Глава 1. КАБЕЛИ С ИЗОЛЯЦИЕЙ ИЗ СШИТОГО ПОЛИЭТИЛЕНА
1.1 Состав материала
Сшитый полиэтилен (русская аббревиатура СПЭ, английская XLRE, немецкая VPE), представляет собой полимер, образованный молекулами полиэтилена, цепочки которых соединены между собой дополнительными поперечными связями (рис. 1).
Рис. 1. Структурная формула сшитого полиэтилена
Кабели должны служить долгие годы, постоянно обеспечивая потребителя достаточной электрической мощностью. В отличие от кабелей с бумажной пропитанной или маслонаполненной изоляцией, применение которых ограничивается с каждым годом, кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена в полной мере отвечают этому требованию. Благодаря своей конструкции, современной технологии изготовления и совершенным материалам кабели среднего и высокого напряжения с СПЭ изоляцией обладают наилучшими электрическими и механическими свойствами и самым длительным сроком службы среди других типов кабеля, выпускаемых серийно [2].
Своими уникальными свойствами СПЭ кабели обязаны применяемому изоляционному материалу. На современных кабельных предприятиях процесс сшивки или вулканизации производится в среде нейтрального газа при высоком давлении и температуре. Такой способ вулканизации позволяет получить достаточную степень сшивки по всей толщине изоляции и обеспечить отсутствие воздушных включений. Поперечные связи, образующиеся в процессе сшивки между молекулами полиэтилена, в основном и определяют характеристики нового материала. Помимо хороших диэлектрических свойств, это и больший, чем у других кабельных изоляционных материалов диапазон рабочих температур, и отличные механические характеристики [3].
Изначальное полиэтиленовое сырье – полимер углеводорода этилена, называемый «полиэтиленом», имеет линейную структуру молекул. Он является неплохим диэлектриком, но неизменно теряет свои свойства при нагревании до температуры плавления +80 - +110 0C. Подвергаясь процессу «сшивки», то есть модификации на молекулярном уровне, полиэтилен приобретает трехмерную сетчатую структуру (поперечно-сшитую) с появлением боковых межмолекулярных связей. Такое изменение дает ему большую эластичность и повышение прочности на разрыв, а также значительное улучшение изоляционных свойств и стойкости к очень высоким температурам.
Для изготовления кабеля используется полиэтилен, «сшитый» по следующим двум технологиям, в результате которых получаются несколько разные материалы:
PEXb – это более дешевый и наиболее распространенный продукт. Получается «силановым» (силанольным) способом в присутствии кремневодородов и температуры 80-90 0C, при гидролизе силанольных групп. Имеет около 65% «сшитых» молекул. Кабельная изоляция из него обозначается SXLPE.
PEXa – более дорогой материал, имеющий до 75-80 % сшивки и получаемый с помощью перекиси водорода («пероксидный» метод) при повышении температуры до 400 0C (обозначение изоляции XLPE).
В целом, прочностные и термостойкие характеристики этих двух веществ примерно одинаковы, но из-за неравномерности сшивки PEXb имеет такое же неравномерное распределение физико-механических свойств по всему объему. Поэтому его электростойкость при напряжении более 1 кВ получается меньшей, чем для PEXa, и такая изоляция быстро стареет. Силановым способом получают кабельную изоляцию, рассчитанную на напряжение не более 1 кВ, а для высоковольтного кабеля на 10-35 кВ и более применяют только PEXa – пероксидный сшитый полиэтилен.
1.2 Технические характеристики
Кабельная изоляция из сшитого полиэтилена обладает следующими техническими показателями:
1. Возможность длительно выдерживать температуру жилы до 90 0C.
2. Стойкость к повышению температуры в аварийной ситуации до 130 0C.
3. Максимум возможной температуры жилы при коротком замыкании до 250 0C.
4. Допустимый ток короткого замыкания, действующий на площади 1 мм2:
для жилы из меди - до 144 А,
для алюминия – до 93 А.
7. Диэлектрическая проницаемость изоляции при t0=20 0C – 2,4.
8. Диэлектрические потери – 0,001.
Силовой кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена изображен на рисунке 2.
Рис. 2. Силовой кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена
1.3 Классификация
Сшитый полиэтилен применяется для изоляции одножильных и трехжильных кабелей в оболочке из других материалов – полиэтилена, стальной и алюминиевой брони и т.п. При этом кабели СПЭ изготавливаются с площадью сечения от 35-ти до 3000 мм2, с толщиной изоляции до 35-ти мм. Их принято группировать по возможному для них напряжению, для которых изоляция изготавливается разной слойности и толщины:
1. от 6-ти до 35-ти кВ, с площадью сечения от 35-ти до 1600 мм2, толщиной от 3,4 до 8,5 мм;
2. от 45-ти до 150-ти кВ, с площадью сечения от 70-ти до 2000 мм2, толщиной от 8 до 23 мм;
3. для 220-ти и 330-ти кВ, с площадью сечения от 400 до 2000 мм2, толщиной от 20 до 28 мм.
Также в настоящее время выпускаются высоковольтные кабели, рассчитанные на напряжение от 400 до 550 кВ, с площадью сечения от 630-ти до 3000 мм2, толщиной от 27-ми до 35-ти мм.
Глава 2. НЕДОСТАТКИ КАБЕЛЕЙ ИЗ СШИТОГО ПОЛИЭТИЛЕНА И СПОСОБЫ ИХ УСТРАНЕНИЯ
Основными недостатками кабелей из сшитого полиэтилена являются:
1. Завышенные производителем значения допустимой температуры токопроводящей жилы до 90 °С, что увеличивает рост потерь электроэнергии в электрических сетях из-за увеличения активного сопротивления жил, и, при прокладке в земле, возможен термический пробой оболочки кабеля. В этом случае необходимо периодически проводить испытания повышенным напряжением. Для обеспечения надежной работы силовых КЛ в настоящее время в России применяется система планово-профилактических испытаний, при которой кабели периодически подвергаются испытаниям постоянным напряжением достаточно высокого уровня (в 4-6 раз превышающим номинальное напряжение КЛ) с измерением токов утечки. Однако практика показывает, что планово-профилактические испытания повышенным постоянным напряжением даже в случае их успешности не только не гарантируют безаварийную последующую работу КЛ, но и во многих случаях приводят к сокращению срока службы КЛ. Особенно опасны такие испытания для КЛ с длительными сроками эксплуатации или с сильно состаренной изоляцией. Кроме того, испытания повышенным постоянным напряжением силовых кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ-кабели), которые находят все более широкое применение в России, не только практически бесполезны, так как сшитый полиэтилен обладает высокой электрической прочностью и малыми токами утечки, но и оказывают негативное воздействие на полиэтиленовую изоляцию.
