ДОКЛАД по силовым кабелям с изоляцией

Вашему вниманию будет представлена информация по силовым кабелям с изоляцией из сшитого полиэтилена (XLPE) - экструдированной изоляцией на напряжение 1-10 кВ.

ДОКЛАД по силовым кабелям с изоляцией из сшитого полиэтилена ( с экструдированной изоляцией) на напряжение 1-10 кВ

Вашему вниманию будет представлена информация по силовым кабелям с изоляцией из сшитого полиэтилена (XLPE) - экструдированной изоляцией на напряжение 1-10 кВ.

Информация подготовлена с целью проведения экспертной оценки новой продукции.

В процессе экспертной оценки использовались материалы фирм производителей силовых кабелей с XLPE изоляцией (Pirelli, Nexans, АББ-Москабель, Иркутсккабель), а также ГОСТ 16442-80 "Кабели силовые с пластмассовой изоляцией", ТУ 16.К71.277-98 "Кабели силовые с изоляцией из силанольносшитого полиэтилена на напряжение 1 кВ", и публикациями МЭК 60502-2-1997 "Кабели силовые с экструдированной изоляцией и арматура к ним на номинальное напряжение от 1 до 30 кВ".

Распределительные кабельные сети Северо-Западного Федерального Округа и г.Москвы являются самыми протяжёнными по сравнению с другими энергосистемами России и одними из старейших по истории становления и развития.

Эти обстоятельства с одной стороны во многом определяют проблемы эксплуатации кабелей, связанные с большим сроком службы и протяжённостью сетей, а с другой стороны позволили специалистам энергосистем г.Санкт-Петербурга и Москвы накопить опыт и традиции, которые используются затем в региональных энергосистемах.

В настоящее время кабельная сеть г. Москвы и Санкт-Петербурга имеет общую протяжённость более 100 тыс. км  

Кабельная сеть среднего напряжения 6-10 кВ, это более 90% - кабели с бумажной пропитанной изоляцией.

По данным АО «Кабельная сеть» удельная повреждаемость кабельных линий на напряжения 6-10 кВ для кабелей с бумажной пропитанной изоляцией (БПИ) в свинцовой оболочке (протяжённость прокладки более 50% от общего числа проложенного кабеля) составляет от 4,3 до 5,0 случаев на 100 км в год (данные за 1999г.-2000г., доклад директора Московской электросетевой компании А.С. Свистунова).

Введение в КС в 1998г. 100% контроля кабеля перед прокладкой дало очень хороший эффект и оказалось действенной мерой, способствующей повышению качества продукции.

Техническая политика энергосиситем по совершенствованию эксплуатационных показателей кабельных линий, главным из которой является надёжность кабельных линий, направлена на использование кабелей с XLPE изоляцией, как при сооружении новых линий, так и при переустройстве существующих.

Рассмотри преимущественные параметры кабелей с XLPE изоляцией, заявленные производителями продукции:

Данная группа продукции имеет ряд преимущественных характеристик по сравнению с кабелями с БПИ. Следует отметить основные преимущества кабелей с изоляцией из XLPE в одножильном исполнении, это:

  • большие строительные длины;
  • расширенный ряд номинальных сечений, до 500 мм2;
  • меньший вес, диаметр и радиус изгиба (речь идёт о прокладке одной фазы).

1. Конструкции силовых кабелей с XLPE изоляцией

силовые кабели конструкция силовых кабелей

Однофазная конструкция:

  1. Токопроводящая многопроволочная уплотненная жила из алюминия или меди;
  2. Изоляция из XLPE;
  3. Экран по жиле и изоляции (из ПЭ толщиной 0,3 мм);
  4. Экран из медных проволок;
  5. Водоблокирующие элементы;
  6. Оболочка из ПВХ или ПЭ.

Основным преимуществом кабелей с XLPE изоляцией является большая пропускная способность за счёт увеличения допустимой температуры жилы. Допустимые токи нагрузки в зависимости от условий прокладки на 15-30% больше, чем у кабеля с БПИ (каталог ф. "Nexans" стр. 3)

При расчёте токовых нагрузок выбор длительно допустимой температуры нагрева жил и максимальной температуры короткого замыкания определяется типом изоляционных материалов. Температуры, указанные в таблице 1 основаны на физических свойствах изоляционных материалов.

2. Максимальные температуры ТПЖ для кабелей на напряжение 10 кВ с разными типами изоляции

Характеристика Кабели с XLPE изоляцией Кабели с БПИ
Длительно допустимая температура нагрева жил, °С 90 70
Максимальная температура при коротком замыкания, °С 250 200

Таблица 1

Длительно допустимые токовые нагрузки кабелей, рассчитанные в соответствии с требованиями МЭК 60287 - 1994г."Расчёт номинальной токовых нагрузок кабелей в условиях установившегося режима". Ток постоянной величины при непрерывном режиме работы (100%-ный коэффициент нагрузки), достаточный для того, чтобы асимптотически создать максимальную температуру жилы при постоянных условиях окружающей среды.

Однако, опыт эксплуатации кабелей с XLPE изоляцией в энергосистемах Европы, показал, что при определении длительно допустимого тока, помимо свойств изоляции материала необходимо учитывать условия прокладки и исходные данные для расчёта допустимого тока нагрузки.

Так, ведущая западная фирма по производству кабелей с XLPE изоляцией ф. "Pirelli" в своих информационных материалах (каталог ф. "Pirelli" стр. 8) оговаривает следующее условие:

3. "В связи с прокладкой кабеля с экструдированной изоляцией в земле, необходимо учитывать тот факт, что длительная температура жилы значением +90°С может высушить близлежащую почву и явиться, таким образом причиной перегрузки кабеля. Исходя из этого, мы рекомендуем ограничить значение длительной допустимой температуры жил кабелей с изоляцией из XLPE, прокладываемых в земле, значением +65°С."

Международный стандарт МЭК 60502-2 (IEC 502) "Силовые кабели с экструдированной изоляцией и их арматура на номинальное напряжение от 1 кВ до 30 кВ" в издании 1997 г. повторяет эту рекомендацию.

4. Рассмотрим таблицу сравнения допустимых токовых нагрузок для кабелей с БПИ и изоляцией из XLPE на напряжение 10 кВ при прокладке в земле треугольником для однофазных кабелей.

Сечение ТПЖ / экрана, мм2

Допустимые токовые нагрузки, А

Трёхфазный кабель

Однофазный кабель

Кабели с БПИ (ГОСТ 18410-73)

ф. "Nexans"

Ф. "Pirelli"

АББ-Москабель
(ТУ 16.К71.300-2000)

Иркутсккабель
(ТУ 16.К71.335-2004)

70°С

90°С

90°С

65°С

90°С

90°С

120 / 16

218

275

*320

*270

280

288

185 / 25

275

346

*405

*345

360

364

240 / 25

314

401

-

-

415

422

300 / 25

-

451

*525

*445

475

476

*Цепь общего экрана разомкнута

Таблица 2

Представленные значения допустимых токовых нагрузок для одного сечения кабелей с изоляцией из XLPE имеют значительный диапазон значений:

  • для сечения 120 мм2 - от 270 А до 320 А, что составляет 16,4 %;
  • для сечения 185 мм2 - от 345 А до 405 А, что составляет 17,0 %;
  • для сечения 300 мм2 - от 445 А до 525 А, что составляет 16,4 %.

Это обстоятельство объясняется тем, что в качестве исходных данных для расчёта допустимых токовых нагрузок взяты национальные нормы, отличающиеся друг от друга.

5. Исходные данные для расчёта допустимых токовых нагрузок при прокладке в земле

Параметры

Наименование фирмы

Кабели с XLPE изоляцией

кабели с БПИ

ф."Nexans"

ф."Pirelli"

Российские производители

Температура почвы, °С

+20

+15

+15

+15

Коэффициент термического удельного сопротивления почвы, К*м/Вт

1,0

1,0

1,2

1,2

Глубина прокладки, м

0,7

0,7

0,7

0,7

Длительно допустимая температура ТПЖ, °С

90

65 / 90

90

70

Коэффициент токовой нагрузки

0,7

1,0

1,0

1,0

Таблица 3

Обращаем Ваше внимание, что при расчёте токовой нагрузки однофазного кабеля при прокладке в земле необходимо учитывать ряд поправочных коэффициентов.

ф."Pirelli" и ф. "Nexans" в своих каталогах предоставляют информацию для проведения этих корректировок (каталог ф. "Pirelli" стр. 9).

6.

силовые кабели в спб

При прокладке в земле необходимо учесть также способ соединения экранов силовых кабелей. В случае выбора схемы соединения экранов:

  • Цепь разомкнута - общие экраны кабелей соединены и заземлены только в одном конце трассы.
  • Цепь замкнута - общие экраны кабелей соединены на обоих концах трассы и заземлены в любом случае на одном из концов трассы.

Корректировка допустимой токовой нагрузки по данному фактору проводится со значительным снижением от 4 до 17,3 % в зависимости от сечения проводника.

На примере конкретной прокладки кабеля с изоляцией из XLPE на напряжение 10 кВ производства ф. "Pirelli" (аналога кабеля марки АПвП(г)) посмотрим как влияет система поправочных коэффициентов по всем указанным факторам на допустимую токовую нагрузку. Кабель прокладывается в земле с разомкнутой цепью общего экрана

Схема прокладки (инструкция ф. "Nexans" стр. 39):

7. Прокладка кабелей с изоляцией XLPE на напряжение 10 кВ в траншее, расстояние между кабельными линиями при параллельной прокладке в земле

силовые кабели схема

Таким образом значения поправочных коэффициентов для прокладки кабеля в представленной схеме видим в таблице

силовые кабели схема

  • Влияние нескольких проложенных параллельных групп К1=0,87;
  • Глубина прокладки К2=1,0;
  • Коэффициент удельного термического сопротивления грунта К3=0,92;
  • Температура грунта К4=1,0;
  • Влияние защитных покрытий К5=1,0.

Результат корректировки токовой нагрузки представлен на слайде №8.

8. Допустимые токовые нагрузки кабелей с изоляцией из XLPE с учётом поправочных коэффициентов при прокладке в земле

/ экрана, мм2

Допустимые токовые нагрузки, А

Трёхфазный кабель

Однофазный кабель

Кабели с БПИ (ГОСТ 18410-73)

Ф. «Pirelli»

Расчётная токовая нагрузка

Токовая нагрузка с учётом поправочных коэффициентов

70°С

90°С

65°С

90°С

65°С

120 / 16

218

320

270

256

216

185 / 25

275

405

345

324

276

240 / 25

314

-

-

-

-

300 / 25

-

525

445

420

356

Таблица 4

С учётом поправочных коэффициентов, снижение допустимой токовой нагрузки предполагается на 20%.

Обращаем Ваше внимание, что ф. "Pirelli" в своих каталогах на продукцию при назначении токовых нагрузок для кабелей с изоляцией из XLPE на напряжение 1 кВ для прокладки в земле сохраняет те же рекомендации что и при прокладки кабелей с изоляцией из XLPE на напряжение 10 кВ. Одновременно ф. "Pirelli" рекомендует снижение длительно допустимых температур токопроводящих жил при прокладке на воздухе до 70°С (каталог ф. "Pirelli" стр. 16).

При данном способе прокладки условие по большей пропускной способности кабелей с XLPE изоляцией не выполняется.

Прокладка на воздухе - большая зона применения данной продукции.

9. Рассмотрим таблицу сравнения допустимых токовых нагрузок для кабелей с БПИ и изоляцией из XLPE на напряжение 10 кВ при прокладке на воздухе треугольником для однофазных кабелей

Допустимые токовые нагрузки, А

Трёхфазный кабель

Однофазный кабель

Кабели с БПИ (ГОСТ 18410-73)

Ф. «Pirelli»

АББ-Москабель (ТУ 16.К71.300-2000)

ф. «Nexans»

Иркутсккабель (ТУ 16.К71.335-2004)

25°С

25°С

25°С

30°С

25°С

120 / 16

234

*325

330

321

185 / 25

298

*425

425

418

240 / 25

347

-

505

494

300 / 25

-

*565

580

568

*Цепь общего экрана замкнута

Таблица 5

При прокладке в воздухе следует также проводить корректировку токовых нагрузок по следующим факторам:

  • Температура окружающей среды;
  • Взаимное влияние кабелей при групповых прокладках (каталог ф. "Pirelli" стр. 11):
    1. по количеству параллельных систем;
    2. по количеству расположенных друг на друге системе.

10.

силовые кабели таблица

11. Рекомендует ф. "Pirelli" схему прокладки в воздухе, не требующей понижения допустимых токовых нагрузок

схема прокладки в воздухе

Указанные в таблице значения допустимых токовых нагрузок действительны при условии, что температура окружающей среды не повышается в результате влияния тепловых потерь, возникающих в кабеле.

12. При других значениях температуры окружающей среды необходимо применять поправочные коэффициенты, указанные в таблице.

Расчётная температура окружающей среды

Поправочный коэффициент при температуре окружающей среды

-5°С

0°С

5°С

10°С

15°С

20°С

25°С

30°С

35°С

40°С

45°С

25°С

1,21

1,18

1,14

1,11

1,07

1,04

1,0

0,96

0,92

0,88

0,83

Таблица 6

Таким образом, исходя из представленных выше материалов видно, что кабели с изоляцией из XLPE на напряжение 10 кВ обладают большой пропускной способностью только при их эксплуатации на воздухе при определённых схемах прокладки.

При прокладке данной группы продукции в воздухе, учитывая высокую степень горючести изоляции, необходимо выполнять Специальные огнезащитные меры, обеспечивающие пожарную безопасность, что требует дополнительных затрат.

Выводы:

Из представленной информации по кабелям с изоляцией из XLPE следует, что выбор допустимых токовых нагрузок по данной группе продукции требует тщательного подхода. Очевидна необходимость разработки Методических указаний по проектированию кабельных линий и главы ПУЭ, посвящённой этой продукции для проектировщиков и эксплуатирующих организаций.

Монтаж и диагностика кабелей с XLPE изоляцией

Как известно, надежность работы кабельной линии не в последнюю очередь зависит от качества прокладки и монтажа кабелей, а также возможности диагностирования состояния кабелей при их приемке в эксплуатацию и при последующей эксплуатации. Из-за отсутствия нормативных документов на прокладку и монтаж кабелей с XLPE изоляцией, при рассмотрении указанных вопросов будем пользоваться "Инструкцией по применению силовых кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 6-35 кВ", выпущенной ф. "NEXANS" (Инструкция NEX/6-35.04). Инструкция устанавливает следующие основные требования к прокладке кабеля в земле: (возврат слайда №7).

Не допускается прокладки кабелей с XLPE изоляцией при следующих условиях:

  • в местах, загрязненных нефтяными маслами с высоким содержанием ароматических углеводородов (в том числе, кабельными и трансформаторными маслами) или другими веществами;
  • если насыпной грунт содержит шлак или строительный мусор;
  • на участках, расположенных на пересечениях с линиями теплосети или в непосредственной близости от них.

При невозможности обхода этих мест кабель должен быть проложен в чистом нейтральном грунте в асбоцементных трубах, покрытых снаружи и изнутри битумным составом. При засыпке кабеля нейтральным грунтом траншея должна быть дополнительно расширена с обеих сторон на 0,5-0,6 м и углублена на 0,3-0,4 м.

Подсыпка дна траншеи кабельной трассы и засыпка кабеля должны быть выполнены песчано-гравийной смесью (песок с размерами зерен не более 2 мм и гравий с размерами частиц от 5 до 15 мм в соотношении 1:1).

В траншее кабели с XLPE изоляцией прокладываются треугольником или в одной плоскости. При соединении кабелей треугольником кабели после прокладки должны скрепляться вместе в треугольник через 1 - 1,5 м лентами, хомутами или скобами из немагнитного материала. Одновременная прокладка трех кабелей по трассе в одной плоскости запрещается.

Для защиты кабеля от механических повреждений должны использоваться железобетонные плиты или кирпичи. (Сигнальная лента не допускается).

Прокладка кабеля должна осуществляться только по роликам. Расстояние между роликами на прямолинейных участках должно быть не более 4 м. При протяжке кабель не должен касаться подсыпки.

Из сказанного видно, что дополнительные требования, предъявляемые производителем кабеля к его прокладке, требуют относительно высокой квалификации персонала, занимающегося его прокладкой, а также наличию и качеству вспомогательных материалов и инструментов.

Монтаж кабелей с XLPE изоляцией также имеет свои особенности, но может быть осуществлен достаточно быстро при наличии квалифицированного персонала и специализированного инструмента. Следует подчеркнуть, что кабельные муфты различных производителей имеют свои особенности в монтаже, однако любой производитель муфт предлагает услуги по обучению монтажу своих муфт.

После того, как кабель смонтирован, он должен пройти приемо-сдаточные испытания.

К сожалению, различные источники указывают различные нормативные значения испытательного напряжения для испытаний кабеля после прокладки, что отражено в таблице.

13.

п/п

Нормативное значение для кабелей на номинальное напряжение 10 кВ

Испытательное напряжение

АББ-Москабель

Иркутсккабель

ф. «Nexans»

МЭК 60502-2

ПУЭ

1

Переменное напряжение частотой 0,1 – 400 Гц

30 кВ в течение 15 мин

30 кВ в течение 15 мин

25 кВ в течение 15 мин

-

-

2

Переменное напряжение частотой 50 Гц

10 кВ в течение 24 час.

10 кВ в течение 24 час.

10 кВ в течение 24 час.

10 кВ в течение 24 час

-

3

Постоянное напряжение

60 кВ в течение 15 мин

40 кВ в течение 15 мин

60 кВ в течение 15 мин

24 кВ в течение 15 мин

60 кВ в течение 10 мин

Таблица 7

Вопросам испытаний и диагностики состояния кабелей с XLPE изоляцией за рубежом уделяется довольно много внимания. Связано это, прежде всего, с особенностями конструкции самого кабеля и материалом изоляции. В России принимаются испытания повышенным напряжением пониженной частоты 0,1Гц.

Для кабелей с экструдированной изоляцией нормы испытаний регламентируются НД:

За Рубежом нормы представлены производителями испытательных установок, например SEBA

Рассмотрим типичный дефект изоляции из XLPE.

14. Основной причиной увеличения уровня частичных разрядов при эксплуатации кабелей с изоляцией из XLPE является рост триингов в изоляции. Типичная картина триингов в изоляции кабеля, находившегося в эксплуатации представлена на рисунке.

изоляция кабеля

Может ли испытание повышенным напряжением, приложенным между жилой и экраном, выявить этот дефект? Вопрос риторический, так как указанный дефект не нарушает целостности изоляции.

Более того, за рубежом проведены обширные исследования, доказывающие, что испытания повышенным напряжением не только не позволяют сделать адекватное заключение о состоянии кабеля, но и значительно ослабляют изоляцию. Более подробно эти вопросы рассмотрены в ряде публикаций (в т.ч. в журнале "Electricity Today" "A Non-Destructive Method For Testing Underground Cables Up To 25 kV" by Claude Kane, Westinghouse Electric Corporation). В указанной статье на основании исследований, проведенных компанией "Westinghouse" сообщается, что испытания повышенным постоянным напряжением уменьшают срок эксплуатации кабелей и увеличивают рост водных триингов.

В качестве альтернативных методов диагностики состояния кабелей с XLPE изоляцией зарубежными специалистами предлагаются различные методы неразрушающего контроля:

    • измерение частичных разрядов;
    • измерение тангенса дельта на частоте 0,1 Гц;

За рубежом, где кабели с XLPE изоляцией находятся в эксплуатации с 70-х годов прошлого века, не существует пока единого мнения по оптимальному методу диагностики. Результаты диагностики кабелей с XLPE изоляцией, проведенной датской компанией DEFU в рамках совместного скандинавского проекта по оценке различных методов диагностики кабелей с XLPE изоляцией  

На рисунке изображены результаты исследований кабелей с XLPE изоляцией на 10 кВ

кабели с XLPE изоляцией

Как видно из рисунка 15, испытаниям был подвергнут 61 кабель. Все кабели были введены в эксплуатацию в период с 1981 по 1996 годы. По результатам испытаний кабели были условно разбиты на 4 категории:

      • хорошие кабели;
      • кабели с признаками старения;
      • кабели с сильным старением;
      • кабели с током утечки.

В группу кабелей со сроком службы от 5 до 10 лет входили кабели всех четырех групп.

Было также выявлено, что из десяти кабелей с сильным старением только у одного была неповрежденная наружная оболочка. Это указывает на взаимосвязь между повреждением наружной оболочки и старением изоляции, т.е. сокращением срока службы кабеля.

Из всего вышеописанного можно сделать несколько основных выводов:

      • Требования к прокладке кабелей с XLPE изоляцией намного жестче, чем к прокладке кабелей с БПИ.
      • Существуют различия в величине испытательного напряжения, рекомендуемого различными производителями, МЭК и установленного в ПУЭ.
      • У специалистов нет пока единого мнения по выбору оптимального метода диагностики состояния кабелей с XLPE изоляцией.
      • Отсутствие национального стандарта может привести к тому, что в эксплуатацию будут введены кабели ненадлежащего качества.

Последний вывод отчасти подтверждается и тем, что сертификация кабелей с XLPE изоляцией в Российской Федерации проводится не на соответствие национальному стандарту, а на соответствие документам производителя и проводится в системе добровольной сертификации по тем характеристикам, которые заявляет производитель.

В заключении хочется отметить, что целью данной публикации являлось обратить внимание на отдельные особенности перспективной продукции, а также на необходимость работы по созданию национальной нормативной документации на кабели с XLPE изоляцией. Тем не менее, выбор конструкции кабелей для обеспечения надежности энергосистем за специалистами энергокомпаний.

Нормы изпытаний: