ДОКЛАД
по силовым кабелям с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 1-10 кВ

Вашему вниманию будет представлен доклад по силовым кабелям с изоляци-ей из сшитого полиэтилена (XLPE) на напряжение 1-10 кВ.

Доклад подготовлен по заданию Департамента топивно-энергетических ресурсов г. Москвы с целью проведения экспертной оценки новой продукции.

В процессе экспертной оценки мы пользовались материалами фирм производителей силовых кабелей с XLPE изоляцией (Pirelli, Nexans, АББ-Москабель, Иркутсккабель), а также ГОСТ 16442-80 "Кабели силовые с пластмассовой изоляцией", ТУ 16.К71.277-98 "Кабели силовые с изоляцией из силанольносшитого полиэтилена на напряжение 1 кВ", и публикациями МЭК 60502-2-1997 "Кабели силовые с экструдированной изоляцией и арматура к ним на номинальное напряжение от 1 до 30 кВ".

Распределительные кабельные сети г. Москвы являются самыми протяжёнными по сравнению с другими энергосистемами России и одними из старейших по истории становления и развития.

Эти обстоятельства с одной стороны во многом определяют проблемы эксплуатации кабелей, связанные с большим сроком службы и протяжённостью сетей, а с другой стороны позволили ОАО "Мосэнерго" накопить опыт и традиции, которые используются затем в региональных энергосистемах.

В настоящее время кабельная сеть г. Москвы имеет общую протяжённость приблизительно 57 тыс. км (данные из доклада главного инженера Московской электросетевой компании С.Н. Тодирка на семинаре выставки "Wire 2005").

Кабельная сеть среднего напряжения 6-10 кВ, это приблизительно 99,5% - кабели с бумажной пропитанной изоляцией.

По данным МКС удельная повреждаемость кабельных линий на напряжения 6-10 кВ для кабелей с бумажной пропитанной изоляцией (БПИ) в свинцовой оболочке (протяжённость прокладки более 50% от общего числа проложенного кабеля) составляет от 4,3 до 5,0 случаев на 100 км в год (данные за 1999г.-2000г., доклад директора Московской электросетевой компании А.С. Свистунова).

Введение МКС в 1998г. 100% контроля кабеля перед прокладкой дало очень хороший эффект и оказалось действенной мерой, способствующей повышению качества продукции.

Техническая политика ОАО "Мосэнерго" по совершенствованию эксплуатационных показателей кабельных линий, главным из которой является надёжность кабельных линий, направлена на использование кабелей с XLPE изоляцией, как при сооружении новых линий, так и при переустройстве существующих.

Предлагаем поподробнее рассмотреть преимущественные параметры кабелей с XLPE изоляцией, заявленные производителями продукции:

Несомненно данная группа продукции имеет ряд преимущественных характеристик по сравнению с кабелями с БПИ. Следует отметить основные преимущества кабелей с изоляцией из XLPE в одножильном исполнении, это:

• большие строительные длины;
• расширенный ряд номинальных сечений, до 500 мм²;
• меньший вес, диаметр и радиус изгиба (речь идёт о прокладке одной фазы).

Слайд №1: Конструкции силовых кабелей с XLPE изоляцией

Однофазная конструкция: Токопроводящая многопроволочная уплотненная жила из алюминия или меди; Изоляция из XLPE; Экран по жиле и изоляции (из ПЭ толщиной 0,3 мм); Экран из медных проволок; Водоблокирующие элементы; Оболочка из ПВХ или ПЭ.

Основным преимуществом кабелей с XLPE изоляцией является большая пропускная способность за счёт увеличения допустимой температуры жилы. Допустимые токи нагрузки в зависимости от условий прокладки на 15-30% больше, чем у кабеля с БПИ (каталог ф. "Nexans" стр. 3)

При расчёте токовых нагрузок выбор длительно допустимой температуры нагрева жил и максимальной температуры короткого замыкания определяется типом изоляционных материалов. Температуры, указанные в таблице 1 основаны на физических свойствах изоляционных материалов.

Слайд №2: Максимальные температуры ТПЖ для кабелей на напряжение 10 кВ с разными типами изоляции

Длительно допустимые токовые нагрузки кабелей, рассчитанные в соответствии с требованиями МЭК 60287 - 1994г."Расчёт номинальной токовых нагрузок кабелей в условиях установившегося режима". Ток постоянной величины при непрерывном режиме работы (100%-ный коэффициент нагрузки), достаточный для того, чтобы асимптотически создать максимальную температуру жилы при постоянных условиях окружающей среды.

Однако, опыт эксплуатации кабелей с XLPE изоляцией в энергосистемах Европы, показал, что при определении длительно допустимого тока, помимо свойств изоляции материала необходимо учитывать условия прокладки и исходные данные для расчёта допустимого тока нагрузки.

Так, ведущая западная фирма по производству кабелей с XLPE изоляцией ф. "Pirelli" в своих информационных материалах (каталог ф. "Pirelli" стр. 8) оговаривает следующее условие:

Слайд №3

Международный стандарт МЭК 60502-2 (IEC 502) "Силовые кабели с экструдированной изоляцией и их арматура на номинальное напряжение от 1 кВ до 30 кВ" в издании 1997 г. повторяет эту рекомендацию.

Слайд №4: Рассмотрим таблицу сравнения допустимых токовых нагрузок для кабелей с БПИ и изоляцией из XLPE на напряжение 10 кВ при прокладке в земле треугольником для однофазных кабелей.

Представленные значения допустимых токовых нагрузок для одного сечения кабелей с изоляцией из XLPE имеют значительный диапазон значений:

• для сечения 120 мм² - от 270 А до 320 А, что составляет 16,4 %;
• для сечения 185 мм² - от 345 А до 405 А, что составляет 17,0 %;
• для сечения 300 мм² - от 445 А до 525 А, что составляет 16,4 %.

Это обстоятельство объясняется тем, что в качестве исходных данных для расчёта допустимых токовых нагрузок взяты национальные нормы, отличающиеся друг от друга.

Слайд №5: Исходные данные для расчёта допустимых токовых нагрузок при прокладке в земле

Обращаем Ваше внимание, что при расчёте токовой нагрузки однофазного кабеля при прокладке в земле необходимо учитывать ряд поправочных коэффициентов.

ф. "Pirelli" и ф. "Nexans" в своих каталогах предоставляют информацию для проведения этих корректировок (каталог ф. "Pirelli" стр. 9).

Слайд №6 и №6а

При прокладке в земле необходимо учесть так же способ соединения экранов силовых кабелей. В случае выбора схемы соединения экранов:

Цепь разомкнута - общие экраны кабелей соединены и заземлены только в одном конце трассы.

Цепь замкнута - общие экраны кабелей соединены на обоих концах трассы и заземлены в любом случае на одном из концов трассы.

Корректировка допустимой токовой нагрузки по данному фактору проводится со значительным снижением от 4 до 17,3 % в зависимости от сечения проводника.

На примере конкретной прокладки кабеля с изоляцией из XLPE на напряжение 10 кВ производства ф. "Pirelli" (аналога кабеля марки АПвП(г)) посмотрим как влияет система поправочных коэффициентов по всем указанным факторам на допустимую токовую нагрузку. Кабель прокладывается в земле с разомкнутой цепью общего экрана

Схема прокладки (инструкция ф. "Nexans" стр. 39):

Слайд №7: Прокладка кабелей с изоляцией XLPE на напряжение 10 кВ в траншее, расстояние между кабельными линиями при параллельной прокладке в земле

Таким образом значения поправочных коэффициентов для прокладки кабеля в представленной схеме должны быть следующими (возврат слайдов №6 и №6а):

1. Влияние нескольких проложенных параллельных групп К₁=0,87;
2. Глубина прокладки К₂=1,0;
3. Коэффициент удельного термического сопротивления грунта К₃=0,92;
4. Температура грунта К₄=1,0;
5. Влияние защитных покрытий К₅=1,0.

Результат корректировки токовой нагрузки представлен на слайде №8.

Слайд №8: Допустимые токовые нагрузки кабелей с изоляцией из XLPE с учётом поправочных коэффициентов при прокладке в земле

С учётом поправочных коэффициентов, снижение допустимой токовой нагрузки предполагается на 20%.

Обращаем Ваше внимание, что ф. "Pirelli" в своих каталогах на продукцию при назначении токовых нагрузок для кабелей с изоляцией из XLPE на напряжение 1 кВ для прокладки в земле сохраняет те же рекомендации что и при прокладки кабелей с изоляцией из XLPE на напряжение 10 кВ. Одновременно ф. "Pirelli" рекомендует снижение длительно допустимых температур токопроводящих жил при прокладке на воздухе до 70°С (каталог ф. "Pirelli" стр. 16).

При данном способе прокладки условие по большей пропускной способности кабелей с XLPE изоляцией не выполняется.

Прокладка на воздухе - большая зона применения данной продукции.

Слайд №9: Рассмотрим таблицу сравнения допустимых токовых нагрузок для кабелей с БПИ и изоляцией из XLPE на напряжение 10 кВ при прокладке на воздухе треугольником для однофазных кабелей

При прокладке в воздухе следует также проводить корректировку токовых нагрузок по следующим факторам:

1. Температура окружающей среды;
2. Взаимное влияние кабелей при групповых прокладках (каталог ф. "Pirelli" стр. 11):
   • по количеству параллельных систем;
   • по количеству расположенных друг на друге системе.

Слайд №10

Слайд №11: Рекомендует ф. "Pirelli" схему прокладки в воздухе, не требующей понижения допустимых токовых нагрузок

Указанные в таблице (слайд №9) значения допустимых токовых нагрузок действительны при условии, что температура окружающей среды не повышается в результате влияния тепловых потерь, возникающих в кабеле.

Слайд №12: При других значениях температуры окружающей среды необходимо применять поправочные коэффициенты, указанные в таблице.

Таким образом, исходя из представленных выше материалов видно, что кабели с изоляцией из XLPE на напряжение 10 кВ обладают большой пропускной способностью только при их эксплуатации на воздухе при определённых схемах прокладки.

При прокладке данной группы продукции в воздухе, учитывая высокую степень горючести изоляции, необходимо выполнять Специальные огнезащитные меры, обеспечивающие пожарную безопасность, что требует дополнительных затрат.

Выводы:

Из представленной информации по кабелям с изоляцией из XLPE следует, что выбор допустимых токовых нагрузок по данной группе продукции требует тщательного подхода. Очевидна необходимость разработки Методических указаний по проектированию кабельных линий и главы ПУЭ, посвящённой этой продукции для проектировщиков и эксплуатирующих организаций.

Монтаж и диагностика кабелей с XLPE изоляцией

Как известно, надежность работы кабельной линии не в последнюю очередь зависит от качества прокладки и монтажа кабелей, а также возможности диагностирования состояния кабелей при их приемке в эксплуатацию и при последующей эксплуатации. Из-за отсутствия нормативных документов на прокладку и монтаж кабелей с XLPE изоляцией, при рассмотрении указанных вопросов будем пользоваться "Инструкцией по применению силовых кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 6-35 кВ", выпущенной ф. "NEXANS" (Инструкция NEX/6-35.04). Инструкция устанавливает следующие основные требования к прокладке кабеля в земле: (возврат слайда №7).

1. Не допускается прокладки кабелей с XLPE изоляцией при следующих условиях:

   • в местах, загрязненных нефтяными маслами с высоким содержанием ароматических углеводородов (в том числе, кабельными и трансформаторными маслами) или другими веществами;

   • если насыпной грунт содержит шлак или строительный мусор;

   • на участках, расположенных на пересечениях с линиями теплосети или в непосредственной близости от них.

   При невозможности обхода этих мест кабель должен быть проложен в чистом нейтральном грунте в асбоцементных трубах, покрытых снаружи и изнутри битумным составом. При засыпке кабеля нейтральным грунтом траншея должна быть дополнительно расширена с обеих сторон на 0,5-0,6 м и углублена на 0,3-0,4 м.

2. Подсыпка дна траншеи кабельной трассы и засыпка кабеля должны быть выполнены песчано-гравийной смесью (песок с размерами зерен не более 2 мм и гравий с размерами частиц от 5 до 15 мм в соотношении 1:1).

3. В траншее кабели с XLPE изоляцией прокладываются треугольником или в одной плоскости. При соединении кабелей треугольником кабели после прокладки должны скрепляться вместе в треугольник через 1 - 1,5 м лентами, хомутами или скобами из немагнитного материала. Одновременная прокладка трех кабелей по трассе в одной плоскости запрещается.

4. Для защиты кабеля от механических повреждений должны использоваться железобетонные плиты или кирпичи. (Сигнальная лента не допускается).

5. Прокладка кабеля должна осуществляться только по роликам. Расстояние между роликами на прямолинейных участках должно быть не более 4 м. При протяжке кабель не должен касаться подсыпки.

Из сказанного видно, что дополнительные требования, предъявляемые производителем кабеля к его прокладке, требуют относительно высокой квалификации персонала, занимающегося его прокладкой, а также наличию и качеству вспомогательных материалов и инструментов.

Монтаж кабелей с XLPE изоляцией также имеет свои особенности, но может быть осуществлен достаточно быстро при наличии квалифицированного персонала и специализированного инструмента. Следует подчеркнуть, что кабельные муфты различных производителей имеют свои особенности в монтаже, однако любой производитель муфт предлагает услуги по обучению монтажу своих муфт.

После того, как кабель смонтирован, он должен пройти приемо-сдаточные испытания.

К сожалению, различные источники указывают различные нормативные значения испытательного напряжения для испытаний кабеля после прокладки, что отражено в таблице.

Слайд №13

Вопросам испытаний и диагностики состояния кабелей с XLPE изоляцией за рубежом уделяется довольно много внимания. Связано это, прежде всего, с особенностями конструкции самого кабеля и материалом изоляции.

Рассмотрим типичный дефект изоляции из XLPE. Он представлен на следующем слайде (слайд с водным триингом).

Слайд №14: Основной причиной увеличения уровня частичных разрядов при эксплуатации кабелей с изоляцией из XLPE является рост водных триингов в изоляции. Типичная картина триингов в изоляции кабеля, находившегося в эксплуатации представлена на рисунке.

Может ли испытание повышенным напряжением, приложенным между жилой и экраном, выявить этот дефект? Вопрос риторический, так как указанный дефект не нарушает целостности изоляции.

Более того, за рубежом проведены обширные исследования, доказывающие, что испытания повышенным напряжением не только не позволяют сделать адекватное заключение о состоянии кабеля, но и значительно ослабляют изоляцию. Более подробно эти вопросы рассмотрены в ряде публикаций (в т.ч. в журнале "Electricity Today" "A Non-Destructive Method For Testing Underground Cables Up To 25 kV" by Claude Kane, Westinghouse Electric Corporation). В указанной статье на основании исследований, проведенных компанией "Westinghouse", доказано, что испытания высоким напряжением уменьшают срок эксплуатации кабелей и значительно увеличивают рост водных триингов.

В качестве альтернативных методов диагностики состояния кабелей с XLPE изоляцией зарубежными специалистами предлагаются различные методы неразрушающего контроля:

• измерение частичных разрядов;
• измерение тангенса дельта на частоте 0,1 Гц;
• емкость и тангенс дельта, измеренные в диапазоне частот от 0,1 до 1 Гц (диэлектрическая спектроскопия);

К сожалению, даже за рубежом, где кабели с XLPE изоляцией находятся в эксплуатации с 70-х годов прошлого века, не существует пока единого мнения по оптимальному методу диагностики. Тем не менее, к наиболее перспективным методам следует отнести измерение частичных разрядов и диэлектрическую спектроскопию, которая позволяет правильно оценить состояние изоляции кабелей. Результаты диагностики кабелей с XLPE изоляцией, проведенной датской компанией DEFU в рамках совместного скандинавского проекта по оценке различных методов диагностики кабелей с XLPE изоляцией, приведены на слайде №15

Слайд №15: Результаты исследований кабелей с XLPE изоляцией на 10 кВ

Как видно из рисунка, испытаниям был подвергнут 61 кабель. Все кабели были введены в эксплуатацию в период с 1981 по 1996 годы. По результатам испытаний кабели были условно разбиты на 4 категории:

1. хорошие кабели;
2. кабели с признаками старения;
3. кабели с сильным старением;
4. кабели с током утечки.

В группу кабелей со сроком службы от 5 до 10 лет входили кабели всех четырех групп.

Было также выявлено, что из десяти кабелей с сильным старением только у одного была неповрежденная наружная оболочка. Это указывает на взаимосвязь между повреждением наружной оболочки и старением изоляции, т.е. сокращением срока службы кабеля.

Из всего вышесказанного можно сделать несколько основных выводов:

1. Требования к прокладке кабелей с XLPE изоляцией намного жестче, чем к прокладке кабелей с БПИ.

2. Существуют различия в величине испытательного напряжения, рекомендуемого различными производителями, МЭК и установленного в ПУЭ.

3. У специалистов нет пока единого мнения по выбору оптимального метода диагностики состояния кабелей с XLPE изоляцией.

4. Отсутствие национального стандарта может привести к тому, что в эксплуатацию будут введены кабели ненадлежащего качества.

Последний вывод отчасти подтверждается и тем, что сертификация кабелей с XLPE изоляцией в Российской Федерации проводится не на соответствие национальному стандарту, а на соответствие документам производителя и проводится в системе добровольной сертификации по тем характеристикам, которые заявляет производитель.

В заключение хотим подчеркнуть, что целью настоящего доклада являлось обратить внимание аудитории на отдельные особенности перспективной продукции, а также на необходимость более активной работы по созданию национальной нормативной документации на кабели с XLPE изоляцией. Тем не менее, выбор конструкции кабелей для обеспечения надежности энергосистем за специалистами энергокомпаний.

Информация предоставлена специально для RusCable.Ru