Часть 2. Эксплуатация кабельных линий электропередачи
Лекция № 6 (2.2)
Устройство кабельных линий электропередачи
По дисциплине «Эксплуатация линий электропередачи»
для студентов направления 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника»
Квалификация выпускника – магистр
Цели: 1. Формирование следующих компетенций:
ПК-3: Управление деятельностью по эксплуатации, техническому обслуживанию и ремонту воздушных и кабельных линий электропередачи, а также технологического оборудования.
ПК-6: Разработка планов, программ и методик проведения испытания электротехнических и электроэнергетических устройств и систем.
2. Формирование уровня обученности:
Знать: основы теории эксплуатации, технического обслуживания и ремонта линий электропередачи.
Материальное обеспечение:
Проектор, ПК, комплект слайдов по Лекции № 6.
Учебные вопросы
2.2.1. Конструкция жил, экранов, изоляции, оболочки и брони кабелей с бумажно-масляной изоляцией.
2.2.2. Конструкция жил, экранов, изоляции, оболочки и брони кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена.
2.2.3. Особенности технологии производства кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена.
Литература
Кириллов Г.А., Кашин Я.М. Эксплуатация электрооборудования: учебник/ М: Издательство МЭИ, 2018, – 488 с.
Кириллов Г.А., Кашин Я.М. Эксплуатация электрооборудования. Часть 3. Контроль технического состояния электрооборудования с выводом в ремонт: учебное пособие для студентов, обучающихся по направлению 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника» / Кубан. гос. технол. ун-т. – Краснодар: Изд. ФГБОУ ВПО «КубГТУ», 2017. – 302 с.
Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей. Санкт–Петербург: Издательство ДЕАН, 2003. – 301 с.
Сборник методических пособий по контролю состояния электрооборудования/ под ред. Ф.Л. Коган. М.: АО «Фирма ОГРЭС». 1999.– 493 с.
2.2.1. Конструкция жил, экранов, изоляции, оболочки и брони кабелей с бумажно-масляной изоляцией.
Конструкция силовых кабелей зависят от класса напряжения. Наиболее распространены трех- и четырехжильные силовые кабели с бумажной изоляцией. Для напряжения 10 кВ их выполняют с поясной изоляцией и в общей свинцовой или алюминиевой оболочке для всех жил, а для напряжений 35 кВ – с отдельно освинцованными жилами.
2.2.1.1. Основные элементы кабеля
Силовые кабели состоят из следующих основных элементов:
Основные (фазные) токопроводящие жилы;
Нулевые жилы;
Изоляция;
Оболочка;
Защитные покровы.
Экраны;
Жилы защитного заземления;
Заполнители.
Токопроводящие жилы предназначены для прохождения электрического тока, они бывают основными (фазными) и нулевыми. Основные жилы служат для передачи по ним электроэнергии.
Нулевые жилы предназначены для протекания разности токов фаз (полюсов) при неравномерной их нагрузке. Они присоединяются к нейтрали источника тока.
Изоляция представляет собой слой диэлектрика (пропитанной бумаги, пластмассы, резины и т. д.), наложенный на токопроводящую жилу. Служит для обеспечения необходимой электрической прочности токопроводящих жил кабеля по отношению друг к другу и к заземленной оболочке (земле).
Защитная кабельная оболочка – непрерывная металлическая или неметаллическая трубка, расположенная поверх изолированных жил, возможно, с поясной изоляцией и экраном и предназначенная для защиты его от влаги и других внешних воздействий (кислот, газов и т. п.). Чаще всего у силовых кабелей оболочка изготавливается алюминиевой, свинцовой, пластмассовой или резиновой. Свинцовые оболочки бронированных кабелей проложенных в земле используют в качестве естественных заземлителей. Алюминиевые оболочки кабелей использовать в качестве заземлителей не допускается. Алюминиевая оболочка более подвержена разрушению от коррозии.
Высокая электропроводность алюминия дает возможность использовать алюминиевые оболочки в качестве четвертой жилы кабеля..
Экраны. Экраны применяют в кабелях напряжением выше 1 кВ для защиты внешних цепей от влияния электромагнитных полей токов, проходящих по кабелю, и для обеспечения симметрии электрического поля вокруг жил кабеля. Чаще всего экраны выполняют из медных лент и медной проволоки. Экраны для кабелей СПЭ рассмотрены ниже.
Жилы защитного заземления являются вспомогательными жилами кабеля и предназначены для соединения не находящихся под рабочим напряжением металлических частей электроустановки, к которой подключен кабель, с контуром защитного заземления источника тока.
Заполнители. Заполнители необходимы для устранения свободных промежутков между конструктивными элементами кабеля с целью герметизации, придания необходимой формы и механической устойчивости конструкции кабеля. В качестве заполнителей применяют жгуты из бумажных лент или кабельной пряжи, из пластмассы или резины.
Защитные покровы. Защитный кабельный покров – элемент, наложенный на изоляцию, оболочку или экран кабельного изделия и предназначенный для дополнительной защиты от внешних воздействий (коррозии, механических повреждений и т.п.). К защитным покровам относятся следующие элементы конструкции кабеля: кабельная броня, кабельная подушка, наружный кабельный покров.
Подушка – внутренняя часть защитного покрова, наложенная под броней с целью предохранения находящегося под ней элемента (например, оболочки) от коррозии и механических повреждений лентами или проволоками брони. Подушка выполняется из слоев пропитанной кабельной пряжи, поливинилхлоридных, полиамидных и других равноценных лент, крепированной бумаги, битумного состава или битума.
Броня представляет собой часть защитного покрова (или защитный покров вцелом) в виде металлических лент или одного или нескольких повивов металлической проволоки. Она предназначена для защиты от внешних механических и электрических воздействий. Броня чаще всего изготавливается стальной. Броня из плоских металлических лент защищает кабели только от механических повреждений. Броня из металлических проволок помимо этого воспринимает также и растягивающие усилия. Эти усилия возникают в кабелях: при их вертикальной прокладке на большую высоту или при прокладке по крутонаклонным трассам, при прокладке кабелей в насыпных, болотистых и пучинистых грунтах, а также в воде.
Наружный кабельный покров является внешней частью защитного кабельного покрова, который накладывается поверх брони для защиты её от коррозии и механических воздействий. Наружный покров изготавливают: из битума; из слоя кабельной или стеклянной пряжи, пропитанной битумным составом; а также из ПВХ пластиката или полиэтилена. Любая конструкция кабелей имеет свои обозначения и марку. Марка кабеля составляется из исходных букв слов, описывающих конструкцию кабеля. На рис.1 приведены различные типы кабелей и их конструкция.
Рисунок 1. Сечения силовых кабелей: а — двужильные кабели с круглыми и сегментными жилами, б — трехжильные кабели с поясной изоляцией и отдельными оболочками, в — четырехжильчые кабели с нулевой жилой круглой, секторной и треугольной формы, 1 — токопроводящая жила, 2 — нулевая жила, 3 — изоляция жилы, 4 — экран на токопроводящей жиле, 5 — поясная изоляция, 6 — заполнитель, 7 — экран на изоляции жилы, 8 — оболочка, 9 — бронепокров, 10 — внешний защитный покров
Жилой называется проволока из металла, способная пропускать через себя электрический ток. Обладает двумя важнейшими характеристиками – количеством проволочек, из которых она состоит, и поперечным сечением, которое определяет пропускную способность. По количеству проволочек жилы делятся на однопроволочные (монолитные) и многопроволочные, (рис.2 ).
|
|
Рисунок 2 – Однопроволочная и многопроволочная жилы
Этот параметр определяет гибкость жилы. Между отдельными проволочками многопроволочной жилы изоляции нет. Для кабелей с бумажной [ ]) и пластмассовой [ ], изоляцией круглая форма жил применяется у одножильных кабелей всех сечений.
Токопроводящие жилы силовых кабелей изготавливают из алюминия или меди, [ ]. Токопроводящие жилы многожильных кабелей с поясной бумажной или пластмассовой изоляцией сечением 25мм2 и более изготавливаются секторной или сегментной формы, (рис.3 ).
|
|
|
а |
б |
в |
Рисунок 3 – Сечение жил кабелей: а – круглого сечения; б – сегментное сечение; в – секторное сечение.
Каждая жила изолирована от другой кабельной бумагой, пропитанной масло-канифольным составом, а все жилы от земли – поясной изоляцией также из пропитанной бумаги. Для обеспечения герметичности кабеля на поясную изоляцию накладывают свинцовую или алюминиевую оболочку без швов. От механических повреждений кабель защищают броней из стальной ленты, а от химических воздействий покрывают асфальтированным джутом. Также выпускаются кабели, с пластмассовой оболочкой.
Медные жилы.
По электропроводимости медь находится на втором месте после серебра. Электропроводность в 1,7 раз выше алюминия. Высокая гибкость и эластичность. Пайка, лужение и сварка проводятся без использования других материалов.
Недостатки медных жил:
Стоимость – в несколько раз дороже алюминия.
Большой вес.
Медные провода и контакты окисляются на открытом воздухе. Поэтому необходимо смазывание поверхности уже затянутого контакта.
На рис.4 показан кабель в бумажно-масляной изоляции с медными секторными многопроволочными жилами, на рис.5 кабель в полиэтиленовой изоляции с медными круглыми однопроволочными жилами.
Рисунок 4 – Кабель в бумажно-масляной изоляции с медными секторными многопроволочными жилами
Рисунок 5 – Кабель в полиэтиленовой изоляции с медными круглыми
однопроволочными жилами
Алюминиевые жилы.
В кабельной промышленности наиболее широко применяется алюминий, как для токопроводящих жил, так и для оболочек. Электропроводность алюминия в 1,7 раза меньше, чем у меди. Алюминиевые жилы с одинаковым электрическим сопротивлением в 2 раза легче медных. По уровню электропроводности алюминий стоит на четвертом месте после серебра, меди и золота. Это удешевляет производство проводов и кабелей, (рис. 6).
Рисунок 6 – Кабель в полиэтиленовой изоляции с алюминиевыми круглыми
многопроволочными жилами
В настоящее время 85 % силовых кабелей с пропитанной бумажной и пластмассовой изоляцией на напряжение 1 кВ и выше изготавливаются с алюминиевыми токопроводящими жилами. Сплошные секторные жилы имеют большую жесткость, чем скрученные. Однако, жесткость кабеля в основном определяется не токопроводящими жилами, а материалом и конструкцией оболочки.
Недостатки алюминиевых жил:
Алюминиевые жилы сечением до 16 мм² только однопроволочные;
Химическая стойкость алюминия не достаточная;
Аморфность материала;
Пайка может проводиться только с использованием специальных средств, а сварка в камере с инертным газом.
Примеси в алюминие ухудшают электропроводность.
Вывод: Применение алюминия дает экономию при производстве и монтаже кабелей, но эксплуатация в долгосрочной перспективе обойдется дороже.
Изоляция кабелей состоит из лент кабельной бумаги, пропитанной маслоканифольным составом. В кабелях на напряжения 1–10 кВ каждая фаза изолируется отдельно, а затем поверх скрученных изолированных жил накладывается общая – поясная изоляция. Промежутки между изолированными жилами заполняются жгутами из сульфатной бумаги.
Бумажно-масляная изоляция состоит из слоев пропитанной маслом бумаги и масляных прослоек, заполняющих зазоры между слоями бумаги. В электрических силовых кабелях намотка выполняется с зазором (с отрицательным перекрытием) для обеспечения необходимой гибкости кабеля, (рис. 1).
Рисунок 7 – Бумажно-масляная ленточная изоляция с отрицательным
перекрытием
Бумажно-масляная изоляция пропитывается под вакуумом, перед пропиткой готовое изделие тщательно высушивается в вакуумных камерах при повышенной температуре (до 130°С). Бумажно-масляная изоляция имеет высокую кратковременную прочность Епр, равную 50 - 120 кВ/мм при переменном напряжении и 100 - 250 кВ/мм при постоянном, и поэтому используется в конструкциях с высокими напряженностями электрического поля.
Электрическая прочность бумажно-масляной изоляции зависит от количества слоев бумаги. Прочность изоляции из кабельной бумаги в однородном и слабонеоднородном полях определяется максимальной напряженностью поля и мало зависит от толщины d. В резконеоднородных полях, например у острого края электрода, пробивная напряженность уменьшается с ростом толщины изоляции.
При переменном напряжении пробой многослойного бумажно-масляного диэлектрика всегда начинается с частичных пробоев масляных прослоек. Применение тонкой бумаги приводит к заметному росту электрической прочности изоляции (рис. 8).
Рисунок 8 – Зависимость пробивной напряженности от толщины бумаги
при 50 Гц
Рост плотности бумаги приводит к увеличению электрической прочности листов бумаги. Поэтому кратковременная прочность бумажно-масляной изоляции возрастает с увеличением плотности бумаги, однако при этом увеличиваются напряженности в масле, что приводит к снижению прочности и уменьшению срока службы изоляции при длительных воздействиях напряжения, которые связаны с частичными разрядами в масляных прослойках.
Заметное снижение кратковременной и длительной электрической прочности бумажно-масляной изоляции наблюдается при ее увлажнении. Особенно при повышенной температуре.
Для пропитки кабельной изоляции также применяются синтетические жидкие углеводороды (октол, додецебензол и др.).
Основным недостатком бумажной пропитанной изоляции является ее большая гигроскопичность. Кабели с вязким пропиточным составом, свободная часть которого удалена, именуют кабелями с обедненно-пропитанной изоляцией. Для прокладки по вертикальным и крутонаклонным трассам без ограничения разности уровней изготовляют кабели с картонной изоляцией, пропитанной особенным составом на базе церезина либо полиизобутилена. Этот состав имеет завышенную вязкость, вследствие чего при нагреве кабеля, проложенного вертикально либо по крутонаклонной трассе, он не стекает вниз.
Для уменьшения стекания пропиточного состава применяют стопорные муфты при соединении строительных длин кабеля.
Силовые кабели с бумажной пропитанной изоляцией на 1–35 кВ предназначены для эксплуатации при температуре окружающей среды ±50 °С. Гарантированный срок службы кабеля составляет не менее 25 лет.
Достоинства кабелей с бумажной пропитанной изоляцией: высокие электрические параметры; большая надежность в эксплуатации.
Недостатки: технологический процесс изготовления сложен и малопроизводителен; кабели изготовляются только в металлической оболочке, что значительно удорожает и утяжеляет их конструкцию; из-за стекания пропиточного состава в кабелях имеются ограничения при вертикальных прокладках.