Уже давно никто не сомневается в необходимости заменять в распределительных сетях, рассчитанных на среднее напряжение, широко используемые ранее кабели с изоляцией из пропитанной бумаги на кабели в изоляции из сшитого полиэтилена. Преимущества новых кабелей настолько очевидны, что уже сложно и припомнить, когда по этому поводу была последняя дискуссия.
На сегодняшний день все ведущие энергетические компании России при ремонте существующих кабельных линий на напряжение 10 кВ и при прокладке новых повсеместно применяют кабель в изоляции из сшитого полиэтилена.
Впервые в России изготовила кабель с СПЭ-изоляцией компания "АББ Москабель", в 1996 году. Тогда была использована, при изготовлении кабеля, технология пероксидной сшивки. И только в 2003 году ОАО "Камкабель" первым сумел освоить изготовление силового кабеля в изоляции из силаносшитого полиэтилена.
В эксплуатации и производстве данных видов силовых кабелей имеются определенные особенности, которые мы и рассмотрим ниже.
Достоинства кабелей в изоляции из сшитого полиэтилена
Переход к силовым кабелям в изоляции из СПЭ (сшитый полиэтилен) от кабелей в изоляции БПИ (бумажная пропитанная изоляция) был обусловлен постоянно растущими требованиями, которые выдвигают эксплуатирующие предприятия, к техническим характеристикам кабелей. Учитывая этот фактор, становится понятно, почему кабели в изоляции из сшитого полиэтилена столь привлекательны:
• за счет того, что увеличена рабочая температура жил (с 70°С до 90°С) выросла пропускная способность;
• диэлектрические потери уменьшены в 8 раз;
• при возникающем КЗ (коротком замыкании) значительно увеличился ток термической стойкости;
• кабель с изоляцией БПИ можно прокладывать только при температуре не ниже 0°С (если не используется предварительный подогрев), тогда как кабель в изоляции СПЭ может быть проложен, если температура окружающей среды не ниже -20°С;
• меньший вес, небольшой радиус и диаметр изгиба, что существенно облегчает прокладку кабеля при сложных трассах;
• при прокладке трасс нет ограничений, связанных с разностью уровней.
Кабели, изготавливаемые с изоляцией из сшитого полиэтилена, меньше требуют расходов, связанных с монтажом, содержанием и реконструкцией кабельных линий и более надежны и долговечны в эксплуатации. Данные факты подтверждены опытом эксплуатации, который насчитывает уже почти 40 лет, в абсолютном большинстве развитых промышленных странах. По зарубежным источникам можно сделать вывод, что электрические пробои кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена встречаются в десятки раз реже, чем у кабелей с изоляцией БПИ.
При строительстве кабельных линий на 6 – 10 кВ использование кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена дает возможность решить множество проблем, связанных с надежностью электроснабжения и оптимизацией сетей. В ряде случаев такие кабели позволяют даже полностью изменить традиционно принятые схемы сетей.
Сегодня в Северной Америке (Канада и США) доля кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена достигает 85%, в Дании и Германии – 95%, а Франция, Япония, Швеция и Финляндия для организации распределительных сетей среднего напряжения используют исключительно кабель в изоляции из СПЭ.
Особенности технологий сшивки полиэтилена
В современном производстве кабельной продукции полиэтилен стал одним из самых распространенных применяемых материалов. Но сам термопластичный полиэтилен изначально обладает рядом серьезных недостатков. Главным таким недостатком стало резкое падение механических характеристик, наблюдаемое при температурах близких к плавлению полиэтилена. Использование сшитого полиэтилена помогло решить данную проблему.
Широко известным термином «сшивка» называют процесс обработки на молекулярном уровне полиэтилена. В результате такой обработки возникают поперечные связи между макромолекулами полиэтилена, создающие трехмерную структуру, определяющую высокие механические и электрические характеристики материала, широкий диапазон рабочей температуры и пониженную гигроскопичность.
Молекулярная обработка, сшивка, встречается трех видов: силановая, пероксидная и радиационная. При изготовлении кабельно-проводниковой продукции используют первые две.
Наиболее широко распространена пероксидная сшивка. Ее суть заключается в обработке полиэтилена в среде нейтрального газа при помощи пероксидов. В процессе поддерживается давление 20 атм. и температура 300 – 400°С. Эта технология нашла свое применение при изготовлении кабелей высокого и среднего напряжения.
Силановая сшивка позволяет, за счет добавления специальных смесей (силанов), сшивать полиэтилен при значительно более низких температурах. До недавнего времени данная технология не была широко распространена. Используется силановая сшивка при изготовлении кабелей среднего и низкого напряжения.
Борьба технологий в точке пересечения интересов
По началу, производители кабелей среднего напряжения, проявляли незначительный интерес к технологии силановой сшивки. Это объяснялось тем, что были недостаточно проработаны электропроводящие и изоляционные компоненты, используемые при сшивании. Материалы, которые применяли в то время в силаносшиваемой технологии при изготовлении кабелей 0,4 – 1 кВ, не позволяли обеспечить трехслойное экструдирование и сшивку изоляции необходимой толщины (4мм).
Но ситуация изменилась чуть более 20 лет тому назад, когда ряд зарубежных производителей получили требуемые композиции и поставили на производство кабели с изоляцией СПЭ, рассчитанные на напряжение до 20 кВ.
Именно этот момент можно считать отправной точкой жесткой конкуренции изготовителей силовых кабелей, которые применяли различные технологии сшивания полиэтилена при их производстве. Борьба сконцентрировалась на секторе силовых кабелей на напряжение 6 – 20 кВ. Следует отметить, что производители кабелей на основе пероксидной технологии отличались куда более агрессивным поведением, видимо на правах старожилов.
Сегодня до России докатились уже не только отголоски этой борьбы, но и собственно она сама. Кабели, изготавливаемые по пероксидной технологии, известны на рынке России уже давно и отлично себя зарекомендовали. Силановая сшивка почти неизвестна потребителю и задачей производителя стала необходимость донести до эксплуатационников преимущества новой технологии.
Какая технология лучше?
С ролью арбитра прекрасно справился ведущий институт кабельной промышленности России – ВНИИКП. Образцы кабелей на 10 кВ, изготовленные по технологии пероксидной и силановой сшивки, подвергли в лабораториях ВНИИКП широкому спектру исследований и сравнительных испытаний.
У испытываемых образцов были идентичными такие показатели, как допустимые токи нагрузки и температуры, сроки службы, конструкции кабелей, области применения и другие соответствующие показатели.
Самым важным результатом исследований стал факт, что характеристики кабелей, которые были изготовлены с использованием силановой сшивки, находятся на уровне аналогичных кабелей, которые изготовили с использованием пероксидной сшивки.
Специалисты ВНИИКП отметили, что при испытаниях ряд параметров показал преимущества силаносшитой изоляции пред пероксидной. Однако была сделана оговорка, что полученные данные имеют отношение к конкретным образцам, подвергшимся исследованиям. К этим преимуществам были отнесены следующие параметры:
• структура силаносшитой изоляции более однородна, чем у пероксидной изоляции, что, при других совпадающих показателях, способствует повышению электрической прочности;
• у силаносшитой изоляции меньше внутреннее механическое напряжение, чем у пероксидной изоляции (показатели ниже по всем трем составляющим);
• у силаносшитой изоляции большее содержание антиоксиданта, чем у пероксидной изоляции (видимо из-за гораздо более низких температур вулканизации).
Для эксплуатирующих организаций важным параметром является степень содержания влаги в изоляции – именно этот показатель чрезвычайно влияет на срок эксплуатации кабеля. Ранее бытовало мнение, что силаносшитая изоляция обладает более высоким содержанием влаги, по сравнению с пероксидной изоляцией. Это мнение было вызвано тем, что вулканизация силаносшитой изоляции происходит в значительно более влажной среде. Однако проведенные испытания доказали, что на самом деле все совершенно не так: химические процессы при сшивании силанами обеспечивают гораздо меньшее содержание влаги, чем у пероксидной изоляции.
Помимо исследований механических и электрических характеристик изоляций в лабораториях ВНИИКП был проведен анализ предоставленных образцов на имеющиеся дефекты изоляции технологического происхождения.
Выводы одинаковые для всех предоставленных образцов: количество дефектов незначительно, что свидетельствует об имеющемся высоком контроле над качеством продукции у изготовителей кабелей, как по силановой технологии, так и по пероксидной.