Изоляторы для районов с загрязненной атмосферой

В местностях с загрязненной атмосферой или вблизи морей на­блюдаются частые перекрытия изоляции даже при рабочих напря­жениях. Эти перекрытия, вызывающие в большинстве случаев ава­рии в энергосистемах, происходят вследствие отложения сажи, гря­зи, пыли и соли на поверхности изоляторов. При определенных метеорологических условиях (туман, мелкий моросящий дождь, рез­кое изменение температуры, вызывающее появление росы) поверх­ность изоляторов становится проводящей, что ведет к резкому сни­жению разрядных напряжений изоляторов. В результате увеличения проводимости по поверхности изолятора ток утечки значительно возрастает, изолятор нагревается, и в нем могут образовываться тре­щины. Эти трещины развиваются, проходя через толщу фарфора, и изолятор пробивается. При расположении линии на деревянных опо­рах, большие токи утечки могут вызвать возгорание опор.

Методы борьбы с перекрытием изоляторов из-за загрязнения их поверхности в основном сводятся к повышению мокроразрядного напряжения путем периодической очистки изоляторов; примене­нию таких изоляционных конструкций, в которых длина пути утеч­ки тока будет достаточно большой; применению полупроводящей глазури при изготовлении изоляторов.

Наиболее технически совершенным и экономически выгодным способом повышения надежности работы изоляции в условиях силь­ного загрязнения атмосферы является применение специальных конструкций изоляторов, имеющих при данном сухоразрядном расстоянии значительно увеличенный путь утечки (рис. 3.12). В табл. 3.3 приведены основные данные этих изоляторов.

Полупроводящая глазурь, применяемая для повышения мокро-разрядного напряжения изоляторов в условиях сильного загрязне­ния, обеспечивает резкое снижение сопротивления изолятора до 10—10 Ом (вместо 10¹²—10¹³ Ом у изоляторов с обычной глазу­рью). Особенностью такой глазури является нелинейная зависи­мость ее проводимости от температуры (при повышении темпера­туры на °С сопротивление глазури уменьшается приблизительно на 3 %, а при повышении температуры на 30° уменьшается вдвое). Проходящий по глазури ток вызывает нагревание поверхности

изолятора, что препятствует конденсации на ней влаги при высо­кой влажности воздуха и испаряет ее в слабый дождь и туман. Та­ким образом, разрядное напряжение изоляторов с полупроводящей глазурью, даже в условиях сильного загрязнения атмосферы, оста­ется достаточно высоким. Величину тока через полупроводящие глазури не допускают более 1 мА, поэтому потери энергии на утеч­ку оказываются небольшими

Изоляция кабелей высокого напряжения

Общие требования.

Электрические кабели — это гибкие изоли­рованные проводники, снабженные защитными оболочками, ко­торые предохраняют изоляцию от внешних механических и других воздействий. Основными элементами силового кабеля являются токопроводящая жила, изоляция, накладываемая на жилу; гермети­зирующая оболочка, накладываемая на изоляцию; броня. Метал­лическая оболочка, выполняемая в основном из свинца или алю­миния, предохраняет изоляцию от влаги и отчасти от механических повреждений. Защитные покровы включают броню из стальных проволок или лент и слои кабельной пряжи из джутовых волокон, пропитанных битумными составами с добавлением антисептиков; Броня обеспечивает главную защиту оболочки кабеля и его изоля­ции от внешних механических воздействий, а джутовые покровы — защиту оболочки от коррозии. Кабели в целом и все их элементы должны обладать достаточ­ной гибкостью, чтобы их можно было наматывать на барабаны для транспортировки или хранения и изгибать при укладке по не­ровной поверхности, поэтому жилы силовых кабелей представля­ют собой большое число скрученных тонких проволок.

От изоляции кабелей требуется сочетание достаточной гибкос­ти с высокой механической прочностью, потому что она воспри­нимает на себя массу токоведущих жил, значительные усилия при их изгибании, намотке на барабан и при прокладке.

Особое значение для изоляции кабелей имеет требование высо­кой электрической прочности. При увеличении электрической проч­ности и, соответственно, при уменьшении толщины изоляции сни­жаются затраты на ее изготовление, улучшаются условия отвода тепла от жилы и, соответственно, увеличиваются рабочие токи; кабель становится более гибким, достигается экономия металла оболочки и покровных материалов.

Кабели обычно имеют форму цилиндра диаметром 10—12 см, так как при больших диаметрах они становятся недостаточно гиб­кими. Кабельные линии выполняются обычно из нескольких от­резков ограниченной длины (строительная длина от 250 до 750 м), соединяемых последовательно муфтами, а концы этих линий име­ют конечные муфты. Строительная длина определяется возможно­стями транспортировки кабеля к месту прокладки. Кабельные муф­ты монтируются в полевых условиях, поэтому технология наложе­ния в них изоляции значительно уступает заводской.

Прокладка кабелей в земле осуществляется в трубах, туннелях или в траншеях, а под водой — по дну в трубах или в траншеях.

Токопроводящие жилы кабелей изготавливают из меди или алю­миния, они могут быть однопроволочными или скрученными из нескольких проволок. Форма сечения жил может быть круглая, сек­торная или сегментная. Максимальное сечение однопроволочной алюминиевой жилы составляет 240 мм², медной — 50 мм², а много­проволочной жилы — 625 мм².

К надежности кабельных линий и, следовательно, к их изоля­ции предъявляются повышенные требования, так как на поиск ме­ста повреждения и особенно на его устранение в подземных лини­ях затрачивается много времени и средств.

В силовых кабелях высокого напряжения используется пропи­танная бумажная изоляция, полиэтиленовая, масляная изоляция, газовая изоляция под давлением. Наиболее распространенным ви­дом изоляции силовых кабелей высокого напряжения является про­питанная бумажная изоляция. Бумажные ленты шириной от 5 до 30 мм из кабельной бумаги толщиной от 0,02 до 0,17 мм плотно наматываются на токопроводящие жилы с зазором 1—2 мм. Нали­чие зазора позволяет бумажной ленте при изгибании кабеля пере­мещаться без деформации. Ленты вышележащего слоя должны пе­рекрывать зазоры между витками нижележащего.

Пропитка бумаги выполняется кабельным маслом, вязким ком­паундом или газом. Благодаря этому электрическая прочность бу­маги и зазоров между бумажными лентами существенно возрас­тает (примерно от 3—5 до 40—80 МВ/м). Повышение электриче­ской прочности связано с заполнением пропиточным составом воздушных зазоров между витками бумаги и воздушных включе­ний в ней.

В качестве пропитывающих вязких компаундов используют маслоканифольные и синтетические составы. Помимо высокой электрической прочности эти составы должны обладать высокой вязкостью при рабочих температурах кабелей (50—80 °С) и неболь­шой вязкостью при температурах пропитки кабелей (105—120°С). Для пропитки силовых кабелей напряжением до 10 кВ используют маслоканифольный состав марки МП-1 (15 % канифоли, 85 % про­питочного масла марки П-28), а для пропитки кабелей на напряже­ния 20—35 кВ — более вязкий состав марки МП-2 (36 % канифоли, 64 % пропиточного масла марки П-28). Применяются также соста­вы других марок, например кабельная масса марки МКП-35, пред­ставляющая собой масло-канифольный состав, в который для уве­личения вязкости добавлено около 15 % полиизобутилена.

Для пропитки кабелей, предназначенных для вертикальной про­кладки, применяют нестекающие пропиточные составы, например марки НКМ-35 (50% масла П-28, 30% низкомолекулярного поли­этилена, 15 % церезина и 5 % канифоли).

У кабелей с вязкой пропиткой в процессе эксплуатации в толще диэлектрика возникают газовые включения, которые приводят к снижению электрической прочности их изоляции. Появление газо­вых включений обусловлено тем, что при нагревании жилы кабеля пропиточная масса вытесняется от жилы к оболочке кабеля, где часть ее остается при последующем охлаждении кабеля. Пустоты, возникающие в изоляции у жилы кабеля, заполняются газом, элек­трическая прочность которого значительно ниже прочности про­питочного состава.

Вязкая пропитка оказывается недостаточно эффективной для кабелей на напряжения 35 кВ и выше. Для таких кабелей в каче­стве пропитки используются кабельные масла, изготовляемые из нефти определенных месторождений и прошедшие тщательную очистку и дегазацию. Например, масло марки МН-1, получаемое из доссорской или анастасьевской нефти, тщательно очищают, су­шат, фильтруют, а затем в него вводят различные присадки, уменьшающие его окисляемость и увеличивающие газопоглоща­емость.

Для пропитки кабелей, кроме нефтяных масел, используют син­тетические (например, масло марки МНК-2 на основе алкилбензолов). Такие масла стойки к окислению и имеют достаточно высо­кую газопоглощаемость.

Наряду с жидкими диэлектриками для пропитки кабелей исполь­зуют газы (азот, элегаз).

На протяжении более 30 лет в качестве изоляции и защитных оболочек кабелей используют пластмассу. Многие ее виды имеют высокую электрическую прочность и хорошие физико-химические характеристики, что позволяет уменьшить толщину изоляции, об­легчить и упростить конструкции кабелей.

Наиболее широкое применение в кабельной промышленности нашли полиэтилен и полиизобутилен. Для изоляции используется полиэтилен низкой плотности, а полиэтилен с добавкой 1—2 % сажи находит применение в качестве защитных оболочек кабелей. По­лиизобутилен является основным компонентом нестекающих про­питочных составов, используемых в кабелях вертикальной и на­клонной прокладки.

Кабели с вязкой пропиткой. Кабели с вязкой пропиткой изготав-ляются на напряжение до 35 кВ. Такие кабели выпускаются несколь­ких типов с 1—4 жилами. Каждому типу кабеля присвоена опреде­ленная марка-обозначение. Например, марка АОСК означает ка­бель с алюминиевыми жилами (А), которые отдельно изолированы (О), со свинцовой оболочкой (С), с броней из круглых проволок (К).

На рис. 3.13, а приведена конструкция трехжильного кабеля с поясной изоляцией и секторными жилами. При секторной форме жил достигается наиболее полное использование объема кабеля. Каждая жила имеет собственную фазную изоляцию, а все три жилы имеют общую поясную изоляцию относительно свинцовой оболоч­ки. Наличие поясной изоляции позволяет увеличить и изоляцию жил кабеля относитель

но оболочки без увеличения фазной изоля­ции. Пространство между фазной и поясной изоляциями заполня­ется жгутами, скрученными из джута или из низкокачественной ка­бельной бумаги. Между свинцовой оболочкой и броней наматыва­ется слой кабельной пряжи, пропитанной битумом, что уменьшает вероятность смятия свинцовой оболочки в местах изгиба кабеля.

Картина электрического поля в кабелях с секторными жилами достаточно сложная. Кроме нормальной составляющей напряжен­ности электрического поля здесь имеется тангенциальная состав­ляющая, направленная вдоль слоев пропитанной бумаги. Из-за на­личия тангенциальной составляющей рабочая напряженность в та­ких кабелях не превышает 32 кВ/см, что затрудняет создание кабелей такого типа на напряжения выше 10 кВ.

Кабели с вязкой пропиткой на напряжение 20 и 35 кВ имеют от­дельно освинцованные или экранированные жилы (рис. 3.13, б), что устраняет возможность появления тангенциальной составляющей электрического поля и приводит к увеличению максимальной ра­бочей напряженности до 42 кВ/см при переменном напряжении и до 300 кВ/см при постоянном напряжении.

При монтаже кабелей с вязкой пропиткой пропиточный состав не вытекает из концов кабеля. Однако в условиях эксплуатации при наклонном расположении кабеля наблюдается постепенное отека­ние этого состава в нижнюю часть трассы. В верхнем участке кабе­ля появляются пустоты, заполняемые газом, а в нижнем повыша­ется давление, что может привести к повреждению металлической оболочки кабеля. Поэтому разность уровней начала и конца кабе­ля ограничивается: к примеру, для кабелей 6—10 кВ она не должна превышать 15 м.

Для вертикальной и наклонной прокладок используются кабе­ли с обедненнопропитанной вязкой изоляцией. Достигается это тем, что кабель в процессе изготовления нагревают, в результате чего около 70 % пропиточного состава из него вытекает. Толщину изо­ляции таких кабелей приходится увеличивать. Кроме таких кабе­лей для вертикальной прокладки используют кабели, пропитанные нестекающими составами. Конструкции кабелей с вязкой пропит­кой одинаковы.

Маслонаполненные кабели. Маслонаполненные кабели изготав­ливаются на напряжения выше 35 кВ. По уровню давления они разделяются на кабели низкого давления (до 0,4—0,5 МПа) и вы­сокого давления (0,7—2,5 МПа). Наибольшие рабочие напряжен­ности маслонаполненных кабелей возрастают с увеличением дав­ления и составляют 60—100 кВ/см у кабелей низкого давления, 80—120 кВ/см у кабелей среднего давления и достигают 180 кВ/см у кабелей высокого давления.

Конструкция маслонаполненных кабелей низкого и среднего давления примерно одинакова. Различие состоит в том, что у кабе­лей среднего давления защитные покровы и броня имеют большую механическую прочность, чем у кабелей низкого давления. При­мер устройства маслонаполненного кабеля среднего давления при­веден на рис 3.14, а.

В маслонаполненных кабелях на напряжения ПО—220 кВ осо­бое внимание уделяется регулированию электрических полей. Для увеличения рабочей напряженности в

этом кабеле жила выполне­на из луженых Z-образных медных проволок и экранирована по­лупроводящей бумагой, что обеспечивает большую гладкость ее поверхности, а изоляция сделана градированной (из бумаги раз­ной толщины и плотности).

Для поддержания требуемого давления масла и компенсации его теплового расширения в условиях эксплуатации в кабелях низ­кого и среднего давления вдоль трассы через каждые 1—2,5 км ус­танавливаются стопорные муфты и герметизированные баки дав­ления и питания. Баки связаны трубопроводами с масляными ка­налами жил кабеля. Стопорные муфты служат для присоединения масляных трубопроводов к кабелям, а также для разделения со­седних участков кабеля. Последнее исключает возможность пере­текания масла из одного участка кабеля в другой и устраняет опас­ность вытекания масла из всей линии при повреждении оболочки кабеля.

Маслонаполненные кабели высокого давления изготавливают­ся на напряжения 110—500 кВ. Принципиальная конструкция этих кабелей показана на рис. 3.14, б. Изолированные и экранирован­ные жилы, снабженные наложенными на них полукруглыми про­волоками скольжения, размещаются в стальных трубах. Стальная труба воспринимает на себя давление масла и одновременно явля­ется надежной защитой от механических воздействий и поврежде­ний изоляции кабеля. Изоляция каждой из жил пропитана вязким составом и покрыта эластичным, герметически плотным покровом (например, полиэтиленом). Благодаря эластичности герметический покров передает изоляции давление масла, заполняющего трубу. Предназначен он также для предотвращения контакта изоляции кабеля с маслом, заполняющим трубу, так как оно не предназнача­ется для изоляции кабеля, а служит для передачи давления на него. Электрические характеристики масла могут быть низкими.

Маслонаполненные кабели в стальных трубах обычно не име­ют стопорных муфт и подпитывающей аппаратуры, распределен­ной по трассе. Поддержание требуемого давления масла в трубе осуществляется с помощью автоматических подпитывающих уст­ройств, устанавливаемых на одном или на двух концах линии.

Газонаполненные кабели. Газонаполненные кабели имеют кон­струкцию, аналогичную маслонаполненным, только вместо масла в них вводится чистый и сухой газ (обычно азот). Газ может вво­диться в изоляцию (рис 3.15) (аналог маслонаполненных кабелей низкого и среднего давлений) либо служить только для передачи давления на изоляцию через герметичную оболочку (аналог мас­лонаполненных кабелей высокого давления). Преимуществом га­зонаполненных кабелей низкого и среднего давлений является срав­нительно большой запас прочности при аварийном падении дав­ления, что позволяет не отключать их немедленно, если это произойдет.

Преимуществом газонаполненных кабелей перед маслонаполненными состоит в том, что у них более простая схема поддержа­ния давления, но условия охлаждения токопроводящих жил хуже.

Конструкция газонаполненных кабелей под давлением до­статочно проста: в стальной или алюминиевой трубе находятся токопроводящие жилы, закрепленные на фарфоровых или эпок­сидных изоляторах. Линия собирается из отрезков таких труб и заполняется сжатым газом, обычно элегазом. Такие кабели име­ют ряд преимуществ: сравнительно простую конструкцию, малые

Рис. 3.15. Трехжильный газонаполнен­ный кабель на напряжение 35 кВ:

1 — токопроводящая жила; 2 — обедненнопропитанная бумажно-масляная изо­ляция; 3 — экран из полупроводящей бу­маги; 4 — трубка с негерметичной стен­кой; 5— сплошная трубка; 6— защитная оболочка из алюминия или свинца; 7 — наружный покров и броня

диэлектрические потери, харак­терную для воздушной изоляции способность к восстановлению электрической прочности после случайного пробоя, малую ем­кость на единицу длины. Газона­полненные кабели под давлением наиболее эффективно могут быть использованы при сверхвысоких напряжениях (750—1150 кВ) и могут оказаться экономически

более выгодными, чем воздушные линии электропередачи на та­кие же напряжения.

Кабели с пластмассовой изоляцией. Кабели с пластмассовой изо­ляцией выпускаются на напряжения 35—110 кВ. Конструкция та­ких кабелей на напряжение 6 кВ достаточно проста: токопроводящая жила покрывается сплошным слоем полиэтилена (у кабелей на напряжения выше 6 кВ имеются дополнительные экраны из по­лупроводящего полиэтилена поверх изоляции или поверх жилы). Наличие таких экранов уменьшает влияние воздушных включений, возникающих на границе изоляции с жилой, и делает электриче­ское поле в изоляции более однородным. Выпускают также кабе­ли с защитными покровами и броней, как у кабелей с вязкой про­питкой.

В кабеле с пластмассовой изоляцией на напряжение 11О кВ (рис. 3.16) токопроводящая жила имеет сечение 350 и 625 мм2. По­верх токопроводящей жилы последовательно накладываются: слой электропроводящего вулканизированного полимера; эмис­сионный слой; слой изоляции из вулканизированного полимера; экран из медной ленты, гофрированной в поперечном направле­нии; оболочка из полиэтилена или поливинилхлоридного плас­тиката.

Для сооружения кабельных линий напряжением 11О кВ комп­лектно с кабелем с пластмассовой изоляцией поставляются кабель­ные и стопорные муфты.

Преимущества пластмассовых кабелей по сравнению с кабеля­ми с вязкой пропиткой состоят в

том, что масса их меньше и не требуется система оболочек, за­щищающих изоляцию от вне­шних воздействий. Однако нагревостойкость существующих изоляционных пластмасс существенно ниже, чем у бумажной изоляции с вязкой пропиткой.

Рис 3.16 Кабель на напряжение 110 кВ с пластмассовой изоляцией

1-токопроводящая жила, 2-пластмассовая жила, 3- экран из медной ленты, 4-изоляция из полиэтилена, 5-эмиссионный слой, 6- экран из полупроводящего вулканизированного полимера

Кабельные муфты. Для соединения отрезков кабеля в линию, а также для присоединения концов кабеля к шинам распределитель­ных устройств или аппаратов используют соединительные или кон­цевые муфты. Кабельные муфты (соединительные и концевые) яв­ляются ответственным элементом кабельной линии. Так как мон­таж кабельных муфт происходит не в заводских условиях, а на месте прокладки кабелей, то их изоляция имеет более низкое качество, чем изоляция кабелей. В связи с этим изоляционные расстояния в муфтах увеличиваются. Конструкции кабельных муфт определяют­ся рабочим напряжением, типом кабеля и состоянием окружающей среды в месте прокладки кабеля.

Пример конструкции соединительной кабельной муфты одно­фазного кабеля на напряжение 35 кВ приведен на рис. 3.17, а. Мон­таж такой соединительной муфты осуществляется следующим об­разом: свинцовая оболочка снимается с концов кабелей, а их изо­ляция срезается на конус уступами; жилы соединяются с помощью опрессовываемой металлической гильзы; на жилы, гильзу и изоли­рующую часть кабеля наносится эпоксидный компаунд (или бумаж­ные пропитанные ленты); затем производится заливка эпоксидно­го компаунда. Для того чтобы не было повышения напряженности у краев свинцовых оболочек кабелей, устанавливаются внутренние экраны в виде конусов. Вся конструкция закрывается металличе­ским кожухом.

Концевые муфты кабелей (рис. 3.17, б) 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 разделки.