссионный слой толщиной 0,4 мм; изоляция из вулканизированного полиэтилена толщиной 7 мм; полупроводящий экран 1,2 мм; экран из наложенных продольно двух медных поперечно гофрированных лент толщиной 0,25 мм, скрепленных лавсановой лентой оболочка из поливинилхлоридного пластиката или каспалона (марки ПвВ или АПвВ). В отечественной практике кабели с пластмассовой изоляцией обычно маркируют по следующему принципу. Первая буква А указывает на то, что жила алюминиевая, медные жилы не маркируют. Вторая буква означает материал изоляции (П -- полиэтилен, В -- поливинилхлорид), при этом в маркировке может быть указание на вид полиэтиленовой или поливинилхлоридной композиции.

Например, индекс Пс означает применение для изоляции самозатухающего полиэтилена, Пв -- вулканизированного и т.п. Следующие буквы П и В означают наличие шланга из полиэтилена (П), поливинилхлорида или каспалона (В). Алюминиевая оболочка обозначается буквой А, стальная -- буквами СТ. Тип защитных покровов и брони обозначают буквами Б, БГ и т.д. Например, кабель на напряжение 6 кВ может иметь марки АВВБ, ВВБ, АПВБГ и т.д. За рубежом кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение от 6 до 35 кВ изготовляют как в одножильном, так и в трехжильном исполнении, хотя наиболее широко применяют одножильные кабели, которые более экономичны. Трехжильный кабель такого типа показан на рис. 3.2.2. В качестве экрана обычно используют медную ленту. Иногда применяют также комбинацию обмотки медной ленты с медной проволокой, наложенной поверх медной ленты по спирали. В некоторых конструкциях экран образуют медные проволоки, наложенные, например, волнистой обмоткой, поверх которых накладывают медную ленту методом обмотки. Междужильное заполнение изготовляют из какого-либо термопластичного материала или из полиэтилентерефталатных волокон.

Рисунок 2. Трехжильный кабель с пластмассовой изоляцией на напряжение 6-35 кВ: 1 -- жила; 2 -- центральное заполнение; 3 -- электропроводящий экран по жиле, 4 -- изоляция из сшитого полиэтилена; 5-- электропроводящий экран по изоляции; 6-- проводящая лента; 7-- металлический экран; 8-- междужильное заполнение; 9-- оболочка, 10 -- броня; 11 -- наружная оболочка

2. Силовые кабели с резиновой изоляцией

Основным преимуществом кабелей с резиновой изоляцией является их гибкость, позволяющая при прокладке допускать меньшие радиусы изгибов. При этом по электрическим параметрам такие кабели значительно уступают силовым кабелям с пропитанной бумажной или пластмассовой изоляцией. Вместе с тем, изоляционные оболочки кабелей с течением времени теряют свои эластичные свойства; физико-механические и электрические параметры их снижаются из-за старения резины. Старение резины может происходить под воздействием различных факторов (высокая температура, наличие озона, кислорода, света и т.д.) и является следствием окислительной деструкции содержащегося в резине каучука. Все это не позволяет в настоящее время выпускать кабели с резиновой изоляцией на высокие напряжения. В частности, на практике максимальные рабочие напряжения кабелей с резиновой изоляцией не превышают 35 кВ, хотя отдельные зарубежные фирмы и выпускают кабели с изоляцией из этиленпропиленовой резины на напряжения 66 и 110 кВ.

Как показывают исследования, причиной пробоя кабелей с резиновой изоляцией является разрушение резины озоном, возникающим в кабеле при ионизации воздушных включений. По этой причине для создания кабелей высокого напряжения крайне важно применять полупроводящие экраны на жиле и изоляции, а также озоностойкие резины.

Наиболее перспективными резинами для кабелей высокого напряжения являются резины на базе бутилкаучука и этиленпропиленового каучука.

Силовые кабели с резиновой изоляцией, выпускаемые в России, предназначены для неподвижной прокладки в сетях переменного напряжения 660 В или переменного и постоянного напряжения 1, 3, 6 и 10 кВ.

Кабели имеют медные или алюминиевые токопроводящие жилы круглой формы сечением от 1 до 500 мм². Изоляция выполняется из изоляционной резины; поверх изолированных жил накладывается оболочка из свинца, поливинилхлорида или шланговой резины. При крайне важности кабели имеют упрочняющие покровы и защитные покровы обычной конструкции.

Учитывая зависимость от типа применяемой резины длительная рабочая температура кабелей составляет 65 и 90°С.

В зависимости от типа применяемых материалов морозостойкость кабелей находится в пределах от -10 до -60°С.

Специфические характеристики силовых кабелей с резиновой изоляцией, особенно их повышенная гибкость обусловливают их дальнейшее совершенствование и развитие. Сегодня вопрос о замене таких кабелей кабелями с пластмассовой изоляцией не должна быть решен положительно.

Срок службы гибких силовых кабелей по сравнению со сроком службы кабелей для стационарной прокладки (20-25 лет) значительно меньше (3-5 лет).

Заключение

кабель напряжение изоляция пластмассовый

Технико-экономические исследования показывают, что высокотемпературные сверхпроводящие кабели будут более эффективными по сравнению с другими видами электропередачи уже при передаваемой мощности более 0,4 -- 0,6 ГВ·А в зависимости от реального объекта применения. Высокотемпературные сверхпроводящие кабели предполагается в будущем использовать в энергетике в качестве токопроводов на электростанциях мощностью свыше 0,5 ГВт, а также глубоких вводов в мегаполисы и крупные энергоемкие комплексы. При этом необходимо реально оценивать экономические аспекты и полный комплекс работ по обеспечению надежности таких кабелей в эксплуатации.

Однако следует отметить, что при строительстве новых и реконструкции старых КЛ необходимо руководствоваться положениями ПАО «Россети», согласно которым на КЛ запрещено применять:

· силовые кабели, не отвечающие действующим требованиям по пожарной безопасности и выделяющие большие концентрации токсичных продуктов при горении;

· кабели с бумажно-масляной изоляцией и маслонаполненные;

· кабели, изготовленные по технологии силанольной сшивки (силанольносшиваемые композиции содержат привитые органофункциональные силановые группы, и сшивание молекулярной цепи полиэтилена (ПЭ), приводящее к образованию пространственной структуры, в этом случае происходит за счет связи кремний-кислород-кремний (Si-O-Si), а не углерод-углерод (С-С), как это имеет место при пероксидном сшивании).

Литература

1. Учебник «Конструкционные и электротехнические материалы», под ред. В.А.Филикова, 1990г.

2. Учебник «Электроматериаловедение», под ред. Н.Г.Дроздова и Н.В.Никулина, 1973г.

Размещено на Allbest.ru