10.8. Кабельные линии низкого и среднего напряжений

Кабели с пропитанной бумажной изоляцией

Кабели с бумажной изоляцией, имеющей вязкую пропитку, выпуска­ются в нашей стране на напряжения 1, 3, 6, 10, 20 и 35 кВ. Токопроводящие жилы таких кабелей изолируются кабельной бумагой марок К-080, К-120 и К-170 (с толщиной 0,08; 0,12 и 0,17 мм соответственно), которая пропитывается обычно маслоканифольным составом. Пропитка повышает электрическую прочность изоляции с 3—5 до 40—80 МВ/м. От пропиточ­ного состава требуются высокая вязкость при температурах эксплуатации 50—80 °С и малый коэффициент температурного расширения. Этим тре­бованиям удовлетворяют маслоканифольные составы. Обычно применяе­мый состав МП-3 содержит 5—10 % канифоли, 1—5 % полиэтиленового воска и нефтяное пропиточное масло марки КМ-25 [10.19].

Несмотря на достаточно высокую вязкость такого пропиточного состава, при прокладке кабеля по трассе с разностью уровней более 15—20 м существует опасность перемещения пропиточного состава в направлении нижней точки трассы, что влечет за собой частичное осушение (а следо­вательно, и снижение электрической прочности) изоляции в верхней части, а также увеличение гидростатического давления в нижней части трассы, нежелательного по условиям ограниченной механической прочности обо­лочки. При большей разности уровней по трассе выходом является сек­ционирование линии на отдельные участки стопорными муфтами, уста­навливаемыми в точках с допустимой разностью уровней.

Другим выходом из положения является частичное удаление излишков пропиточного состава посредством операции «обеднения» изоляции. Кабели 1 и 3 кВ с обедненной пропитанной изоляцией могут проклады­ваться на трассах с разностью уровней до 100 м при наличии свинцовой оболочки и без ограничений разности уровней при наличии алюминиевой оболочки. Кабели 6 кВ при любой оболочке имеют допустимую разность уровней 100 м. Естественно, что при обеднении изоляции ее электриче­ская прочность оказывается ниже по сравнению с нормально пропитан­ной изоляцией и, следовательно, приходится компенсировать это сниже­ние посредством увеличения толщины слоя бумажных лент. Так, например, толщина изоляции кабеля 6 кВ с обедненной пропиткой такая же, как и у кабеля 10 кВ с нормальной пропиткой. В связи с этим кабели с обедненной пропитанной изоляцией изготовляют на напряжения не выше 6 кВ.

Наконец, еще одна возможность состоит в пропитке бумажной изоля­ции нестекающим составом, т.е. составом такой вязкости, при которой исключается его перемещение даже на вертикальных участках трассы. Основным компонентом такого состава является церезин (монокристал­лический воск). Кабели с бумажной изоляцией, пропитанной нестекаю­щим составом, выпускаются на напряжения 6, 10 и 35 кВ, причем тол­щина слоя их изоляции несколько больше, чем при нормальной пропитке.

Кабели с пропитанной бумажной изоляцией изготовляются с медными или алюминиевыми жилами в свинцовой или алюминиевой оболочке с различными защитными покровами в зависимости от назначения и усло­вий эксплуатации.

Одножильные кабели площадью сечения более 16 мм² имеют круглую многопроволочную жилу. Основной конструкцией трехжильных кабелей на напряжение до 10 кВ являются кабели с поясной (общей) изоляцией в общей свинцовой или алюминиевой оболочке. Поперечное сечение кабеля такого типа показано на рис. 10.16.

Три изолированные бумажными лен­тами токопроводящие жилы скручены между собой и с заполнителями из корделя (бумажного жгута) для придания кабелю цилиндрической формы. Поверх них наматываются бумажные ленты, образующие поясную изоляцию. Следую­щий концентрический слой представляет собой металлическую бесшовную оболочку, герметизирующую внутрен­нее пространство с целью защиты от проникновения в изоляцию воздуха и влаги. Оболочка защищается от механи­ческих повреждений так называемой броней (из стальных лент, круглых или плоских проволок). Между броней и оболочкой имеется промежуточная про-

слойка (подушка), представляющая собой защитный покров оболочки из одного-двух слоев изолирующей ленты и пропитанной битумным соста­вом бумажной пряжи. Она служит защитой оболочки от химических воз­действий и повреждений броней, а также изоляцией по отношению к блуждающим токам. Наружный защитный покров нормально выполня­ется из хлопчатобумажных жгутов, пропитанных асфальтобитумным составом. Его функцией является защита стальной брони от химических воздействий и блуждающих токов.

В связи с чем в рассмотренной конструкции помимо фазной изоляции дополнительно используется и поясная? Так как электрические сети с номинальным напряжением 6—10 кВ в нашей стране обычно работают с изолированной нейтралью, то при замыкании на землю одной из фаз, как известно, напряжение относительно земли (оболочки) на двух других фазах возрастает до междуфазного (линейного) напряжения. При отсут­ствии дополнительной поясной изоляции средняя напряженность электри­ческого поля в изоляции этих фаз в таком режиме оказалась бы в раз больше расчетной напряженности поля для нормального режима. В свою очередь, это обстоятельство вызывает интенсивное развитие ионизацион­ных процессов в изоляции, распространение ветвистых разрядов, что в итоге может привести к пробою изоляции кабеля. Для предотвращения этого и необходимо усиление изоляции между жилой и оболочкой до такой степени, чтобы электрическая прочность изоляции между жилами и между каждой жилой и оболочкой в любых режимах была примерно одинаковой. Этому условию отвечают стандартизованные у нас значения толщин фазной и поясной нормально пропитанной изоляции. Так, например, для кабелей с = 10 кВ = 2,75 мм, а = 1,25 мм.

Электрическое поле кабеля 6-—10 кВ с общей металлической оболоч­кой не является однородным. Силовые линии имеют различные углы наклона по отношению к слоям бумажной изоляции, что обусловливает наличие в ней как нормальных, так и тангенциальных составляющих. Однако слоистая бумажная изоляция имеет электрическую прочность в продольном направлении в 8—10 раз меньшую, чем в поперечном. Если при = 6—10 кВ еще можно выполнить экономически целесообраз­ную конструкцию кабеля с электрическим полем такой конфигурации, то при больших номинальных напряжениях необходимо значительно увеличивать толщину изоляции, что экономически не оправдано. Более целесообразна конструкция кабеля с бумажной изоляцией, в которой электрическое поле имеет радиально направленные силовые линии. Это достигается размещением жилы каждой фазы в отдельной оболочке или экране, представляющих собой эквипотенциальные поверхности. В пер­вом случае поверх бумажной изоляции фазы накладывается бесшовная свинцовая оболочка, во втором случае — слой тонкой перфорированной медной ленты или металлизированной бумаги, а затем общая для трех фаз свинцовая герметичная оболочка. Покрытие каждой фазы свинцовой оболочкой или экраном применяется при напряжениях 20 и 35 кВ. Кабели с жилами в отдельных свинцовых оболочках, изготовляемые в нашей стране, требуют меньше пропиточного состава и обладают лучшей гибко­стью по сравнению с кабелями с пофазно экранированными жилами, хотя последние дешевле. Общий вид такого кабеля показан на рис. 10.17 (см. цветную вклейку).

При маркировке кабелей 6—35 кВ с бумажной пропитанной изоля­цией используется последовательность русских букв, каждая из которых характеризует ту или иную конструктивную особенность или материал элементов соответствующего кабеля.

Так, буква Ц в начале марки обозначает кабель с пропиткой изоляции нестекающим составом, содержащим церезин. Нормальная пропитка не маркируется специально, а кабели с обедненной пропиткой изоляции в конце обозначения (через дефис) имеют букву В, что значит «предна­значенный для вертикальной прокладки».

Буква А на втором (после Ц) месте обозначает алюминиевую жилу, медные жилы специально не маркируются. Буква О присутствует в обо­значении кабелей 20—35 кВ с отдельно свинцовыми оболочками поверх каждой фазы. Далее следует обозначение свинцовой (С) или алюминие­вой (А) оболочки.

Следующие три буквы характеризуют тип брони: из двух стальных лент (Б), круглых (К) или плоских (П) оцинкованных стальных проволок. Кабели с броней из двух стальных лент применяются при отсутствии зна­чительных растягивающих усилий при прокладке в земле и в воздушной среде, а при наличии таковых используются кабели с броней из плоских проволок толщиной 1,5—1,7 мм. При прокладке в воде применяются кабели с броней из круглых проволок диаметром 4—6 мм. Далее, за обо­значением типа брони могут идти буквы, которые отражают способ уси­ления подушки под броней: л (2 л) — в подушке имеется слой (два слоя) из пластмассовых лент, в (п) — в подушке имеется выпрессованный шланг из поливинилхлорида (полиэтилена).

В конце марки содержатся буквы, отражающие наличие и тип наруж­ного защитного покрова: Г — отсутствие покрова поверх брони или обо­лочки («голый»), Шв (Шп) — покров из поливинилхлоридного (полиэти­ленового) выпрессованного шланга; н — негорючий покров. Последний состоит из поливинилхлоридной оболочки или стеклянной пряжи, пропи­танных негорючим составом. При высокой коррозионной активности грунта применяются кабели с покровами типа Шв или Шп.

В марках кабелей, выпущенных после 1.04.1985 г., на последнем месте имеется буква У, что означает «усовершенствованный», т.е. с изоляцией, допускающей эксплуатацию кабеля при повышенных температурах нагрева (65—80 °С).

Кабели с пластмассовой изоляцией

В последние десятилетия XX в. по мере развития технологии получе­ния полимерных материалов все более сильную конкуренцию силовым кабелям с бумажно-масляной изоляцией составляли кабели, в которых в качестве ЭИМ применяется пластмасса либо в виде монолитного слоя, либо намотанная вокруг жил лентами аналогично бумажной изоляции. Основной тенденцией в производстве таких кабелей является освоение технологии наложения изоляции в конструкциях, предназначенных для работы в электрических сетях все более высоких номинальных напря­жений. В настоящее время кабели с пластмассовой изоляцией выпуска­ются на напряжения до 500 кВ включительно, причем объем их производ­ства постоянно увеличивается.

Это обстоятельство вызвано тем, что, несмотря на высокую эксплуата­ционную надежность и длительный срок службы, кабели с бумажно-мас­ляной изоляцией обладают рядом недостатков. К их числу относится дос­таточная сложность технологии изготовления, необходимость защиты изоляции от проникновения влаги с помощью металлической оболочки, что увеличивает массу и стоимость кабеля, необходимость в аппаратуре подпитки у маслонаполненных кабелей, опасность загрязнения почвы маслом при их авариях и т.д.

Изготовление кабелей с пластмассовой изоляцией проще, так как в большинстве случаев она накладывается на жилы методом выдавли­вания (экструзии) на червячных прессах. Технологический процесс при этом более производителен по сравнению с намоткой бумажных лент, которые затем еще подвергаются сушке и пропитке. Обслуживание и ремонт кабельных линий с изоляцией жил полимерным материалом также оказываются более простыми. Этими факторами и объясняется то положение, что для вновь сооружаемых линий с напряжением до 35 кВ в настоящее время доля кабелей с пластмассовой изоляцией уже превы­шает долю кабелей с бумажной пропитанной изоляцией.

В качестве ЭИМ прежде всего используется полиэтилен, обладающий высокой электрической прочностью, гибкостью, малыми значениями диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь, хорошей влаго- и нагревостойкостью, а также высокой радиаци­онной стойкостью. Вместе с тем обычный термопластичный полиэтилен обладает относительно низкой стойкостью к воздействию температур при коротких замыканиях. Вторым недостатком является его горючесть. В связи с этим наряду с термопластичным полиэтиленом для изоляции и защитных покровов кабелей используются и такие модификации, как вулканизированный (сшитый) и самозатухающий полиэтилен.

Для изоляции жил кабелей с номинальным напряжением до 10 кВ включительно применяется и полнейнилхлоридный пластикат, обладаю­щий достаточной электрической прочностью, малой плотностью, хорошей водостойкостью. Он используется и для внешних защитных покро­вов, поскольку характеризуется высокой стойкостью к воздействию химически агрессивных сред (кислот, масел, промышленных газов, рас­творов щелочей и солей), а также к воздействию солнечной радиации. В отличие от термопластичного полиэтилена поливинилхлоридный пла­стикат обладает способностью прекращать горение после удаления из пламени, что обусловило его широкое применение в конструкциях кабелей, предназначенных для прокладки в помещениях. Однако отно­сительная диэлектрическая проницаемость поливинилхлорида (ПВХ) в 2 раза, а тангенс угла диэлектрических потерь на два порядка выше, чем у полиэтилена. Поэтому для изоляции кабелей напряжением свыше 10 кВ этот материал не применяется [10.17]. Общий вид кабеля 380 В с изо­ляцией из ПВХ-пластиката показан на рис. 10.18 (см. цветную вклейку).

Маркировка кабелей с пластмассовой изоляцией использует частично буквы, уже встречающиеся в марках кабелей с бумажной изоляцией. Так, если на первом месте в марке кабеля находится буква А, то он имеет алю­миниевые жилы (медные жилы специально не маркируются). На втором месте находятся буквы, идентифицирующие материал изоляции (В — поли­винилхлоридный пластикат; П, Пс, Пв —- полиэтилен термопластичный, самозатухающий и вулканизированный соответственно). Буквы в следую­щей позиции характеризуют материал оболочки (А — алюминиевая, П — из полиэтилена, В — из ПВХ-пластиката, Внг — из ПВХ-пластиката пониженной горючести). Обозначения типа брони частично такие же, как и для кабелей с пропитанной бумажной изоляцией (Б — из двух стальных лент; К, П — из круглых или плоских стальных оцинкованных проволок). Кроме того, применяется и броня из круглых или плоских алюминиевых проволок, что отражается в марке символами Ка и Па соответственно. Буква б после обозначения типа брони соответствует отсутствию подушки под броней. У бронированных кабелей в последней позиции находятся буквы, характеризующие тип защитного покрова (Шв, Шп — шланг из ПВХ или полиэтилена) или его отсутствие (Г).

В настоящее время отечественной промышленностью выпускаются кабели на напряжения 0,66 и 1 кВ с одной, двумя, тремя и четырьмя жилами. Кабели на напряжения 3 и 6 кВ изготовляются только трехжильными, на напряжение 10 кВ — как трехжильными, так и одножильными, а на напряжение 35 кВ - — только одножильными. В качестве примера на рис. 10.19 показан кабель 10 кВ марки АПвП.

Номенклатура сечений одножильных кабелей 10 кВ с изоляцией из вулканизированного полиэтилена составляет 35—800 мм², чему соответ­ствуют внешние диаметры от 25 до 54 мм. Трехжильные же кабели 10 кВ имеют сечения от 35 до 300 мм² и внешние диаметры соответственно 44—76 мм. Диаметры одножильных кабелей 35 кВ с такой же изоляцией и сечением жил 50—800 мм² лежат в диапазоне 38—66 мм.

Трех- и четырехжильные кабели имеют круглые или секторные жилы. Так же, как и в кабелях с бумажной пропитанной изоляцией, в их конст­рукциях имеется слой обшей (поясной) изоляции. Она выпрессовывается в виде шланга из ПВХ либо наматывается лентами из того же материала или полиэтилентерефталатной пленки и бумаги. Толщина фазной изоля­ции из сшитого полиэтилена в одножильных кабелях 10 и 35 кВ состав­ляет 4 и 9 мм соответственно.

Кабельная арматура

Для кабелей с вязкой пропиткой бумажной изоляции, а также для кабе­лей с пластмассовой изоляцией, работающих при напряжениях 1—35 кВ, при горизонтальной прокладке используются лишь концевые и соедини­тельные муфты. При прокладке же кабелей с нормальной или обеднен­ной пропиткой на вертикальных участках или трассах с большой разно­стью уровней применяют и стопорные муфты, предназначенные для секционирования линии с целью предотвращения стекания и перемеще­ния пропитывающего состава вдоль линии.

Соединительные муфты. Жилы кабелей 1—35 кВ соединяют после предварительного снятия защитного покрова, оболочки, экрана по изоляции и части самой изоляции на определенной длине, определяемой из электри­ческого расчета соединительной муфты. Для более равномерного распреде­ления электрического поля внутри такой муфты соединение целесообразно производить таким образом, чтобы диаметр токоведущего элемента в месте соединения не увеличивался сверх диаметра жилы. Так как для соединения используются медные гильзы, то исходя из этих соображений с жилы кабеля удаляется один повив проволок, после чего на этот участок надева­ется гильза. Медные жилы соединяются опрессовкой или пайкой в гильзах, алюминиевые — термитной сваркой, пайкой в формочках и т.п. Затем про­изводится операция по изолированию места соединения.

После этого подмотку экранируют. Экран соединения должен иметь электрический контакт с экранами по изоляции соединяемых строитель­ных длин кабеля. В большинстве случаев при напряжениях 6—35 кВ роль экрана выполняет металлический корпус муфты, расположенный непо­средственно поверх изолирующей подмотки. Для кабелей 6—10 кВ используются свинцовые, а для кабелей 20—35 кВ — латунные корпуса.

При прокладке в земле кабелей 6—10 кВ для защиты от коррозии и механических повреждений место соединения заключается в защитный чугунный разъемный кожух (для кабелей 20—35 кВ используются также стальные или стеклопластиковые кожухи). Эскиз конструкции свинцовой соединительной муфты марки СС для кабелей 6—10 кВ показан на рис. 10.20.

Последняя операция по монтажу соединительной муфты заключается в заполнении пространства между металлическим корпусом и подмоткой заливочным составом. Муфты кабелей до 10 к В с бумажной изоляцией заполняются битуминозными составами, кабелей 20 и 35 кВ — маслоканифольными.

Для кабелей с пластмассовой изоляцией, а также в ряде случаев для кабелей с пропитанной бумажной изоляцией применяются и эпоксидные соединительные муфты, имеющие разъемный корпус, который после монтажа заливается эпоксидным компаундом. Для кабелей с пластмассо­вой изоляцией на напряжения 1—35 кВ используются также трехфазные и однофазные соединительные муфты, в которых подмотка места соеди­нения жил осуществляется самосклеивающимися резиновыми лентами [10.2]. В последнее время стали широко применяться и муфты с использованием термоусаживаемых материалов как для изоляции места соединения, так и для образования внешнего защитного покрова.

Число соединительных муфт на 1 км линии I —10 кВ в зависимости от сечения жил для трехжильных кабелей составляет 4—5, для кабелей 20— 35 кВ — обычно 6.

Концевые муфты кабелей 1—35 кВ могут быть предназначены для наружной и внутренней установки. В последнем случае их принято называть концевыми заделками. Распространенным типом концевой заделки кабелей 6—10 кВ с пропитанной бумажной изоляцией до недав­него времени являлась эпоксидная заделка с трехслойными изолирую­щими трубками (внешний и внутренний слой из поливинилхлорида, про­межуточный — из полиэтилена), надеваемыми на выступающие из корпуса муфты концы жил кабеля (рис. 10.21). Она применяется как в сухих помещениях, гак и в помещениях с высокой влажностью (напри­мер, в районах с тропическим климатом). Такие заделки характеризуются высокой стойкостью против действия внутреннего давления пропиточной массы и проникновения влаги, эластичностью трубчатого покрова жил и простотой монтажа.

Наряду с эпоксидными заделками для кабелей 6—10 кВ с пропитан­ной бумажной изоляцией в сухих помещениях допускается использова­ние концевых заделок в стальной воронке и в свинцовой перчатке. Для кабелей 1—10 кВ с пластмассовой изоляцией в сухих помещениях при­меняются заделки с обмоткой жил липкой поливинилхлоридной лентой; во влажных помещениях такие заделки оснащаются эпоксидным корпу­сом, препятствующим проникновению влаги в изоляцию кабеля. Совре­менная тенденция состоит в использовании концевых заделок из термо-усаживаемых материалов.

Арматура для оконцевания кабелей 1—35 кВ с пропитанной бумажной изоляцией при ее установке на открытом воздухе имеет следующие раз­новидности:

мачтовые концевые муфты для кабелей 1—10 кВ с металлическим кор­пусом и фарфоровыми изоляторами, устанавливаемые на опоре воздуш­ной линии в месте ее соединения с кабельной;

трех- и однофазные концевые муфты с металлическим корпусом и фарфоровыми изоляторами для кабелей 6—10 кВ;

однофазная концевая муфта с металлическим корпусом и фарфоровым изолятором для кабелей 20 и 35 кВ с отдельно освинцованными жилами (рис. 10.22).

Для трехжильных кабелей с пластмассовой изоляцией при напряжениях 1 —10 кВ для наружной установки используются муфты с эпоксидным корпусом и эластомерными (резиноподобными) изоляторами марки ПКНР. Отличительной особенностью таких муфт является изоляция жил термоуса-живаемыми поливинилхлоридными трубками. Они герметизируют место соединения жилы кабеля с наконечником, а нижним концом входят в эпок­сидный корпус. Сверху на трубки надеваются эластомерные изоляторы. Для одножильных кабелей 10 и 35 кВ с пластмассовой изоляцией применяют эла­стомерные концевые муфты марки ПКНРО. В отличие от муфт марки ПКНР

они не имеют эпоксидного корпуса и собираются на месте монтажа из дета­лей, изготовленных на заводе из изоляционных и полу про водящих компози­ций на основе кремнийорганической резины [10.2].

Стопорные муфты на кабельных линиях 1—35 кВ устанавливаются при переходе от горизонтально проложенного кабеля с нормально про­питанной бумажной изоляцией к кабелю, проложенному наклонно или вертикально вниз и имеющему обедненно пропитанную изоляцию или изоляцию, пропитанную нестекающей массой. Кроме того, они использу­ются в точках секционирования линии на участки с максимально допустимой разностью уровней для данного типа кабелей. Стопорная муфта отличается от соединительной наличием стопора, представляющего собой устройство, аналогичное проходному изолятору, и перекрываю­щего в центре муфты проход для пропитывающего состава.