Сооружение и эксплуатация кабельных линий высокого напряжения - Конструкции маслонаполненных кабелей низкого давления

КОНСТРУКЦИИ КАБЕЛЕЙ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Для маслонаполненных кабелей низкого давления разработан следующий ряд сечений токопроводящих жил: 120, 150, 185, 240 (270), 300(350), 400 (425), 500 (550), 625, 800,1000, 1250 и 1500 мм. Кабели с сечением жил, указанным в скобках, изготовляются в технически обоснованных случаях по согласованию между потребителем и изготовителем. Кабели низкого давления могут изготовляться с медными токопроводящими жилами сечением 120—800 мм² на напряжение 110 кВ; 240—800 мм² — 150 кВ; 300—800 мм² — 220 кВ. Поперечный разрез кабеля МНАгШву сечением 1X625 мм² 110 кВ представлен на рис. 2.3, а кабеля марки МНСК — на
рис. 2.4.
Токопроводящая жила кабеля сечением 120—625 мм² состоит из одного или нескольких повивов фасонных проволок, обеспечивающих высокую степень заполнения поперечного сечения. Внутренний повив выполняется из Z-образных проволок, образующих маслопроводящий канал, а второй и третий повивы — из сегментных проволок. Жилы сечением 120—240 мм² одноповивные, 270— 400 мм² — двухповивные, 500—625 мм² — трехповивные.

Для обеспечения лучшей гибкости кабеля жила сечением 800 мм² имеет повив из Z-образных и три повива из круглых проволок. При изготовлении опытной партии кабеля с жилой сечением 1500 мм² внутренний повив изготовлялся из Z-образных проволок; на него накладывались четыре уплотненных сектора, скрученных из круглых проволок. Каждый сектор обматывался двумя лентами полупроводящей бумаги. На жилу накладывался бандаж из медной и полупроводящих лент.
Диаметр маслопроводящего канала для жил сечением 120—625 мм² кабеля 110 кВ принят 12 мм, а для больших сечений и для жил кабелей 220 кВ — 14 мм. Центральный маслопроводящий канал кабеля может быть образован также с помощью спирали, на которую накладываются повивы из сегментных или круглых проволок. Применение круглых проволок нецелесообразно, так как жила и кабель в целом получаются большего диаметра, чем при применении сегментных проволок. Применение изолированных сегментов в жилах сечением 1000 мм² и выше уменьшает сопротивление жилы переменному току за счет снижения влияния поверхностного эффекта и эффекта близости. Поверхностный эффект — неравномерное распределение переменного тока по сечению проводника, при этом плотность тока уменьшается от поверхности проводника к его центру. Это приводит к увеличению сопротивления проводника переменному току по сравнению с сопротивлением постоянному току. При наличии эффекта близости под действием магнитного поля соседних фаз кабеля наибольшая плотность тока наблюдается в слоях жилы, обращенных к соседним кабелям, или в противоположно расположенных слоях (в зависимости от направлений тока в соседних кабелях).
Как показывает опыт, старение маловязких минеральных масел МН-3 и
МН-4, применяемых для пропитки изоляции, в присутствии меди резко возрастает. Поэтому жилы изготовляются из луженых проволок, так как луженая поверхность медной проволоки является слабым стимулятором старения масла.
Изоляция кабеля высокого напряжения выполняется из лент высоковольтной кабельной бумаги, накладываемых на токопроводящую жилу методом спиральной обмотки. Ширина лент от 18 до 30 мм при толщине 0,08; 0,12
и 0,17 мм. Зазор между витками ленты 0,5—2 мм и необходим для того, чтобы при изгибании кабеля ленты могли несколько смещаться без разрывов и смятия краев соседних лент. Зазоры между витками ленты бумаги, заполненные изоляционным маловязким минеральным маслом  МН-3, МН-4 или МНК-2, являются наиболее слабыми в электрическом отношении местами бумажно-масляной изоляции.

Рис. 2.3. Кабель низкого давления 110 кВ марки МНАгШву сечением 4X625 мм²:
1 — маслопроводящий канал; 2 — токопроводящая жила; 3 — экран по жиле; 4 — изоляция; 5 — экран по изоляции; 6 — алюминиевая гофрированная оболочка; 7 — слой битумного компаунда; 8 — лента крепированной битуминированной бумаги; 9 — ленты полиэтилентерефталата; 10 — лента невулканизированной прорезиненной ткани; 11 — шланг из поливинилхлорида

Рис. 2.4. Кабель низкого давления марки МНСК:
1 — маслопроводящий канал; 2 — токопроводящая жила; 3 — экраны по жиле и изоляции; 4 — изоляция; 5 — свинцовая оболочка; 6 — ленты поливинилхлорида или полиэтилентерефталата; 7 — медные твердокатаные ленты; 8 — слои битумного компаунда; 9 — лента битуминированной кабельной бумаги; 10 — стеклопряжа или пропитанная кабельная пряжа; 11 — броня из круглых стальных оцинкованных и медных проволок

 В связи с этим бумажные ленты изоляции накладываются так, чтобы зазоры между витками лент смежных слоев не совпадали, т. е. чтобы толщина зазора не превышала толщины одной ленты изоляции. Бумажная изоляция накладывается так, чтобы каждая последующая лента перекрывала зазоры предыдущей примерно на 1/3 своей ширины.
Высокая механическая прочность и эластичность кабельной бумаги обеспечивают возможность наложения плотной изоляции и получения необходимой механической прочности при изгибании кабеля и монтаже муфт. Для изолирования кабелей на напряжение 110 кВ и выше применяются высоковольтные уплотненные и неуплотненные кабельные бумаги марок КВУ, КВМУ, КВМСУ и КВ, КВМ, КВМС, имеющие объемный вес 1,1 и 0,85 г/см³, а толщину 0,08 и 0,12; 0,17 мм соответственно.
С увеличением объемного веса бумаги электрическая прочность, в особенности импульсная, возрастает, но при этом увеличиваются диэлектрическая проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь и удельные диэлектрические потери. С уменьшением толщины бумаги электрическая прочность возрастает. Непосредственно у жилы слой изоляции выполняется из тонкой уплотненной бумаги, имеющей более высокую электрическую прочность, что позволяет также повысить электрическую прочность изоляции вследствие уменьшения ее наиболее слабой части — масляных прослоек, образующихся в результате наложения лент с зазором.
Изоляция кабелей высокого напряжения выполняется градированной по толщине и плотности применяемых высоковольтных кабельных бумаг. В кабеле на напряжение 110 кВ изоляция выполняется из лент толщиной 0,08 и 0,12 мм; в кабеле 150, 220 кВ — 0,08; 0,12 и 0,17 мм. Следует отметить, что за последние годы разработаны и внедрены новые стабилизированные кабельные бумаги КВМСУ и КВМС с уменьшенными диэлектрическими потерями.
Изоляция маслонаполненного кабеля низкого давления пропитывается маловязким минеральным маслом МН-3 и МН-4 типа трансформаторного с температурой застывания ниже —45 °С. На заводе-изготовителе кабеля масло дополнительно очищается абсорбирующей землей, так как оно должно отвечать высоким требованиям по значению и стабильности диэлектрических потерь при нагревании масла как без катализаторов, так и в присутствии меди.
В СССР на основе додецилбензола получено синтетическое масло МНК-2, показатели которого не уступают показателям лучших масел зарубежных фирм [21]. В отличие от масла МН-4 масло МНК-2, состоящее только из ароматических углеводородов, обладает более высокой стабильностью электрических характеристик, имеет в 2,5 раза большую газопоглощающую способность, более низкую вязкость и температуру застывания — 70 °С. При его применении возможна эксплуатация кабелей и муфт без дополнительного обогрева. В настоящее время в эксплуатации находятся кабельные линии на напряжение 110 и 220 кВ, изоляция кабелей которых пропитана маслом МНК-2. Стоимость кабелей с данным маслом по сравнению со стоимостью кабелей с маслом МН-4 возрастает примерно на 10%. Допускается смешение масел МНК-2 и МН-4. Исследования показали, что при этом повышается стабильность последнего при термическом старении.
Экран, накладываемый на токопроводящую жилу, предназначен для экранирования неровностей на поверхности жил, абсорбции продуктов старения масла при его циркуляции из жилы в изоляцию и способствует образованию радиального электрического поля в толще изоляции. Кабель низкого давления подпитывается маслом из центрального маслопроводящего канала. При изменениях температуры кабеля происходит движение масла сквозь экраны по жиле и изоляции в слои изоляции и обратно. Экраны из электропроводящих бумаг, обладающих абсорбционными свойствами, способствуют стабилизации электрических свойств масла и изоляции [8].
При применении экранов из электропроводящей бумаги увеличиваются диэлектрические потери в масляных прослойках на границе экранов и изоляции. Во избежание этого в экранах кабелей высокого напряжения применяется специальная двухцветная изоляционная бумага с электропроводящим слоем с одной стороны. Бумага накладывается полупроводящим слоем к жиле или оболочке кабеля. Экран по жиле маслонаполненного кабеля низкого давления имеет следующую конструкцию: три ленты электропроводящей бумаги КП-080 толщиной 0,08 мм или две КП-120 толщиной 0,12 мм для кабеля 110 кВ; пять лент по 0,08 мм для кабеля 220 кВ, одна лента бумаги марки КПДУ-080 толщиной 0,08 мм (с изоляционным слоем из уплотненной бумаги), накладываемая электропроводящим слоем к жиле. Общая толщина экрана 0,32 и 0,48 мм для кабеля 110 и 220 кВ соответственно. Экран по изоляции сглаживает неровности на внутренней поверхности медных лент или оболочки, исключает возможность образования масляных прослоек на границе изоляции и экрана, оказывает стабилизирующее действие на изоляцию, поглощая продукты старения. Экран по изоляции выполняется из ленты двухцветной электропроводящей бумаги толщиной 0,12 мм, накладываемой изоляционным слоем к изоляции электропроводящей бумаги толщиной 0,12 мм и одной ленты медной фольги толщиной 0,1 мм в прокладку с лентой электропроводящей бумаги. Общая толщина экрана 0,45 мм. Вместо ленты медной фольги, прослоенной лентой электропроводящей бумаги, может быть одна лента перфорированной металлизированной бумаги МПП-140 толщиной 0,14 мм, накладываемая металлом к оболочке кабеля. Электропроводящие ленты экранов накладываются с зазором 0,5—2 мм, двухслойные — с перекрытием 2—3 мм, а лента медной фольги с перекрытием 2—5 мм.
Свинцовая или алюминиевая оболочка кабеля маслонаполненного низкого давления предназначена для защиты изоляции от воздействия влаги, различных химических веществ, а также для предохранения ее от механических повреждений и обеспечения работы под избыточным давлением масла. Свинцовые оболочки кабелей изготовляются из сплавов свинца. Для оболочек кабелей, транспортируемых на расстояние свыше 300 км, и кабелей, предназначенных для работы в условиях вибрации в течение примерно 15 лет, применялся свинцовый сплав, содержащий присадку 0,03—0,05% меди и 0,5—0,65% сурьмы или присадку меди до 0,05%,  сурьмы 0,15—0,3%, олова 0,35—0,5% и теллура до 0,005%. Поверхность свинцовой оболочки должна быть гладкой и ровной, без плен и наплывов, и ее номинальная толщина в зависимости от диаметра под оболочкой и сечения жилы находится в пределах 2,7—3,6 мм.
Основным недостатком указанного свинцового сплава является возможность увеличения мелкого зерна структуры, которое имеет оболочка в исходном состоянии, в несколько раз при нагревании оболочки и переход от мелкого зерна к крупному. В 1980—1981 гг. в нашей стране начаты работы по применению теллуристых сплавов для свинцовых оболочек кабелей. Проведены сравнительные испытания различных марок теллуристых сплавов с указанным сплавом, которые показали, что новые сплавы имеют равномерную мелкозернистую структуру, не изменяющуюся при повышенных температурах. Теллуристые сплавы имеют лучшие механические характеристики; наилучшую вибростойкость имеет сплав ССуМТ, содержащий 0,02—0,03% меди, 0,15—0,25% сурьмы, 0,01—0,03% теллура. Переход на сплав ССуМТ не требует каких-либо изменений в технологии, и серийное применение теллуристых сплавов для оболочек маслонаполненных кабелей планируется с 1985 г.
Для кабелей низкого давления весьма перспективна оболочка из алюминия (менее дефицитного, чем свинец), которая позволяет обойтись без упрочняющего покрова, так как алюминий нетекуч и оболочки более прочны по сравнению со свинцовыми. Кабели с токопроводящими жилами сечением 150—270 мм² изготовляются в гладкой алюминиевой оболочке, имеют достаточную гибкость и с 1971 г. широко применяются для сооружения кабельных линий [8]. Общепринятым способом повышения гибкости алюминиевых оболочек является их гофрирование, которое производится на специальном стане, установленном между головкой и приемником алюминиевого процесса, одновременно с наложением оболочки. Принцип гофрирования основан на способе поперечной накатки гофр с помощью гофрирующих валков, расположенных под углом к оси кабеля. Число валков от трех до пяти. Форма гофра S-образная. Гофр спиральный. Шаг гофрирования равен от 30 до 50% наружного диаметра выступов оболочки. Высота гофра 3,4—4 мм. Поперечный разрез кабеля марки МНАгШву сечением 1X625 мм² 110 кВ представлен на рис. 2.3. Конструктивные размеры кабелей в алюминиевой оболочке до оболочки не отличаются от размеров кабелей в свинцовой оболочке.
Алюминиевые оболочки имеют более высокую механическую прочность по сравнению со свинцовыми с упрочняющими слоями. В связи с этим в кабеле с алюминиевой оболочкой длительно допустимое давление масла принято 0,49 МПа, а при переходных процессах 0,98 вместо 0,294 и 0,588 МПа соответственно для кабелей в свинцовой оболочке. Повышение допустимого давления масла в кабелях позволяет увеличить длину секций кабельных линий между пунктами подпитки и разность уровней прокладки без монтажа стопорных муфт. При повышении допустимого давления масла в кабеле уменьшается общее число баков давления для подпитки кабельных линий, так как увеличивается рабочий диапазон давлений, при которых происходит отдача масла баками. Кабели маслонаполненные в алюминиевой гофрированной оболочке имеют те же электрические характеристики, что и кабели в свинцовой оболочке, лучшую гибкость, более высокие механические характеристики оболочки при меньшей на 45—50% массе кабелей. Экономия свинца от замены его алюминием составляет 5,5— 7,0 т/км. Стоимость кабелей уменьшается примерно на 25% [23].
Упрочняющий покров накладывается поверх свинцовой оболочки и состоит из двух медных твердокатаных лент размером 40X0,2 мм, накладываемых с зазором 2— 5 мм между витками, необходимым для того, чтобы при изгибах кабеля ленты не сминались и не повреждали оболочки. Ленты накладываются так, чтобы вторая лента серединой своей ширины перекрывала зазоры между витками первой ленты.
Между упрочняющим покровом и свинцовой оболочкой кабеля накладываются две ленты поливинилхлорида или полиэтилентерефталата (лавсана), предназначенные для защиты оболочки от повреждения медными лентами при их наложении, а также при изгибах кабеля в процессе изготовления и монтажа. В кабелях с упрочняющим покровом оболочка, расширяясь, постепенно доходит до стабильного состояния и с течением времени все большую часть давления передает медным упрочняющим лентам.
Защитные покровы накладываются поверх свинцовой или алюминиевой оболочки кабеля и защищают их от воздействия влаги, кислот, щелочей, а также блуждающих токов, вызывающих коррозию свинца или алюминия, и механических воздействий. Конструкция защитного покрова зависит от материала оболочки кабеля, условий его монтажа и эксплуатации. Кабели в свинцовой оболочке марки МНС поверх упрочняющего покрова имеют защитный наружный покров из лент поливинилхлорида общей толщиной не менее 2,2 мм, а кабели марок МНСШв, МНАШв, МНАгШв — слой битумного состава, две ленты полиэтилентерефталата и шланг из поливинилхлорида, номинальная толщина которого 3 мм.
Защитные покровы кабеля МНСК состоят из внутреннего покрова (подушки), брони из стальных оцинкованных проволок и наружного покрова. В состав подушки входят следующие слои: битумный состав, две ленты полиэтилентерефталата, лента крепированной битуминированной бумаги, битумный состав, стеклопряжа или предварительно пропитанная кабельная пряжа. Наружный защитный покров, накладываемый поверх брони, а в кабеле МНСА — поверх упрочняющего слоя, состоит из следующих слоев: битумный состав, две ленты полиэтилентерефталата, лента крепированной битуминированной бумаги, битумный состав, слой стеклопряжи или пропитанной кабельной пряжи, меловое покрытие. Броня кабеля низкого давления, выполняемая из стальных оцинкованных проволок диаметром 4 мм при прокладке в земле и 6 мм — в воде, предохраняет оболочку от механических повреждений и принимает на себя действующие на кабель растягивающие усилия.
В кабелях МНАШву, МНАгШву, прокладываемых в земле, с учетом недостаточной устойчивости алюминия к коррозии накладывается усиленный защитный покров, состоящий из слоев битумного состава, ленты крепированной битуминированной бумаги, полиэтилентерефталатных лент, ленты прорезиненной невулканизированной ткани и шланга из поливинилхлоридного пластиката, последовательность наложения которых показана на рис. 2.3.
Для сооружения кабельных маслонаполненных линий преимущественно применяются кабели марок МНАШв, МНАгШв, МНАШву, конструктивные параметры которых, размеры строительных длин и массы приведены в табл. 2.1, и марок МНСК 110 и 220 кВ (табл. 2.2 и 2.3 соответственно).
Таблица 2.1

Таблица 2.2

Примечание. Числитель—диаметр проволок брони 4, знаменатель—6 мм.
Таблица 2.3

Примечание. Толщина упрочняющего покрова 1,4, подушка под броню 3,55, наружного защитного покрова 4,05; диаметр проволок брони 6 мм.
Ежегодно в нашей стране изготовляется несколько сот строительных длин маслонаполненных кабелей низкого давления на напряжение 110—220 кВ и не имеется случаев электрического пробоя изоляции при испытаниях повышенным напряжением в период сдаточных испытаний. На ряде образцов кабелей 110 кВ после проведения периодических испытаний переменным напряжением 2,5и0 (160 кВ) частотой 50 Гц в течение 24 ч дополнительно проводились испытания при напряжении 192 и 224 кВ по 24 ч. Пробоя изоляции кабеля не наблюдалось. Также дополнительно проводились испытания импульсным напряжением при различных амплитудах, числе импульсов и полярности, которые показали, что изоляция маслонаполненных кабелей имеет высокую электрическую прочность.
Значения тангенса угла диэлектрических потерь tg δ и его приращения tg δ , получаемые при проведении сдаточных и периодических испытаний, характеризуют качество изоляции кабеля. Диэлектрическими потерями называют потери, вызванные рассеиванием энергии в диэлектрике (изоляции кабеля) под действием приложенного к нему переменного напряжения. Углом диэлектрических потерь называют дополняющий до 90° угол ф сдвига фаз между током и напряжением в емкостной цепи. Известно, что в электрической цепи с идеальной изоляцией вектор тока опережает вектор напряжения на 90° и дополнительный угол при этом равен нулю. Чем больше энергии будет переходить в тепло в испытываемой изоляции, тем больше будет значение угла  и тем хуже качество изоляции.

Рис. 2.5. Интегральные кривые вероятности выпуска кабелей на напряжение 110—220 кВ низкого давления с различными значениями tg δ (а) и tg δ (б) за 1976—1979 гг:
I, 2 — кабели на напряжение 110 кВ в свинцовой и алюминиевой оболочке соответственно при напряжении 64 кВ; 3 — кабели на напряжение 220 кВ при Uo= 127 кВ; 4, 5— кабели на напряжение 110 кВ в свинцовой и алюминиевой оболочке соответственно при изменении напряжения от 64 до 230 кВ
Интегральные кривые вероятности Р выпуска строительных длин кабелей на напряжение 110—220 кВ с различными значениями tg δ при номинальном фазном напряжении Uо, его приращения Δtg δ при изменении напряжения от 0,5 до 2U0 приведены на рис. 2.5. За счет совершенствования технологии изготовления кабелей, применения материалов с лучшими характеристиками (бумаги, изоляционные масла) электрические характеристики изоляции в 1976—1980 гг. перешли на более высокий уровень. В связи с этим ужесточены требования к предельным значениям tg δ и Δtg δ . Для кабелей 110 кВ данные значения приняты 0,004 и 0,001 соответственно против 0,005 и 0,0015 ранее допустимых значений.