10.9. Кабельные линии высокого напряжения

Общие сведения

Кабели с вязкой пропиткой при напряжениях свыше 35 кВ не приме­няются. Это связано с тем, что условия их пропитки таковы, что в изоля­ции готового кабеля всегда остаются воздушные включения. Их наличие существенно снижает электрическую прочность изоляции. Если воздуш­ные включения находятся в местах с наиболее высокой напряженностью электрического поля (например, у жилы), то происходит ионизация воз­духа, которая сопровождается повышением температуры в этих местах. Ионизация вызывает ускоренное местное старение изоляции, которое выражается в изменении ее физико-химических свойств и, как следствие этого, приводит к снижению ее электрической прочности.

Если же воздушные включения находятся в тех местах, где напряжен­ность электрического поля недостаточна для возникновения ионизации, то их отрицательная роль проявляется в связи с протеканием тепловых процессов в кабеле. Дело в том, что при изменении передаваемой по кабелю мощности в соответствии с неравномерным графиком нагрузки кабель подвергается периодическим нагреваниям и охлаждениям. При нагревании все элементы кабеля, в том числе и пропитывающий состав, расширяются. После охлаждения оболочка и изоляция кабеля вследствие наличия остаточных деформаций не в состоянии занять свое прежнее положение и оказывать прежнее давление на пропиточный состав. В результате происходит увеличение объема воздушных включений. Кроме того, после нескольких циклов нагрева и охлаждения воздушные включения, находившиеся ранее у оболочки, начинают постепенно пере­мещаться по направлению к жиле, т.е. в область с большей напряженно­стью электрического поля, где возможна их ионизация. Следствием этого может явиться пробой изоляции кабеля.

Как избежать этих явлений? Это можно сделать либо исключив воз­душные включения, либо увеличив давление в газовых включениях, что приводит к существенному повышению их электрической прочности. Первый способ используется в маслонаполненных кабелях (МНК) низкого давления, имеющих каналы для масла внутри жилы, второй — в МНК высокого давления, прокладываемых в стальных трубопроводах.

В МНК возможность образования газовых включений при изготов­лении и эксплуатации исключается тем, что для пропитки их изоляции применяется маловязкое дегазированное масло, а сама пропитка ведется по технологии, исключающей появление значительного количества воздушных включений. В процессе эксплуатации пропиточный состав нахо­дится под давлением, поэтому даже при резких изменениях температуры тазовые включения не образуются.

Маркировка МНК осуществляется согласно ГОСТ 16441—78. Стоя­щая на первом месте буква М относит кабель к классу маслонаполненных. Затем следует характеристика давления: Н — низкое, ВД — высо­кое. Далее идут буквы, обозначающие материал оболочки и ее форму: С, А — соответственно свинцовая и алюминиевая гладкая, Аг ■— алюми­ниевая гофрированная. На четвертом месте стоят буквы, характеризую­щие тип брони и наружного защитного покрова: А — без брони, с защит­ным покровом из слоев битумного состава, полиэтилентерефталатных (или резиновых) лент и пропитанной кабельной пряжи (или стекло-пряжи); К - - то же, но с броней из круглых стальных оцинкованных про­волок; Шв — в шланге из поливинилхлоридного пластиката; Шву — то же, но с усиленным защитным слоем под шлангом. Наконец, на послед­нем месте может находиться буква Т, означающая, что кабель имеет свин­цовую оболочку, снимаемую на месте прокладки при его протягивании в трубопровод, либо сочетание Тк, которое означает, что кабель без свин­цовой оболочки доставляется на трассу в контейнере с маслом, из кото­рого он затягивается в трубопровод.

Последние буквы присутствуют в марках МНК высокого давления: МВДТ и МВДТк. Кабели низкого давления имеют восемь марок: с алю­миниевой оболочкой — МНАШв, МНАгШв, МНАШву и МНАгШву; со свинцовой оболочкой — МНС, МНСА, МНСК и МНСШву.

Маслонаполненные кабели низкого давления

Маслонаполненные кабели низкого давления (до 0,05 МПа) выпус­кают одножильными. Они серийно изготовляются в нашей стране на напряжения 110, 150 и 220 кВ и имеют медные жилы сечением 120— 800 мм² в свинцовых или алюминиевых оболочках. Изготовлена опытная партия кабеля с жилой сечением 1500 мм² [10.20]. Поперечное сечение кабеля марки МНСШву показано на рис. 10.23, его общий вид — на рис. 10.24 (см. цветную вклейку).

Внутренний повив из Z-образньтх проволок образует в жиле МНК низ­кого давления (НД) канал диаметром 12—14 мм, заполняемый маслом. Поверх внутреннего повива идет один или два слоя из сегментных прово­лок (для создания гладкой наружной поверхности). Далее идут экран из полупроводящей (сажевой) бумаги для выравнивания потенциала на поверхности жилы и изоляция из кабельной бумаги с общей толщиной слоя 9,6—11 мм при с7_Н0М = 110 кВ и 18—20,8 мм при U_H0M = 220 кВ. Изо­ляция пропитывается дегазированным минеральным маслом МН-3 или МН-4. Длительно допустимое избыточное давление масла в кабелях со свинцовой оболочкой должно быть в пределах 0,0245—0,294 МПа (0,25—-3,0 кгс/см²), в кабелях с алюминиевой оболочкой — в пределах 0,0245— 0,49 МПа (0,25—5,0 кгс/см²).

Для прокладки в земле (в траншеях), если кабель не подвергается рас­тягивающим усилиям и защищен от механических повреждений, приме­няются кабели МНАШву. МНАгШву, МНСА и МНСШву. Кабели МНАШв, МНАгШв, МНС используются при прокладке в кабельных сооружениях. Для прокладки под водой, в болотистой местности и там, где кабель подвергается растягивающим усилиям и требуется его допол­нительная механическая защита, предназначен кабель МНСК.

Арматура маслонаполненных кабельных линий низкого давления

Соединительные муфты маслонаполненных кабелей с центральным маслопроводящим каналом отличаются от соединительных муфт кабелей с вязкой пропиткой незначительно. Для предохранения жилы от деформа­ции при опрессовке внутрь канала предварительно вставляется стальная трубка. Соединительные муфты таких кабелей имеют латунный или мед­ный корпус. Пространство между корпусом и усиливающей подмоткой, на которую наматывается однослойный проволочный экран, заполняется тем же маслом, что и центральный канал.

Стопорные муфты в МНК низкого давления применяют для секцио­нирования линии с целью ограничения количества вытекающего масла при механическом повреждении кабеля, а также для поддержания давле­ния масла в секциях в заданных пределах при переходных тепловых режимах путем подключения к ним подпитывающей аппаратуры. Конст­руктивно такие муфты выполняются в двух вариантах: со стопором из фарфорового изолятора и со стопором из эпоксидного компаунда. Последний вариант имеет значительно меньшие габариты.

Концевые муфты МНК низкого давления 110 и 220 кВ имеют более сложную конструкцию по сравнению с аналогичной арматурой кабелей с вязкой пропиткой. Условия работы изоляции в концевых муфтах кабе­лей выше 35 кВ ухудшаются из-за сильной неравномерности электри­ческого поля у края металлической оболочки кабеля. Поэтому возникает необходимость регулирования электрического поля, что достигается при­менением усиливающей подмотки конденсаторного типа или цилиндри­ческих конденсаторных элементов, надеваемых на подмотку.

В концевой муфте для МНК низкого давления конец кабеля с подмот­кой размещается в фарфоровом изоляторе, который вместе с хвостовой частью муфты крепится на специ­альной опорной металлической плите с использова­нием прокладок из маслостойкой резины. Хвостовая часть муфты герметично соединяется с металличе­ской оболочкой кабеля. В верхней части фарфоровый изолятор имеет крышку, сквозь которую проходит токовыводной стержень муфты. Этот стержень для компенсации тепловых расширений соединен с жилой кабеля гибкими или полужесткими (пружинящими) связями. Так как крышка и ее крепежные детали находятся под фазным напряжением, то для уменьшения

потерь на корону верхняя часть муфты экранируется.

Экран имеет обычно шарообразную форму, образованную изогнутыми металлическими прутками (рис. 10.25). Подпитывающая и контрольная аппаратура соединяется с муфтой через штуцер, расположенный на ее хвостовой части. Свободное пространство между подмоткой конденсаторного типа (или конденсаторными элементами) и корпусом фарфорового изо­лятора заполнено тем же маслом, что и центральный канал кабеля.

Маслонаполненные кабели высокого давления

В России МНК высокого давления (ВД) изготовляются на напряжения ПО, 220, 330, 380 и 500 кВ. Поперечное сечение МНК ВД показано на рис. 10.26. Жилы кабеля марки МВДТ выпускаются во временной свин­цовой оболочке, предохраняющей изоляцию от увлажнения и поврежде­ния при транспортировке и удаляемой при монтаже, либо без нее. В последнем случае жилы кабеля доставляются на трассу в герметичном контейнере, заполненном маслом (марка МВДТк).

Изолированные и экранированные медные жилы сечением 120— 700 мм² с наложенными на них полукруглыми проволоками скольжения затягиваются в стальные трубы. При U = 500 кВ наружный диаметр трубы составляет 273 мм при толщине стенки 10 мм. Оптимальный с точки зрения облегчения затягивания фаз внутренний диаметр трубопро­вода МНК высокого давления в 2,65—2,85 раза больше максимального диаметра фазы по проволокам скольжения. Толщина изоляции кабелей марки МВДТ при напряжении 110 кВ составляет 9,6—12,4 мм, 220 кВ —-17,5—20,7 мм, 500 кВ — 30—31 мм. Для кабельных линий электропере­дачи высокого давления длительно допустимое избыточное давление

масла в трубопроводе должно быть в пределах 1,08—1,57 МПа (11,0— 16,0кгс/см²) [10.20]. Обший вид кабеля марки МВДТ 220 кВ показан на рис. 10.27 (см. цветную вклейку).

Трубопровод сваривается из отрезков длиной по 12 м. При прокладке в земле наружное защитное покрытие имеет толщину 10 мм. Компенса­ция изменения объема масла при изменении температуры и поддержание давления в трубопроводе осуществляются автоматическим подпитываю­щим устройством, которое располагается на одном из концов линии (при небольших длинах) или на обоих (при больших длинах).

Такие кабели обладают некоторыми преимуществами по сравнению с МНК низкого давления, так как для пропитки изоляции и для запол­нения трубопровода применяется более вязкое масло (марки С-220), кото­рое обеспечивает более высокую импульсную прочность изоляции. Вообще электрическая прочность изоляции повышается уже за счет более высокого давления (до 1,5 МПа). Кроме того, стальная труба является хорошей защитой от механических повреждений, благодаря чему такие кабельные линии обладают высокой надежностью. Однако монтаж этих линий сложнее, чем линий с одножильными МНК с центральным маслопроводящим каналом.

Арматура маслонаполненных кабельных линий высокого давления

Основным отличием соединительных муфт МНК высокого давления от соединительных муфт МНК низкого давления является размещение всех трех фаз в общем стальном кожухе, соединенном с трубопроводами стыкуемых участков переходными кольцами. Конструкция усиливающей подмотки фаз такая же, как у кабелей низкого давления.

Для соединения фаз такого кабеля с однофазными концевыми муф­тами необходимо произвести их разделение и подвод к каждой из муфт в отдельной трубе. Для этой цели служит разветвительная муфта, в кото­рой общий трубопровод переходит в три трубы из немагнитного материала (меди), внутри которых и размещаются фазы кабеля. Однако в ряде слу­чаев целесообразно совместить пункты разветвления и соединения участ­ков кабеля. Так, например, при подключении кабельной линии к однофаз­ным трансформаторам концевые муфты располагаются рядом с ними и длина разветвительных труб оказывается различной и может достигать 30—100 м. В этом случае целесообразно протягивать через разветвительные трубы отдельные куски кабеля и соединять их с фазами, нахо­дящимися в общем трубопроводе, при помощи соединительно-развет-вительных муфт. Эти муфты отличаются от соединительных тем, что с одного конца стального кожуха устанавливается фланцевое соединение, обеспечивающее переход к трем разветвительным трубам. Соединение жил и усиливающая подмотка в таких муфтах такие же, как и в соеди­нительных.

Концевые муфты МНК высокого давления изготовляются в двухка­мерном и однокамерном исполнении. Однокамерные муфты аналогичны рассмотренной ранее муфте кабеля низкого давления. На рис. 10.25 в качестве примера показана муфта марки КМВДТ-500.

Двухкамерная концевая муфта внутри фарфорового изолятора имеет бакелитовый цилиндр, который заполнен маслом С-220 под давлением, равным давлению в трубопроводе, и образует камеру высокого давления, В ней размещается фаза кабеля с конденсаторной подмоткой, присоеди­няемая к внутреннему контактному стержню. Камера низкого давления образуется наружной поверхностью бакелитового цилиндра и внутренней поверхностью фарфорового изолятора. Она заполнена маловязким мас­лом МН-3 с температурой затвердения -45 °С, которое при низких тем­пературах окружающей среды подогревается расположенными в камере электронагревателями. Конструкция двухкамерной муфты значительно сложнее и более трудоемка в изготовлении, однако она не требует очень высокой механической прочности фарфорового изолятора, как в случае однокамерной муфты, и позволяет обеспечить надежную работу муфты в условиях низких температур.

Аппаратура подпитки маслонаполненных кабельных линий

Для подпитки маслонаполненных кабельных линий низкого давления могут использоваться баки питания и баки давления. Баки питания пред­назначены для создания в кабеле избыточного давления, для чего они должны быть установлены выше уровня трассы на 1,5—2 м [10.20]. В случае их присоединения к стопорным муфтам в промежуточных точках кабельной линии необходимо сооружение надземных киосков, что в городских условиях, как правило, неприемлемо. Поэтому реальна их установка лишь на территориях открытых подстанций вблизи концевых муфт, где их подъем на опорные конструкции не представляет трудности. В настоящее время баки питания не изготовляются и их можно встретить лишь на старых линиях низкого давления, где они иногда используются в сочетании с баками давления.

Бак давления — это герметически закрытый сосуд. Находящиеся внутри его корпуса сильфонные элементы заполняются газом (азотом) под небольшим избыточным давлением (0,025 МГТа). Между упругими элементами находится масло той же марки, что и в кабеле, с которым бак давления соединяется посредством вентиля и трубок, подводимых к кон­цевым или стопорным муфтам. Давление масла измеряется манометром. При эксплуатации кабельных линий низкого давления обычно применя­ются баки давления типа БД6-0,25 и БД7-0,25 с рабочими пределами изменения избыточного давления масла от 0,025 до 0,3 МПа. Соответст­вующие объемы отдачи масла газом при температуре 20 °С для этих баков составляют 50 и 30 л. Объемная характеристика бака давления зависит от температуры вследствие изменения объема газа в элементах и масла в баке. Это обстоятельство необходимо учитывать при определе­нии необходимого числа баков, если имеют место значительные сезон­ные изменения температур на трассе линии.

Эскиз МНКЛ НД показан на рис. 10.28. Каждая фаза маслонаполнен-ной кабельной линии НД имеет независимую подпитку. Число баков дав­ления, их суммарная вместимость и расположение по трассе определя­ются исходя из того, чтобы давление в секциях линии не выходило из допустимого диапазона при самых тяжелых тепловых переходных про­цессах и чтобы в длительных установившихся режимах при максималь­ной нагрузке летом и при минимальной нагрузке зимой не требовалось добавления или слива масла.

Расчетное определение мест установки подпитывающих пунктов про­изводится итерационным способом. Начальное приближение выбирается с учетом местных условий и в соответствии с данными о максимально допустимой длине секции и разности уровней в ее пределах. Затем для этого начального расположения производится расчет подпитки для основных рабочих режимов, в результате которого строятся кривые рас­пределения давления вдоль каждой секции линии. Эти кривые служат основой для корректировки первоначального варианта размещения под­питывающих пунктов по трассе и т.д.

Расстояние между баками давления, осуществляющими подпитку МНКЛ низкого давления, в зависимости от профиля трассы и графика нагрузки линии обычно колеблется от 1 до 2 км.

Для подпитки кабельных линий в трубах с маслом под давлением при­меняют автоматические подпитывающие установки. Такая установка

состоит из баков, насосов, труб, перепускных клапанов, вентилей, щита автоматики и другого оборудования, предназначенного для обеспечения подпитки маслом кабельной линии высокого давления.

Трубопровод соединяется с агрегатом подпитки через изолирующую вставку, так как подпитывающая система должна быть электрически изо­лирована от кабельной линии для обеспечения безопасности обслужи­вающего персонала в случае пробоя изоляции одной из фаз линии.

При снижении давления в линии до определенного предела (1,4 МПа) автоматически включаются масляные насосы, нагнетающие масло в кабель из бака вместимостью 4000 л, где оно хранится под вакуумом. При давлении свыше 1,6 МПа открывается перепускной клапан и масло поступает обратно в бак. При аварийных изменениях давления до значе­ний 1,0 или 1,8 МПа на щите управления включается звуковая и световая сигнализация. Аварийное отключение кабельной линии высокого давле­ния ПО кВ должно производиться при избыточном давлении масла в ней 0,5 МПа, а линий 220—500 кВ — при 0,8 МПа. Подпитывающая уста­новка занимает площадь 2,4x3 м, имеет высоту 6,5 м и может обеспечить подпитку линии 220 кВ длиной до 3 км при внутреннем диаметре трубо­провода 199 мм.

Кабели с пластмассовой изоляцией

В начале 80-х годов XX в. в нашей стране был начат серийный выпуск одножильных кабелей ПО кВ с изоляцией из вулканизированного поли­этилена в полиэтиленовой или поливинилхлоридной оболочке с сече­ниями алюминиевых жил 350, 500 и 625 мм². Токопроводящие жилы с сечениями 350 и 500 мм² выполнены сплошными (однопроволочными) из мягкого алюминия. Жила сечением 625 мм² имеет комбинированную кон­струкцию, состоящую из внутреннего многопроволочного сердечника с сечением 400 мм² и внешнего выпрессованного алюминиевого слоя толщиной 2,7 мм, который имеет сечение 225 мм² и наружный диаметр 31,4 мм. При этом наружный диаметр кабеля по оболочке составляет 66 мм, в то время как маслонаполненный кабель ПО кВ марки МНАгШву с тем же сечением жилы имеет наружный диаметр 77,2 мм, а марки МНСК — 107,6 мм [10.20]. Толщина слоя изоляции из вулканизированного полиэтилена составляет 11,4 мм. В отличие от МНК вместо металличе­ской бесшовной оболочки поверх изоляции имеется экран из гофрирован­ной медной ленты толщиной 0,25 мм, обеспечивающий радиальность электрического поля в изоляции. Защитная оболочка из полиэтилена в кабеле марки АПвП имеет толщину 2,8 мм.

Совершенствование технологии изготовления, применение материа­лов с улучшенными свойствами и накопление опыта эксплуатации кабе­лей с пластмассовой изоляцией в зарубежных странах привело к тому, что такие кабели все шире используются не только в распределительных, по и в питающих сетях ПО-—400 (500) кВ. В целесообразности дальнейшего повышения номинального напряжения специалисты по кабельной технике в настоящее время сомневаются прежде всего с позиций возмож­ности обеспечения требуемой степени надежности электроснабжения. Однако исследования в этой области не прекращаются с целью создания конструкций, не уступающих по показателям надежности маслонаполненным кабелям.