Сравнение кабелей с БПИ и СПЭ-изоляцией

Подземные кабельные сети достаточно дороги, и их используют в основном в городских условиях, но по сравнению с воздушными линиями электропередачи они обеспечивают надежное электроснабжение, обладают высокой безопасностью, не подвержены атмосферным воздействиям, не требуют отчуждения больших территорий, поэтому они получили широкое распространение. Самыми массовыми являются линии низкого (до 1 кВ включительно) и среднего (до 35 кВ включительно) напряжения. Протяженность кабельных линий только в г. Москве на напряжение до 35 кВ включительно составляет более 61 тыс. км, а на высокое напряжение (110—500 кВ) — около 1 тыс. км. При этом новые линии на напряжение 20 кВ и более строят только с применением кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ), на напряжение 6 и 10 кВ основными материалами изоляции являются СПЭ и пропитанная бумага.
Несмотря на то что первые кабели с СПЭ-изоляцией появились в России более 25 лет назад, их практическое применение в отечественной энергетике началось относительно недавно — не более 15 лет назад, поэтому еще не приобретен достаточный опыт эксплуатации таких кабелей.
СПЭ — это неполярный диэлектрик, обладающий высокой электрической прочностью и имеющий низкий тангенс угла диэлектрических потерь, что позволяет сократить потери в изоляции, а за счет наличия поперечных связей материал обладает повышенной температурной стабильностью.

Сравнение основных характеристик кабелей с пропитанной бумажной изоляцией и кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена представлено в табл. 1. Основные конструкции кабелей рассматриваются в табл. 2. Основные конструкции кабелей на среднее напряжение с СПЭ-изоляцией приведены на рис. 1.

Отличиями в конструкции кабелей с СПЭ-изоляцией по сравнению с БПИ являются замена материала изоляции и отсутствие тяжелых металлических оболочек (свинцовые или алюминиевые), которые служили для герметизации конструкции и должны были выдерживать перепады давления, вызываемые тепловым расширением пропиточного состава. Кабели с СПЭ-изоляцией имеют следующие преимущества:
• большую пропускную способность за счет увеличения допустимой температуры жилы (допустимые токи нагрузки в зависимости от условий прокладки на 15—30% больше, чем у кабеля с БПИ);
• большой ток короткого замыкания, примерно в 1,5 раза;
• меньший вес, диаметр и радиус изгиба, что обеспечивает легкость прокладки кабеля как в кабельных сооружениях, так и в земле на сложных трассах;
• возможность вести прокладку кабеля при температуре до -20°С без предварительного подогрева за счет использования полимерных материалов для изоляции и оболочки;
• отсутствие каких-либо жидких компонентов, благодаря этому уменьшается время и снижается стоимость прокладки и монтажа;
• однофазная конструкция, позволяющая изготавливать кабель с жилой сечением до 800 мм², оптимальным для передачи большой мощности;
• большие строительные длины — до 3 км.

В последнее время при строительстве ЛЭП все чаще применяется новое техническое решение — линия с одножильными кабелями с изоляцией из СПЭ. К сожалению, в ПУЭ и ПТЭ до настоящего времени не внесены дополнения и изменения даже на кабели с БПИ, касающиеся токовых нагрузок, хотя изменения к ГОСТу 18410 были внесены в 1993 г., а информация по кабелям с СПЭ-изоляцией в данных документах полностью отсутствует. Также отсутствуют отраслевые стандарты по проектированию, прокладке, приемосдаточным и периодическим испытаниям кабельных линий с применением кабелей с СПЭ. В связи с этим производители данных кабелей разработали инструкции по их применению.

Как правило, ранее применяли трехжильные кабели с БПИ, но максимальное сечение, как видно из табл. 2, ограничено 240 мм², а при возросших нагрузках этого недостаточно, поэтому необходимо либо увеличивать число параллельно проложенных кабелей, либо применять кабели с изоляцией из СПЭ. Так, например, при равных условиях кабель с БПИ сечением 240 мм² можно заменить на кабель с СПЭ сечением 185 мм². При этом в случае применения трехжильного кабеля не возникает дополнительных требований к проектированию или прокладке кабеля с СПЭ-изоляцией. Если необходимо передать еще большую мощность, то можно применять одножильный кабель (рис. 2) с изоляцией из СПЭ, но при этом у проектной организации могут возникнуть вопросы, так как в нормативных документах нет четкого определения, как должен быть заземлен экран одножильного силового кабеля и в каких случаях допускается его эксплуатация с односторонним заземлением, когда необходимо выполнить его транспозицию. При этом может сказываться отсутствие достаточного опыта проектирования, монтажа и наладки, что приводит к серьезным проблемам при их эксплуатации.
Основные проблемы связаны с тем, что применяются одножильные кабели больших сечений. Например, на Сочинской ГТУ, где были использованы одножильные кабели на напряжение 10 кВ для выдачи мощности от генераторов, через несколько месяцев после начала эксплуатации кабели вышли из строя. Причиной стала ошибка проектной организации, которая при переходе через дорогу для надежности заложила каждую фазу в металлическую трубу, что при применении однофазной конструкции, работающей на переменном напряжении, делать категорически нельзя. Потребовалась полная замена кабельной линии. Были изменены трасса и условия прокладки. Заказчик принял решение — для возможности осмотра построить кабельную эстакаду.
Еще одна проблема, которая может возникнуть при применении одножильных кабелей, — выбор правильного варианта заземления экрана или металлической оболочки. Так, например, при небольшой длине (до 1 км) линии целесообразно выполнять одностороннее заземление экранов, а на другом конце устанавливать изолирующие кабельные муфты, но при этом необходимо произвести расчет напряжения. Неправильная прокладка или размещение одножильных кабелей приводит к созданию напряженностей, которые могут превышать допустимые уровни для обслуживающего персонала, а также влиять на работу микропроцессорной аппаратуры.
При проведении приемосдаточных испытаний кабелей с изоляцией из СПЭ основное отличие от кабелей с БПИ заключается в необходимости проведения измерения уровня частичных разрядов (ЧР). При этом у кабелей с БПИ проводили измерение тангенса угла диэлектрических потерь (tg дельта) и его приращение (зг.дельта tg дельта). Измерение уровня ЧР является более предпочтительным, т.к. оценка по зг.дельта tg дельта с ростом напряжения дает лишь грубое представление об интенсивности ЧР. Для более точных оценок используются специальные методы. ЧР развиваются главным образом в газовых включениях в диэлектрике, но могут присутствовать и в жидких прослойках, например в масле. Появление ЧР в газовых включениях приводит к возрастанию потерь энергии в диэлектрике. После прокладки кабелей необходимо проверить целостность наружной оболочки (защитных покровов). Для этого пластмассовую оболочку испытывают между отсоединенными от земли экранами, броней и землей постоянным напряжением в течение 1 мин., при этом все металлические элементы кабеля должны быть электрически соединены. Требования в проведении данного испытания отсутствуют для кабелей с БПИ, что приводит к коррозии оболочки и выходу из строя линии. Так как изоляция кабелей проходит испытания в заводских условиях, то нет необходимости проведения испытаний изоляции после прокладки. Испытания следует проводить после монтажа муфт. Изоляцию кабелей рекомендуется испытывать линейным напряжением переменного тока частотой 0,1—400 Гц в течение 5 мин., приложенным между токопроводящей жилой и металлическим экраном. Предпочтительным является напряжение сверхнизкой частоты (0,1 Гц), так как при такой частоте отсутствует опасность зарождения новых дефектов.
С помощью одностороннего заземления экранов одножильных кабелей, увеличения межфазного расстояния, прокладки без кабельных коробов можно повысить допустимую нагрузку на одножильные кабели, но при этом созданные магнитные поля в местах работы обслуживающего персонала и установки микропроцессорных устройств, а также наводки на контрольных кабелях значительно увеличатся. И наоборот, заземлив экраны с двух сторон, уменьшив межфазные расстояния, проложив кабели в стальных коробах, мы добьемся уменьшения внешних влияний от одножильных кабелей, но получим перегретую изоляцию или необходимость ограничения нагрузки. Следовательно, проблема применения одножильных кабелей в сети генераторного напряжения должна рассматриваться в комплексе, а односторонний подход приводил и будет приводить к их повреждениям.