Кабельно-проводниковая продукция и аксессуары

Разработка, производство и использование высококачественных СПЭ-компаундов для кабелей высокого и сверхвысокого напряжения

Спрос на кабели высокого и сверхвысокого напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ) стабильно растет. Это связано с необходимостью строительства новых и модернизации уже существующих систем передачи электроэнергии. Рост городов приводит к сокращению площади землеотводов под воздушные линии электропередачи (ЛЭП). Кроме того, экологические аспекты, связанные с электромагнитным излучением воздушных ЛЭП, вызывают общественное противодействие прокладке новых линий. В этих условиях альтернативное решение в виде подземных кабельных линий становится все более предпочтительным.

Использование СПЭ для данного применения является общепринятым стандартом, а совершенствование технологии материалов и кабельного производства позволяют использовать СПЭ для кабелей на напряжение до 500 кВ переменного тока.

В ходе эволюции технологии СПЭ менялись важные характеристики отдельных изоляционных и полупроводящих компаундов, что на сегодняшний день обеспечивает безопасность и экономическую эффективность производства кабелей на этапе экструзии и сшивки, в сочетании с высокой электрической прочностью, низкими диэлектрическими потерями и сниженным содержанием побочных продуктов.

Данная статья освещает шаги, предпринятые с целью обеспечения повышенного уровня чистоты СПЭ изоляции, а также гладкости поверхности полупроводящих экранов, требуемых для кабелей высокого и сверхвысокого напряжения. Кроме того, здесь описана технология переработки современных СПЭ компаундов, включая необходимость измерения количества побочных продуктов, оставшихся после дегазации.

Введение


Эволюция кабелей берет свое начало с 19 века, а технология их производства несколько раз претерпела существенные изменения. Кабели, предназначенные для напряжения выше 100 кВ, были разработаны в 1930-х годах, а система изоляции в то время была основана на спрессованной, пропитанной маслом бумаге. Данная технология была основой для последующей эволюции кабелей для напряжений до 500 кВ на протяжении почти 40 лет.

Изобретение полиэтилена послужило началом для разработки кабелей с полимерной изоляцией. Начав с применения ПЭ для кабелей низкого напряжения, процесс повышения рабочего напряжения шел довольно быстро, и период времени, который потребовался, чтобы достичь напряжения в 500 кВ, был относительно коротким — с конца 1960-х до конца 1980-х. Изобретение сшитого полиэтилена (СПЭ) послужило мощным толчком в развитии технологии, поскольку данный тип изоляционной системы позволяет производить более экономичные (с более высокой рабочей температурой) кабели.

Один из ключевых элементов в технологической эволюции — это разработка компаундов и технологий производства кабеля, связанных с системой обеспечения качества, а также методик и систем контроля качества.

Проекты


Переход на СПЭ для изоляции кабелей высокого напряжения до 150-200 кВ сегодня становится повсеместным. Доля смонтированных кабелей с изоляцией из СПЭ в этом сегменте в период с 2001 по 2006 год составила более 90%. Для более высоких напряжений СПЭ также становится наиболее предпочтительным типом изоляции. Это видно по большому количеству проектов по прокладке СПЭ кабелей сверхвысокого напряжения во всем мире.

Производство компаунда


Полиэтилен производится с использованием различных технологий полимеризации этилена. Для изоляции кабелей высокого и сверхвысокого напряжения основой является полиэтилен низкой плотности (ПЭНП), производимый по так называемой технологии высокого давления. Поскольку ключевым требованием для таких материалов является высокая степень чистоты, предпочтительно использование так называемого тубулярного реактора (реактора вытеснения). Данная технология позволяет придавать полиэтилену широкий спектр требуемых характеристик в сочетании с высокой степенью чистоты продукта. Другой тип реактора, автоклавного типа (реактор смешения), имеет вращающиеся лопатки внутри сосуда, что повышает вероятность попадания включений от вращающихся частей. По этой причине реакторы автоклавного типа не используются для производства СПЭ компаундов для высокого и сверхвысокого напряжения.

Для получения СПЭ изоляционного компаунда с требуемыми характеристиками и степенью чистоты, добавка присадок, таких как стабилизаторы и пероксид для сшивки, осуществляется только после стадии полимеризации. Данный процесс интегрирован в абсолютно закрытую систему, обеспечивающую требуемую степень чистоты.

Все части производственного оборудования тщательно отобраны и сконструированы, а управление производственным процессом осуществляют подготовленные специалисты.

Не менее важно наличие обученного сервисного персонала, осуществляющего обслуживание и ремонт оборудования.
 
Качество

Система обеспечения качества. Наличие совершенной системы обеспечения качества на основе общепризнанных стандартов, таких как ISO 9000, является необходимым условием организации любого современного производства. Хорошая система обеспечения качества — это эффективный инструмент организации деятельности, где наиболее критичные операции тщательно спланированы, выполнены и отслежены. Это также гарантирует постоянный процесс совершенствования производства.

Эволюция стандарта привела к тесной интеграции участников цепочки поставщиков, а также необходимости наличия системы обеспечения качества на каждом этапе. Цель — надежность поставок соответствующего сырья и услуг по всей производственной цепочке.

Контроль качества.
Процедуры контроля качества для СПЭ-компаундов претерпели значительные усовершенствования с начала производства первого поколения изоляционного материала Superclean и полупроводящего материала Supersmooth. В 1970-х контроль степени чистоты и гладкости поверхности были полностью ручными операциями, основанными на визуальной проверке пленки, экструдированной из пробы материала исследуемой промышленной партии.

На сегодняшний день специальные автоматические устройства работают в режиме «онлайн» и осуществляют непрерывный контроль таких важных свойств материалов, как степень чистоты и гладкость поверхности.

Минимальный определяемый размер включений с тех пор был уменьшен со 120 мкм до примерно 20 мкм, т.е. до размера, невидимого невооруженным глазом. Соответственно стало возможным последовательное повышение чистоты конечного продукта. Для материалов с самыми высокими требованиями гарантируется минимальное количество посторонних включений размером до 50 мкм, что указывается в спецификации.

Вместе с эволюцией чистоты изоляционных компаундов, росло качество полупроводящих материалов. Процесс компаундирования постоянно совершенствуется путем внедрения автоматических устройств непрерывного контроля качества. Использование ацетиленовой сажи дало возможность улучшить гладкость до так называемого SupersmoothTM уровня или уровня с улучшенными характеристиками.

Производство кабеля

При производстве кабелей с изоляцией из СПЭ для высокого и сверхвысокого напряжения используется сухая вулканизация и технология тройной экструзии. Сухая вулканизация означает, что сшивка происходит в среде, свободной от влаги, что гарантирует отсутствие влаги и пузырьков в изоляции. Для производства крупных кабелей, как правило, используются вертикальные линии непрерывной вулканизации, где проще обеспечить минимальный эксцентриситет при больших сечениях жилы и с большой толщиной изоляции.

Тройная экструзия означает, что все три слоя накладываются на жилу одновременно, в общей экструзионной головке. Это обеспечивает гладкую поверхность на границах между изоляционным слоем и полупроводящими слоями, что является крайне важным аспектом. Чтобы гарантировать наилучшую границу раздела, предпочтительно использовать сверхгладкий полупроводящий компаунд, особенно для кабелей сверхвысокого напряжения.

Правильная организация производственного процесса важна как для обеспечения экономической эффективности кабельного производства, так и для гарантии высочайшего качества готовой продукции. Одним из хорошо известных ограничивающих факторов при экструзии СПЭ является эффект преждевременной сшивки (подсшивки) материала в экструдере. В целях предотвращения попадания подсшитого материала (скорча) из экструдера в кабельную изоляцию необходимо производить периодическую чистку оборудования. Однако, данная операция ограничивает максимально возможную длину кабеля и снижает общую эффективность производства, повышая затраты.

Новые разработки в области СПЭ компаундов были направлены на снижение риска подсшивки полиэтилена в экструдере.

Дегазация

Дегазация изолированной жилы является важной частью процесса производства кабелей высокого и сверхвысокого напряжения. Это отдельный этап, при котором барабан с кабельной заготовкой помещается в нагретую дегазационную камеру и выдерживается в ней в течение продолжительного времени. Целью является вывод всех газообразных компонентов из изоляции. Эти компоненты образуются в процессе сшивки, где в качестве сшивающего агента используется перекись дикумила. Основные побочные продукты, образующиеся в процессе реакции сшивки, это метан, ацетофенон и кумиловый спирт.

Наиболее важно снижение содержания метана, т.к. данное вещество является пожароопасным и может послужить причиной взрыва. Кроме того, метан может создавать повышенное внутреннее давление в бронированном кабеле. Данное избыточное давление может послужить причиной выхода из строя кабельной арматуры.

При разработке новых изоляционных компаундов на основе СПЭ удалось значительно снизить необходимую концентрацию перекиси дикумила, а следовательно, уменьшить время, необходимое для дегазации.

Новые области применения

Успешное внедрение СПЭ для кабелей высокого и сверхвысокого напряжения для переменного тока создает основу для качественного прорыва в области постоянного тока (HVDC).

Традиционно кабели высокого напряжения постоянного тока (HVDC) изолируются бумагой. Однако это достаточно трудоемкий и затратный метод. Привязываясь к разработкам новых AC/ DC конверторов, так называемых конверторов источника напряжения, были разработаны кабели постоянного тока высокого напряжения с полимерной изоляцией на основе СПЭ.

Уже более 10 лет в промышленной эксплуатации находится кабельная линия высокого напряжения постоянного тока. В настоящее время готовы к запуску новые системы на базе кабелей на 320 кВ и мощностью более 1000.

Известно, что кабельные линии высокого напряжения переменного тока не могут использоваться на расстояниях свыше 100 км. Вследствие этого системы постоянного тока становятся более интересными для передачи энергии на большие расстояния при подземной и подводной прокладке.

Заключение


Разработка, производство и эффективное использование высококачественных СПЭ-компаундов для кабелей высокого и сверхвысокого напряжения требует наличия:
• Сверхчистые изоляционные и гладкие полупроводящие компаунды.
• Система обеспечения и контроля качества.
• Современные технологии производства кабеля.
• Изоляционные и полупроводящие компаунды с уменьшенным риском подсшивки.
• Экономически эффективное производство кабеля с использованием компаундов, требующих наименьшего времени для дегазации.
• Специальные СПЭ компаунды для кабелей высокого напряжения постоянного тока с экструдированной изоляцией становятся новым решением для передачи энергии на большие расстояния.

Обсудить на форуме

Нужен кабель? Оформи заявку бесплатно