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:

• электроэнергетическим компаниям нужны более простые в прокладке и техническом обслуживании и менее дорогостоящие кабельные системы;
• конечные потребители хотят получить кабели с повышенным сроком службы;
• существенное снижение уровня потерь электроэнергии в передающих и распределительных системах;
• повышение внимания к проблемам, связанным с электромагнитными полями;
• развитие подземных сетей в городских районах с целью устранения отрицательного визуального воздействия воздушных линий;
• объединение передачи данных и энергии;
• повышение уровня надёжности электроснабжения в условиях роста зависимости жизни и деятельности человека от электроснабжения.

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.