Характеристика кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена напряжением 110 кВ

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

В настоящее время в Беларуси повысился интерес потребителей к новым кабелям с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ), которые в недалеком будущем заменят маслонаполненные кабели, предназначенные для передачи и распределения электроэнергии в трёхфазных сетях с заземленной нейтралью и прямой связью с воздушной линией или без неё.

Это объясняется значимыми преимуществами СПЭ-кабелей:

- более высокая надежность в эксплуатации;

- увеличение рабочей температуры жил кабеля с изоляцией из СПЭ до 90 °С, что обеспечивает большую пропускную способность кабеля;

- твердая изоляция, позволяющая прокладывать кабель с изоляцией из СПЭ на участках с большим перепадом высот, в т.ч. вертикальных и наклонных коллекторах;

- использование полимерных материалов для изоляции и оболочки, обеспечивающих возможность прокладки кабеля из СПЭ без предварительного подогрева при температурах до -20 °С;

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

- низкое влагопоглощение;

- удельная повреждаемость кабеля с изоляцией из СПЭ на 1-2 порядка ниже, чем у кабеля с бумажной пропитанной изоляцией;

- высокий ток термической устойчивости при коротком замыкании;

- изоляционный материал позволяет сократить диэлектрические потери в кабеле;

- большие строительные длины кабеля;

-меньшие расходы на реконструкцию и содержание кабельных линий;

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

- увеличение срока службы кабеля.

Полиэтилен в настоящее время является одним из наиболее применяемых изоляционных материалов при производстве кабелей. В начальной стадии обработки термопластичный полиэтилен имеет серьезные недостатки, основным их которых это ухудшение механических свойств, при нагреве до температуры плавления материала.

Чтобы решить данную задачу производители применяют сшитый полиэтилен, причем «сшивка» происходит на молекулярном уровне. При этом в процессе сшивки, образуются поперечные связи между макромолекулами полиэтилена, которые создают трехмерную структуру материала. За счет такого строения, полиэтилен имеет высокие показатели электрических и механических характеристик, большой диапазон использования рабочих температур, меньшую гигроскопичность.

Существует три основных способа сшивки полиэтилена: пероксидная, силановая и радиационная. В мировой кабельной промышленности при производстве силовых кабелей используются первые две.

Пероксидная сшивка полиэтилена происходит в среде нейтрального газа при температуре 300-400°С и давлении 20 атм. Она применяется при производстве кабелей среднего и высокого напряжений. Силановая сшивка осуществляется при более низкой температуре. Сектор применения этой технологии охватывал кабели низкого и среднего напряжений. Своими уникальными свойствами СПЭ кабели обязаны применяемому изоляционному материалу. Процесс сшивки или вулканизации на современных кабельных предприятиях осуществляется в среде нейтрального газа при высоком давлении и температуре, что позволяет получить достаточную степень сшивки по всей толщине изоляции.

Кабели с изоляцией из полиэтилена могут прокладываться в земле (траншее), в кабельных сооружениях (туннели, галереи, эстакады). В блоках (трубах), в производственных помещениях (в кабельных каналах, по стенам).

При прокладке кабелей в земле рекомендуется в одной траншее прокладывать не более шести кабелей. При большем количестве кабелей рекомендуется прокладывать их в отдельных траншеях. Прокладка кабелей может осуществляться одиночными кабелями, так и соединенными в треугольник.

Прокладка кабелей в туннелях, по эстакадам и галереям рекомендуется при количестве кабелей, идущих в одном направлении более двадцати. Прокладка кабелей в блоках применяется в условиях большой стесненности по трассе, в местах пересечений с железнодорожными путями и проездами, при вероятности разлива металла и т.п.

При прокладке по металлоконструкциям возможно использование различных видов креплений в виде скоб, клиц или узлов крепления.

1. Конструкция кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 110 кВ

Кабель с СПЭ-изоляцией на напряжение 110, 220 кВ состоит из круглой многопроволочной медной или алюминиевой жилы, полупроводящего слоя по жиле, изоляции из сшитого полиэтилена, полупроводящего слоя по изоляции, полупроводящей ленты, экрана из медных проволок и медной ленты, полупроводящей ленты, оболочки из полиэтилена или ПВХ пластиката. На жилу накладывается экструдированный экран из материала, изоляция и полупроводящий экран по изоляции, связанные между собой. Толщина изоляции зависит от диаметра проводника. Металлический экран состоит из медных проволок и спирально наложенной поверх них медной ленты. Площадь сечения экрана выбирается по условию протекания токов короткого замыкания. Для обеспечения продольной герметизации в кабелях с индексом «г» 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 имеют оболочку из черного полиэтилена. Кабели с индексом «у» имеют усиленную полиэтиленовую оболочку с продольными ребрами жесткости, предназначенными для предотвращения повреждений оболочки при прокладке на сложных участках кабельных трасс. Кабели с индексом «2г» помимо продольной герметизации экрана, имеют оболочку из алюмополимерной ленты, сваренной с полиэтиленовой оболочкой.

Рис. 1

1. Многопроволочная, круглая, уплотненная токопроводящая жила, алюминиевая или медная, класс гибкости жилы 2, жилы сечением 1000 мм кв. и 1200 мм кв. - сегментированные.

2. Внутренний экструдированный электропроводящий слой.

3. Изоляция из пероксидносшитого полиэтилена.

4. Внешний экструдированный электропроводящий слой.

5. Слой обмотки электропроводящей водоблокирующей лентой.

6. Экран из медных проволок. Возможно введение в экран распределенного оптического датчика температуры.

7. Медная лента.

8. Алюмополимерная лента для кабелей с индексом

9. Наружная оболочка из полиэтилена, ПВХ пластиката или пластиката пониженной горючести.

При передаче больших токовых нагрузок на высоких напряжениях переменный ток протекает преимущественно во внешних повивах жил кабеля (поверхностный или скинэффект). Магнитные поля соседних кабелей оказывают возмущающее действие на распределение тока по сечению жилы (эффект близости). Эти эффекты приводят к увеличению сопротивления жилы до 15 %. Повышение сопротивления ведет к увеличению тепловых потерь в жиле. Для снижения потерь жила скручивается из изолированных сегментов.

Наложение внутреннего полупроводящего слоя, изоляции и внешнего полупроводящего слоя поверх проводника из меди или алюминия производится в один технологический процесс, что обеспечивает ровные поверхности раздела и отсутствие загрязнений.

Эти три слоя в сочетании с жилой образуют сердечник кабеля. Сердечник кабеля окружен медным проволочным экраном, который защищает кабель во время прокладки, поддерживает нулевой потенциал на поверхности кабеля, несет зарядные токи, отводит токи при коротких замыканиях и зарядные токи на землю. Зона экрана из медных проволок обеспечивается продольной водонепроницаемостью с помощью водонабухающего материала так, чтобы вода не могла проникнуть в кабель при повреждении внешней оболочки.

Табл. 1. Эксплуатационные характеристики кабелей с СПЭ-изоляцией на 110 кВ

Классификация кабелей с изоляцией на базе сшитого полиэтилена.

Факторы, по которым производят классификацию кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена следующие:

- напряжение для силового кабеля (измеряется в киловольтах) - 6, 10, 15, 20, 30 и 35 кВ (первая группа); 45, 60, 110, 132 и 150 кВ (вторая группа); 220 и 330 кВ (третья группа);

- площадь сечения токопроводящей жилы - от 35 до 1600 мм2 для первой группы; от 70 до 2000 мм2 для второй группы; от 400 до 2000 мм2 для третьей группы;

- количество токоведущих жил может быть 1 или 3 (третья и вторая группы высоковольтных кабелей имеет только одну жилу, первая группа может иметь одну либо три жилы для трёхфазных линий электропередач);

- материалом токоведущей жилы может выступать медь либо алюминий (первая буква «А» в маркировке);

- оболочка выполняется из ПВХ пластиката, полиэтилена, полимерной композиции;

- бронирование осуществляется стальными лентами, стальной проволокой, алюминиевой проволокой.

2. Нагрузочная способность кабелей из СПЭ

Нагрузочная способность кабелей рассчитывается при условиях, указанных в табл.2. При расположении одножильных кабелей треугольником кабели прокладываются вплотную, при расположении в плоскости рекомендуемое расстояние «в свету» между осями кабелей 16 см для напряжения 110 кВ и 30 см для напряжения 220 кВ.

Табл. 2. Условия для расчета нагрузочной способности кабелей с СПЭ-изоляцией напряжением 110 и 220 кВ

Допустимые температуры нагрева кабелей с СПЭ-изоляцией токами короткого замыкания: для жилы кабеля: до короткого замыкания 90 °С; после короткого замыкания 250 °С; для экрана: до короткого замыкания 70 °С; после короткого замыкания 350 °С.

Табл. 3. Допустимые значения токов короткого замыкания для жил кабеля с СПЭ-изоляцией напряжением 110 кВ, кА

3. Принцип выбора сечения жил кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена

Выбор КЛ 110 кВ по экономической плотности тока

В соответствии с сечения токоведущих жил КЛ 110 кВ должны быть проверены по экономической плотности тока. Экономически целесообразное сечение в мм2 определяется из соотношения:

,

где Iр - ток, протекающий по КЛ в час максимума энергосистемы, А (расчетный ток принимается с учетом перспективной электрической нагрузки КЛ в нормальном режиме, то есть послеаварийные и ремонтные режимы сети не учитываются); jэк - нормированное значение экономической плотности тока, А/мм2 (выбирается в зависимости от материала токоведущих жил: алюминий или медь, а также числа часов использования максимума электрической нагрузки в год).

Значение, полученное по выражению, округляется до ближайшего стандартного из ряда сечений, предлагаемых конкретным производителем КЛ. Следует отметить, что по критерию экономической плотности тока проверке не подлежат токоведущие жилы КЛ 110 кВ, сооружаемые временно (с предполагаемым сроком службы менее 5 лет).

Выбор КЛ 110 кВ по условию предельно допустимого нагрева.

Сечение токоведущих жил КЛ 110 кВ должны удовлетворять требованию в отношении предельно допустимого нагрева. Проверка выполнения данного требования осуществляется путем расчета значений токов проектируемой КЛ в наиболее тяжелых послеаварийных режимах (Iп.ав.). Совмещение ремонта одного и аварийное отключение другого элементов сети рекомендуется принимать в качестве наиболее тяжелого послеаварийного режима, влияющего на увеличение нагрузки проектируемой КЛ, только тогда, когда проектирование ведется в условиях неопределенности перспективной электрической нагрузки КЛ. В противном случае послеаварийным режимом, достаточным для определения максимальной загрузки КЛ, можно считать отключение одного элемента сети рассматриваемого энергорайона.

Максимальный ток по проектируемой КЛ 110 кВ, полученный в результате моделирования наиболее тяжелого послеаварийного режима, должен быть скорректирован поправочными коэффициентами, учитывающими условия прокладки КЛ:

,

где k1-K7 - коэффициенты по данным производителя КЛ, учитывающие следующие условия прокладки КЛ 110 кВ: K1 - глубину прокладки; K2 - удельное тепловое сопротивление грунта; K3 - расположение рядом групп кабелей; K4 - расположение кабелей в трубах или каналах; K5 - температуру окружающей среды; K6 - возможную перегрузку по току; K7 - способ заземления экранов КЛ и наличие их транспозиции.

Выбранное сечение КЛ 110 кВ удовлетворяет критерию допустимой длительной нагрузке по нагреву, если выполняется условие:

,

где Iдоп. -- длительно допустимый ток для рассматриваемого сечения кабеля по данным производителя. В свою очередь длительно допустимый ток для рассматриваемого сечения КЛ выбирается в зависимости от материала токоведущей жилы, окружающей среды (земля или воздух), способа расположения жил (треугольником или в плоскости).

Токоведущие жилы КЛ, расположенные в плоскости, обладают большей пропускной способностью, чем жилы, расположенные треугольником, благодаря лучшим условиям охлаждения. Несмотря на данное преимущество, первые находятся в неравных условиях со вторыми с точки зрения индуктивного сопротивления. Это связано с различным влиянием суммарного магнитного поля системы токоведущих жил на каждую из них в занимаемом ими пространстве. Таким образом, средняя жила обладает меньшим индуктивным сопротивлением, что ведет к ее большему нагреву, окислению и снижению срока эксплуатации. Следовательно, при проектировании КЛ 110 кВ предпочтительнее предусматривать прокладку ее токоведущих жил треугольником.

Длительно допустимые токи, а также поправочные коэффициенты, приводимые в методиках выбора сечений КЛ 110 кВ различных производителей, рассчитаны для определенных начальных условий с учетом некоторых допущений, на которые следует обращать внимание.

Учет условий прокладки КЛ 110 кВ.

Остановимся подробнее на особенностях учета отдельных условий прокладки КЛ 110 кВ, связанных с некоторой неопределенностью выбора исходных данных.

1. Для КЛ 110 кВ, прокладываемых по трассам с различными условиями охлаждения, сечения КЛ должны выбираться по участку трассы с худшими условиями охлаждения, если его длина составляет более 10 м .

В зависимости от среды, окружающей КЛ, изменяется интенсивность теплоотдачи токоведущих жил, а значит изменяется и максимально допустимый длительный ток для конкретной КЛ, обусловленный допустимой температурой ее нагрева. Указанную зависимость следует учитывать путем корректировки значения коэффициента K2 в выражении (2) по данным производителя в соответствии с удельным термическим сопротивлением окружающей среды.

2. Необходимость учета расположения рядом групп КЛ также связано с ухудшением условий охлаждения токоведущих жил. В методиках выбора сечений токоведущих жил КЛ приводятся соответствующие коэффициенты (K3 в выражении (2)), учитывающие условия пролегания нескольких групп КЛ в близости друг от друга, а также расстояния между ними, при которых допускается рассматриваемыми условиями пренебречь. Так, в отмечается, что при выполнении условия (4) для трех групп кабелей (см. рисунок), расположенных треугольником в одной горизонтальной плоскости в окружении воздуха, тепловым влиянием их близкого расположения можно пренебречь:

,

где e - расстояние между крайними точками соседних кабельных групп, мм; D - диаметр кабеля, мм.

Рис. 2. Три группы КЛ, расположенные рядом

Предельное отношение e и D, при котором допускается не учитывать близость соседних групп КЛ, может быть уменьшено при определенном послеаварийном режиме. Рассмотрим две группы КЛ, взаиморезервирующие друг друга, для которых наиболее тяжелым послеаварийным режимом является отключение одной из КЛ. В такой ситуации одна из КЛ максимально нагружена, а вторая не имеет токовой загрузки, вследствие чего температура токоведущих жил последней уменьшается после ее отключения. Таким образом, температурный режим оставшейся в работе КЛ легче, чем при их одновременной работе с той же загрузкой, что ставит вопрос о целесообразности учета их группового расположения в данном случае.

Используя уравнение Фурье (уравнение теплопроводности) можно определить время, которое понадобится для снижения температуры отключенной КЛ до некоторой установившейся величины.

Далее необходимо определить допустимость пренебрежения описанным режимом. С одной стороны, в случае пренебрежения будет иметь место увеличение износа КЛ с учетом расчетного времени. С другой стороны, пренебречь данным режимом желательно в целях снижения стоимости КЛ за счет уменьшения сечения ее токоведущих жил. Расчеты для определения допустимости пренебрежения рассматриваемым режимом с учетом описанных выше критериев рекомендуется выполнять путем вычисления чистого дисконтированного дохода .

Результаты расчета по описанному методу позволят оценить целесообразность учета рассматриваемого режима при выборе сечения токоведущих жил КЛ по критерию длительно допустимого нагрева в наиболее тяжелом послеаварийном режиме.

3. Температура окружающей среды для КЛ учитывается с помощью коэффициента K5 в выражении. При этом следует производить расчет режимов работы рассматриваемой КЛ как в зимний, так и в летний максимумы с учетом средней сезонной температуры. Несмотря на то что в летний период загрузка КЛ может оказаться меньше, чем в зимний, высокая температура окружающей среды летом способна создать наихудший температурный режим для токоведущих жил КЛ с точки зрения охлаждения.

В случае отсутствия точной информации о значениях температуры окружающей среды проектируемой КЛ рекомендуется использовать сезонные расчетные температуры воздуха по данным местной метеорологической службы и грунта - по данным.

4. В методиках выбора токоведущих жил КЛ 110 кВ некоторых производителей фигурирует поправочный коэффициент K6, учитывающий перегрузочную способность КЛ в процессе эксплуатации. Применение данного коэффициента значением больше единицы фактически уже на стадии проектирования обрекает КЛ на перегрузочные режимы, что, несомненно, приведет к повышенному износу изоляции и сокращению срока ее службы. Показана зависимость срока службы КЛ от ее температурного режима: при систематическом превышении допустимой температуры кабелей на 10 % срок службы КЛ сокращается вдвое. Таким образом, использование коэффициента K6 в выражении не рекомендуется.

5. Длительно допустимый ток токоведущих жил КЛ зависит также от способа заземления экранов кабелей. Существуют три способа заземления экранов КЛ: с одной стороны, с двух сторон, а также заземление с двух сторон с транспозицией.

При заземлении экрана КЛ с одной стороны по нему не протекает ток в нормальном режиме (не учитывая емкостную проводимость) ввиду отсутствия электрически замкнутого контура, что не ухудшает условий охлаждения токоведущих жил КЛ. В данном случае поправочный коэффициент K7 в выражении должен быть принят равным единице.

При заземлении экрана КЛ с двух сторон по нему протекает ток в нормальном режиме, обусловленный наличием электрически замкнутого контура и наведенной магнитным полем токопроводящей жилы ЭДС, ухудшая температурный режим КЛ. В данном случае в выражении должен быть принят коэффициент K7 в соответствии с данными производителя.

При правильной транспозиции заземленных с двух сторон экранов КЛ температурный режим токопроводящих жил практически идентичен температурному режиму КЛ в случае заземления экранов с одной стороны, так как наведенные ЭДС в экранах компенсируют друг друга. Следовательно, коэффициент K7 должен быть принят равным единице.

Исходя из сказанного выше, для повышения пропускной способности КЛ следовало бы выбирать первый и третий способы заземления их экранов. Однако в данных случаях вследствие отсутствия возможности протекания токов по экранам КЛ не выполняется их основное назначение - экранирование. Кроме того, при заземлении экрана с одной стороны на другом его конце возможно возникновение значительного электрического потенциала, при увеличении которого до определенного значения вероятен пробой изоляции, что в конечном итоге приводит к необходимости установки ограничителя перенапряжений на незаземленном конце экрана КЛ. Следовательно, рекомендуется заземление экрана КЛ с двух сторон без транспозиции для осуществления его основной функции - экранирования несмотря на ухудшение условий охлаждения КЛ.

Выбор КЛ 110 кВ по условию нагрева при коротком замыкании.

Кабельные линии подлежат проверке на термическую стойкость при токах короткого замыкания (КЗ). В качестве расчетного вида КЗ следует принимать трехфазное или однофазное КЗ в зависимости от того, какое из них приводит к большему нагреву, при этом комплексно учитывать максимальное значение тока КЗ Iкз и время его действия t. Время действия КЗ должно учитывать собственное время действия основных защит, устройств АПВ и УРОВ, а также время отключения выключателей, коммутирующих КЛ.

Таким образом, проверяемый максимальный ток КЗ (Iкз) с учетом поправочного временного коэффициента на его действие определяется как:

.

Выбранное сечение КЛ 110 кВ удовлетворяет критерию термической стойкости при КЗ, если выполняется условие:

,

кабельный полиэтилен изоляционный

где Iкз.доп. - односекундный допустимый ток короткого замыкания для КЛ 110 кВ по данным производителя. Допустимые токи КЗ, приведенные в методиках выбора токоведущих жил КЛ различных производителей, рассчитаны для определенных условий, которые могут отличаться от реальных, например, начальной и максимально допустимой температурой проводника.

Выбор сечения экранов КЛ 110 кВ осуществляется по критерию термической стойкости при КЗ аналогично выбору сечений токоведущих жил КЛ по данному критерию. В качестве расчетного вида КЗ для экрана следует принимать однофазное короткое замыкание.

Список литературы

1. Оперативное управление в энергосистемах / Е.В. Калентионок, В.Г. Прокопенко, В.Т.Федин. - Минск: Вышейшая школа, 2007 - 351с.

2. Передача и распределение электрической энергии: учебное пособие / А.А. Герасименко, В.Т. Федин. - Ростов-н/Д.: Феникс: Красноярск: Издательские проекты, 2006. - 720с.

3. Изоляция из сшитого полиэтилена. Требование времени для силовых кабелей / Р. Бутерос, В. Япрынцев // Новости электротехники, 2003. - № 3(21). - С. 69.

4. Правила устройства электроустановок. - 6-е изд., перераб. и доп. - М.: Минэнерго СССР: Энергоатомиздат, 1986 - 648с.

Размещено на Allbest.ru