книги из ГПНТБ / Дмитревский, В. С. Высоковольтные гибкие кабели

J-4. ЭКРАНИРОВАНИЕ Ж ИЛ КАБЕЛЕЙ

В высоковольтных гибких кабелях широко применяются полупроводящие и металлические экраны. Полупроводящне экраны обычно выполняются из специальных резин с низким объемным сопротивлением р у , наложен­ ных методом экструзии, или тканых лент, покрытых проводящим составом, наложенных обмоткой. Металли­ ческие экраны выполняются из медных (обычно луже­ ных) проволок, наложенных в виде оплетки. _

‘Полупроводящие экраны, нанесенные непосредствен­ но на токопроводящую жилу, служат для исключения ионизации в воздушных включениях между жилой и изоляцией и, кроме того, уменьшают неоднородность электрического поля, вносимую проволоками (эффект проволочности).

Полупроводящие экраны поверх изоляции служат для снятия потенциала с изоляционного слоя и исклю­ чения короны.

Металлические экраны в основном обеспечивают безопасность обслуживания высоковольтных кабелей.

Полупроводящие экраны

Полупроводящие резины с р у = 1 0 7 ом-см и ниже могут быть получены только с применением высокопроводящих наполнителей, так как каучуки имеют р у от ІО10 до ІО16 ом-см в зависимости от типа каучука. В качестве таких наполнителей используются графит, сажа и ме­ таллические порошки. При известных условиях частицы этих наполнителей образуют непрерывные токопроводя­ щие структуры" (в большинстве случаев трехмерные сет­ чатые структуры), состоящие из цепочечных образова­ ний.

Наиболее доступный и надежный способ повыше­ ния электропроводности резин состоит в использовании углеродных саж, которые, хорошо совмещаясь с каучу­ ками, придают резинам, кроме электропроводности, ценные физико-механические свойства. Электропровод­ ность резин зависит в основном от типа сажи и разме­ ров ее частиц. Чем выше дисперсность сажи и ее структурность, тем выше электропроводность резины. Резкое повышение электропроводности наблюдается при введении 20—40 вес. ч. сажи вследствие образования устойчивых цепочечных сажевых структур. При даль-

60

нейшем увеличении содержания сажи электропровод­ ность резины возрастает медленнее (рис. 2-25) [Л. 28].

Удельное объемное сопротивление каучуков на элек­ тропроводность резин влияет только при небольшом количестве сажи в смеси. При большом наполнении сажей определяющим фактором является уже не элек­ тропроводность каучука, а его способность смешиваться

с сажей.

Например, в случае использования фторкаучука СКФ-32, имеющего высокие диэлектрические свойства, при наполнении 40 вес. ч. ацетиленовой сажи можно

для изготовления полупроводящих резин для кабелей используют ацетиленовую сажу и элементный графит марок ЭТМ и ЭЗМ.

Наполнительная группа, состоящая из графита и сажи, обеспечивает достаточную электропроводность и хорошие технологические свойства резин.

61

Вкачестве мягчителя чаще всего используется пара­ фин или мягчитель ГШ. Для повышения озоностойкости полупроводящей резины в ее состав вводят антиозонаиты (сантофлексы IP и AW).

Втабл. 2-18 и 2-19 приведены рецепт и свойства полупроводящей резины ППШ-40, разработанной НИКИ г. Томска для экранов высоковольтных кабелей.

[Л. 29, 30]. Максимальных значений tg6 достигает при экранах с рѵ порядка ІО9—1010 ом • см.

В кабелях КД1ВГ рѵ полупроводящих экранов на­ ходится в пределах ІО4—10е ом-см, что позволяет избе­ жать увеличения tgö за счет экранов. Кроме того, при величине ру<108 ом-см воздушные включения надежно шунтируются экраном, и в них не возникают частичные разряды.

Введение полупроводящего экрана по токопроводя­ щей жиле в кабелях КШВГ позволило уменьшить тол­ щину изоляции, на 10—12% снизить максимальную на-

62

пряженность поля и значительно повысить напряжение начала ионизации Un.

Напряжение начала ионизации на жилах без полу-

чение 2 лет в эксплуатации, показывают, что у кабелей без экранов по токопроводящей жиле среднее значение и илі составляет 4 кв, причем у ряда образцов ІІНЖниже фазного рабочего напряжения (3,5 кв), тогда как у ка­ белей с полупроводящими экранами по жилам 1)пж выше 10 кв.

В кабелях КШВГ предусмотрен полупроводящий экран и по изоляции. Поверх полупроводящего экрана накладывается металлический экран. Так как невозмож­ но достичь полного прилегания оплетки к полупроводя­ щему экрану, то всегда будут участки, на которых отсутствует контакт между металлом и полупроводящим слоем. В средней точке такого участка потенциал экра­ на будет отличен от нуля, и в этих местах может воз­ никнуть ионизация,

63

'Зависимость допустимой длины незаземленного уча­ стка экрана от величины удельного объемного сопротив­ ления резины для кабелей КШВГ приведена в табл.2-20 [Л. 29].

Таблица 2-20

Из табл. 2-20 видно, что для экрана с ру=107 ом-см длина допустимого участка больше 20 мм, и, следова­ тельно, такой экран обеспечивает надежную защиту от ионизации, а металлическая оплетка по такому экрану может быть достаточно редкой пли даже заменена об­ моткой с небольшим шагом.

При дальнейшем снижении проводимости резины ме­ таллический экран с рассматриваемой точки зрения может быть исключен полностью, как это сделано в некоторых зарубежных кабелях. Однако в этом случае для повышения безопасности обслуживания необходимо снизить величину переходного сопротивления, которое зависит от сопротивления самого экрана и сопротивле­ ния контакта заземляющей жилы н экрана. Сопротив­ ление экрана можно уменьшить, используя резину с вы­ сокой электропроводностью, как, например, резина ППШ-35, применяемая для экранирования шахтных кабелей (табл. 2-18 п 2-19). Эта резина имеет рг на три порядка ниже, чем резина ППШ-40, но обладает очень низкой морозостойкостью, не позволяющей применять ее в высоковольтных кабелях даже обычного исполне­ ния (температура окружающей среды от +50 д о —40°С).

Контактное сопротивление между заземляющей жи­ лой и экраном можно уменьшить с помощью сердечника или заполнения из полупроводящей резины (см. рис. 2-9, 2-10,а).

Однако вполне вероятно, что для обеспечения без­ опасности обслуживания высоковольтных кабелей без металлических экранов потребуется специальная защит­ ная аппаратура. Степень безопасности и необходимые меры по ее обеспечению должны быть установлены специальными исследованиями.

Таким образом, резина для полупроводящих экра­ нов высоковольтных гибких кабелей должна обеспечц-

64

вать pv экранов не выше 10“ ом-см, обладать высокой морозостойкостью, быть технологичной. Требование по­ вышенной озоностойкостн, которое до настоящего вре­ мени предъявлялось к полупроводящпм резинам, вряд ли можно считать обоснованным, так как основное на­ значение экрана — исключить ионизацию н образование озона. Если озон все же образуется н воздействует на изоляцию, то не столь уж важно, будет разрушен экран пли нет. Воздействие же на экраны атмосферного озона мало вероятно.

Металлические экраны

Металлические экраны, как уже указывалось, наклады­ ваются в виде оплетки из медных луженых проволок на отдельные жилы или поверх скрученных жил в зависи­ мости от типа II конструкции кабеля. Металлический экран является наиболее слабым элементом в гибком кабеле с точки зрения многократных механических де­ формаций. Как показывают наблюдения, металлический экран высоковольтных кабелей выходит из строя рань­ ше и чаще токопроводящих жил. Для повышения стой­ кости к деформациям делают так, чтобы проволоки эк­ рана не приваривались к резиновой оболочке, а могли достаточно свободно перемещаться при изгибе или кру­ чении кабеля. Это обычно обеспечивается тем, что по­ верх экрана накладывается тканевая лента.

Значительно повышает механическую стойкость эк­ рана наложение проволок экрана в одну сторону мето­ дом обмотки. В этом случае исключается трение прово­ лок друг о друга при деформации кабеля, как это про­ исходит в оплетке, Существенное влияние на долговеч­ ность экрана оказывает п угол наложения проволок. В табл. 2-21 представлены результаты испытаний образ­ цов кабелей КШВГ, проведенных в НИКИ г. Томска с экранами в виде оплетки и обмотки.

Из табл. 2-21 видно, что экран в виде обмотки обла­ дает значительно большей стойкостью к деформациям кабеля. В ГОСТ 9388-69 металлические экраны по жи­ лам предусмотрены в виде обмотки из проволок диа­ метром 0,3 мм., все пряди которой направлены в одну сторону. Угол наложения проволок экрана должен, быть не более 50°.

Кроме рассмотренных «простых» экранов, в гибких кабелях могут применяться и «сложные», комбиниро

ванные экраны из двух полупроводящих н медной лент; двух металлических экранов или полупроводящих слоев, разделенных тонким слоем изоляции (такая конструк­ ция экрана обеспечивает срабатывание защиты п отклю­ чение напряжения до повреждения изоляции); экраны пз тканых и нетканых синтетических лент, покрытых полупроводящим слоем, наполненным металлическим по­ рошком, и др.

2-5. СЕРДЕЧНИКИ И У П РО ЧН Я Ю Щ И Е ЭЛЕМЕНТЫ

Изолированные жилы высоковольтных гибких кабелей обычно скручиваются вокруг резинового сердечника, ко­ торый выполняет роль амортизирующей подушки для токопроводящих жил II предупреждает разрушение ме­ таллического экрана, резиновой изоляции и оболочки при ударных раздавливающих нагрузках.

Ввысоковольтных кабелях применяют как профили­ рованные сердечники (сердечник-разделитель), так и круглые, заполняющие пространство между жилами (сердечник-заполнитель), см. § 2-1.

Вкабеле КШВГ по ГОСТ 9388-69 изолированные жилы скручиваются вокруг сердечника-заполнителя, так

как проведенные НИКИ г. Томска испытания показали, что применение профилированного сердечника не дает значительного повышения стойкости кабеля к механиче­ ским воздействиям; в частности, при раздавливающих нагрузках разрушение металлических экранов по жилам

66

Происходит приблизительно при одинаковых условиях

вкабелях обеих конструкций.

Вконструкциях многих зарубежных кабелей предус­ матриваются различные элементы, повышающие меха­ ническую прочность кабеля. Чаще всего это обмотка или оплетка пз тканых пли синтетических лент и нитей внут­ ри защитной оболочки. В ряде случаев применяют об­ мотку пз стальных стренг. Армирующие элементы на­ кладываются (нередко в несколько слоев) по певулкаипзованной резине п покрываются сверху еще слоем вы­ сокопрочной резины.

При одновременной вулканизации резиновых слоев происходит их прочное сшивание с обмоткой пли оплет­ кой, чем обеспечивается высокая прочность всей обо­

пз стекловолокна, а оплетка в наружной оболочке—-из волокон найлона, полипропилена или полиэтилентерефталата.

Электрическую изоляцию рекомендуется выполнять в несколько слоев из различных материалов: внутрен­ него нз резины на основе натурального, стирольного или бутилового каучука и наружного пз хлорсульфированного полиэтилена. Между слоями — два слоя оплетки, разделенные тонким слоем резины. При совместной вул­ канизации слоев образуется монолитная прочная и гиб­ кая конструкция. Оплетку в наружной оболочке также рекомендуется выполнять в два слоя.

Однако приведенные способы упрочнения кабеля обладают очень существенным недостатком: усложня­ ется технология и, главное, резко снижается производи­ тельность при изготовлении кабеля.

За рубежом наложение слоев невулкаипзованной ре­ зины и упрочняющих элементов производится раздель­ ным способом с последующей вулканизацией в котле всей конструкции.

В-нашей же стране наложение резиновых оболочек производится па высокопроизводительных агрегатах непрерывной вулканизации (АНВ), н поэтому рекомен­ довать раздельную технологию даже с целью значитель­ ного упрочнения оболочки или кабеля в целом, очевидно,

.было бы неразумно.

Технология же одновременного наложения двух слбев резины с введением между ними упрочняющего эле­

мента применительно к АНВ до настоящего времени отсутствует.

При наложении упрочняющих элементов по вулкани­ зованной резине (последовательность технологических операций: наложение п вулканизация па АНВ внутрен­ него слоя оболочки, наложение упрочняющего элемента, наложение и вулканизация наружного слоя) эффектив­ ность упрочнения, как показали исследования НИКИ г. Томска, заметно снижается.

Кроме того, даже при этом способе упрочнения обо­ лочки возникает ряд технологических трудностей. Поэто­ му с учетом большой перспективности упрочнения обо­ лочек кабелей НИКИ г. Томска и заводом «Томкабель» проводятся работы по созданию высокопроизводитель­ ной технологии наложения упрочненных резиновых обо­ лочек на АНВ.

Пермским политехническим институтом п заводом «Камкабель» для упрочнения кабелей малых сечений было предложено ввести стальной сердечник в токопро­ водящие жилы.

Проведенные лабораторные исследования кабелей со стальными сердечниками показали повышение их стон-' кости к механическим деформациям. Получены поло­ жительные отзывы и от организаций, эксплуатирующих опытный кабель со стальными сердечниками. Был вы­ полнен ряд исследований для определения целесообраз­ ности введения стальных сердечников в конструкцию' токопроводящих жил кабелей [Л. 32]. Исследования про­

ными сердечниками в основных и заземляющей жилах-. Стальной сердечник сечением 2 мм2 был скручен из-,

проволоки кабельной В 0,3 (ГОСТ 3920-47).

Ниже рассматриваются только две конструкции: I и 4, так как другие по результатам испытаний занима­ ют промежуточное положение.

Были исследованы прочность кабеля на разрыв,, стойкость к деформациям изгиба на угол ±180° вокруг роликов диаметром 200 мм при растягивающей нагруз­ ке 20 и 5 кгс и стойкость к деформациям пробега с пзги-

68

пом вокруг роликов с диаметром 200 мм при растягива­ ющих нагрузках 80 и 50 кгс.

Исследования показали, что разрывная прочность

ников—900—1000 кгс. Некоторые результаты исследо­ вании циклической прочности кабелей представлены на рис. 2-26—2-28.

100

На рис. 2-26 II 2-27 приведены интегральные кривые распределения образцов по величине разрушения токо­ проводящих жил кабеля при деформации пробега с из­ гибом. Из рисунков видно, что кабель, в жилы которого включены стальные сердечники, имеет большую стой­ кость к деформациям пробега с изгибом при одновре­ менном воздействии растягивающей нагрузки 80 кгс. Однако при снижении растягивающей нагрузки разли­ чие в стойкости упрочненного сталью и обычного кабеля существенно уменьшается, и можно предполагать, что при дальнейшем снижении растягивающей нагрузки обе конструкции кабеля станут практически равноценны.

Такое предположение хорошо согласуется с резуль­ татами испытаний кабелей обеих конструкций на изгиб ±180° (рис. 2-28). Из рис. 2-28 следует, что если при величине одновременно растягивающей нагрузки 20 кгс

69