Силовые кабели среднего напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена. Факторы качества

К настоящему времени организовано новое производство кабелей среднего напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена (ПЭ) на трех российских заводах: "Камкабель" (10 кВ), "Кавказкабель" (10 кВ), "Иркутсккабель" (10, 20 и 35 кВ) и украинском заводе "Южкабель" (10, 20 и 35 кВ). Проводится освоение технологии изготовления таких кабелей еще на трех российских заводах: "Севкабель", "Сарансккабель" и "Электрокабель", причем пуск производства намечено осуществить в 2005 году. С учетом действующего производства фирмы "АББ Москабель", кабели среднего напряжения будут выпускаться на постсоветском пространстве на восьми предприятиях с суммарной производственной мощностью не менее 8,5 тыс. км/год в приведении к трехжильному кабелю, что позволит заменить на рынках продаж 40-50% кабелей с пропитанной бумажной изоляцией на кабели с изоляцией из сшитого ПЭ.

В системе Мосэнерго, начиная с 1996 года, накоплен положительный опыт монтажа и эксплуатации кабелей с изоляцией из сшитого ПЭ на напряжение 10 кВ, на основе которого было принято решение с 2004 года применять только такие кабели при строительстве новых кабельных линий и реконструкции старых, отказавшись от использования кабелей с пропитанной бумажной изоляцией. Региональные энергосистемы также в большинстве своем взяли курс на использование этих прогрессивных кабелей.

Таким образом, набирает темпы процесс замены кабелей с пропитанной бумажной изоляцией на кабели с изоляцией из сшитого ПЭ, предпосылками для которого являются высокие эксплуатационные показатели новых кабелей и наличие их отечественного производства.

Кабели отечественного производства в условиях свободных рыночных отношений и с учетом предстоящего вступления России в ВТО должны быть конкурентоспособными по отношению к кабелям передовых западных производителей, имеющих многолетний опытпроизводства и достигших высокого уровня качествав соответствии с требованиями стандартов ЕЭС (HD620, HD605). Поэтому факторы высокого качества кабелей являются непременным и главным условием для их освоения в производстве на российских заводах.

Монолитная полимерная изоляция кабелей, в отличие от пропитанной бумажной изоляции, является более чувствительной к разного рода посторонним включениям, пустотам и другим дефектам, которые повышают локальную напряженность электрического поля, снижают пробивные напряжения и создают предпосылки для образования водных триингов при эксплуатации кабелей в условиях влажной среды.

Рис. 1. Включение в изоляции волокно, распавшееся на 2 фрагмента с размерами 30 мкм (1) и 160 мкм (2)

Рис. 2. Частица стали размером 200 мкм, обнаруженная в изоляции

Рис. 3. Включение термически деструктированного полиэтилена размером 350 мкм

Рис. 4. Острый выступ электропроводящего экрана в изоляцию высотой 80 мкм

На рис. 1-4 показаны примеры посторонних включений и характерных дефектов в изоляции, выявленных в процессе электрических испытаний кабелей и обнаруженных при последующем анализе дефектности изоляционной системы*, выполненном в лаборатории ОАО "ВНИИКП" под руководством д-ра техн. наук М.Ю. Шувалова по его оригинальным методикам. Исследованные кабели изготовлены как отечественными, так и зарубежными производителями по технологиям пероксидной и силановой сшивки.

Размеры, количество, характер включений и дефектов в изоляционной системе оказывают непосредственное влияние на пробивную прочность изоляции кабелей.

Рис. 5. Зависимость электрической прочности от размера включений в изоляции

На рис. 5, по данным фирмы Sumitomo Electric,представлена минимальная электрическая прочность изоляции в зависимости от размера включений в изоляции кабелей и рекомендована расчетная напряженность (40 кВ/мм) при максимально допустимом размере включений (< 50 мкм). Приведенная зависимость подтверждена испытаниями электрической прочности кабелей среднего напряжения, выполненными в ОАО "ВНИИКП" в последние три года.

Включения и пустоты в изоляции, а также выступы на электропроводящих экранах, являются центрами роста электрических триингов как при длительных 2-годичных испытаниях на подтверждение надежности, так и в процессе эксплуатации кабелей в местах доступа влаги, например при местном повреждении наружной оболочки кабеля. На рис. 6 показан водный триинг в изоляции, выросший на постороннем включении.

Рис. 6. Инородное включение в изоляции и водный триинг, зародившийся на этом включении

Таким образом, важным критерием оценки качества кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена является электрическая прочность изоляции, определяющая надежность кабеля в целом.

Электрическая прочность изоляции кабелей на переменном и импульсном напряжениях определяется целым рядом факторов, в первую очередь разного рода макро и микродефектами в изоляционной системе *:

посторонними включениями различного вида (микрополости, термически деструктированные частицы материала изоляции, инородные частицы, например волокна и др.). Размеры включений, их форма и концентрация оказывают большое влияние на электрическую прочность;

выступами на электропроводящих экранах, обращенных в сторону изоляции. Форма выступов (острые, закругленные, их высота) также влияет на электрическую прочность.

* Под изоляционной системой кабелей понимается совокупность изоляции и полимерных электропроводящих экранов, внутри которых замыкается электрическое поле кабеля.

Указанные дефекты в изоляционной системе приводят к увеличению локальной напряженности электрического поля, снижая пробивную прочность изоляции. Определяя электрическую прочность на N образцах кабелей, мы получаем статистический набор минимальных пробивных напряжений, так как на любом из испытуемых образцов электрический пробой происходит в наиболее слабом месте по длине образца, то есть в месте дефекта, максимально ослабляющего прочность изоляции. В этом случае распределение пробивных напряжений P(Uпр) подчиняется распределению Вейбулла.

Из практики электрических испытаний известно, что статистика пробивных напряжений эффективно выявляет дефекты в изоляционной системе. Поэтому статистическая оценка качества кабелей может базироваться на определении пробивной прочности образцов кабелей, отбираемых в процессе производства. Полученные значения параметров в распределении Вейбулла характеризуют уровень технологии в тот или иной период производства (чем выше параметры U0,63 и m, тем выше уровень технологии). Этот же метод может применяться для сравнения уровня качества (технологии) разных производителей кабелей.

В качестве примера приведены данные по импульсной пробивной прочности кабелей на напряжение 10 кВ. Определена импульсная прочность на следующих выборках кабелей:

• кабель № 1 - опытный кабель, изготовленный по технологии силановой сшивки. Необходимые меры по чистоте технологического процесса к периоду пуска не были выполнены, и в изоляции опытного образца обнаружены волокнистые (рис. 1) и другие загрязнения, попавшие из атмосферы цехового воздуха;
• кабель № 2 - образцы взяты от промышленной партии кабелей после осуществления мероприятий по обеспечению чистоты технологического процесса (фильтрация цехового воздуха при вакуумном заборе гранулята, соблюдение регламента по чистке экструзионного оборудования и другие меры);
• кабель № 3 - промышленный кабель, изготовленный по технологии пероксидной сшивки (газовая вулканизация).

Каждая выборка кабелей №№1-3 состояла из 10 образцов с длиной активной части по 10 м и оконцеваний длиной по 2 м. В результатах испытаний учитывались только пробои кабелей, происходившие в активной части образцов.

Кабели испытывались импульсным напряжением полной волны при стандартной форме импульса и нормальной температуре окружающей среды. Начальное испытательное напряжение 105 кВ по 10 импульсов положительной и отрицательной полярности (нормированный уровень импульсной прочности) с дальнейшим ступенчатым подъемом напряжения отрицательной полярности по 3 удара на ступень до пробоя. Величина ступени подъема напряжения составляла 20 кВ.

В табл. 1 приведены импульсные пробивные напряжения, сгруппированные в порядке возрастания пробивной прочности для трех выборок испытанных кабелей.

Обозначения в табл. 1:

ni - номер образца в сгруппированном ряду;

P(Uпр) - вероятность пробоя.

, где N - количество образцов в выборке (N=10).

Таблица 1. Экспериментальные данные по импульсной прочности кабелей

По стандартным программам выполнена обработка экспериментальных статистических данных импульсной прочности кабелей по распределению Вейбулла и определены параметры этого распределения - U0,63, m и r, где r коэффициент корреляции опытных данных теоретическому распределению (1). Для выборки кабеля № 3 коэффициент корреляции получен недостаточно высокий (0,90). Поэтому по всем трем выборкам кабелей для сравнения определены и параметры нормального распределения - среднее значение пробивного напряжения и среднеквадратичное отклонение . Данные по параметрам распределений сведены в табл. 2.

Таблица 2. Параметры статистической пробивной прочности кабелей

На основании анализа экспериментальных данных можно сделать следующие выводы:

1. 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 (сравнение данных по кабелям №1 и №2).

2. Промышленные кабели, изготовленные по технологии силановой сшивки, по уровню электрической прочности и мере разброса не уступают кабелям, изготовленным по технологии пероксидной сшивки (сравнение данных по кабелям № 2 и № 3).

В соответствии с едиными европейскими стандартами HD620 (нормы испытаний) и HD605 (методы испытаний) в российских технических условиях предусмотрены 2годичные испытания кабелей на подтверждение надежности. Испытания кабелей без наружной оболочки проводятся во влажной среде (воде) с предварительной месячной выдержкой в горячей воде при температуре (55 ± 5)°С с последующим приложением 3кратного рабочего напряжения в течение двух лет. По окончании испытаний кабели доводятся до пробоя. Величина пробивной напряженности должна быть не менее 18 кВ/мм. В начале 2004 года отечественные кабели поставлены на 2годичные испытания. На рис. 7 показан стенд ОАО "ВНИИКП" для длительных испытаний кабелей.

Рис. 7. Стенд ОАО "ВНИИКП" для длительных испытаний кабелей

В настоящее время испытания продолжаются без случаев отказов (пробоев) как кабелей, так и концевых муфт.

Для снижения дефектности изоляционной системы кабелей с учетом ключевых факторов качества авторами разработана схема контроля по обеспечению качества при изготовлении кабелей среднего напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена (рис. 8). К мероприятиям, проведение которых обеспечивает необходимое качество выпускаемой продукции, можно отнести повышение чистоты и гладкости токопроводящей жилы; использование одновременного наложения экранов и изоляции с экспрессконтролем поверхности экранов; обеспечение чистоты электроизоляционной композиции полиэтилена и воздуха в помещении, в котором производится загрузка применяемых материалов. Разработанную схему предлагается использовать в системе обеспечения качества по ИСО9001 на предприятиях-изготовителях кабелей.

Рис. 8. Схема контроля качества при изготовлении кабелей среднего напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена

← Назад