Особенности эксплуатации кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена

С начала 70-х годов прошлого века кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена активно заменяют кабели с бумажно-масляной изоляцией. Низкие величины относительной диэлектрической проницаемости, большой запас термической стойкости стали главной причиной, заставившей выбрать сшитый полиэтилен, как изоляционный материал для кабелей среднего и высокого напряжения. На рис.5. показана конструкция одножильного кабеля с ПЭ-изоляцией на напряжение 10 кВ. Конструкция препятствует росту водных триингов в радиальном и осевомнаправлении при работе в увлажнённых грунтах.

Рис.5. Типовая конструкция кабеля с ПЭ - изоляцией на напряжение10 кВ:

1 – алюминиевая токопроводящая жила; 2 – электропроводящие экструдированные экраны; 3 – изоляция из сшитого полиэтилена; 4 – электропроводящие влагонабухающие ленты; 5 – экран из медных проволок; 6 – разделительная обмотка лентой; 7 – оболочка из полиэтилена

С начала 70-х годов прошлого века кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена активно заменяют кабели с бумажно-масляной изоляцией. Применительно к силовым кабелям с изоляцией из сшитого полиэтилена гораздо более эффективным и экономичным является щадящий метод испытаний напряжением сверхнизкой частоты 0,1 Гц, которое по величине не превышает более чем в 3 раза номинальное фазное напряжение КЛ. Испытания при очень низких частотах со сменой полярности позволяют выявлять дефекты в изоляции без формирования объёмных зарядов в структуре полиэтиленовой изоляции, что приводит к резкому уменьшению ресурса такого кабеля, в отличие от того, как это происходит при приложении постоянного напряжения. Поэтому за рубежом кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена испытываются исключительно напряжением сверхнизкой частоты.
Возникает вопрос: возможно ли испытание кабельных линий, выполненных СПЭ кабелями постоянным напряжением по нормам, принятым для кабелей с пропитанной бумажной изоляцией?Отвечает заведующий отделом силовых кабелей ОАО “ВНИИКП”, к.т.н. Образцов Ю.В.:

Распределение постоянного напряжения по толщине электрической изоляции кабелей из сшитого полиэтилена и пропитанной бумаги принципиально разное. За счёт образования объёмных зарядов у электродов на внутренней и наружной поверхностях изоляции из сшитого полиэтилена образуется локальная концентрация электрического поля, которая может привести к разрушениям в виде скользящих разрядов и пробою в первую очередь кабельных муфт, являющихся более слабыми в электрическом отношении элементами КЛ. Такие случаи пробоя муфт неоднократно наблюдались при испытаниях КЛ на номинальное напряжение 10 – 35 кВ постоянным (выпрямленным) напряжением по нормам, предусмотренным в ПУЭ для кабелей с пропитанной бумажной изоляцией, где величина испытательного напряжения составляет 10,3 U₀. (где U₀фазное напряжение). В международных стандартах МЭК 60502-2, HD 620 для кабелей среднего напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена рекомендуется испытание КЛ проводить переменным напряжением, в т.ч. пониженной частотой 0,1 Гц. В качестве альтернативы допускается проводить испытания КЛ постоянным напряжением величиной 4Uo в течении 15 минут (п. 20.2.2 МЭК 60502-2) с характерным примечанием: “ испытание напряжением постоянного тока может повредить испытуемую систему изоляции “Таким образом, неправомерно переносить нормы испытаний КЛ постоянным напряжением для кабелей с пропитанной бумажкой изоляцией на кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена. Для последних воздействие испытательного постоянного напряжения величиной до 10U₀является разрушающим.

Общие сведения о высоковольтных испытаниях СНЧ (Сверхнизкой частоты).

Для испытания СПЭ - кабелей можно применять установки сверхнизкой частоты (СНЧ; или VLF – Very Low Frequency). Такие испытания не влияют на состояние материала изоляции и кабель не теряет своих свойств. Установка VLF подаёт в кабель постоянное напряжение частотой 0,1 Гц. Испытание производится напряжением, равным 3Uо, согласно утверждённым отраслевым стандартам (HD 620S1, VDE 0276-620,-621,-1001 и т.д.). Основной причиной увеличения уровня частичных разрядов при эксплуатации кабелей с изоляцией из СПЭ является рост водных триингов в изоляции. Технология создания кабельной изоляции из сшитого полиэтилена появилась в 70-х годах 20 века. Сшивка – создание пространственной решётки за счёт образования продольно-поперечных связей между макромолекулами полимера – увеличивает жёсткость изоляции при повышенных температурах. В процессе старения (деструкции) сшитого полиэтилена его эксплуатационные характеристики снижаются. Основная причина этого - водные триинги – повреждения полимера, развивающиеся на технологических дефектах изоляции при совместном действии электрического поля и влаги, диффундирующей из окружающей среды. Вместе с влагой в изоляцию проникают агрессивные вещества. Они разрушают полимерные цепи, приводя к образованию микрополостей, которые в свою очередь служат резервуарами для накопления влаги. Под воздействием электрического поля полярные молекулы воды образуют древовидные структуры, направленные вдоль силовых линий электрического поля - водные триинги. Электрическая прочность изоляции в области триингов существенно снижается, что повышает напряженность на неповрежденной части изоляции и ускоряет процесс роста триинга. Однако в настоящее время в материал изоляции кабеля вводятся химические соединения, которые противостоят образованию водных триингов. Типичная картина триингов в изоляции кабеля с изоляцией из СПЭ находящегося в эксплуатации представлена на Рис. № 6