Отечественные кабели среднего и высокого напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена для линий электропередачи

Развитие экономики в России в начале 2000-х годов поставило перед кабельной промышленностью задачу по обеспечению электроэнергетики современными видами силовых кабелей, в частности кабелями для распределительных сетей среднего (СН) (10-35 кВ) и высокого напряжения (ВН) (110-330 кВ).

Кабели с пропитанной бумажной изоляцией СН и маслонаполненные кабели ВН уже не могли удовлетворить нужды электроэнергетики по своим техническим и эксплуатационным параметрам, а трудоемкая технология их изготовления  — по количественной потребности. Потребовалась перестройка на инновационные типы кабелей и, соответственно, на инновационные технологии их производства. Кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена взамен кабелей с пропитанной бумажной изоляцией решали данную задачу. В табл. 1 приведены сравнительные эксплуатационные характеристики силовых кабелей с пропитанной бумажной и пластмассовой изоляцией. Сравнение этих показателей позволяет сделать определенный вывод в пользу применения кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена в распределительных сетях энергосистем.

Кабели отечественного производства в условиях свободных рыночных отношений должны быть конкурентоспособными по отношению к кабелям передовых западных производителей, имеющих многолетний опыт производства и достигших высокого уровня качества в соответствии с требованиями стандартов ЕЭС (HD-620, HD-605). Поэтому факторы высокого качества кабелей являются непременным и главным условием для их освоения в производстве на российских заводах.

Монолитная полимерная изоляция кабелей, в отличие от пропитанной бумажной изоляции, является более чувствительной к разного рода посторонним включениям, пустотам и другим дефектам, которые повышают локальную напряженность электрического поля, снижают пробивные напряжения и создают предпосылки для образования водных триингов при эксплуатации кабелей в условиях влажной среды.

На рис. 1-3 показаны примеры посторонних включений и характерных дефектов в изоляции, выявленных в процессе электрических испытаний кабелей и обнаруженных при последующем анализе дефектности изоляционной системы, выполненном в лабораториях ОАО «ВНИИКП». Этими исследованиями подтверждена зависимость электрической прочности от размеров включений и установлена минимальная расчетная напряженность электрической прочности на уровне ≥ 40 кВ/мм (рис.4).

Реально достигнутая пробивная прочность кабелей среднего напряжения перед постановкой на производство составила от 54 до 72 кВ/мм благодаря совместным усилиям ОАО «ВНИИКП» и заводов производителей по отладке «чистой» технологии изготовления, гарантирующей низкую дефектность изоляционной системы производимых кабелей. На рис. 5 приведена схема контроля качества при изготовлении кабелей среднего и высокого напряжений.

В ОАО «ВНИИКП» на протяжении последних лет разработаны и широко используются оригинальные методики обнаружения не только дефектов изоляционной системе кабелей, но и водных триингов, а также оценки степени старения полимера внутри триинга и прогнозирования срока службы кабеля. Развитые методические подходы и созданные экспериментальные установки позволяют оценивать качество изготовления кабеля, изучать механизмы старения изоляции, решать задачи по прогнозированию остаточного ресурса.

На рис. 6 приведены изображения водных триингов, развивающихся в процессе длительного влажного старения полимерной изоляции при воздействии повышенной напряженности электрического поля. Рис. 7 демонстрирует изменение электрической прочности полномасштабных образцов кабелей от времени испытаний в течении 17500 ч (2 года). Прочность испытанных кабелей после одного и двух лет старения почти вдвое превышает нормированный уровень по стандарту HD 620. В объем выполненных испытаний вошли кабели среднего напряжения заводов изготовителей по позициям 1-6 таблицы 3.

Для кабелей высокого напряжения низкая дефектность изоляционной системы является ключевым фактором, т.к. рабочие напряженности электрического поля многократно увеличиваются по сравнению с кабелями среднего напряжения. Увеличенная толщина изоляции из сшитого полиэтилена поставила задачи по исследованиям дополнительных факторов, влияющих на электрическую прочность кабелей ВН. К ним относятся внутренние механические напряжения и остаточное газосодержание в полиэтиленовой изоляции кабелей.

На рис. 8 показано влияние внутренних механических напряжений на импульсную прочность; рис. 9 демонстрирует микроскопические газовые включения, снижающие электрическую прочность.

Работами ОАО «ВНИИКП» показано, что внутренние механические напряжения и остаточное газосодержание определяются технологией формирования изоляции (экструзия, сшивка, охлаждение, дегазация). Наличие (отсутствие) этих двух факторов в изготовляемых кабелях может контролироваться по разработанным методикам ОАО «ВНИИКП».

ОАО «ВНИИКП» разработало единые для всех российских заводов-изготовителей технические условия на производство кабелей среднего напряжения 10-35 кВ, высокого напряжения 64/110 кВ и 127/220 кВ. В 2010 г. предусмотрена разработка национальных стандартов ГОСТ Р на кабели среднего напряжения и стандартов Р МЭК прямого применения для кабелей высокого напряжения 110-500 кВ. Перечень нормативных документов по кабелям среднего и высокого напряжения приведен в табл. 2.

В указанных ТУ предусмотрены кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена для всех типовых условий прокладки, в том числе кабели для пожароопасных зон.

Приоритетной разработкой последнего времени является создание нераспространяющих горение кабелей на напряжение 64/110 кВ, испытание которых производится в условиях реальной прокладки кабельной цепи (размещение кабелей в плоскости или треугольником встык) в составе трех фаз с объемом горючей массы до 20 л/м. Наружные оболочки кабелей выполнены из материалов пониженной горючести на основе ПВХ композиций с низким дымогазовыделением или из безгалогенных композиций с высоким кислородным индексом. На фото рис 10 показано испытание кабеля 110 кВ на нераспространение горение при групповой прокладке  в составе 3-х фаз двумя источниками пламени мощностью 2х74 МДж/час (2х20 кВт). Длина сгоревшей части кабелей составила около 0,5 м при предельной норме 2,5 м.

В короткий исторический промежуток времени с 2003 по 2009 г. в кабельной промышленности осуществлено техническое перевооружение ведущих заводов Ассоциации «Электрокабель» на выпуск инновационных кабелей среднего и высокого напряжения для нужд электроэнергетики (табл. 3), что позволяет полностью обеспечить потребности российского рынка в кабелях среднего напряжения и постепенно отказаться от импорта кабелей высокого напряжения.

Особенности вновь созданных производств кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена:
- применение нового технологического оборудования от лучших мировых производителей с учетом последних достижений кабельного машиностроения;
- поставлены на производство кабели нового поколения:
• полностью герметизированные конструкции,
• применение триингостойких композиций с высоким сроком службы для кабелей СН и особо чистых композиций для кабелей ВН;
- кабели адаптированы к условиям эксплуатации российских сетей;
- надежность в эксплуатации подтверждается длительными испытаниями кабелей по стандартам CENELEC и МЭК 62-067.