Электрическая система испытаний силовых кабелей всех классов напряжений с изоляцией из сшитого полиэтилена

Авторы и источники / Правообладателям

Введение

В настоящее время в практику передачи и рас­пределения электрической энергии все шире и шире внедряются силовые кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ). Однако при их производстве су­ществует несколько разновидностей технологии сши­вания полиэтилена.

С точки зрения всестороннего рассмотрения, необходимо определиться, что под термином "сило­вой кабель" или "высоковольтный кабель" обычно понимают кабели на номинальное напряжение от 6 до 500 кВ. В соответствии с рекомендациями МЭК (Международная электротехническая комиссия) кабе­ли передачи и распределения электрической энергии разделены на четыре категории в зависимости от диа­пазона номинального напряжения: кабели низкого напряжения - менее 6 кВ; кабели среднего напряже­ния - 6-36 кВ; кабели высокого напряжения - 36-161 кВ; кабели сверхвысокого напряжения - более 161 кВ. Чем выше класс напряжения, тем более высокие тре­бования предъявляются к электрической изоляции.

В качестве изоляционных материалов для сило­вых кабелей, в зависимости от класса номинального напряжения, используются в основном пропитанная кабельная бумага, поливинилхлоридный (ПВХ) пла­стикат, различные композиции полиэтилена (в том числе и сшиваемые) и резины. Однако новейшие научные разработки в области полимерной изоляции позволили постепенно вытеснять пропитанную бу­мажную изоляцию в производстве силовых кабелей всех классов напряжения. Сегодня практически сняты с производства маслонаполненные кабели на рабочее напряжение 110-500 кВ, уступив кабелям с пероксидносишваемой полиэтиленовой изоляцией.

Надежность кабелей, как функция метода сшивки полиэтилена

Цель настоящей статьи заключается в том, чтобы представить некоторые, наиболее распространенные в мире, научные и технологические подходы, которые могли бы помочь электроэнергетическим компаниям и другим потребителям получить экономичный ка­бель с высоким сроком службы. Изоляционные мате­риалы для силовых кабелей, типа ПВХ пластиката и обычного полиэтилена, имели длительно допустимую температуру эксплуатации до 75 °C, следовательно, они не могли конкурировать с пропитанной бумажной изоляцией, для которой рабочая температура находи­лась в пределах 80 °C, что ограничивало их примене­ние в кабелях на номинальное напряжение выше 6 кВ.

Эта проблема была решена с появлением пероксидносшитого полиэтилена, с помощью которого появи­лась возможность повысить рабочую температуру до 90 °C, в режиме перегрузок - до 130 °C, а при корот­ком замыкании до 250 °C. В результате процесса вул­канизации (сшивки) значительно улучшаются такие ценные свойства изоляции, как теплостойкость, меха­ническая прочность, сопротивляемость растрескива­нию, стойкость к действию агрессивных сред. Пероксидносшитый полиэтилен обладает превосходными диэлектрическими свойствами, что дает возможность применять его для всех классов напряжения.

ПАО "ЗАВОД "ЮЖКАБЕЛЬ" первым на постсо­ветском пространстве освоил производство кабелей энергетического назначения по пероксидносшиваемой технологии на рабочие напряжения от 6 до 330 кВ с использованием наклонных линий газовой вул­канизации с 2003 года [1, 4].

Существует три способа сшивания полиэтилена:

• химическая пероксидная сшивка (образование по­перечных связей) происходит при помощи вулканизи­рующего агента пероксида (например, перекиси дикумила), который вводится в полимер. При этом на специ­альных наклонных или вертикальных линиях происхо­дит одновременное трехслойное наложение изоляцион­ной системы - полупроводящего экрана по токопрово­дящей жиле, собственно изоляции и полупроводящего экрана по изоляции - и сшивка трех слоев в вулканиза­ционной трубе при высокой температуре (до 450 °C) и давлении (14 атм.) в среде инертного, по отношению к изоляции, газа. Такие системы требуют значительных финансовых затрат и поэтому применяются исключи­тельно при производстве кабелей на рабочее напряже­ние от 6 до 500 кВ. При этой сшивке образуются побоч­ные продукты деления, главным образом из метана, оцетофенола и метилового спирта, которые со временем испаряются сами по себе или могут быть удалены при помощи дегазации в термокамере. Самое главное, что эти побочные продукты деления не образуют инород­ных включений в изоляции;
• силанольная (влажная) вулканизация осуществ­ляется путем введения в полимерные цепочки хими­ческих соединений на основе силанов, которые фор­мируют поперечные связи только под воздействием влаги (пар или горячая вода). Процесс вулканизации осуществляется в твердой фазе после наложения изо­ляционной системы, т.е. имеет место разделение еди­ного технологического процесса на две стадии - экструзия изоляционной системы и ее вулканизация. Это более дешевая технология, т.к. выполняется на обыч­ных горизонтальных линиях. В противоположность пероксидной сшивке при силанольной, продукты де­ления образуют поперечные связи в материале изоля­ции и выполняют соединительную функцию между молекулами полиэтилена и не удаляются. Эти вклю­чения имеют, по сравнению с основной изоляцией, другие значения диэлектрической проницаемости и проводимости, т.е. являются концентраторами напря­женности электрического поля, приводящими к уско­рению старения изоляции и снижению ресурса кабе­лей, даже на среднее напряжение. Поскольку вулка­низация осуществляется не в инертной, а в водной среде, то это приводит к усилению образования вод­ных триингов.

Этот способ сшивки содействует непосредствен­ному проникновению инородного тела в химический состав изоляции. По этой причине силанольная сшив­ка используется при производстве кабелей низкого напряжения - до 6 кВ.

• радиационная сшивка, когда сшивание происхо­дит с применением источников ионизационных излу­чений и применяется для производства проводов с относительно тонкой изоляцией.

Остается напомнить энергетическим компаниям и предприятиям, использующим силовые кабели со сшитой полиэтиленовой изоляцией, что надежность кабельных систем на напряжение 6-500 кВ базируется в мире на пероксидносшиваемой полиэтиленовой изоляции. Процесс "сухой" пероксидной сшивки впервые, и пока единственный в Украине, внедрен на ПАО "ЗАВОД "ЮЖКАБЕЛЬ" и позволяет произво­дить кабели на напряжение от 6 до 330 кВ.

Анализ публикаций

Испытания кабелей с изоляцией из сшитого по­лиэтилена осуществляют согласно требованиям Меж­дународного стандарта МЭК 62067 и подразделяют на приемо-сдаточные, периодические, типовые и преквалификационные.

Для обоснованного выбора научных подходов и методов при разработке специализированных элек­тротехнических систем для испытаний кабелей с по­лимерной изоляцией на напряжение 6-500 кВ был выполнен аналитический обзор современных спосо­бов решения аналогичных задач в отечественной и зарубежной практике. Анализ литературы показал [1, 2, 6], что длительно нагружать изоляцию постоянным напряжением нецелесообразно из-за накопления в микродефектах изоляции значительных объемных зарядов, которые могут пребывать в изоляции дли­тельное время, вызывая ее старение. Эти объемные заряды могут накапливаться на достаточно больших глубинах изоляции.

Исследования, проведенные на заводе, подтверди­ли, что длительно испытывать повышенным перемен­ным напряжением является также нецелесообразным, т.к. могут возникать дополнительная деструкция изоля­ции и появление необратимых разрушающих ее микро­дефектов, которых до испытаний не было [7]. Эго объ­ясняется тем, что накопление объемных зарядов при повышенном переменном напряжении является процес­сом вероятностным, при котором возможно также про­никновение с поверхности медных или алюминиевых жил электронов на большую глубину изоляции. Учиты­вая, что время исчезновения локальных объемных заря­дов на несколько порядков больше, чем время их накоп­ления, то длительных испытаний повышенным пере­менным напряжением высоковольтных и сверхвысоко­вольтных кабелей также следует избегать.

Для испытания кабелей повышенным напряже­нием (до 35 кВ) обычно используют специальной конструкции повышающие измерительные трансфор­маторы. Мощность таких испытательных трансфор­маторов определяется произведением величины напряжения вторичной обмотки трансформатора UBbIX на величину емкостного тока в изоляции Ic, то есть равна. S’T|) = ивых*1с.

Применение трансформаторных схем для испы­таний высоковольтных и сверхвысоковольтных кабе­лей длиной в несколько сот метров представляется нецелесообразным, т.к. они требуют применения очень энергоемкого оборудования.

При строительной длине кабеля на напряжение 110 кВ на барабане до 1000 м общая емкость будет составлять С ~ К) 6 Ф, а общее емкостное сопротив­ление Хс переменному току частотой 50 Гц может быть равным: Хс = (2щ/С) 1 ~ 3184,7 Ом.

В соответствии с современными требованиями кабели со СПЭ изоляцией на напряжение 110 кВ должны подвергаться приемо-сдаточным испытаниям переменным напряжением различной длительностью, приведенной в табл. 1.

Таблица 1

Испытание кабелей переменным напряжением частоты 50 Гц 

 Учитывая, что тангенс угла диэлектрических по­терь составляет 10 то потерями мощности на нагрев изоляции можно пренебречь (ошибка составит мень­ше 0,1 %). В таком случае в кабеле в течение 30 минут должен протекать ток утечки Ic равный Ic = UJXC ~ 50 А и кабель должен пропускать мощность Sc, рав­ную Sc = U?/Xc ~ 8000 кВА.

Таким образом, сложно представить использование трансформатора установленной мощности для испыта - ний высоковольтных и сверхвысоковольтных кабелей.

Немногим более 30 лет назад традиционные трансформаторные измерительные системы, для про­ведения приемо-сдаточных испытаний, начали заме­нять резонансными системами, использующими в своих цепях резонансный контур, состоящий из па­раллельно включенных испытуемого кабеля и реакто­ра с изменяемой индуктивностью [3]. Эти системы позволили в десятки раз уменьшить мощность повы­шающего трансформатора.

Однако эти системы имеют один из серьезных недостатков - это необходимость выполнять все обо-

рудование на сверхвысокое напряжение до 500 кВ. Такой недостаток может быть преодолим только при узком диапазоне изменения длины испытуемого кабе­ля. При широкодиапазонном изменении длины испы­туемого высоковольтного кабеля будут соответствен­но изменяться в десятки раз емкостное сопротивление СПЭ изоляции и активное сопротивление токопрово­дящей жилы. В этой связи реализовать высокодоб­ротный параллельный резонансный контур не пред­ставляется возможным, т.к. необходимо, чтобы были равными не только реактивные сопротивления кабеля и компенсирующего реактора, но и их активные со­противления. Большим недостатком параллельного резонансного контура является то, что при пробое изоляции кабеля или реактора, общее сопротивление такого контура уменьшается в десятки раз, соответ­ствующим образом увеличивая ток короткого замы­кании измерительной системы и питающей сети.

Измерительная система последовательного резонанса

Если реализовать в измерительной системе резо­нанс напряжения, используя контур с последователь­ным соединением кабеля и высоковольтного реакто­ра, то при больших изменениях емкости кабеля, т.е. его длины, точная настройка контура в резонанс мо­жет осуществляться за счет соответствующего реак­тора [5, 6]. В последовательном резонансном контуре активные сопротивления элементов электротехниче­ской системы складываются и изменение их суммы лишь несущественно изменяет добротность контура и величину тока, потребляемого из сети. Из всех эле­ментов системы только изоляция компенсирующего реактора должна быть рассчитана на полное напряже­ние 500 кВ, а его обмотки - на токи до 40 А и полную мощность 20 MBA.

Современное развитие мировой электротехниче­ской промышленности позволяет проектировать и изготавливать реакторы на такие мощности и обеспе­чить линейное регулирование их индуктивности при­мерно в 20 раз за счет автоматического изменения воздушного зазора сердечника.

Таким образом, для испытания высоковольтных и сверхвысоковольтных кабелей со СПЭ изоляцией была обоснована целесообразность разработки элек­тротехнических систем с последовательным резо­нансным контуром синусоидального напряжения промышленной частоты.

Поэтому, на ПАО "ЗАВОД "ЮЖКАБЕЛЬ" в ос­нову сверхвысоковольтного испытательного комплек­са (СВИК) для испытаний широкого спектра кабелей из СПЭ изоляцией в соответствии с международными нормами и действующими системами менеджмента качества продукции, была положена концепция резо­нансного возбуждения последовательного высоко­добротного индуктивно-емкостного (L-C) контура с переменной индуктивностью.

Рассмотрим кратное описание структурной схе­мы такой системы, основные особенности ее кон­структивного исполнения и применения.

По условиям энергетического баланса для под­держания резонанса количество энергии на входе си­стемы в течение полупериода, должно быть равно количеству энергии, теряемой за это время внутри самой системы, т.е. энергии, равной омическим поте­рям в элементах системы.

На основании вышеизложенного и необходимо­сти испытания кабелей не только повышенным напряжением, но и измерения величины амплитуды частичных разрядов была разработана структурная схема многокомпонентной испытательной системы, представленная на рис. 1.

Рис. 1. Схема измерения уровня частичных разрядов и обнаружения места пробоя с использованием резонанса 

В состав такой электротехнической системы с последовательным резонансным контуром в качестве оборудования для измерения величины амплитуды частичных разрядов и локализации мест повреждений были включены:

• повышающий трансформатор Тр1 с двойным экраном;
• блок силового электропитания, включающий в себя главный силовой автоматический выключатель (АВ1), высокоточный регулятор напряжения на основе автотрансформатора Пашеля (Тр2), высоковольтный двухпозиционный контактор-выключатель (АВ2), низ­ковольтный фильтр токов основной частоты (НВФ);
• возбуждающий трансформатор (Тр3);
• высоковольтный реактор (ВВР);
• высоковольтный фильтр (ВВФ);
• масляные кабельные вводы или вводы с де­ионизированной водой для подключения высоковоль­тного или сверхвысоковольтного кабеля;
• силовой кабель со СПЭ изоляцией (объект ис­пытания);
• электропривод для регулирования индуктивно­сти реактора, посредством изменения воздушного зазора его магнитопровода;
• микропроцессорная система управления про­цессами испытания;
• цифровой блок измерения частичных разрядов и высокого напряжения (Блок измерения ЧР и ВН).

Разделительный трансформатор с двойным экраном предназначен для обеспечения двух функ­ций: гальванической развязки испытательной элек­тротехнической системы от системы заземления цеха и ослабления высокочастотных шумов, которые могут появляться в системе электропитания всего использу­емого электрооборудования. Это позволяет достигать максимально возможной чувствительности при изме­рении частичных разрядов. Первичная и вторичная обмотки экранированы с подсоединением через про­ходные изоляторы с контуром заземления системы. Катушки намотаны проводом с усиленной изоляцией для защиты от бросков напряжения и переходных процессов. Катушки и сердечник размещаются в стальной, заземленной камере, заполненной изоляци­онным маслом.

Блок силового электропитания, конструктивно выполненный в виде стойки, защищенной от электро­магнитных полей и включающий:

• главный силовой автоматический выключатель АВ1, который подключает электропитание к испыта­тельной системе и обеспечивает автоматическую за­щиту этой системы и питающей электросети от ава­рийных токов;
• регулятор напряжения, который используется для регулирования напряжения на входе возбуждаю­щего трансформатора и соответственно выходного напряжения всей системы. Регулятор напряжения име­ет электропривод и управляется от системы управле­ния. В качестве регулятора напряжения используется регулируемый автотрансформатор Пашеля, у которого точность регулирования не превышает 1 %;
• высоковольтный двухпозиционный контактор­выключатель (АВ2), который обеспечивает соедине­ние выхода регулятора напряжения с испытательной системой. Включается только тогда, когда все внеш­ние блокировки системы замкнуты и регулятор напряжения находится в нулевом положении. Контак­тор может быть разомкнут вручную посредством кно­пок на пульте или по сигналу схемы дугового разряда;
• низковольтный фильтр (НВФ), который пред­назначен для ослабления помех в диапазоне измере­ния частичных разрядов. Диапазон рабочей частоты НВФ очень мал - 50-60 Гц. Ослабление для токов высших гармонических более чем 40 дБ в диапазоне частот 0,03-1 МГц.

Возбуждающий трансформатор (Тр3), включае­мый между силовой сетью и реактором, предназначен для повышения питающего напряжения до необходи­мой величины и обеспечения активной мощности, тре­буемой системе, гальванической развязки и электро­статического экранирования высоковольтной измери­тельной схемы от сети электропитания. На выходе воз­буждающего трансформатора включен разрядник для защиты этого трансформатора и регулируемого реак­тора от перенапряжений. Этот разрядник конструктив­но размещен в корпусе реактора.

Высоковольтный реактор - это ключевой ком­понент резонансной испытательной системы. Высо­ковольтный реактор расположен в стальной зазем­ленной камере, заполненной изоляционным маслом и снабженной выходным проходным изолятором, по этой причине он называется камерным. Выполнен в виде двух реакторов, весом по 18 т каждый, которые могут соединяться последовательно и параллельно, а конструктивно, расположены один над другим.

На обоих плечах сердечника выполнены воз­душные зазоры. Имеется механизм подъема и опуска­ния сердечника. При этом изменяется величина воз­душного зазора сердечника, а в результате и индук­тивность реактора. Две высоковольтные катушки, соединенные параллельно перекрывают зазор, даже в полностью открытом положении, что предотвращает отклонение силовых магнитных линий.

Высоковольтный фильтр (ВВФ) и делитель напряжения, который предназначен для системы из­мерения уровня частичных разрядов. В фильтре ис­пользуются высоковольтные конденсаторы и катушки индуктивности. Фильтр представляет собой много­ступенчатую конструкцию. Выходная ступень являет­ся также делителем напряжения и силовым раздели­тельным фильтром. В этой ступени установлен четы­рёхполюсник для обеспечения сигналов киловольт­метра, детектора дугового разряда, фазовых синхро­низатора и детектора ЧР, что обеспечивает ослабле­ние помех более 40 дБ в диапазоне частот 15-500 кГц.

На рис. 2 показана схема замещения электротехни­ческой системы с последовательным резонансным кон­туром, реализованная на ПАО "ЗАВОД "ЮЖКАБЕЛЬ". 

Рис. 2. Электрическая схема испытания силового кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена с использованием явления последовательного резонанса напряжений 

Переменный трансформатор Т1 позволяет регу­лировать напряжение на однофазном возбуждающем трансформаторе Т2, который снабжает электроэнерги­ей резонансный контур и изолирует испытуемый ка­бель от остальной цепи. Конденсатор С - это емкость кабеля и другие емкости контура (емкостного делите­ля напряжения и емкость выходного проходного изо­лятора). Индуктивность L характеризует изменяюще­еся индуктивное сопротивление реактора, которое совместно с емкостью С приводит к последователь­ному резонансу и соответственно повышению напря­жения на кабеле. Упрощенная эквивалентная схема замещения установки показана на рис. 3. 

Предполагается, что возбуждающий трансфор­матор не имеет потерь. Индуктивность L представляет собой общую индуктивность возбуждающего транс­форматора и реактора. Сопротивление R включает все активные потери в системе. Для схемы на рис. 3 спра­ведливо уравнение, связывающее комплексные зна­чения выходного и входного напряжения: 

Выводы:

В целом электротехническая измерительная си­стема характеризуется следующими основными до­стоинствами:

• малая входная мощность объясняется тем, что активная электрическая мощность теряется только в виде омических потерь и является очень малой;
• низкий ток короткого замыкания, т.к. если во вре­мя испытания происходит полный пробой изоляции кабеля, то последовательный резонансный контур рез­ко теряет высокое значение добротности контура Q;
• низкий уровень нелинейных искажений, т.к. для высоких гармонических составляющих тока реактор будет иметь большое сопротивление и их токи будут малы по сравнению с током основной гармоники;
• переходные перенапряжения могут возникать при использовании трансформаторных и параллельных резонансных систем во время дугового перекрытия изоляции. Эти перенапряжения могут превышать ис­пытательное напряжение в несколько раз. При исполь­зовании последовательных резонансных систем пере­ходные перенапряжения очень малы за счет установки на выходе возбуждающего трансформатора разрядни­ка, который защищает как трансформатор, так и регу­лируемый реактор от возникающих перенапряжений;
• низкий уровень разбалансировки фаз, т.к. вход­ная мощность резонансных систем ниже выходной, то отбор мощности с одной фазы трехфазной сети вызы­вает гораздо меньшую разбалансировку фаз (несим­метричность потребляемых фазных токов), чем при использовании трансформаторных и параллельных резонансных систем.