Дизайн и конструкция подземных сетей электропередач сложнее, чем воздушных, из-за двух технических особенностей:
· Нужна очень мощная изоляция, так как кабеля могут быть расположены в нескольких сантиметрах от проводящей поверхности.
· Необходимо снизить температуру, до которой нагревается кабель, в результате электропередачи.
Первая подземная сеть электропередач была создана в 1927 году, передаваемое напряжение равнялось 132 кВ. Кабель был заполнен охлаждающей жидкостью и имел изоляцию из специальной бумаги. Жидкость была необходима для снижения температуры.
На данный момент используются два различных вида подземных систем электропередач. В одном случае кабель проложен в трубах, по которым циркулирует охлаждающая жидкость или газ, а в другом используется цельный диэлектрический кабель, который не нуждается в охлаждении газом или жидкостью и считается более современным в техническом плане.
В число основных видов подземных кабельных конструкций входят:
· Кабель трубного типа высокого давления, наполненный охлаждающей жидкостью.
· Кабель трубного типа высокого давления, наполненный охлаждающим газом.
· Замкнутая система с жидкостным охлаждением.
· Цельный кабель с изоляцией из полиэтилена с межмолекулярными связями (СПЭ).
· Силовые кабели с бумажной пропитанной изоляцией
· Кабель трубного типа с жидкостным охлаждением высокого давления.
Кабель трубного типа высокого давления, наполненный охлаждающей жидкостью
Кабель трубного типа высокого давления, наполненный охлаждающей жидкостью, вид конструкции подземных линий электропередач, состоит из стальной трубы и заключённых в неё трёх электрических проводников. Каждый проводник состоит из меди или алюминия и изолирован высококачественной пропитанной маслом крафт – бумагой. Также проводники покрыты защитным металлическим экраном (обычно свинцовым) и волокном (для защиты во время прокладки кабеля).
Внутри стальных труб, три проводника залиты диэлектрическим маслом, которое поддерживается под постоянным давлением. Данная жидкость является изолятором и не пропускает электрический ток. Диэлектрическая жидкость, находящаяся под давлением, предотвращает возможность прохождения электрических разрядов в изоляцию. Прохождение разрядов может привести к неполадкам сети. Также данная жидкость обеспечивает охлаждение проводников. Жидкость обычно статична и охлаждение происходит конвекционным путём. В некоторых случаях масло прогоняется по трубам и охлаждается с помощью теплообменника. Такая система требует установки наземной насосной станции, которая обычно располагается внутри подстанции.
На насосной станции осуществляется контроль за давлением и температурой жидкости. На них устанавливается устройство радиаторного типа, которое позволяет теплу выделяться из кабелей в атмосферу. Также производится контроль за состоянием масла или какими-либо повреждениями кабелей. Наружная стальная труба защищает проводники от механических повреждений, попадания воды и минимизирует вероятность утечки масла. Труба защищена от внешних химических и электрических воздействий через почву, при помощи обмотки и катодной защиты.
Проблемы, которые возникают с кабелями трубного типа высокого давления, наполненными охлаждающей жидкостью – это сложности с обслуживанием и загрязнение почвы, которое может возникнуть в связи с утечкой масла.
Кабель трубного типа, наполненный охлаждающим газом
Кабель трубного типа, наполненный охлаждающим газом, по принципу не отличается от описанной выше, трубы высокого давления, наполненной охлаждающей жидкостью. Единственное отличие – использование для охлаждения сжатого азотного газа вместо масла. Сжатый азотный газ менее эффективен, чем диэлектрические жидкости для сдерживания электрических разрядов и охлаждения.
Для того, чтобы компенсировать этот недостаток, изоляция проводников делается на 20% толще, чем при использовании масла.
Более толстая изоляция и более высокая температура в трубе снижает количество электричества, которое может быть эффективно и безопасно пропущено через линию. В случае пробоя изоляции или сбоя в цепи, устранение неполадок в системе использующей сжатый газ, намного легче, чем в системе с диэлектрическим маслом.
Замкнутая система с жидкостным охлаждением.
Замкнутая система подземных электропередач с жидкостным охлаждением чаще всего используются в подводных конструкциях. Полая труба, внутри которой проложены проводники, наполнена изолирующей жидкости, находящейся под давлением от 1200 до 2400 Па. Кроме того, проводники уложены отдельно друг от друга, каждый помещён в отдельную трубку, наполненную изолирующей жидкостью и вдобавок обвёрнут высококачественной крафт-бумагой. Кроме того, каждый проводник защищён оболочкой из сплава бронзы и свинца и пластиковой оболочкой.
Жидкость предотвращает электрические разряды, оболочка помогает спрессовывать жидкость, а пластиковая оболочка помогает удерживает жидкость от вытекания. Такая конструкция значительно снижает риск возникновения короткого замыкания, но является куда более дорогостоящей, чем конструкция, в которой проводники уложены в одной трубе.
Силовые кабели с бумажной пропитанной изоляцией
Основная масса силовых кабелей на напряжение до 10 кВ выпускается трехжильными с секторными жилами, так называемые кабели с поясной изоляцией. Такие кабели выпускаются с медными и алюминиевыми жилами сечением от 6 до 240 мм2. Алюминиевые жилы могут быть однопроволочными во всем диапазоне сечений, кроме того, в диапазоне 70-240 мм2 выпускаются также кабели с многопроволочными уплотненными жилами. Медные жилы изготавливаются в основном многопроволочными, однако в диапазоне сечений от 6 до 50 мм2 применяются однопроволочные жилы.
Известно, что традиционными методами для токопроводящих жил являются медь и алюминий. В последние годы медь стала остродефицитной, поэтому в кабельной промышленности наиболее широко применяется алюминий, как для токопроводящих жил, так и для оболочек.
Электрическая проводимость алюминия в 1,65 раз меньше, чем у меди, однако, и плотность его в 3,3 раза меньше плотности меди, что позволяет получить алюминиевые жилы с одинаковым электрическим сопротивлением в 2 раза легче медных. Изготовление однопроволочных алюминиевых жил в виде сплошного сектора дает большой экономический эффект в кабельной промышленности. Применение таких жил позволяет уменьшить диаметр кабеля, кроме того, при изготовлении таких жил повышается производительность труда, так как по сравнению с изготовлением многопроволочных жил сокращается объем волочильных операций и исключается операция скрутки жил. Сплошные секторные жилы имеют большую жесткость, чем скрученные, кроме того, несколько повышается трудоемкость монтажа кабелей с такими жилами. Однако, как показали исследования, жесткость кабеля, в основном, определяется не токопроводящими жилами, а, прежде всего, материалом и конструкцией оболочки.
Изоляция кабелей состоит из лент кабельной бумаги, пропитанной маслоканифольным составом. В кабелях на напряжение 1-10 кВ каждая фаза изолируется отдельно, а затем поверх скрученных изолированных жил накладывается общая – поясная изоляция. Толщины фазной и поясной изоляции, выбираются из условий работы кабеля в рабочем режиме (в республике Беларусь сети напряжением 6, 10 кВ выполняют с изолированной нейтралью), обеспечивая надежную его работу и в аварийном режиме.
В отечественных кабелях толщина изоляции между фазами приблизительно на 36% больше толщины изоляции между жилами и оболочкой. Так, для кабелей на напряжение 6 кВ толщина фазной изоляции составляет 2 мм, а толщина поясной – 0,95 мм, для кабелей на напряжение 10 кВ - соответственно 2,75 и 1,25 мм.
В кабелях на напряжения 1 и 3 кВ толщина изоляции выбирается в основном из условия ее механической прочности (отсутствие повреждений при изгибах). Промежутки между изолированными жилами заполняются жгутами из сульфатной бумаги.
Основным недостатком бумажной пропитанной изоляции является ее большая гигроскопичность, поэтому для защиты изоляции от увлажнения в процессе хранения, прокладки и эксплуатации кабели заключаются в металлическую оболочку.
Силовые кабели выпускаются в свинцовой и алюминиевой оболочках. Алюминиевые оболочки достаточно герметичны и механически более прочны по сравнению со свинцовыми. Высокая электропроводность алюминия дает возможность использовать алюминиевые оболочки в качестве четвертой жилы кабеля, что обеспечивает значительную экономию алюминия, изоляционных и защитных покровов. Однако, кабели с алюминиевыми оболочками нельзя применять в условиях воздействия на них агрессивных сред (пары щелочи, концентрированные щелочные растворы). В таких условиях необходимо применять кабели в свинцовых оболочках.
Опыт изготовления и монтажа кабелей с алюминиевой оболочкой диаметром свыше 40 мм выявил их чрезмерную жесткость, поэтому кабели на напряжение 1 кВ сечением 3х240 мм2 , 6 кВ сечением 3х150 мм2 и выше, 10 кВ сечением 3х120 мм2 и выше должны быть изготовлены с гофрированной алюминиевой оболочкой.
Применение гофрированной оболочки увеличивает гибкость кабелей, однако, при прокладке таких кабелей на наклонных трассах возможны стекание по гофрам пропиточного состава и образование воздушных включений в изоляции кабеля. В связи с этим гофрированные оболочки можно использовать только в кабелях, изоляция которых пропитана нестекающими составами.
Кабели для вертикальных прокладок
При прокладке кабелей с бумажной пропитанной изоляцией на трассах с большим перепадом уровней существует опасность стекания пропиточного состава в нижнюю часть трассы. Стекание состава происходит в основном по промежуткам между проволоками в скрученных многопроволочных жилах, а также в зазоре между металлической оболочкой и изоляцией и в меньшей степени внутри самой бумажной изоляции.
В верхних участках трассы, таким образом, уменьшается электрическая прочность кабеля вследствие возникновения воздушных зазоров в изоляции. В нижних участках трассы из-за повышенного давления прочного состава возможна разгерметизация кабеля. Поэтому кабели с бумажной пропитанной изоляцией обычной конструкции можно прокладывать на трассах с разностью уровней между высшей и низшей точками расположения кабелей не более 15-25 м. Уменьшения эффекта стекания пропиточного состава можно добиться применением стопорных муфт
Цельный кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена
В настоящее время в Российской Федерации повысился интерес потребителей к новым кабелям с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ, XLPE), которые в недалеком будущем заменят кабели с бумажно-пропитанной (БПИ) и поливинилхлоридной (ПВХ) изоляцией. Это связано с тем, что предприятия, имеющие такие кабельные линии, высоко оценили эксплуатационные преимущества кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена. По этому принципу пошли и многие российские производители, которые уже модернизировали свои технологии и наладили производство подобных кабелей для отечественных потребителей.
Это объясняется значимыми преимуществами СПЭ-кабелей:
- за счет увеличения допустимой температуры жилы достигнута большая пропускная способность кабеля (в зависимости от условий прокладки, допустимые нагрузочные токи на 1/6 – 1/3 выше, чем у кабелей с бумажной изоляцией);
- высокая устойчивость к влаге, при этом отпадет необходимость в металлической оболочке;
- при коротком замыкании обеспечивается больший ток термической устойчивости;
- изоляционные электрические характеристики выше, а диэлектрические потери ниже;
- меньше допустимый радиус изгиба кабеля;
- поскольку для изоляции и оболочки применяются полимерные материалы, то для прокладки кабелей при температурах –20°С их предварительный подогрев не требуется;
- неограниченные возможности по прокладке кабелей на трассах с любой разностью уровней;
- СПЭ-кабель имеет меньшие габариты и массу, как следствие прокладка кабеля, как в кабельных сооружениях, так и в грунте на сложных трассах становится легче.
Кабели же с бумажно-пропитанной изоляцией, несмотря на достаточно высокие и стабильные электрические характеристики, имеют ряд недостатков:
- технология изготовления кабеля сложна и трудоемка, из-за этого стоимость его довольно высока;
- кабель имеет ограничения при вертикальной прокладке, т.к. наблюдается стекание пропиточного состава;
- конструкция кабеля имеет большой вес, т.к. обязательным элементом конструкции является металлическая оболочка, которая защищает пропитанную бумагу, теряющую свойства изоляции при попадании влаги.
Все вышеперечисленные недостатки не присущи кабелям, изоляция которых состоит из полиолефиновых материалов. Самым распространенным и широко используемым в кабельной продукции полиолефином, является полиэтилен (ПЭ).
В начальной стадии обработки термопластичный полиэтилен имеет серьезные недостатки, основным их которых это ухудшение механических свойств, при нагреве до температуры плавления материала.
Чтобы решить данную задачу производители применяют сшитый полиэтилен, причем «сшивка» происходит на молекулярном уровне. При этом в процессе сшивки, образуются поперечные связи между макромолекулами полиэтилена, которые создают трехмерную структуру материала. За счет такого строения, полиэтилен имеет высокие показатели электрических и механических характеристик, большой диапазон использования рабочих температур, меньшую гигроскопичность.
Есть несколько технологий сшивания термопластичных материалов. Для кабелей до 1 кВ используется самый распространенный способ - сшивание через привитые органофункциональные группы, в качестве таких групп используют силаны. Этот способ еще называют силанольная сшивка. Сшивание полиэтилена происходит с использованием пара или воды, температура которых достигает 80-90 °С. Под воздействием влаги, тепла и применением катализатора, совершается гидролиз силанольных групп и, как следствие, сшивка материала.
Этот способ сшивания полиэтилена невозможно применить для кабелей с изоляцией рассчитанной на напряжение 10 – 35 кВ, потому в процессе обработки достаточно сложно добиться равномерности физико-механических свойств в радиальном направлении изоляции, а также по причине того, что изоляция кабелей высокого напряжения имеет значительно большую толщину, по сравнению с изоляцией кабелей низкого напряжения.
Для того чтобы сшить изоляцию кабелей на напряжение 10 – 35 кВ применяется другой способ – сшивание с использованием пероксидов. Этот процесс, в отличие от силанольной сшивки, происходит в сухой среде, а именно в среде инертного газа (азота), при воздействии высоких температур от 300 до 400 °С и давления в 8 – 12 атм., при этом сохраняются электрические характеристики высоковольтных кабелей.
Применение вышеописанных способов сшивки кабелей подтверждается и мировыми производителями, которые наладили технологию производства и практически полностью перешли на использование силовых кабелей на среднее и высокое напряжение с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ). Это можно объяснить тем, что кабели с бумажно-пропитанной изоляцией расцениваются и считаются как морально устаревшие. Как показывает практика, применяя кабели с изоляцией из СПЭ на напряжение 6-10 кВ можно решить задачи по улучшению надежности электроснабжения потребителей путем оптимизации и реконструкции схем электрических сетей.
На сегодняшний день многие страны уже положительно оценили эксплуатационные характеристики кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ) на среднее и высокое напряжение и практически полностью перешли на их использование. Так, например, составляющая доля всего рынка силовых кабелей равняется в США и Канаде – 85%, в Германии и Дании – 95%, а в Японии, Франции, Финляндии и Швеции в распределительных сетях среднего напряжения используется только кабель с изоляцией из СПЭ.
Энергетические компании России, оценив положительные аспекты эксплуатации кабелей среднего и высокого напряжения с изоляцией из СПЭ, также ориентированы на использование данного типа кабелей при прокладке новых кабельных линий и замене либо капительном ремонте старых. Кроме того, для осуществления соединений между кабелями с бумажно-пропитанной изоляцией и изоляцией из сшитого ПЭ применяются специально разработанные муфты. Это существенно уменьшает проблемы при ремонтах и реконструкциях электрических сетей.