Что такое сшивка кабеля

Конструкция, технические характеристики и особенности СПЭ кабелей из сшитого полиэтилена

Кабель из сшитого полиэтилена вошел в практику российских электромонтеров несколько позже других видов проводниковой продукции. Однако он стремительно набирает популярность и все чаще применяется на объектах стран СНГ. Поэтому даже опытным специалистам желательно познакомиться с СПЭ кабелями поближе.

Достоинства СПЭ

Изоляция СПЭ кабеля позволяет добиться более хороших эксплуатационных характеристик в сравнении с другими материалами. Улучшению технических свойств проводника способствует сложная технология сшивки молекул полиэтилена. Полученный материал обладает рядом преимуществ:

1. Изоляция из сшитого полиэтилена выдерживает более высокие температуры в сравнении с устаревшими бумажными кабелями. Поэтому проводники способны перенести больший нагрев. Соответственно по СПЭ кабелю возможно передать к потребителю больший ток и мощность.
2. Такой проводник легче переносит нагрев, возникающий при токах короткого замыкания. СПЭ кабель выходит из строя при КЗ в 15 раз реже.
3. Изоляция из сшитого полиэтилена легче резины. Это упрощает его прокладку.
4. В строении отсутствует масло. Соответственно он не способен высохнуть и потерять электрическую прочность. Вдобавок снижается риск загрязнения окружающей среды.
5. Продолжительный срок службы более 30 лет. Отчасти это вызвано низкой впитывающей способностью полиэтилена.

Конструкция проводника

Кабель из сшитого полиэтилена в первую очередь отличается материалом основной изоляции. В обычном проводнике изолирующий слой выполнен из пропитанной диэлектрическим маслом бумаги и резины. В СПЭ изолятор изготовлен из сшитого полиэтилена. Но это не тот материал, который используется при производстве одноразовых пакетов. Разумеется, и нитками здесь ничего не сшивается.

Жилы плотно прилегают к полимерному наполнителю. Конструкция исключает образование пустот и складок в теле проводника. Вдобавок полиэтилен крайне плохо впитывает и пропускает воду. Поэтому токоведущие жилы защищены от коррозии и межфазного пробоя.

Конструкция кабеля из СПЭ

Производство кабелей из сшитого полиэтилена

Химически сшитый полиэтилен состоит из тех же молекул что и обычный. Однако между ними формируются дополнительные связи атомов углерода. Данная реакция осуществляется с помощью двух методов:

1. Радиационный. Наиболее дешевый способ производства. Исходное сырье облучается жесткими гамма-лучами. В результате образуются новые химические связи между молекулами. Однако полученный на выходе проводник обладает остаточной радиацией. Поэтому такой метод используют крайне редко.
2. Химический. Менее опасный. Делится на два подвида: пероксидная и силановая сшивка.

Пероксидный метод более эффективен. Сшивается до 85% молекул. В качестве реагента выступает перекись водорода. Реакция осуществляется при температуре 200°C.

Силановый метод позволяет сшить до 70% молекул этилена. В реакции используются катализаторы и вода. Силаны — это соединения кремния с водородом.

Технические характеристики СПЭ кабелей

Характеристики СПЭ могут иметь незначительные отличия у различных производителей. Это вызвано отличающимися способами производства и техническими нормами конкретного завода изготовителя. Поэтому перед прокладкой следует внимательно ознакомиться с технической документацией. Обычно она имеется на барабане с проводником. С примерными характеристиками трехжильных кабелей из сшитого полиэтилена можно ознакомиться в таблице.

Сечение жилы СПЭ кабеля напряжением 6-10 кВ, кв. мм	Продолжительные допустимые токи, А
	Медь	Алюминий
50	223	173
70	273	212
95	326	253
120	370	288
150	414	322
185	467	365
240	540	423
300	607	477
400	683	543
500	768	618
630	858	702
800	–	788

Важно! При поиске повреждения кабеля специальными приборами (Р5-10 и подобные) необходимо учитывать коэффициент укорочения линии. Этот показатель определяется материалом изоляции, формой жил и другими техническими характеристиками. Для кабелей из сшитого полиэтилена при расчете используют значения коэффициента от 1,5 до 1,67.

Общая информация о кабеле содержится в его маркировке. Например, АПвП — распространенный вид проводника. Расшифровка букв имеет следующий вид:

• А — материал токоведущей жилы — алюминий;
• Пв — изоляция из сшитого полиэтилена;
• П — полиэтиленовая наружная оболочка.

Обозначение силовых кабелей

Варианты конструктивного исполнения

Проводники с изоляцией из сшитого полиэтилена производятся на номинальное напряжение от 0,4 до 500 кВ. В алюминиевом исполнении токоведущие жилы обладают сечением от 35 до 800 кв. мм. Медные же образцы производятся сечением от 25 до 630 кв. мм.

СПЭ проводник обладает 1, 2 или 3 токоведущими жилами. Силовые кабели дополнительно оснащаются наружным слоем из металлической брони. Она выполняет не только защитную функцию, но и препятствует излучению помех от токоведущих жил.

Низковольтные модели имеют обычную оболочку из сшитого полиэтилена. При напряжении 10 кВ защитный слой выполняется более толстым. А при 110 кВ изоляция усилена дополнительными ребрами жесткости.

Изоляция АПвПу2г 110 кВт с ребрами жесткости

В зависимости от исполнения отличаются и противопожарные свойства. Применяемые материалы не поддерживают горение. По пожарной безопасности они соответствуют категории А или В.

Строение

Со строением СПЭ проще ознакомится на примере одножильного силового проводника. В середине находится токовод из меди или алюминия. У многожильных кабелей он бывает круглого или треугольного сечения. Далее идет полупроводящий слой. Затем мощная толстая изоляция из сшитого полиэтилена.

Следующий слой разделительный. Он изготовлен в виде ленты и наматывается на кабель при его производстве. Далее идет медный экран. Дополнительно он усиливается лентами из аналогичного металла. За ним следует влагозащитный слой, изготовленный из прорезиненной ткани или полимерной ленты. Снаружи располагается оболочка из полиэтилена или усиленного ПВХ пластика.

Дополнительная информация. Предпочтительней использовать кабели с тоководами круглого сечения. Треугольная форма имеет острые грани. Они образуют большую напряженность поля, способную повредить сшитый полиэтилен. Также нет специального инструмента для разделки проводов треугольного сечения. Поэтому приходится делать это вручную при помощи ножа.

Толщина изолирующего слоя зависит от номинального напряжения трассы и тока, на который она рассчитана. Чем выше напряжение, тем больше вероятность высоковольтного пробоя и межфазного замыкания. А чем больше ток в кабеле, тем сильнее он греется и нуждается в теплоотводе.

Классификация СПЭ кабелей

По классу номинально напряжения проводники из сшитого полиэтилена подразделяются на 3 группы:

1. До 35 кВ — 1-я группа.
2. 45-150 кВ — 2-я группа.
3. 220 кВ и выше — 3-я группа.

По площади сечения токопроводящей жилы:

1. До 1600 кв. мм — 1-я.
2. 70-2000 кв. мм — 2-я.
3. 400-2000 кв. мм — 3-я.

По количеству токопроводящих жил:

1. 1 или 3 токовода — 1-я группа.
2. 1 — 2-я и 3-я группа.

Кабель силовой с алюминиевыми жилами 10 кВт

С точки зрения материала токоведущей жилы СПЭ кабеля бывают:

По типу материала наружной оболочки:

1. Полимерное покрытие.
2. ПВХ пластик.
3. Полиэтилен.

По типу защиты от механических повреждений:

1. Бронирование стальными лентами.
2. Проволокой из стали.
3. Алюминиевой проволокой.

Кабель с проволочной броней

Важно! СПЭ кабели категорически запрещено испытывать постоянным напряжением. Его воздействие приводит к возникновению триингов, которые в последующем приведут к пробою изоляции. Поэтому для высоковольтных испытаний данной проводниковой продукции применяются установки переменного тока.

Особенности заземления кабельной трассы

Наружное покрытие СПЭ проводников выполнено из полупроводящего материала. Это необходимо для поиска повреждения оболочки. Однако этот факт создает некоторые сложности при заземлении.

Если к земле подключаются оба конца кабеля, то при протекании по нему тока на внешней оболочке наводится ЭДС. В результате возникает ток, циркулирующий между землей и полупроводящей оболочкой. Это приводит к лишним и нежелательным потерям активной энергии. Проблема решается разделением линии на 3 участка и транспозицией отрезков полупроводящей оболочки. Для этого выпускаются специальные транспозиционные муфты, которые позволяют выполнить отвод от оболочки отдельным высоковольтным проводом.

Транспозиционная муфта 110 кв

Практикуют и другой способ заземления экрана — подключение с одного конца. В таком случае на оставшемся свободным окончании кабеля наводится чрезмерно большое напряжение. Это требует подключения разрядников или ограничителей перенапряжения (ОПН). Их рекомендуется использовать на 6 кВ. Перед испытанием линии все ОПН придется отключать, что крайне неудобно на длинных трассах.

Трехфазные кабели

Выпускаются различные модификации трехфазных кабелей. На практике чаще всего используют изделия с отдельным экранированием каждой жилы. Дополнительно у них может быть один общий экран для всего кабеля. Такая комбинация позволяет уменьшить помехи, испускаемые во внешнюю среду.

Существует и другой способ прокладки. При нем каждая фаза укладывается отдельным кабелем. Такой метод предпочтительней для мощных проводников сечением от 240 кв. мм, ведь проще укладывать 3 тонких кабеля, чем один толстый. Раздельная прокладка трех фаз благоприятно сказывается и на пропускной способности линии. Разведенные друг от друга жилы менее подвержены перегреву и способны пропустить без разрушения больший ток.

Раздельная прокладка фаз одножильными проводниками

СПЭ обладает повышенной надежностью. Он проще переносит нагрев, токи короткого замыкания и влажную среду в траншее. Из-за отсутствия масла он невосприимчив к разности высот при прокладке. Такие достоинства позволяют добиться бесперебойности в работе и внушительного срока эксплуатации более 30 лет.

В то же время достоинства есть и с точки зрения электромонтажников. СПЭ проводник более прост в работе. Он имеет сниженный вес и меньший радиус изгиба. Эти факторы делают его более предпочтительным для монтажа, от простоты и удобства которого зависит стоимость работ.

Источник

Технология производства кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена

Для производства кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена используется современное технологическое и испытательное оборудование ведущих мировых производителей:

Линия трехслойного экструдирования изоляции и экранов фирмы «Mailleffer» (Финляндия), оснащенная точными системами дозирования полимерных компонентов, непрерывного измерения различных характеристик кабелей и компьютерными системами контроля и регулировки технологических параметров линии;

Линия трехслойного экструдирования изоляции и экранов фирмы «Mailleffer»

Испытательный комплекс фирмы «Haefely» (Швейцария) для обеспечения испытаний в полном соответствии с требованиями международных и отечественных стандартов.

Испытательный комплекс фирмы «Haefely»

Для изоляции кабелей используются высококачественные чистые полиэтиленовые композиции последнего поколения для силанового сшивания фирмы «Borealis» (разработаны и получили широкое применение с 1998 года).

Использование современного оборудования, отвечающего требованиям передовых технологий, и высококлассных технологических материалов позволяет производить силовые кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена, соответствующие международному стандарту МЭК 60 502-2.

О технологии сшивания изоляции

Благодаря идеальному сочетанию в полиэтилене электрических, физических и технологических свойств, изоляция кабелей стала одной из важнейших областей его применения.

Однако, изоляции кабелей и проводов из термопластичного полиэтилена присущи существенные недостатки, главными из которых является ползучесть и резкое ухудшение механических свойств при температурах, близких к температуре плавления, вплоть до потери формоустойчивости. Кроме того, внутренние напряжения, «замороженные в изоляции» при ее изготовлении, проявляют себя при повышенных рабочих температурах, приводя к заметной усадке, а в ряде случаев и к растрескиванию изоляции.

Эти проблемы можно решить, применяя сшитый полиэтилен, который имеет существенные преимущества перед термопластичным: высокие электрические и механические параметры в более широком диапазоне рабочих температур, малую гигроскопичность (водопроницаемость) и т.д.

Указанные выше положительные качества сшитого полиэтилена достигаются благодаря процессу сшивки. Термин «сшивка» подразумевает изменение молекулярной структуры полиэтилена. Поперечные связи, образующиеся в процессе сшивки между молекулами полиэтилена, создают новую трехмерную структуру, которая и определяет высокие электрические и механические характеристики материала.

При производстве кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 10 кВ используются две технологии сшивания изоляции:

технология пероксидной сшивки на линиях газовой вулканизации для кабелей среднего (10-35 кВ) и высокого напряжений (110 кВ и выше);

технология силановой сшивки для кабелей низкого и среднего напряжения (0,66-20 кВ).

1. Технология пероксидной сшивки

Исторически технология пероксидной сшивки получила преимущественное распространение по следующим причинам:

возможность производства на технологических линиях газовой вулканизации кабелей как среднего, так и высокого напряжений;

из-за коммерческого интереса производителей технологических линий (стоимость линии газовой вулканизации примерно в 2 раза выше «силановой», и, соответственно, монопольные производители линий были заинтересованы в продвижении такой технологии).

В настоящее время наступило насыщение мирового рынка данным видом оборудования, и потребность в таких линиях значительно снизилась.

С 1953 года в производстве кабелей среднего напряжения с изоляцией из СПЭ главную роль играла сшивка при помощи пероксидов в среде пара, а в последние годы – в среде газа (сухая вулканизация). Основной недостаток пероксидной сшивки в том, что процесс является точным (под термином «точный» в пероксидной сшивке понимается обеспечение точности технологического процесса, любое отклонение от которого ведет к неудовлетворительному качеству кабеля или вообще к браку), сложным и дорогим. В связи с этим специалисты начали искать другие пути химической модификации (сшивки) полиэтилена. Такой путь был найден в 70-х годах фирмой «Down Corning». Он позволил использовать органофункциональные силаны для сшивки полиэтилена с помощью достаточно простого и гибкого в использовании двухстадийного процесса «Sioplas».

Однако, до сих пор некоторые производители кабелей, оснащенные линиями газовой вулканизации, для продвижения на рынке России и стран СНГ своих кабелей используют в конкурентной борьбе различные доводы в пользу технологии газовой пероксидной вулканизации, необоснованно отвергая альтернативную технологию силановой сшивки.

2. Технология силановой сшивки

Трехэкструдерная прессовая группа

Структура сшитого полиэтилена

Станция подготовки и подачи материалов фирмы «Motan»

В предыдущие годы технология силановой сшивки получила меньшее распространение, чем технология пероксидной сшивки в производстве кабелей среднего напряжения, но начиная с 80-х годов ряд известных зарубежных фирм успешно производят кабели на напряжения 11, 22, 33 кВ по этой технологии: фирма «BICC» (Великобритания), фирма «NKF» (теперь «Pirelli») в Нидерландах, ряд австралийских фирм, фирма «Kabelwerk Studer» (Швейцария). Всего в мире эксплуатируется несколько десятков технологических линий для производства кабелей среднего напряжения по технологии силановой сшивки. Только фирма «Mailleffer» поставила к настоящему времени 20 технологических линий, которые успешно работают по этой технологии.

Суть технологии силановой сшивки заключается в следующем:
Линейные цепочки полиэтилена соединяется посредством так называемого «силанового мостика» Si-O-Si, а не связи С-С, которая имеет место в пероксидной сшивке. Поскольку каждый атом Si имеет по три реакционноспособных группы, то в каждом узле сшивки может быть соединено до шести макромолекул полиэтилена (при пероксидной сшивке в связи С-С соединяются всего 2 макромолекулы). Это обеспечивает большую густоту молекулярной сетки, что, несомненно, положительно сказывается на свойствах материала.

С учетом анализа международного опыта, а также последних достижений в области материалов и оборудования по методу силановой сшивки полиэтилена было принято решение по организации производства кабелей 10 кВ по данной технологии на заводе «Камкабель», г. Пермь.

В связи с тем, что технология силановой сшивки не применялась ранее в России при производстве кабелей среднего напряжения и имеют место необъективные представления о качественных показателях кабелей, распространяемые из конкурентных соображений зарубежными и отечественными производителями кабелей по пероксидносшиваемой технологии – в совместном «Решении ВНИИКП и МКС «Мосэнерго» об освоении производства и применения силовых кабелей на напряжение 10 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена» была предусмотрена программа сравнительных испытаний кабелей, изготовленных по технологии силановой и пероксидной сшивки.

В лабораториях ВНИИКП (Всероссийского научноисследовательского института кабельной промышленности) был выполнен достаточно широкий круг испытаний и исследований кабелей на напряжение 10 кВ, изготовленных по технологии силановой и пероксидной сшивки.

На основании результатов проведенных испытаний сделаны следующие заключения:

1. Уровень технических требований, предусмотренных в нормативно-технической документации (НТД) на промышленный выпуск кабелей с силаносшитой изоляцией, по основным пунктам выше требований НТД на кабели с пероксидносшитым ПЭ:

Технические требования (нормы)	ТУ 16.К71-025-96* с изм. № 3 от 21.05.03	ТУ 16.К71-300-2000
Материал изоляции	Силаносшитый ПЭ	Пероксидносшитый ПЭ
Уровень частичных разрядов на строительной длине, пКл	5,0	10,0
Испытательное напряжение на строительной длине: — основное испытание, кВ/мин — дополнительное испытание**, кВ/мин	25/10 40/5	25/10 нет
Испытание циклами нагрева и охлаждения, число циклов	20	3
Испытание на подтверждение надежности: 2-х годичные испытания по нормам HD-605	Предусмотрены	Предусмотрены
Конструкция трехжильного кабеля в виде 3х фаз одножильных, скрученных с шагом, кратностью	Предусмотрена	Нет (по условиям производства)

* ТУ 16.К71-025-96 c изменением № 3 от 21.05.2003 г. были доработаны в соответствии с требованиями европейских стандартов – введены требования по подтверждению надежности путем 2-х годичных испытаний по методу HD-605, ужесточены нормы приемо-сдаточных испытаний кабелей на строительных длинах, предусмотрено применение силановых композиций полиэтилена для изоляции и экранов кабелей.

** Дополнительное испытание каждой строительной длины 40 кВ в течение 5 мин введено для более глубокого выявления возможных дефектов и, как следствие, для повышения надежности кабеля в эксплуатации. Выбор величины и длительности приложения напряжения обоснован опытными данными ВНИИКП по изучению электрической прочности кабелей в зависимости от вида и размеров дефектов.

Остальные технические и эксплуатационные параметры, включая срок службы, допустимые температуры и токи нагрузки, конструктивное исполнение кабелей, области применения и другие показатели у кабелей, изготовляемых по сравниваемым ТУ, одинаковые.

2. Результаты квалификационных испытаний кабелей перед постановкой на производство положительные по всем проверенным параметрам и с запасом удовлетворяют требованиям НТД:

за счет применения систем дозирования полимерных компонентов и устройств для непрерывного измерения геометрии кабеля, получены минимальные отклонения по эксцентриситету и разностенности электропроводящих экранов и изоляции кабеля;

уровень частичных разрядов, измеренный на строительных длинах и на образцах кабелей после изгиба и после 20 циклов нагрева-охлаждения, с запасом удовлетворяет норме по данному параметру (фактические значения от 0,34 до 1,5 пКл при норме 5,0 пКл);

изоляция кабеля из силаносшитого ПЭ имеет низкий уровень диэлектрических потерь при температуре 95-100 °С: тангенс угла диэлектрических потерь равен 0,000015-0,00002;

изоляция кабеля имеет высокую стойкость к тепловой деформации при 200 °С, что свидетельствует о качестве силановой сшивки;

кабели отвечают требованиям на продольное проникновение влаги, стойкость к монтажным изгибам при минус 20 °С, к воздействию окружающей среды при температурах +50 и -60 °С;

определена электрическая прочность изоляции кабелей при частоте 50 Гц. Кабели имеют достаточный запас по прочности: U_0,63 = 179,1 кВ, при норме 90 кВ и приемлемую норму разброса m = 20,38. Среднеквадратичное отклонение ± 6,57 кВ.

3. Сравнительные исследования характеристик изоляционных систем кабелей, изготовленных по технологии силанового и пероксидного сшивания, показали преимущества силаносшитой изоляции по морфологическим свойствам, внутренним механическим напряжениям и скорости роста электрических триингов.

Морфологические (структурные) свойства изоляционных слоев, сшитых разными способами, аналогичны. Изоляция, изготовленная по технологии силановой сшивки, содержит меньшее количество характерных крупномасштабных структурных элементов («облаков»), и сами эти элементы имеют меньшие размеры;

Силаносшитая изоляция характеризуется пониженной интенсивностью внутренних механических напряжений;

Степень сшивки изоляции в обоих кабелях одинакова. Силаносшитая изоляция в исходном состоянии отличается более высокой термоокислительной стабильностью;

Силаносшитая изоляция обладает более высокой кратковременной локальной электрической прочностью, определяемой по скорости роста электрических триингов.

4. Статистическая оценка качества кабелей показала, что изготовленные промышленные партии кабелей по уровню импульсной электрической прочности и мере разброса превосходят кабели, промышленно изготовляемые по технологии пероксидной сшивки.

Статистическая оценка качества кабелей, основанная на определении импульсной прочности в сочетании с оптическими методами, позволяет контролировать дефектность изоляционной системы и, соответственно, уровень технологии в различные периоды производства.

рис. 1

рис. 2

Исследования электрической прочности, выполненные в Нидерландах (NKF Kable B.V.) на кабелях среднего напряжения с пероксидной и силановой сшивкой, показаны на рис. 1 в исходном состоянии и на рис. 2 – после старения во влажной среде при напряженности 4,0 кВ/мм в течение 2000 ч. Электрическая прочность пероксидносшитой изоляции кабелей после старения снизилась практически в два раза, а кабелей силаносшитых – лишь на 12%. В пероксидносшитой изоляции после старения зафиксированы триинги типа «бант» и «дельта». В силаносшиваемой изоляции триинги не обнаружены.

5. Результаты измерений влагосодержания в силаносшитой изоляции на основе современной технологии (Visico) подтвердили ранее обнаруженные закономерности низкого влагосодержания в данном виде изоляции.

Результаты измерений влагосодержания, %
Пероксидная сшивка	Силановая сшивка
0,118 ± 0,024	0,043 ± 0,020

Длина водных триингов в образцах SXLPE и XLPE

Экспериментальные результаты показывают, что длина водных триингов в образцах с силаносшиваемым полиэтиленом (SXLPE) меньше, чем в образцах пероксидносшиваемого полиэтилена (XLPE).

О феномене пониженного влагосодержания в силаносшитом полиэтилене

Для реализации процесса силанового сшивания необходима вода, которая поступает в объем изоляции за счет диффузии в период выдержки кабеля во влажной среде (водяном паре, горячей воде). В процессе реакции сшивки диффундированная влага расходуется с выделением побочного продукта реакции сшивки — метанола СН3-ОН. Последний является легколетучим продуктом и удаляется из изоляции. Таким образом, в силаносшиваемой изоляции полиэтилена обеспечивается низкое влагосодержание за счет расходования диффундированной влаги при реакции сшивки, которая продолжается и после того, как кабель удален из влажной среды (эффект «самоосушения» ПЭ изоляции).

Следует отметить, что процесс силанового сшивания полиэтилена во влажной среде в непрофессиональном понимании отдельных специалистов или в целях лоббирования на рынке кабелей, изготовленных по альтернативной технологии газовой вулканизации, неправомерно приравнивается к процессу паровой вулканизации ПЭ на основе пероксидной сшивки, который применялся в 70 – 80х годах прошлого столетия при производстве кабелей среднего напряжения.

Процесс паровой вулканизации ПЭ связан с присущими ему недостатками, которые повсеместно проявились в низкой триингостойкости и, соответственно, малом сроке службы кабелей первого поколения.

Анализ морфологии силаносшитой изоляции кабелей подтвердил отсутствие микрополостей, заполненных водой и характерных для метода паровой вулканизации ПЭ. Результаты измерений влагосодержания в силаносшитой изоляции на основе современных технологий (Visico) также подтвердили ранее обнаруженные закономерности низкого влагосодержания в данном виде изоляции.

На основании изложенных результатов работы, ВНИИКП рекомендует к применению в энергосистемах кабелей на напряжение 10 кВ, производимых ОАО «Камкабель» по технологии силанового сшивания.

Источник