10 технических характеристик кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена. Конструкция и состав.
Кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ), еще его называют кабель из вулканизированного полиэтилена, начал производиться более 20 лет назад. Сегодня такие кабеля приходят на замену кабелям с бумажно-пропитанной изоляцией.
В Европе уже практически все новые линии монтируются именно из СПЭ. При этом КЛ со свинцовой броней и вовсе запрещены. Мало того, их даже нельзя оставлять в земле. При ремонте они в обязательном порядке должны быть извлечены из грунта и утилизированы.
Структура сшитого полиэтилена представляет из себя монолитную конструкцию, имеющую измененные электрические и физические характеристики обычного полиэтилена.
Например, если температура плавления обычного полиэтилена около 140 градусов, то у сшитого уже 250 градусов цельсия. Также и диэлектрическая проницаемость у нового материала в 15 раз меньше, чем у бумажно-пропитанной изоляции.
Кроме этого, СПЭ очень твердый материал. Он всего лишь на 5 единиц уступает по твердости стали.
Сшивка полиэтилена может происходить двумя способами:
- радиационным – облучением жесткими гамма-лучами
Химический способ в свою очередь также делится на 2 вида:
Самый эффективный способ это облучение. Однако после такой обработки в кабеле остается большое количество остаточной радиации. Поэтому такой кабель опасен для обычной эксплуатации.
Одним из главных преимуществ пероксидной сшивки является то, что она делается при помощи катализатора – перекиси дикумила. При механической обработке, например снятии или просто распиливании изоляции у такого кабеля, сразу появляется резкий специфический запах.
Этот запах не переносят ни грызуны, ни насекомые.
При этом не боясь, что его погрызут мыши или крысы.
Изначально после сшивки, в изоляции кабеля находится метан. Поэтому его необходимо выдержать в специальной камере под давлением с температурой 70-80 градусов, чтобы удалить все газы.
Если кабель не качественный, то при монтаже муфт на КЛ из СПЭ возможны возгорания, именно из-за воздействия пламени горелки и метана выделяющегося из оболочки.
При производстве продукции особое внимание уделяется сверхвысокой чистоте полиэтилена. Допускается наличие примесей размером в 5 кубических микрон на 1см3. Это примерно как поместить один теннисный мячик в большом спортзале.
По конструкции кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена чем-то напоминают кабели с отдельно освинцованными жилами. Например БМПИ до 35кв: 
Здесь присутствует токоведущая жила круглой формы, на которую нанесен изолирующий слой. А поверх этого слоя идут дополнительные защитные слои.
Ранее, для высокого напряжения использовались и используются маслонаполненные кабели:
Однако затраты на эксплуатацию таких сетей очень большие. Практически за 10 лет работы требуется затратить столько же денег, сколько стоит сама кабельная линия.
Конструкция кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена единообразна для всех напряжений 6-10-35-110кв до 500кв включительно. Разница заключается в толщине основной изоляции.
Источник
Пример выбора кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена
Требуется обеспечить питание двух трансформаторов ТМ-4000/10 от подстанции. Линия состоит из двух групп одножильных кабелей АПвЭгП, группы могут быть расположены треугольником или в плоскости. Линия прокладывается в грунте (в траншее) и по территории предприятия по эстакаде. Расстояние между группами кабелей в траншее 200 мм, а на эстакаде равно диаметру группы кабелей, связанных в треугольник.
Линия имеет участок перехода в трубах длиной 20 м, проложенных в земле, каждый кабель в отдельной трубе. Расчетная температура воздуха 30 °С, грунта 20 °С. Глубина прокладки в земле 1 м, удельное тепловое сопротивление грунта 1 °К⋅м/Вт. Релейная защита отключает ток короткого замыкания через 0,2 с, величина тока короткого замыкания 24 кА.
Сечение токопроводящей жилы и марка кабеля выбраны по РД К28-003:2007 «Руководство по выбору, прокладке, монтажу, испытаниям и эксплуатации кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение от 6 до 35 кВ».
1. Определяем расчетный ток в нормальном режиме:
2. Расчетный ток кабельной линии в режиме допустимой перегрузки трансформатора на 40 % (послеаварийный режим) составит:
3. Определяем экономическое сечение, согласно ПУЭ раздел 1.3.25. Расчетный ток принимается для нормального режима работы, т.е. увеличение тока в послеаварийных и ремонтных режимах сети не учитывается:
где: Jэк =1,4 – нормированное значение экономической плотности тока (А/мм2) выбираем по ПУЭ таблица 1.3.36, с учетом что время использования максимальной нагрузки Тmax=4500 ч.
Сечение округляем до ближайшего стандартного 185 мм2.
Необходимо выбрать номинальное сечение жилы кабеля, допустимый ток для которого не менее 324 А.
Сечение 185 мм2 не проходить для кабелей, проложенных в земле для способа прокладки треугольником. В таблице 2.5 указан допустимый ток в земле 367 А, которому соответствует номинальное сечение алюминиевой жилы 240 мм2, а для кабеля сечением 185 указан 317 А 
4.1 Допустимый ток для заданных условий прокладки кабеля в траншее рассчитывается при помощи поправочных коэффициентов:
т.е. сечения жилы 240 мм2 при выбранных условиях прокладки достаточно.
4.2 Для прокладки в плоскости допустимый ток для номинального сечения жилы 240 мм2 в земле 373 А. Допустимый ток для заданных условий прокладки кабеля в траншее определяется с учетом коэффициентов:
4.3 Для участка кабеля, проложенного в отдельных трубах, допустимый ток составляет 351 А; поправочные коэффициенты:
4.4 Для кабеля, проложенного на воздухе (на эстакаде), допустимый ток составляет 502 А, поправочный коэффициент к5=1,00 (табл.2.21)
Таким образом, выбранное номинальное сечение 240 мм2 обеспечивает пропускную способность линии на всей длине трассы при выбранных видах прокладки.
5. Допустимый односекундный ток короткого замыкания для выбранного сечения жилы кабеля 22,7 кА (табл.2.25); соответствующий допустимый ток короткого замыкания продолжительностью 0,2 с составит:
т.е. больше требуемого тока 24 кА.
6. При выборе сечения медного экрана должно выполняться условие:
- Iк.з.экрана – допустимый ток медного экрана;
- I2ф(к.з.) – двухфазный ток КЗ. Для того чтобы получить двухфазный ток КЗ из трехфазного нужно умножить на √3/2.
6.1 Определяем двухфазный ток КЗ:
I2ф(к.з.) = √3/2* I3ф(к.з.) = 0,87*24 = 20,88 кА
Из табл.2.27 выбираем сечение медного экрана 50 мм2, при длительности короткого замыкания 0,2 с, допустимый ток короткого замыкания по экрану составит:
т.е. больше требуемого тока 20,88 кА, в принципе можно принять сечение медного экрана 50 мм2, но так как допустимое значение медного экрана близко к расчетному двухфазному току, чтобы перестраховаться принимаем сечение 70 мм2.
Таким образом, при указанных исходных данных выбран кабель АПвЭгП-10 1х240/70.
Источник
Нормы испытаний кабелей из сшитого полиэтилена (СПЭ)
Здравствуйте, уважаемые читатели и гости сайта «Заметки электрика».
При написании статьи про испытания повышенным напряжением кабелей с бумажной, пластмассовой и резиновой изоляцией, я не уделил внимания кабелям с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ). Хотя стоило, ведь методика их испытаний принципиально отличается.
В данной статье я хотел бы подробно раскрыть все нюансы по испытанию кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ), т.к. ни в ПУЭ (скачать последнее издание ПУЭ-7), ни в ПТЭЭП, об этом ни слова не сказано, а нормы испытаний для этих кабелей взяты из рекомендаций заводов-изготовителей, различных стандартов и ГОСТов (в том числе и зарубежных), которые значительно разнятся между собой.
В настоящее время у нас на предприятии на замену распространенным высоковольтным кабелям с бумажно-пропитанной изоляцией марки ААШв все чаще приходят кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена, сокращенно, СПЭ. Вот, например, один из последних проектов.
Согласно этого проекта, от распределительной подстанции напряжением 10 (кВ) до комплектной трансформаторной подстанции КТПН 10/0,4 (кВ) необходимо проложить кабель из сшитого полиэтилена марки АПвВнг(А)-LS (3х95).
Что же за кабели такие из сшитого полиэтилена?! И в чем заключается их преимущество?!
На примере кабеля АПвВнг(А)-LS рассмотрим его расшифровку и конструкцию:
- А — токопроводящая жила из алюминия
- Пв — изоляция жил из сшитого полиэтилена (СПЭ)
- Внг-LS — заполнитель и оболочка из ПВХ пластиката пониженной горючести с пониженным газо- дымовыделением
- (А) — категория исполнения в части пожарной безопасности
Кабель изготавливается с многопроволочными алюминиевыми жилами (1) круглого сечения (класс гибкости 2). Поверх каждой жилы методом экструзии накладывается экран из электропроводящей пероксидносшиваемой полиэтиленовой композиции (2). Далее жила изолируется пероксидносшиваемым полиэтиленом (3). На изолированную жилу методом экструзии снова накладывается экран из электропроводящей пероксидносшиваемой полиэтиленовой композиции (4). Затем на жилу накладывается комбинированный экран, состоящий из слоя электропроводящей бумаги или полимерной ленты (5), и повива из медных проволок (6), поверх которых спирально наложена медная лента.
Полученные три экранированные жилы скручиваются вокруг жгута из ПВХ пластиката (7) пониженной пожароопасности. Далее промежутки между жилами заполняются ПВХ пластикатом (8) пониженной пожароопасности и поверх накладывается оболочка из ПВХ пластиката (9) пониженной пожароопасности.
Приведу определение сшитого полиэтилена, взятое из ГОСТа Р55025-2012, п.3.7:
Вот так выглядит этот кабель в реальности. Слева, в красной оболочке, как раз таки, наш рассматриваемый кабель АПвВнг-LS, только другого сечения.
Кабели из сшитого полиэтилена могут быть не только многожильными, но и одножильными.
Про остальные марки кабелей СПЭ Вы можете более подробнее почитать на соответствующих ресурсах. Сейчас я на этом останавливаться не буду.
Кабели из сшитого полиэтилена обладают рядом преимуществ, таких как:
- отсутствие масла, что исключает возможность его вытекания при прокладке кабеля на разных перепадах высот («выдавленное» масло, или вязкий изоляционный пропиточный состав, высушит разделку, что в итоге может привести к короткому замыканию — примеры с такими авариями как раз таки приведены в статье про последствия при коротком замыкании)
- высокие изоляционные характеристики при низких диэлектрических потерях
- повышенная нагрузочная способность, по сравнению с кабелями с бумажно-пропитанной изоляцией (например, ААШв)
- значительный срок службы (не менее 40 лет), что на 10 лет больше, чем у того же кабеля ААШв
- гибкость кабеля позволяет прокладывать его в труднодоступных местах
- возможность прокладки при отрицательных температурах, вплоть до -15°С
- небольшой вес по сравнению с кабелями с бумажно-пропитанной изоляцией
К недостаткам я бы отнес следующее:
- высокая стоимость
- необходимость прохождения обучения по его монтажу и ремонту
- необходимость в специальном инструменте для его монтажа и ремонта
- высокая стоимость испытательной установки, но об этом поговорим чуть позже
Я никого не принуждаю и не заставляю прямо сейчас брать и переходить на кабели СПЭ — каждый сам для себя делает выбор в ту или иную сторону. Хотя скажу, что переход на данный вид кабеля у нас на предприятии, да и вообще, по городу, идет не совсем охотно и, возможно, что это связано больше с его перечисленными недостатками, а именно стоимостью и затратами на обучение, инструмент и испытательную установку.
А сейчас перейдем непосредственно к теме статьи.
Нормы испытаний кабелей из сшитого полиэтилена
Вы уже знаете, что кабели с бумажно-пропитанной изоляцией необходимо испытывать постоянным (выпрямленным) напряжением. Так вот запомните, кабели из сшитого полиэтилена испытывать постоянным напряжением не допустимо!
Так почему же кабели СПЭ необходимо испытывать только переменным напряжением?!
Сильно вдаваться в физические и химические процессы я не буду, но при проведенных исследованиях было выявлено, что при испытании кабеля СПЭ постоянным (выпрямленным) напряжением в слое изоляции из сшитого полиэтилена и на поверхности проводящих экранов возникает накопление локальных объемных зарядов, которые в конечном счете могут привести, либо к значительному снижению срока службы кабеля, либо к пробою его изоляции. Данному явлению больше всего подвергнуты кабельные муфты, т.к. они являются наиболее слабыми элементами кабельной линии.
Ниже я приведу все найденные мной нормы по испытаниям кабелей СПЭ, а затем расскажу какой вариант мы применяем в нашей электротехнической лаборатории (ЭТЛ).
1. Инструкции заводов-изготовителей по эксплуатации кабелей из сшитого полиэтилена
Не удивительно, но именно здесь я и нашел отличия по нормам испытаний. Что ни инструкция, то свои требования…
Вот например, в инструкции Кольчугинского завода «Электрокабель» сказано, что токоведущие жилы необходимо испытывать относительно экрана следующим испытательным переменным напряжением:
- 3Uо частотой 0,1 (Гц) в течение 1 часа
- Uо промышленной частотой 50 (Гц) в течение 24 часов (1 сутки)
- 2Uо промышленной частотой 50 (Гц) в течение 1 часа
При проведении испытаний остальные жилы и экраны кабеля должны быть обязательно заземлены.
Обратите внимание, что Uо — это фазное напряжение, т.е. напряжение между фазой и «землей» (заземленной нейтралью). Кстати, здесь многие путаются и уже на этом этапе допускают ошибки, которые приводят к преждевременному выходу кабеля СПЭ именно при испытаниях.
Система электроснабжения внутризаводских сетей напряжением 10 (кВ) нашего предприятия выполнена с изолированной нейтралью, а это значит, что фазное напряжение Uо составляет в корень из 3 раз меньше, чем линейное напряжение сети, т.е. при линейном напряжении 10,5 (кВ) фазное напряжение составляет порядка 6 (кВ).
Получается, что кабель из сшитого полиэтилена напряжением 10 (кВ) необходимо испытывать следующим образом:
- 18 (кВ) частотой 0,1 (Гц) в течение 1 часа
- 6 (кВ) промышленной частотой 50 (Гц) в течение 24 часов (1 сутки)
- 12 (кВ) промышленной частотой 50 (Гц) в течение 1 часа
Таблица по остальным классам напряжений:
Испытание сверх низкой частотой (СНЧ) обусловлено тем, что изменение полярности заряда компенсирует уже накопленные заряды, тем самым разряжая их. Но особенно эффективно происходит испытание кабеля именно сверх низкой частотой 0,1 (Гц) синусообразной формы.
Помимо основной изоляции, необходимо испытывать и оболочку кабеля, но при условии, что кабель проложен в земле. Это испытание проводится постоянным (выпрямленным) напряжением 10 (кВ) в течение 1 минуты. Испытательное напряжение прикладывается между экраном и «землей» (заземляющим устройством). После испытаний экран кабеля необходимо заземлить на время не менее 1 часа.
В инструкции совместной разработки ОАО «ВНИИКП» и ОАО «Фирма ОРГРЭС» требования к испытаниям несколько отличаются:
- 5Uо частотой 0,1 (Гц) в течение 15 минут
- Uо промышленной частотой 50 (Гц) в течение 24 часов (1 сутки)
Но, как альтернатива испытанию переменным напряжением, предлагается испытание кабеля проводить постоянным (выпрямленным) напряжением 4Uо в течение 15 минут. Таким образом, кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена напряжением 10 (кВ) допускается испытывать постоянным (выпрямленным) напряжением 24 (кВ) в течение 15 минут.
Вот данные для испытаний кабелей с другими классами напряжений.
Требования по испытанию оболочек кабеля в этой инструкции аналогичны, только постоянное (выпрямленное) напряжение 10 (кВ) должно быть приложено между экраном и заземлителем на время 10 минут, вместо 1 минуты.
2. Государственный стандарт ГОСТ Р 55025-2012
Согласно ГОСТ Р 55025-2012, п.10.6, кабели после прокладки и монтажа испытываются следующим образом:
- 3Uо частотой 0,1 (Гц) в течение 1 часа
- Uо промышленной частотой 50 (Гц) в течение 24 часов (1 сутки)
- 2Uо промышленной частотой 50 (Гц) в течение 1 часа
Как видите, нормы испытаний кабелей из сшитого полиэтилена, по сравнению с инструкцией Кольчугинского завода «Электрокабель», ни чем не отличаются.
Но в данном ГОСТе есть небольшое дополнение о том, что допускается испытывать кабели постоянным (выпрямленным) напряжением 4Uо в течение 15 минут, аналогично, как и по инструкции совместной разработки ОАО «ВНИИКП» и ОАО «Фирма ОРГРЭС».
Таким образом, кабель СПЭ напряжением 10 (кВ) допускается испытывать постоянным (выпрямленным) напряжением 24 (кВ) в течение 15 минут.
Вот данные для испытаний кабелей с другими классами напряжений.
Что касаемо оболочки, то требования к ее испытанию аналогичные требованиям инструкции заводов-изготовителей (см. выше).
3. Международный стандарт МЭК (IEC) 60502-2
В международном стандарте МЭК (IEC) 60502-2, п.20.2 сказано, что после монтажа кабеля и арматуры рекомендуется испытывать его следующим образом:
- 2Uо промышленной частотой 50 (Гц) в течение 5 минут
- 2Uо промышленной частотой 50 (Гц) в течение 24 часов (1 сутки)
Как видите, нормы испытаний, по сравнению с перечисленными выше инструкциями и ГОСТом, немного отличаются. Но удивительно то, что в данном стандарте ни слова не сказано про сверх низкую частоту 0,1 (Гц) при испытаниях.
Таким образом, для кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена напряжением 10 (кВ) испытательное напряжение должно составлять:
- 12 (кВ) промышленной частотой 50 (Гц) в течение 5 минут
- 12 (кВ) промышленной частотой 50 (Гц) в течение 24 часов (сутки)
Вот таблица для остальных классов напряжений.
Но в этом международном стандарте МЭК (IEC) 60502-2 предлагается альтернатива испытанию переменным напряжением, т.е. допускается испытывать кабели постоянным (выпрямленным) напряжением 4Uо в течение 15 минут. Но при этом ниже имеется примечание, что данный вид испытаний может привести к пробою изоляции кабеля!
Таким образом, кабель СПЭ напряжением 10 (кВ) допускается испытывать постоянным (выпрямленным) напряжением 24 (кВ) в течение 15 минут, что полностью совпадает с требованиями инструкции совместной разработки ОАО «ВНИИКП» и ОАО «Фирма ОРГРЭС», и ГОСТа Р 55025-2012.
Вот данные для испытания кабелей с другими классами напряжений.
По испытанию оболочек кабелей в данном стандарте ничего не сказано, а идет перенаправление на другой международный стандарт МЭК (IEC) 60229 (Раздел 5), которого в открытом доступе я не нашел.
Заключение
В данной статье я привел Вам известные мне нормы испытаний кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена, взятые из рекомендаций заводов-изготовителей, а также отечественного и зарубежного стандартов. Как видите, они немного отличаются между собой, поэтому каждый для себя сам определяет по каким нормам проводить испытания.
В нашей электролаборатории отсутствует специальная установка со сверх низкой частотой 0,1 (Гц), поэтому все кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена испытываем, согласно инструкции совместной разработки ОАО «ВНИИКП» и ОАО «Фирма ОРГРЭС и нашего отечественного ГОСТа Р 55025-2012, а именно постоянным напряжением 24 (кВ) в течение 15 минут.
Фрагмент протокола испытания кабеля из сшитого полиэтилена АПвВнг(А)-LS напряжением 10 (кВ) и сечением жил 3(1х95/25):
В качестве испытательного аппарата мы используем аппарат АИД-70 или АИИ-70 с выпрямителем.
Сам процесс (методика) испытаний нисколько не отличается от испытаний кабелей с традиционной изоляцией и об этом я подробно рассказывал в статье, ссылочку на которую привел в самом начале.
Вариант испытания переменным напряжением в течение часа, а тем более в течение 24 часов (целых суток), мы даже и не рассматривали. Даже не представляю себе, как физически можно испытывать кабель такое длительное время. Ведь в процессе испытаний необходимо непосредственно присутствовать и контролировать параметры испытательного напряжения, тока утечки, различного рода скачки, пробой и т.п.
Да и к тому же, как показала практика, навести испытательное переменное напряжение частотой 50 (Гц) на кабели длиной более 100 метров физически не представляется возможным из-за повышенной емкости кабеля на такой частоте. При незначительном наведении испытательного напряжения в кабеле появляется значительный емкостной ток, при котором срабатывает защита испытательного аппарата.
Испытывать кабели СПЭ постоянным напряжением все же как-то боязно, но за все время ни один кабель не вышел из строя во время испытаний и дальнейшей эксплуатации.
Дополнение 1. На данный момент мы полностью отказались от испытаний кабелей СПЭ постоянным напряжением, потому что уже неоднократно доказано на практике, что постоянное напряжение для такого вида изоляции все же является разрушающим.
Вопросы
Вопрос 1. Расскажите про свой опыт испытаний кабелей из сшитого полиэтилена. Чем руководствуетесь, какими нормами? Каким напряжением испытываете — переменным или постоянным? Какая длительность испытаний? Какими устройствами и аппаратами пользуетесь? Я думаю, что многим из читателей, и мне в том числе, важно знать мнения тех, кто уже имеет более «богатую» практику и опыт испытаний таких видов кабелей.
Вопрос 2. Планирую на следующий год заложить в бюджет приобретение установки сверх низкой частоты (СНЧ) для испытания кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена. На электротехническом рынке сейчас представлено множество моделей и установок СНЧ, причем, как отечественных так и зарубежных производителей. Правда они все дорогостоящие и их стоимость находится в пределах от 500 тыс.руб. и выше. Какими установками СНЧ Вы пользуетесь при испытаниях? Напишите в комментариях свои отзывы (достоинства и недостатки) по работе с той или иной установкой.
Дополнение 2. Изначально присматривался к австрийским установкам HVA-28 и HVA-30. Их стоимость на момент написания статьи составляла около 1 млн. рублей. Но из-за значительного ограничения бюджета на 2017 год пришлось присмотреться к более дешевым представленным установкам на рынке. Таким образом, попалась мне на глаза приставка АВ-60-01. Планирую ее использовать в паре с существующими аппаратами АИИ-70 и АИД-70. Характеристики приставки АВ-60-01 вполне подходят нашим требованиям (величина выходного напряжения, емкость объекта и т.п.).
Правда есть один отрицательный момент. По указаниям завода-изготовителя вес приставки АВ-60-01 составляет около 100 (кг). Я изначально был очень сильно удивлен этому, ведь такую установку далеко не унесешь, а зачастую нам приходится испытывать кабели на различных подстанциях, причем далеко не одноэтажных.
Но не так давно к нам приезжали сотрудники сторонней ЭТЛ на испытание кабелей из сшитого полиэтилена с этой самой приставкой АВ-60-01. И как оказалось, на самом деле она не весит свои заявленные 100 (кг). Реальный вес ее высоковольтного блока не более 40 (кг). По испытаниям тоже нареканий нет, так что скорее всего свой выбор остановлю именно на ней. К тому же ее стоимость вполне приемлема по сравнению с указанными выше установками, и составляет порядка 150-170 тыс. руб.
Другая ЭТЛ, привлеченная со стороны, испытывала кабели СПЭ с помощью установки Frida производства Baur (Австрия).
Установка Frida мне очень понравилась, т.к. она более компактная и не требует отдельного испытательного аппарата, как в случае с АВ-60-01. Frida — это самостоятельная испытательная установка. Во время испытаний можно наблюдать множество различных параметров (изоляция, емкость, ток, температура, вид синусоиды, время и т.п.). Правда вот данная установка имеет более высокую стоимость по сравнению с приставкой АВ-60-01 или АИСТ СНЧ 36, которую мы решили приобрести.
Источник
