07 (1)

7. Изоляция кабельной линии и аппаратов высокого напряжения

7.1. Изоляция силовых кабелей высокого напряжения

Электрические кабели – это гибкие изолированные проводники, состоящие из защитной оболочки, проводников (жил), изоляции по отношению к земле и между жилами, и защитного покрова.

Металлическая оболочка выполняется из свинца или алюминия. Она защищает изоляцию от увлажнения, и выравнивает электрическое поле. Защитные покровы включают броню из стальных лент и слои кабельной пряжи, пропитанной битумом.

Кабели должны обладать достаточной гибкостью и высокой механической прочностью. Поэтому жилы обычно выполняются из большого числа скрученных тонких проволок.

Высокая электрическая прочность изоляции кабеля обеспечивается уменьшением толщины изоляции, что улучшает теплоотвод, увеличиваются допустимые рабочие токи, кабель становится гибким, достигается экономия материалов (оболочки, покрова).

Кабель должен быть надежным т.к. на отыскание места повреждения и его устранение в подземных линиях затрачивается много времени и средств. Кабельные линии выполняются составными (из нескольких отрезков). Строительная длина кабеля в барабанах составляет от 250 до 750 м. Эти отрезки соединяются муфтами. Муфты монтируются в полевых условиях, технология монтажа изоляции уступает заводской.

Основные конструкции кабелей высокого напряжения. Кабели для напряжений до 35 кВ изготавливаются с вязкой пропиткой. Бумажная изоляция пропитывается мастикой с маслоканифольными или синтетическими, не стекающими составами повышенной вязкости. Кабели с не стекающими составами могут прокладываться с разностью уровней до 300 м. При этом не происходит стекания пропитывающего состава в нижнюю часть кабеля, а в верхней части образование обеднено – пропитанной изоляции.

Недостаток кабелей с вязкой пропиткой – это образование в их изоляции газовых включений. Причина – циклические нагревы и остывание при изменении нагрузки. После нескольких циклов между оболочкой и изоляцией образуются пустоты, которые заполняются газами, выделяющимися из изоляции. Наличие газовых включений снижает длительную электрическую прочность изоляции. Поэтому в кабелях с вязкой пропиткой рабочие напряженности имеют невысокие значения. Такие кабели выпускают с 1, 2, 3 и 4 жилами. Сечение трехжильного кабеля с поясной изоляцией и с секторными жилами показано на (рис. 1).

Рис. 1. Трехжильный кабель с поясной изоляцией и секторными жилами:

1 – жила; 2 – фазная изоляция; 3– поясная изо­ляция; 4 – наполнитель; 5 – оболочка; 6 – по­душка под броней из пряжи, пропитанной биту­мом; 7 – броня из стальных лент; 8 – наружный защитный покров

Для уменьшения наружного диаметра кабеля жилам придается не круглая, а секторная форма. Изоляция состоит из двух частей – фазной и поясной. Таким образом между жилами кабеля находится двойная фазная изоляция, рассчитанная на линейное напряжение, а между каждой жилой и оболочкой – фазная и поясная.

Для напряжений 110…220 кВ промышленной частоты используются маслонаполненные кабели. Такой кабель изготавливается одножильным. В этих кабелях ленточная бумажная изоляция пропитывается маловязким маслом, которое может перемещаться внутри жилы вдоль кабеля и находиться под избыточны давлением. Благодаря этому в изоляции не возникают газовые включения при циклических изменениях температуры. Длительная электрическая прочность такого кабеля повышается в три раза и более по сравнению с БМИ, пропитанной вязкими составами. Для поддержания давления в указанных кабелях при их эксплуатации на КЛ устанавливаются баки давления через каждые 1…2,5 км (рис. 2).

Рис. 2. Схема устройства бака давления:

1 – корпус бака; 2 – упругие элементы, заполненные воздухом; 3 – дегазированное масло; 4 – манометр; 5 – штуцер для присоединения бака к кабелю

По давлению маслонаполненные кабели делятся на кабели низкого (до 0,2 МПа), среднего (0,4…0,5 МПа) и высокого (0,8…1,6 МПа) давления. С увеличением давления масла электрическая прочность растет. Толщина изоляции у этих кабелей на напряжение 110 кВ в зависимости от сечения жилы находится в пределах 9…11 мм, а у кабелей 220 кВ – в пределах 16…20 мм. На рис. 3 показана конструкция маслонаполненного кабеля среднего давления.

В маслонаполненных кабелях на U = 110…220 кВ особое внимание уделяется регулированию электрических полей. Жилы экранируются слоями полупроводящей бумаги (для устранения повышения напряженности у кромок провода). Изоляция выполняется градированной.

Рис. 3. Маслонаполнениый кабель среднего давления 220 кВ:

1 – маслопроводящий канал; 2 – жила из фасонных луженых проволок; 3 –экран по жиле и по изоляции из полупроводящей металлизированной бумаги; 4 – изоляция из бумаг разной толщины и плотности; 5 – свинцовая оболочка; 6 – ленты из пластиката; 7 – медные усиливающие ленты; 8 – защитные покровы; 9 – стальные проволоки

При напряжении 110 кВ и выше используются маслонаполненные кабели высокого давления в стальных трубках (рис. 4). В стальном трубопроводе, заполненном маслом под давлением 1,5 МПа помещаются три жилы с изоляцией, пропитанной вязким составом. Изоляция покрыта эластичным, герметически плотным составом (полиэтилен и др.). Изоляция предотвращает контакт с маслом и предохраняет от увлажнения при транспортировке и монтаже. Эластичное покрытие свободно передает изоляции давление масла, заполняющего стальную трубу.

При напряжении до 220 кВ применяются газонаполненные кабели. Электрическая прочность указанного кабеля достигается за счет повышения давления газа (сухой очищенный азот). По конструкции они схожи с маслонаполненным кабелем, но в них используется изоляция с обедненной пропиткой. Электрическая прочность повышается за счет ввода газа в кабель под давлением. У таких кабелей хуже условия охлаждения, что ограничивает рабочие токи.

Рис. 4. Трубопровод с кабелем под давлением масла:

1 – жила; 2 – изоляция; 3 – герметизирующие покровы; 4 – полукруглая проволока; 5 – стальная труба; 6 – масло; 7 – антикоррозийные покровы

Кабели с пластмассовой изоляцией. Токоведущие жилы у кабелей до 3 кВ покрываются слоями полиэтилена, кабели 6 кВ и выше имеют дополнительные экраны из полупроводящего полиэтилена поверх изоляции (либо на изоляции и на жиле). Наличие таких экранов уменьшает влияние воздушных включений возникающих на границе изоляции с жилой, делает электрическое поле в изоляции более однородным.

Преимущество пластмассовых кабелей по сравнению с кабелями с вязкой пропиткой состоит в том, что масса их меньше и не требуется (или устраняется) система оболочек, защищающих изоляцию от внешних воздействий. Однако нагревостойкость пластмасс ниже, чем БМИ с вязкой пропиткой.

Кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена. Кабели из сшитого полиэтилена (российское обозначение: СПЭ, английское: XLPE, немецкое: VPR) благодаря своей конструкции, современной технологии изготовления и совершенным материалам обладают наилучшими электрическими и механическими свойствами и самым длительным сроком службы среди других типов кабелей, выпускаемых серийно. Например, среди кабелей среднего напряжения кабели с СПЭ-изоляцией составляют 80…85% в США и Канаде, 95% – в Германии и Дании, 100% – в Японии, Финляндии, Швеции, Франции.

Основными достоинствами кабеля с СПЭ-изоляцией являются:

- большая пропускная способность за счет увеличения допустимой температуры жилы;

- высокий ток термической устойчивости при коротком замыкании, что особенно важно в случае, когда сечение кабеля выбрано только на основании номинального тока короткого замыкания;

- низкий вес, меньший диаметр и, вследствие этого, легкость прокладки как в кабельных сооружениях, так и в земле на сложных трассах;

- твердая изоляция, дающая огромное преимущество при прокладке на местности с большими наклонами, возвышенностями и на пересеченной местности, т.е. на трассах с большой разницей уровней, на счет отсутствия эффекта стекания массы;

- отсутствие жидкости (масла) под давлением и, следовательно, дорогостоящего подпитывающего оборудования, что ведет к значительному уменьшению эксплуатационных расходов, упрощению монтажного оборудования, сокращению времен и стоимости работ по прокладке и монтажу;

- возможность быстрого ремонта в случае пробоя;

- отсутствие утечек масла при повреждении оболочки обеспечивает экологическую безопасность.

Технические характеристики кабеля напряжением 110 кВ представлены в табл. 1.

Таблица 1 - Технические характеристики кабеля напряжением 110 кВ.

Sном		мм2	85	240	300	350	400	500	630	800
Sэкр.*		мм2	35	35	35	35	35	35	35	35
Толщина изоляции		мм	16,0	16,0	16,0	16,0	15,0	15,0	15,0	15,0
Толщина оболочки		мм	3,0	3,2	3,4	3,4	3,4	3,4	3,6	3,8
Dвнеш.		мм	64	66	69	70	70	74	77	81
Вес ** алюминиевая жила медная жила		кг/км кг/км	3400 4560	3700 5180	4000 5870	4230 6390	4290 9760	4830 7930	5410 9310	6140 11090
Мин.радиус изгиба		см	96	99	104	105	105	111	116	122
Усилие тяжения: алюминиевая жила медная жила		кН кН	5,55 9,25	7,20 12,00	9,00 15,00	10,50 17,50	12,00 20,00	15,00 25,00	18,90 31,50	24,00 40,00
Сопротивления постоянному току: алюминиевая жила медная жила		Ом/км Ом/км	0,0991 0,1640	0,0754 0,1250	0,0601 0,1000	0,0543 0,0890	0,0470 0,0778	0,0366 0,0605	0,0280 0,0464	0,0221 0,0367
Индуктивность***		мГн/км	0,44	0,42	0,41	0,40	0,38	0,37	0,36	0,34
Емкость		мкФ/км	0,131	0,141	0,151	0,157	0,172	0,186	0,202	0,221
Длительно допустимый ток в земле:		А А	500 395	575 455	650 515	715 560	755 600	840 675	935 760	1030 850
	медн. алюм.
Длительно допустимый ток в земле:		А А	451 366	507 416	557 461	581 486	611 514	667 572	724 631	777 690
	медн. алюм.
Длительно допустимый ток в воздухе		А А	600 480	690 555	775 630	835 680	895 735	995 825	1115 935	1245 1060
	медн. алюм.
Длительно допупустимый ток в воздухе		А А	624 494	725 576	820 656	871 702	938 758	1065 872	1204 999	1352 1139
	медн. алюм.

* Сечение экрана выбирается исходя из условий протекания токов короткого замыкания и может быть увеличено.

** Вес дан для кабелей марок с полиэтиленовой оболочкой и основным сечением экрана.

*** При прокладке кабелей треугольником экран заземлен с двух концов.

Кабели с элегазовой изоляцией под давлением. Токоведущие жилы на распорках помещены в стальной трубе, которая заполняется элегазом под давлением. Преимущества такого кабеля: простота конструкции, малое значение tg, самовосстанавлиемость после пробоя, малая емкость на единицу длины.

Расчеты показывают, что такие кабели эффективны при СВН и их применение более выгодно, чем ВЛЭП.

Криогенные (криорезистивные) кабели. Такие кабели будут использоваться для ввода больших мощностей в крупные города и промышленные центры. Токоведущие жилы этих кабелей охлаждаются до температуры жидкого азота (77 К) или жидкого гелия (5 К). В первом случае (криорезистивные кабели) повышение пропускной способности достигается за счет значительного уменьшения активного сопротивления жил кабеля (Cu, Al), следовательно, джоулевых потерь, что позволяет увеличить токовые нагрузки. В кабелях с жидким гелием используется эффект сверхпроводимости.

Кабельные муфты. Для соединения отрезков кабеля в линию, а также для присоединения концов кабеля к шинам распределительных устройств или аппаратов выполняются соединительные и концевые муфты. Устройство кабельных муфт и их изоляции зависит от конструкции кабеля. Однако во всех случаях учитывается то обстоятельство, что монтаж выполняется в полевых условиях, и изоляция в муфтах имеет более низкое качество, чем в самом кабеле. Поэтому изоляционные расстояния в муфтах увеличиваются.

Эскиз соединительной муфты показан на рис. 5. На концах соединяемых кабелей основная изоляция срезается по определенному профилю, образуя прямые конусы со сторонами аб и вг. После соединения токоведущих жил накладывается дополнительная изоляция (заранее пропитанные рулоны и ролики бумаги, эпоксидные компаунды), толщина которой больше, чем основной изоляции. Форма и размеры конусов выбираются такими, чтобы со­ставляющая напряженности вдоль щели, остающейся между основной и дополнительной изоляцией, не превышала допустимого значения (примерно в 20 раз меньше, чем для основной изоляции в радиальном направлении). Для того чтобы не было повышения напряженности у краев оболочек соединяемых кабелей, устанавливаются внутренние экраны в виде конусов или от краев оболочек поверх дополнительной изоляции накладывается бандаж из мягкой свинцовой проволоки. В последнем случае дополнительная изоляция выполняется так, чтобы вблизи краев она образовывала обратные конусы де и жз. Форма и размеры этих конусов выбираются такими, чтобы напряженность у краев оболочек не превышала допустимую.

Рис. 5. Эскиз кабельной соединительной муфты:

1 – жила; 2 – соединение жил; 3 – изоляция кабеля; 4 – дополнительная изоляция; 5 – оболочка кабеля; 6 – бандаж из свинцовой проволоки; 7 – корпус муфты

Концевые муфты кабелей имеют не только внутреннюю, но и внешнюю изоляцию. Их устройство во многом аналогично устройству проходных изоляторов (вводов). Для регулирования электрического поля у края оболочки используются внутренние экраны в виде конусов, а также дополнительные электроды, образующие конденсаторные обкладки.

7.2. Изоляция аппаратов высокого напряжения

Трансформаторы тока. До 10 кВ для трансформаторов тока (ТТ) применяется литая эпоксидная изоляция, которая обеспечивает необходимую электрическую и механическую прочность конструкции при уменьшении габаритов аппаратов.

Для изоляции ТТ на напряжение 35 кВ и выше применяется кабельная бумага, пропитанная трансформаторным маслом (рис. 6). При напряжениях 220 кВ применяются каскадные схемы (рис. 7).

Рис. 6. Трансформатор тока напряжением 35 кВ типа ТФН-35:

1 – первичная обмотка; 2 – вторичная обмотка; 3 – магнитный сердечник; 4 – бумажно-масляная изоляция; 5 – токопровод; 6 – фарфоровая покрышка

Рис. 7. Каскадный трансформатор тока

Встроенные трансформаторы тока во вводы силовых трансформаторов и выключателей. Изоляцией вторичной обмотки и магнитопровода от токоведущего стержня ввода служит фарфоровые покрышки ввода. Вторичная обмотка покрывается электрокартоном и пропитывается влагостойким изоляционным лаком (глифталевым или асфальтовым).

Изоляция маслонаполненных выключателей. Внутренняя изоляция масляных выключателей (МВ) имеет большой запас электрической прочности (рис. 8). Она состоит из масляных промежутков между токоведущими частями и баком выключателя, изоляционных барьеров, а также изоляции штанги и ее направляющего устройства. Штанга изготавливается из дерева твердых пород, пропитывается трансформаторным маслом, а направляющая штанга – из гетинакса.

Снижение электрической прочности изоляции МВ может происходить из-за влаги, поглощаемой им из атмосферы.

При t = –20С окружающего воздуха включается устройство подогрева масла. Периодически у масла определяются электрическая прочность и наличие углеродистых частей. Загрязнение штанг и направляющих определяется измерением сопротивлением изоляции (R_из).

Рис. 8. Баковый масляный выключатель на напряжение 110 кВ:

1 – стальной бак; 2 – масло; 3 – изоляционные барьеры; 4 – контактная траверса; 5 – штанга; 6 – дугогасителъные камеры; 7 – направляющие; 8 – вводы; 9 – трансформаторы тока

Изоляция воздушных выключателей. Главной изоляцией воздушных выключателей ВБВ – 110 кВ (рис. 9) является опорный изолятор, установленный на металлическом основании. На опорном фарфоровом изоляторе смонтирована металлическая дугогасительная камера с эпоксидными вводами. Для подачи сжатого воздуха в гасительную камеру и камеру управления контактами выключателя внутри опорного фарфорового изолятора проходят изоляционные стеклопластиковые воздухопроводы.

Для предотвращения конденсации влаги внутренние полости опорных изоляторов продуваются сухим сжатым воздухом.

Рис. 9. Воздушный выключатель типа ВВБ-110 кВ:

1 – шкаф управления; 2 – опорный изолятор; 3 – бак с дугогасительным устройством, наполненный сжатым воздухом; 4 – проходные изоляторы; 5 – конденсаторы для равномерного распределения напряжения между двумя разрывами.

Вакуумные выключатели. В настоящее время широкое распространение получили вакуумные выключатели. Внешний вид выключателя на 10 кВ приведен на рис. 10, основные элементы – на рис. 11, а технические характеристики – в табл. 2.

Рисунок 10. Внешний вид выключателя ВВ/ TEL

Таблица 2 - Технические характеристики выключателя ВВ/TEL.

Технические параметры	Основные параметры
Номинальное напряжение, кВ	10
Наибольшее рабочее напряжение, кВ	12
Номинальный ток, кА	1000
Номинальный ток отключения, кА	20
Сквозной ток короткого замыкания, наибольший пик, кА	52
Нормированное процентное содержание апериодической составляющей, %, не более	40
Время отключения полное, мс, не более	25
Время отключения собственное, мс, не более	15
Время включения собственное, мс, не более	70
Ресурс по коммутационной стойкости при отключении: - номинального тока, операций «ВО»	50000
- (60-100)% от номинального тока отключения, операций	100
Ресурс по механической стойкости, операций «ВО»	50000
Номинальное напряжение электромагнитов управления, В	220
Диапазон напряжений электромагнитов при включении, % от номинального значения	85…100
Диапазон напряжений электромагнитов при отключении, % от номинального значения	65…120
Наибольший ток электромагнитов управления при номинальном напряжении, А	10
Срок службы до списания, лет	25