CC BY
487
УДК 621.315.21.3002 (075.3)
КАБЕЛИ С ИЗОЛЯЦИЕЙ ИЗ СШИТОГО ПОЛИЭТИЛЕНА Г. Г. Константинов 1, О. В. Арсентьев 2
1,2Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Показано, что в России началось активное освоение технологий изготовления кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена. Приведены конструкция, технологии «сшивки», технические характеристики таких кабелей (СПЭ) по сравнению с широко применяемыми кабелями с бумажно-пропитанной изоляцией (БПИ), достоинства, недостатки, рекомендуемые области применения. Названы основные трудности, препятствующие более быстрому их применению в промышленности . Ил. 1. Табл. 3. Библиогр. 4 назв.
Ключевые слова: кабели; сшитый полиэтилен; силанольная сшивка; пероксидная сшивка.
CABLES WITH CROSS-LINKED INSULATION G.G. Konstantinov, O.V. Arsentiev
National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The authors demonstrate that Russia has actively begun developing technologies for production of cables with cross-linked polyethylene (XLPE) insulation. They present the design, cross-linking technology, specifications of these cables compared to the widely used cables with impregnated cotton insulation (ICI). They mark advantages, disadvantages, recommended application fields of cables with XLPE. The authors also name the main obstacles to more active introduction of cables with XLPE into the industry. 1 figure. 3 tables. 4 sources.
Key words: cables; cross-linked polyethylene; silanol cross-linking; peroxide cross-linking.
Большая часть кабелей, проложенных в России и странах СНГ, имеют пропитанную бумажную изоляцию, и их конструкция практически остается неизменной в течение уже нескольких десятилетий. Эти кабели имеют множество недостатков: ограничения по разности уровней прокладки и передаваемой мощности, частая повреждаемость, невысокая технологичность монтажа муфт. Во времена отсутствия реальной альтернативы кабелям с бумажной изоляцией приходилось мириться с их изъянами и принимать дополнительные меры для обеспечения надёжности электроснабжения потребителей и нагрузочных требований. Создавались резервирующие линии, прокладывались параллельные кабели, что, естественно, приводило к существенному усложнению схемы электрической сети и росту капитальных вложений. С другой стороны, частая повреждаемость кабельных линий (КЛ) требовала наличия в штате квалифицированных специалистов по испытанию и отысканию мест повреждений и ремонту КЛ, по проведению земляных работ [1].
Исправить эту ситуацию могло только существенное изменение устройства кабелей, что и случилось с началом промышленного изготовления кабелей с изо-
ляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ) [2, 3]. Кабели с СПЭ-изоляцией не имеют многих недостатков, характерных для кабелей с бумажной изоляцией, поэтому их применение позволяет решить многие назревшие проблемы по обеспечению надёжности электроснабжения, упрощения и оптимизации схемы сети, снижению расходов на реконструкцию и эксплуатацию КЛ.
Своими уникальными характеристиками кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена обязаны применяемому в них изоляционному материалу. На современных предприятиях, производящих кабели, процесс сшивки (или вулканизации) производится в среде нейтрального газа при высоком давлении и температуре. Такой способ вулканизации делает возможным получение достаточной степени сшивки по всей толщине изоляции и обеспечивает отсутствие воздушных включений. Поперечные связи, образующиеся в процессе сшивки между молекулами полиэтилена, в основном и определяют характеристики нового материала. Кроме высоких диэлектрических свойств это и больший, чем у других кабельных изоляционных материалов, диапазон рабочих температур и отличные механические свойства.
1 Константинов Геннадий Григорьевич, кандидат технических наук, профессор кафедры электропривода и электрического транспорта, тел.: (3952) 412894, (3952) 405238, e-mail: [email protected]
Konstantinov Gennady, Candidate of technical sciences, Professor of the chair of Electric Drive and Electric Transport, tel.: (3952) 412894, (3952) 405238, e-mail: [email protected]
2Арсентьев Олег Васильевич, кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой «Электропривод и электрический транспорт», тел.: (3952) 405128, 89148751743, e-mail: [email protected]
Arsentiev Oleg, Candidate of technical sciences, Associate Professor, Head of the chair of Electric Drive and Electric Transport, tel.: (3952) 405128, 89148751743, e-mail: [email protected]
Конструкция кабеля с СПЭ-изоляцией:
1 - круглая многопроволочная уплотненная токо-проводящая жила (материал - алюминий, медь; сечение - от 50 до 800 мм ); 2 - экран по жиле (из экструдируе-мого полупроводящего сшитого полиэтилена); 3 - изоляция из сшитого полиэтилена; 4 - экран по изоляции (из экструдируемого полупроводящего сшитого полиэтилена); 5 - слой из полупроводящей водоблокирую-
щей ленты (для кабелей с индексом «г» и «2г»); 6 - экран из медных проволок (скрепление медной лентой, сечение экрана* для кабелей с сечением жилы: 50-120 мм2 - не менее 16 мм2; 150-300 мм2 - не менее 25 мм2; 400 и более мм2 - не менее 35 мм2. (*Сечение экрана выбирается в зависимости от токов короткого замыкания, возможно изготовление кабелей с увеличенным сечением экрана); 7 - разделительный слой (для кабелей с индексом «г» - из водоблокирующей ленты); 8 - разделительный слой (для кабелей с индексом «2г» - из алю-мополимерной ленты, для кабелей с оболочкой Внг- ¡Б категории А пожарной безопасности - из слюдосодер-жащей ленты); 9 - оболочка (из полиэтилена (П), из пВх пластиката (В), ¡Б из ПВХ пластиката пониженной по-жароопасности (кабели выпускаются категорий А или В пожарной безопасности).
Основное преимущество кабелей с изоляцией из СПЭ в сравнении с кабелями с БПИ - это их низкая повреждаемость. К сожалению, из-за недостаточного опыта эксплуатации отсутствует достоверная информация о количестве повреждений таких кабелей в РФ. Согласно зарубежным данным, процент электрических пробоев кабелей с СПЭ-изоляцией в десятки и даже сотни раз ниже, чем на кабелях с бумажной изоляцией. На рисунке представлена конструкция кабеля с изоляцией из СПЭ, выпускаемого на одном из отечественных заводов.
Технологии сшивки ПЭ. Благодаря идеальному сочетанию в полиэтилене электрических, физических и технологических свойств изоляция кабелей стала одной из важнейших областей его применения.
Изоляции кабелей и проводов из термопластичного полиэтилена имеют существенные недостатки, главными из которых являются ползучесть и резкое ухудшение механических свойств (вплоть до потери формоустойчивости) при температурах, близких к температуре плавления. Кроме того, внутренние напряжения, «замороженные в изоляции» при её изготовлении, проявляют себя при повышенных рабочих температурах, приводя к заметной усадке, а в ряде случаев - и к растрескиванию изоляции.
Эти проблемы можно решить, применяя сшитый полиэтилен, который имеет существенные преимущества перед термопластичным: высокие электрические и механические параметры в более широком диапазоне рабочих температур, малую гигроскопичность (водопроницаемость) и т.д.
Указанные выше положительные качества сшитого полиэтилена достигаются благодаря технологии сшивки, в процессе которой изменяется молекулярная структура полиэтилена и образуется новая трёхмерная структура вследствие образования поперечных связей между макромолекулами.
Существует несколько способов сшивания термопластичных материалов. Самый распространенный из них (для кабелей до 1 кВ) - сшивание через привитые органофункциональные группы, в качестве которых применяют силаны. Это так называемая силанольная сшивка. Сшивание происходит во влажной среде (пар, вода) при температуре 80-90 оС, либо в условиях окружающей среды, что занимает немного больше времени. Под воздействием влаги происходит гидролиз силанольных групп и последующее их сшивание, ускоряющееся под действием тепла и катализатора.
Применение данного способа сшивания при производстве кабелей на среднее напряжение ограничено, поскольку кабели на напряжение 10-35 кВ имеют значительно большую толщину изоляции, чем кабели на низкое напряжение. Поэтому достаточно сложно добиться равномерности физико-механических свойств в радиальном направлении изоляции, и это не обеспечивается силанольной сшивкой.
При производстве кабелей на среднее и высокое напряжение используется другой способ сшивания -при помощи пероксидов. Сшивание полимерной изоляции при помощи пероксидов происходит непосред-
ственно при её наложении в сухой среде - среде инертного газа (азота) при высокой температуре (300400 °С) и давлении 8-12 атм. Пероксидная сшивка позволяет обеспечить стабильность электрических характеристик кабеля, особенно на высокое напряжение. Поэтому для кабелей на напряжение до 1 кВ во всем мире получила широкое распространение сшивка при помощи силанов, а для кабелей на среднее и высокое напряжение (с большой толщиной изоляции) - пероксидная сшивка.
Сравнительные характеристики кабелей. Кабели с изоляцией из СПЭ выпускаются в одножильном и трехжильном исполнении для напряжений от 1 до 35 кВ и только в одножильном исполнении на более высокое напряжение (110 кВ и выше). Применение различных типов оболочек и возможность герметизации позволяют использовать такие кабели как для прокладки в земле, так и для кабельных сооружений, в том числе при групповой прокладке, а также в воде.
СПЭ-кабель может заменить кабель с бумажной изоляцией практически во всех случаях, однако на
этапе внедрения кабелей с изоляцией из СПЭ на том или ином предприятии необходимо выделить те области, где их применение имеет наибольший смысл. Для этого проведём короткое технико-экономическое сравнение «обычных» и СПЭ-кабелей. К сожалению, из-за различий в затратах на ремонты и содержание КЛ для конкретных предприятий разницу в общих затратах на эксплуатацию оценить затруднительно, поэтому предлагаем сравнивать только первоначальные вложения.
Для корректного сравнения возьмем кабели с одинаковой пропускной способностью - кабель с бумажной изоляцией марки АСБ 3*240 10 кВ и три однофазных кабеля с изоляцией из СПЭ марки АПвП 1*185/25 10 кВ.
Сравнительные характеристики кабелей приведены в табл. 1.
Из приведённых данных видно, что при одинаковой пропускной способности и лучших остальных параметрах стоимость СПЭ-кабеля примерно на 60-70% выше. Это объясняется более дорогими материалами
Таблица 1
Параметры сравнения Кабель с бумажной изоляцией АСБ 3*240 10 кВ Одножильный кабель с СПЭ-изоляцией, З * АПвП 1*185/25 10 кВ
Вид кабельной линии в разрезе ® (Ш (О)
Сечение жил, мм 240 185
Ток нагрузки при прокладке в земле, А 355 в плоскости / треугольником 375/360
Максимально допустимый 1-сек ток КЗ, А 20,56 17,5
Наружный диаметр, мм 62 36
Строительная длина, м 500-600 до 1400 (бар. N 22)
Минимальный радиус изгиба, м 1,64 0,54
Масса, кг/км 7050 1370 (4110)
Допустимая разность уровней, м 15 не ограничена
Сравнительная стоимость, % 100 160
Таблица 2
Параметры сравнения Кабели с бумажной изоляцией 2 * АСБ 3*240 Одножильный кабель с СПЭ-изоляцией 3 х АПвП 1x500 35 кВ
Вид кабельной линии в разрезе фф (о) О Щ)
Сечение жил, мм2 240 500
Ток нагрузки при прокладке в земле, А 639 в плоскости / треугольником 650/610
Максимально допустимый 1-сек ток КЗ, А 20,56 47
Наружный диаметр, мм 62 46
Строительная длина, м 500-600 до 850 (бар. N 22)
Минимальный радиус изгиба, м 1,64 0,74
Масса, кг/км 2*7050 2570 (7710)
Допустимая разность уровней, м 15 не ограничена
Сравнительная стоимость, % 100 115-120
и технологией изготовления, большим расходом материалов при радиальной конструкции кабеля. Но, с другой стороны, такая конструкция обеспечивает равномерное распределение электрического поля и, как следствие, увеличение электрической прочности.
Эта ситуация меняется кардинально при возрастании требований по пропускной способности кабельной линии. Так, параллельные кабели АСБ 3*240 10 кВ целесообразно заменить СПЭ-кабелем большего
сечения (табл. 2).
Для СПЭ-кабеля на напряжение 35 кВ картина ещё более благоприятная (табл. 3).
Объясняется это тем, что на указанный класс напряжений применение конструкции с секторными жилами невозможно. Поэтому бумажные кабели изготавливаются с отдельно освинцованными жилами, что влечёт за собой значительное их удорожание по сравнению с кабелями напряжением 10 кВ. Стоимости ка-
Таблица3
Параметры сравнения Кабели с бумажной изоляцией АОСБ З*150 35 кВ Одножильный кабель с СПЭ-изоляцией З х АПвП 1x150/25 35 кВ
Вид кабельной линии в разрезе @ ^ (О) (w)
Сечение жил, мм2 150 150
Ток нагрузки при прокладке в земле, А 250 в плоскости /треугольником 350/330
Максимально допустимый 1-сек ток КЗ, А 7,58 14,2
Строительная длина, м 300 до 1000 (бар. N 22)
Минимальный радиус изгиба, м 1,45 0.67
Масса, кг/км 6400 1805 (5415)
Допустимая разность уровней, м 15 не ограничена
Сравнительная стоимость, % 100 100-105
белей с бумажной и полиэтиленовой изоляцией одинакового сечения приблизительно равны. Однако, как видно из табл. 3, полиэтиленовый кабель даёт 40%-ное преимущество по нагрузочной способности.
Преимущества кабелей с изоляцией из СПЭ:
- более высокая надёжность в эксплуатации;
- меньшие расходы на реконструкцию и содержание кабельных линий;
- низкие диэлектрические потери (коэффициент диэлектрических потерь 0,001 вместо 0,008);
- высокая стойкость к повреждениям;
- большая пропускная способность за счёт увеличения допустимой температуры нагрева жил (длительной 90 вместо 70°С, при перегрузке 130 вместо 90°С);
- более высокий ток термической устойчивости при коротком замыкании (250 вместо 200°С);
- низкая допустимая температура при прокладке без предварительного подогрева (-20 вместо 0°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).
Недостатки кабелей с изоляцией из СПЭ:
Отсутствие нормативной базы и недостаток информации об опыте эксплуатации КЛ с использованием силовых кабелей нового типа вынуждает проектные и эксплуатирующие организации учиться на своих собственных ошибках и увеличивать при этом затраты на их устранение.
При эксплуатации однофазных кабелей существенной проблемой является наличие токов в экранах кабелей, которые по своим значениям очень близки к токам, протекающим в токопроводящих жилах.
Для уменьшения токов в экране необходимо осуществлять транспозицию экранов. Транспозицию необходимо производить именно для экранов, а не для самих кабелей, как это делается на воздушных линиях электропередач (ВЛЭП) с неизолированными проводами. Такого рода транспозиция на кабельных линиях производится с использованием транспозиционных коробок, при этом положение самих кабелей относительно друг друга не меняется. Использование транспозиции снизит величину тока в экранах.
Кабели с полимерной изоляцией, как и кабели с бумажной пропитанной изоляцией (БПИ), способны впитывать влагу через многопроволочную жилу.
Также необходимо повысить требования к оболочке силовых кабелей, так как наличие дефектов в оболочке и повышенная кислотность почвы приводят к разрушению кабеля.
Области применения кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена. Исходя из приведённого выше сравнения можно определить области, где применение СПЭ-кабеля может быть наиболее целесообразно и даст наибольший эффект [4]:
- с учётом стоимости - это уровни напряжений 15, 20, 35 кВ, где даже первоначальные капитальные затраты на кабель будут ниже;
- при необходимости передачи большой мощности.
Классическим примером может послужить вывод мощности от генератора на шины распределительного устройства тепловой электростанции. Несколько таких проектов уже были реализованы на российских предприятиях. При этом в качестве альтернативы рассматривались сооружение медного шинопровода, прокладка 8-12 бумажных кабелей или нескольких кабелей с СПЭ-изоляцией сечением 630 или 800 мм2. Как показывает практика, применение полиэтиленовых кабелей позволяет достичь экономии не только за счёт кабельных линий, но и за счёт уменьшения затрат на строительную часть. При обслуживании затраты на содержание полиэтиленового кабеля минимальны.
СПЭ-кабель поможет выйти из ситуации, когда кабель с бумажной изоляцией даже максимального сечения не подходит по пропускной способности. Так как пропускная способность полиэтиленового кабеля выше, и максимальное сечение жилы может достигать 800 мм2, лучше использовать один кабель большого сечения. Это касается и случаев прокладки «спаренных» кабелей, когда взамен двух кабелей сечением 240 мм2 целесообразнее проложить один кабель сечением 500 мм2.
Ещё одним случаем обязательного применения полиэтиленовых кабелей является наличие большой разности уровней по трассе прокладки. При использовании бумажно-масляных кабелей происходит осушение изоляции кабелей в высоких точках, что может повлечь за собой пробой. При этом даже небольшая разность уровней прокладки может стать причиной многочисленных повреждений на КЛ. Ярким примером может служить ситуация на одном из нефтехимических предприятий в Сибири, где в эксплуатации находится большое количество бумажно-масляных кабелей 35 кВ: при заходе КЛ на подстанцию перепад уровней составляет 10-15 м. Несмотря на нестекаю-щую изоляцию кабелей, каждая кабельная линия на подстанции повреждалась по несколько раз, в результате практически на каждой фазе были установлены соединительные муфты. Для исключения случаев пробоя бумажных кабелей и обеспечения надёжности электроснабжения руководством энергетического комплекса предприятия было принято решение о замене концевых участков кабельных линий на кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена.
Использование кабелей с СПЭ-изоляцией необходимо при особых требованиях к надёжности электроснабжения, так как повреждаемость СПЭ-кабелей чрезвычайно мала; при наличии требований по нераспространению горения, рекомендуется применять кабели с оболочкой из поливинилхлорида пластиката пониженной горючести, который прошёл соответствующие испытания и имеет сертификат на соответствие нормам пожарной безопасности.
Кабели с СПЭ-изоляцией применяются для прокладки:
- на трассах без ограничения разности уровней;
- в земле (в траншеях) независимо от степени коррозионной активности, даже если кабель защищён от механических повреждений;
- на воздухе, в том числе в кабельных сооружениях, при условии обеспечения дополнительных мер противопожарной защиты;
- в грунтах с повышенной влажностью и сырых, частично затапливаемых сооружениях, а также, по согласованию с изготовителем, в судоходных и несудоходных водоёмах при соблюдении мер, исключающих механические повреждения кабеля (кабели с индексом «г» и «2г»);
- на трассах сложной конфигурации;
- на воздухе, в том числе в кабельных сооружениях и производственных помещениях, при групповой прокладке кабели ПвВнг- LS, АПвВнг- LS;
- в сухих грунтах.
Замена традиционных кабелей с бумажной пропитанной изоляцией на кабели с изоляцией из СПЭ в настоящее время ведётся очень активно, но существует ряд факторов, которые препятствуют повсеместному распространению кабелей с СПЭ-изоляцией.
Во-первых, необходимо разработать изменение к ПУЭ и включить в него требования по эксплуатации кабелей с изоляцией из СПЭ по всем напряжениям.
Во-вторых, необходимо разработать единый ГОСТ на силовые кабели с изоляцией из СПЭ на напряжение 10-35 кВ и единый ГОСТ на силовые кабели с изоляцией из СПЭ на 110 кВ и выше. Эти ГОСТы узаконят единые требования к качеству и безопасности силовых кабелей с изоляцией из СПЭ.
В-третьих, необходима разработка единых нормативных документов для проектирования, прокладки и монтажа, методов и объёмов испытаний после прокладки и в процессе эксплуатации для диагностики КЛ, выполненных из силовых кабелей с изоляцией из СПЭ.
Из всего сказанного можно сделать выводы, что кабели с изоляцией из СПЭ являются предпочтительными и имеют большие перспективы при строительстве и реконструкции кабельных линий на напряжение 6, 10, 35 кВ и выше. Благодаря уникальным характеристикам, высокой электрической прочности изоляции, невысокой повреждаемости, длительному сроку службы СПЭ-кабелей, их применение становится не только технически обоснованным, но и экономически выгодным.
Библиографический список
1. Диагностика и мониторинг кабельных сетей средних классов напряжения / Кадомская К.П., Качесов В.Е., Лавров Ю.А., Овсянников А.Г., Сахно В.В. // Электротехника. 2000. № 11. С. 48-51.
2. Производители силовых кабелей на среднее и высокое напряжение с изоляцией из сшитого полиэтилена в России и странах СНГ // Кабель-пе\^. 2007. № 9.
3. Системы кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена - оптимальное решение надёжного электроснабже-
ния промышленных и социальных объектов современного города // КабельчпЮ. 2006. № 9.
4. Голынина Н.Г., Некрасов М.Л. Силовые кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена. Характеристики. Применение. Испытания // Кабель-пе\«Б. 2008. № 3.
УДК 620.93
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫХ СИНТЕТИЧЕСКИХ ЖИДКИХ ТОПЛИВ ИЗ УГЛЯ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ УДАЛЁННЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ
О.В. Скрипченко1
Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева, 664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 130.
Рассматривается система очистки синтез-газа методом «Ректизол» в составе энерготехнологической установки (ЭТУ) комбинированного производства метанола и электроэнергии. Представлены результаты оптимизации технико-экономических параметров с разной степенью удаления СО2. Представлена математическая модель ПГУ на синтетическом жидком топливе и даны результаты оптимизации технико-экономических параметров в зависимости от давления на входе в газовую турбину. Приведены результаты сравнительной эффективности технологических цепочек переработки угля и транспорта энергоносителей для целей энергоснабжения удалённых потребителей, в том числе содержащие в своём составе ЭТУ. Ил. 5. Табл. 7. Библиогр. 7 назв.
Ключевые слова: комбинированная переработка органических топлив; синтетические жидкие топлива; система очистки синтез-газа методом «Ректизол»; технологические цепочки переработки и транспорта энергоносителей.
1Скрипченко Ольга Викторовна, старший инженер, тел.: 89501283801, e-mail: [email protected] Skripchenko Olga Viktorovna , senior engineer, tel.: 89501283801, e-mail: [email protected]
