Высоковольтный кабель ( кабель HV ), иногда называемый кабелем высокого напряжения ( кабель HT ), — это кабель, используемый для передачи электроэнергии под высоким напряжением . Кабель включает в себя проводник и изоляцию . Кабели считаются полностью изолированными. Это означает, что они имеют полностью номинальную систему изоляции, которая будет состоять из изоляции, полупроводниковых слоев и металлического экрана. Это отличается от воздушной линии , которая может включать изоляцию, но не полностью рассчитана на рабочее напряжение (например, провод для деревьев). Высоковольтные кабели разных типов имеют множество применений в приборах, системах зажигания и передаче электроэнергии переменного (AC) и постоянного (DC) тока. Во всех применениях изоляция кабеля не должна ухудшаться из-за высокого напряжения, озона, образующегося при электрических разрядах в воздухе, или трекинга. Кабельная система должна предотвращать контакт высоковольтного проводника с другими объектами или людьми, а также должна сдерживать и контролировать ток утечки. Кабельные соединения и клеммы должны быть спроектированы для управления высоким напряжением, чтобы предотвратить пробой изоляции.
Длина отрезков высоковольтных кабелей может варьироваться от нескольких футов до тысяч футов, относительно короткие кабели используются в аппаратуре, а более длинные кабели прокладываются внутри зданий или в качестве подземных кабелей на промышленных предприятиях или для распределения электроэнергии. Самые длинные отрезки кабеля часто будут подводными кабелями под океаном для передачи электроэнергии.
Как и другие силовые кабели , высоковольтные кабели имеют структурные элементы одного или нескольких проводников, систему изоляции и защитную оболочку. Высоковольтные кабели отличаются от низковольтных кабелей тем, что у них есть дополнительные внутренние слои в системе изоляции для управления электрическим полем вокруг проводника. Эти дополнительные слои требуются при напряжении между проводниками 2000 вольт и выше. Без этих полупроводящих слоев кабель выйдет из строя из-за электрического напряжения в течение нескольких минут. Эта технология была запатентована Мартином Хохштедтером в 1916 году; [1] экран иногда называют экраном Хохштедтера, а экранированный кабель раньше назывался кабелем H-типа. В зависимости от схемы заземления экраны кабеля могут быть подключены к земле на одном конце или на обоих концах кабеля. Сращивания в середине кабеля также могут быть заземлены в зависимости от длины цепи и от того, используется ли полупроводниковая оболочка в прямых подземных цепях.
С 1960 года экструдированные кабели с твердым диэлектриком заняли доминирующее положение на рынке распределения. Эти кабели среднего напряжения обычно изолированы полимерной изоляцией EPR или XLPE. Изоляция EPR распространена на кабелях от 4 до 34 кВ. EPR обычно не используется свыше 35 кВ из-за потерь, однако ее можно найти в кабелях 69 кВ. XLPE используется на всех уровнях напряжения от класса 600 В и выше. Иногда на рынке продается изоляция EAM, однако ее проникновение на рынок остается довольно низким. Кабели с твердой экструдированной изоляцией, такие как EPR и XLPE, составляют большую часть производимых сегодня распределительных и передающих кабелей. Однако относительная ненадежность раннего XLPE привела к медленному принятию на передающих напряжениях. Кабели 330, 400 и 500 кВ сегодня обычно изготавливаются с использованием XLPE, но это произошло только в последние десятилетия.
Все более редким типом изоляции является PILC или кабель с бумажной изоляцией, покрытый свинцом. Некоторые коммунальные службы все еще устанавливают его для распределительных цепей в качестве нового строительства или замены. Себастьян Зиани де Ферранти был первым, кто продемонстрировал в 1887 году, что тщательно высушенная и подготовленная крафт-бумага может образовывать удовлетворительную кабельную изоляцию при 11 000 вольт. Ранее кабель с бумажной изоляцией применялся только для низковольтных телеграфных и телефонных цепей. Экструдированная свинцовая оболочка поверх бумажного кабеля требовалась для обеспечения того, чтобы бумага оставалась сухой. Массово-пропитанные кабели среднего напряжения с бумажной изоляцией стали коммерчески практичными к 1895 году. Во время Второй мировой войны на кабели наносилось несколько разновидностей изоляции из синтетического каучука и полиэтилена . [2] Современные высоковольтные кабели используют полимеры, особенно полиэтилен, включая сшитый полиэтилен (XLPE) для изоляции.
Можно считать, что закат PILC пришелся на 1980-е и 1990-е годы, когда городские коммунальные службы начали устанавливать больше кабелей с изоляцией EPR и XLPE. Факторами снижения использования PILC являются высокий уровень мастерства, необходимый для сращивания свинца, более длительное время сращивания, снижение доступности продукта внутри страны и давление с целью прекращения использования свинца по экологическим и безопасным причинам. Следует также отметить, что кабель с резиновой изоляцией и свинцовым покрытием пользовался короткой популярностью до 1960 года на рынках низкого и среднего напряжения, но не использовался широко большинством коммунальных служб. Большинство коммунальных служб часто считают, что существующие фидеры PILC близки к концу срока службы и подлежат программам замены.
Вулканизированная резина была запатентована Чарльзом Гудиером в 1844 году, но она не применялась для изоляции кабелей до 1880-х годов, когда ее стали использовать в цепях освещения. [1] В 1897 году кабель с резиновой изоляцией использовался для цепей напряжением 11 000 вольт, установленных для проекта по производству электроэнергии на Ниагарском водопаде .
Маслонаполненные, газонаполненные и трубчатые кабели в значительной степени считаются устаревшими с 1960-х годов. Такие кабели рассчитаны на значительный поток масла через кабель. Стандартные кабели PILC пропитаны маслом, но масло не предназначено для потока или охлаждения кабеля. Маслонаполненные кабели обычно имеют свинцовую изоляцию и могут быть приобретены на катушках. Трубчатые кабели отличаются от маслонаполненных кабелей тем, что они устанавливаются в жесткой трубе, обычно изготовленной из стали. В случае трубчатых кабелей сначала изготавливаются трубы, а затем, позднее, через них протягивается кабель. Кабель может иметь проволочные салазки для предотвращения повреждений во время процесса протягивания. Поперечный объем масла в трубчатом кабеле значительно выше, чем в маслонаполненном кабеле. Эти трубчатые кабели заполнены маслом при номинальном низком, среднем и высоком давлении. Более высокие напряжения требуют более высокого давления масла для предотвращения образования пустот, которые могут привести к частичным разрядам в изоляции кабеля. Трубчатые кабели обычно имеют систему катодной защиты, работающую от напряжения, в то время как масляная кабельная цепь не будет. Трубчатые кабельные системы часто защищены от образования пропусков с помощью асфальтового покрытия. Многие из этих трубчатых цепей все еще эксплуатируются сегодня. Однако они вышли из моды из-за высокой начальной стоимости и огромного бюджета O+M, необходимого для поддержания парка насосных установок.
Высокое напряжение определяется как любое напряжение свыше 1000 вольт. [3] Кабели напряжением от 2 до 33 кВ обычно называются кабелями среднего напряжения , а кабели напряжением свыше 50 кВ — кабелями высокого напряжения .
Современные высоковольтные кабели имеют простую конструкцию, состоящую из нескольких частей: проводника, экрана проводника, изоляции, экрана изоляции, металлического экрана и оболочки. Другие слои могут включать водоблокирующие ленты, рипкорды и броневые провода. Медные или алюминиевые провода переносят ток, см. (1) на рисунке 1. ( Подробное обсуждение медных кабелей см. в основной статье: Медный проводник . ) Изоляция, экран изоляции и экран проводника, как правило, основаны на полимерах, за редкими исключениями.
Конструкции с одним проводником до 2000 KCM обычно концентрические. Отдельные жилы часто деформируются в процессе скручивания, чтобы обеспечить более гладкую общую окружность. Они известны как компактные и сжатые проводники. Компактный вариант обеспечивает 10%-ное уменьшение внешнего диаметра проводника, в то время как сжатый вариант обеспечивает только 3%-ное уменьшение. Выбор сжатого или компактного проводника часто требует другого соединителя во время сращивания. Кабели передачи 2000 KCM и больше часто включают секторную конструкцию для снижения потерь из-за скин-эффекта. Кабели электропитания часто проектируются для работы при температурах проводника до 75C, 90C и 105C. Эта температура ограничивается стандартом конструкции и выбором оболочки.
Экран проводника всегда постоянно соединен с изоляцией кабеля EPR или XLPE в кабеле с твердым диэлектриком. Полупроводящий экран изоляции может быть соединен или снят в зависимости от желания покупателя. Для напряжений 69 кВ и выше экран изоляции обычно соединен. Съемный экран изоляции приобретается для сокращения времени сращивания и навыков. Можно утверждать, что съемный Semicon может привести к меньшему количеству проблем с качеством работы при среднем напряжении. [4] В кабелях с бумажной изоляцией полупроводящие слои состоят из углеродсодержащих или металлизированных лент, нанесенных поверх проводника и бумажной изоляции. Функция этих слоев заключается в предотвращении образования полостей, заполненных воздухом, и подавлении напряжения между металлическими проводниками и диэлектриком, чтобы не могли возникнуть небольшие электрические разряды и подвергнуть опасности изоляционный материал. [5]
Изоляционный экран покрыт медным, алюминиевым или свинцовым «экраном». Металлический экран или оболочка служит заземленным слоем и отводит токи утечки. Функция экрана не заключается в проведении неисправностей, но эта функциональность может быть спроектирована при желании. Некоторые конструкции, которые могут быть использованы, включают медную ленту, концентрические медные провода, продольно гофрированные экраны, медные плоские полосы или экструдированную свинцовую оболочку.
Оболочка кабеля часто полимерная. Функцией оболочки является обеспечение механической защиты, а также предотвращение проникновения влаги и химических веществ. Оболочки могут быть полупроводящими или непроводящими в зависимости от условий почвы и желаемой конфигурации заземления. Полупроводящие оболочки также могут использоваться на кабелях для помощи в тестировании целостности оболочки. Некоторые типы оболочек — LLDPE, HDPE, полипропилен, ПВХ (нижняя часть рынка), LSZH и т. д.
В ходе разработки высоковольтной изоляции, которая заняла около полувека, две характеристики оказались первостепенными. Во-первых, введение полупроводниковых слоев. Эти слои должны быть абсолютно гладкими, без выступов даже размером в несколько мкм . Кроме того, сплавление между изоляцией и этими слоями должно быть абсолютным; [6] любое расщепление, воздушный карман или другой дефект — опять же, даже размером в несколько мкм — вреден для кабеля. Во-вторых, изоляция не должна содержать включений, полостей или других дефектов того же размера. Любой дефект такого типа сокращает срок службы кабеля под напряжением, который, как предполагается, составляет порядка 30 лет или более. [7]
Сотрудничество между производителями кабелей и производителями материалов привело к появлению марок XLPE с жесткими спецификациями. Большинство производителей XLPE-компаунда указывают «сверхчистый» сорт, где количество и размер посторонних частиц гарантированы. Требуется упаковка сырья и его выгрузка в условиях чистого помещения в кабельных машинах. Разработка экструдеров для экструзии и сшивания пластмасс привела к созданию кабельных установок для изготовления бездефектной и чистой изоляции. Окончательный контроль качества — это испытание частичных разрядов повышенным напряжением 50 или 60 Гц с очень высокой чувствительностью (в диапазоне от 5 до 10 пикокулон). Это испытание проводится на каждой катушке кабеля перед отправкой. [ необходима цитата ]
Высоковольтный кабель для передачи постоянного тока высокого напряжения (HVDC) имеет ту же конструкцию, что и кабель переменного тока, показанный на рисунке 1. Физика и требования к испытаниям различны. [8] В этом случае гладкость полупроводниковых слоев (2) и (4) имеет первостепенное значение. Чистота изоляции остается обязательной. Полупроводниковым материалом может быть пластик XLPE ( сшитый полиэтилен ) с сажей. [9]
Многие кабели HVDC используются для подводных соединений постоянного тока , поскольку на расстояниях более 100 км переменный ток больше не может использоваться. По состоянию на 2021 год самым длинным подводным кабелем является кабель North Sea Link между Норвегией и Великобританией, длина которого составляет 720 км (450 миль).
Терминалы высоковольтных кабелей должны управлять электрическими полями на концах. [10] Без такой конструкции электрическое поле будет концентрироваться на конце заземляющего проводника, как показано на рисунке 8.
Здесь показаны эквипотенциальные линии, которые можно сравнить с контурными линиями на карте горного региона: чем ближе эти линии друг к другу, тем круче склон и тем больше опасность, в данном случае опасность электрического пробоя . Эквипотенциальные линии можно также сравнить с изобарами на карте погоды: чем плотнее линии, тем сильнее ветер и тем больше опасность повреждения. Для управления эквипотенциальными линиями (то есть для управления электрическим полем) используется устройство, называемое стресс-конусом , см. рисунок 9. [11] Суть снятия напряжения заключается в развальцовке конца экрана по логарифмической кривой. До 1960 года стресс-конусы изготавливались вручную с использованием ленты — после установки кабеля. Они были защищены концевыми муфтами , так названными потому, что вокруг ленты внутри металлического/фарфорового корпуса изолятора заливался герметизирующий компаунд/диэлектрик. Около 1960 года были разработаны предварительно сформированные концевые муфты, состоящие из резинового или эластомерного корпуса, который натягивается на конец кабеля. [12] На этот резиноподобный корпус R наносится экранирующий электрод, который разводит эквипотенциальные линии, чтобы гарантировать низкое электрическое поле.
Суть этого устройства, изобретенного NKF в Делфте в 1964 году, [13] заключается в том, что отверстие эластичного корпуса уже диаметра кабеля. Таким образом (синий) интерфейс между кабелем и стресс-конусом подвергается механическому давлению, так что между кабелем и конусом не могут образоваться полости или воздушные карманы. Таким образом предотвращается электрический пробой в этой области.
Эту конструкцию можно дополнительно окружить фарфоровым или силиконовым изолятором для использования вне помещений [14] или приспособлениями для ввода кабеля в силовой трансформатор под маслом или распределительное устройство под давлением газа [15] .
Соединение двух высоковольтных кабелей друг с другом создает две основные проблемы. Во-первых, внешние проводящие слои в обоих кабелях должны быть завершены без создания концентрации поля, [16] как при изготовлении кабельного наконечника. Во-вторых, должно быть создано свободное от поля пространство, где можно безопасно разместить обрезанную кабельную изоляцию и соединитель двух проводников. [17] Эти проблемы были решены NKF в Делфте в 1965 году [18] путем введения устройства, называемого биманшетом .
На рисунке 10 показана фотография поперечного сечения такого устройства. На одной стороне этой фотографии изображены контуры высоковольтного кабеля. Здесь красный цвет представляет собой проводник этого кабеля, а синий — изоляцию кабеля. Черные части на этой картинке — это полупроводящие резиновые детали. Внешняя часть находится под потенциалом земли и распространяет электрическое поле аналогично тому, как это происходит в кабельном наконечнике. Внутренняя часть находится под высоким напряжением и экранирует соединитель проводников от электрического поля.
Само поле отклоняется, как показано на рисунке 11, где эквипотенциальные линии плавно направлены от внутренней части кабеля к внешней части биманшета (и наоборот на другой стороне устройства).
Суть вопроса здесь, как и в кабельном наконечнике, в том, что внутреннее отверстие этого биманшета выбрано меньше диаметра над изоляцией кабеля. [19] Таким образом, между биманшетом и поверхностью кабеля создается постоянное давление, и избегаются полости или электрические слабые места.
Установка клеммной или двухманжетной манжеты — это квалифицированная работа. Технические этапы удаления внешнего полупроводникового слоя на конце кабелей, размещения тел управления полем, соединения проводников и т. д. требуют мастерства, чистоты и точности.
Склеивание вручную — это старый метод сращивания и концевой заделки кабеля. Изготовление этих соединений включает в себя использование нескольких типов лент и ручное наращивание соответствующего снятия напряжения. Некоторые из используемых лент могут быть резиновыми, полупроводниковыми, фрикционными, лакированными кембриковыми и т. д. Этот метод сращивания невероятно трудоемкий и занимает много времени. Он требует измерения диаметра и длины наращиваемых слоев. Часто ленты должны быть наложены внахлест и плотно натянуты, чтобы предотвратить образование окон или пустот в полученном сращивании. Гидроизоляция склеивания вручную очень сложна.
Предварительно формованные соединения представляют собой литые под давлением тела, созданные в два или более этапов. Благодаря автоматизации клетка Фарадея будет иметь точную геометрию и размещение, недостижимые в соединениях с лентой. Предварительно формованные соединения выпускаются во многих различных размерах, которые должны соответствовать внешнему диаметру кабеля Semicon. Для обеспечения водонепроницаемости требуется плотный интерфейс соединения. Эти соединения часто надавливаются и могут стать причиной травм мягких тканей у мастеров.
Термоусадочные соединения состоят из множества различных термоусадочных трубок: изолирующих и проводящих. Эти комплекты менее трудоемки, чем обмотка лентой, но более трудоемки, чем предварительно формованные. Могут возникнуть опасения по поводу открытого пламени в люке или хранилище здания. Также могут возникнуть проблемы с качеством работы при использовании горелки, поскольку трубки должны быть полностью восстановлены без подгорания, а любые используемые мастики должны затекать в пустоты и удалять весь воздух. Необходимо выделить достаточно времени и тепла. Также существует большое количество компонентов, которые должны быть размещены в правильном порядке и положении относительно центра соединения.
Холодная усадка — новейшее семейство соединений. Идея заключается в том, что полимерная трубка формируется в нужном диаметре для кабеля. Затем она расширяется по форме и помещается на трубку-держатель на заводе. Затем, готовая к установке, муфта очень легко надевается на конец кабеля. После установки соединителя сращивателю просто нужно отцентрировать корпус муфты, а затем отпустить держатель. Трубка автоматически восстановится до исходного размера. Единственная сложность заключается в том, что холодная усадка имеет срок годности около 2–3 лет. По истечении этого периода времени резина сформирует память и не восстановится до предполагаемого размера. Это может привести к выходу из строя муфты, если ее не установить до рекомендуемой даты. С точки зрения коммунального обслуживания это затрудняет отслеживание запасов или сохранение запасных частей для критически важных клиентов. Холодная усадка — это наиболее быстрорастущая область распределительных соединений, и считается, что она имеет наименьшее количество проблем с качеством изготовления и самое быстрое время установки.
Рентгеновские кабели [20] используются длиной в несколько метров для соединения источника высокого напряжения с рентгеновской трубкой или любым другим устройством высокого напряжения в научном оборудовании. Они передают небольшие токи, порядка миллиампер при постоянном напряжении от 30 до 200 кВ, а иногда и выше. Кабели гибкие, с резиновой или другой эластомерной изоляцией, многожильными проводниками и внешней оболочкой из плетеной медной проволоки. Конструкция имеет те же элементы, что и другие силовые кабели высокого напряжения.
Существуют различные причины неисправности изоляции кабеля при рассмотрении твердой диэлектрической или бумажной изоляции. Следовательно, существуют различные методы испытаний и измерений для подтверждения полной функциональности кабелей или для обнаружения неисправных. В то время как бумажные кабели в основном тестируются с помощью испытаний сопротивления изоляции постоянного тока, наиболее распространенным испытанием для систем твердого диэлектрического кабеля является испытание на частичный разряд. Необходимо различать испытание кабеля и диагностику кабеля .
В то время как методы тестирования кабеля приводят к выводу о годности/не годности, методы диагностики кабеля позволяют судить о текущем состоянии кабеля. С помощью некоторых тестов можно даже определить местоположение дефекта в изоляции до выхода из строя.
В некоторых случаях электрическое древообразование (водяные деревья) может быть обнаружено с помощью измерения тангенса дельта . Интерпретация результатов измерений в некоторых случаях может дать возможность отличить новый, сильно водный кабель. К сожалению, существует множество других проблем, которые могут ошибочно представляться как высокий тангенс дельта, и подавляющее большинство дефектов твердого диэлектрика не могут быть обнаружены этим методом. Повреждение изоляции и электрическое древообразование могут быть обнаружены и локализованы с помощью измерения частичного разряда . Данные, собранные во время процедуры измерения, сравниваются со значениями измерений того же кабеля, собранными во время приемочных испытаний. Это позволяет просто и быстро классифицировать диэлектрическое состояние тестируемого кабеля. Как и в случае с тангенсом дельта, этот метод имеет много оговорок, но при хорошем соблюдении стандартов заводских испытаний полевые результаты могут быть очень надежными.
