содержание
В обширной архитектуре электроэнергетических систем кабели среднего напряжения (СН) служат важнейшими артериями, по которым электроэнергия поступает от источников генерации и высоковольтных линий электропередачи к конечным потребителям — заводам, торговым центрам и жилым районам. Как правило, работая в диапазоне напряжений от 1 кВ до 35 кВ (с распространенными номинальными значениями, такими как 6/10 кВ, 8,7/15 кВ и 12/20 кВ), эти кабели являются основой подземных и защищенных воздушных распределительных сетей. В отличие от своих низковольтных аналогов, используемых для проводки конечных потребителей, кабели СН имеют сложную многослойную конструкцию, позволяющую выдерживать более высокие электрические нагрузки, обеспечивая эффективную, безопасную и надежную передачу электроэнергии на средние расстояния с минимальными потерями.
Конструкция кабеля среднего напряжения — это чудо материаловедения, где каждый слой выполняет свою особую и жизненно важную функцию, работая согласованно для удержания и контроля электрического поля.
● Проводник: Обычно медный или алюминиевый, многожильный для обеспечения гибкости. Площадь поперечного сечения определяется таким образом, чтобы пропускать необходимый ток с приемлемыми потерями и повышением температуры.
● Экран проводника (экран многожильного провода): Тонкий экструдированный слой полупроводникового материала, который сглаживает электрическое поле на границе раздела между шероховатой поверхностью проводника и основной изоляцией. Он предотвращает частичные разряды — микроскопические искры, которые со временем разрушают изоляцию.
● Основная изоляция: Сердце кабеля. В настоящее время доминирующим материалом является сшитый полиэтилен (XLPE), ценимый за превосходную диэлектрическую прочность, термическую стабильность (до 90°C в непрерывном режиме) и устойчивость к влаге и химическим веществам. Исторически также использовался этиленпропиленовый каучук (EPR), ценимый за свою гибкость.
● Экран изоляции: Еще один полупроводниковый слой, приклеенный к внешней поверхности основной изоляции. Его назначение, в сочетании с проводящим экраном, заключается в создании идеального, гладкого цилиндрического конденсатора, обеспечивающего равномерное радиальное электрическое поле без опасных концентраций.
● Металлический экран/защита: критически важный защитный слой. Обычно изготавливается из медной ленты, проводов или их комбинации и выполняет три ключевые функции:
▶ Ограничивает электрическое поле внутри кабеля.
▶ Обеспечивает низкоимпедансный путь для протекания тока короткого замыкания в случае повреждения изоляции, позволяя защитным устройствам быстро срабатывать.
▶ Действует как слой эквипотенциального соединения и обеспечивает некоторую электромагнитную защиту.
● Внешняя оболочка (каркас): заключительный защитный барьер, обычно изготавливаемый из ПВХ, полиэтилена (ПЭ) или композитов с низким дымовыделением и нулевым содержанием галогенов (LSZH). Она обеспечивает механическую защиту, влагостойкость и защиту от химических веществ, солнечного света и истирания. При непосредственной заглублении под оболочку может быть добавлена гофрированная стальная лента или проволочная броня для повышения устойчивости к сдавливанию.
Переход от более старых материалов, таких как PILC (бумажная изоляция, свинцовое покрытие), к XLPE определил современную технологию кабелей среднего напряжения. XLPE создается путем сшивания молекул полиэтилена с использованием химических или радиационных процессов, превращая его из термопластичного (плавкого) материала в термореактивный. Это обеспечивает ему:
● Более высокую рабочую температуру: лучше выдерживает перегрузки и короткие замыкания.
● Превосходные диэлектрические свойства: меньшие диэлектрические потери и более высокая прочность на пробой.
● Меньший вес и более простая установка: не требуется свинцовая оболочка или система пропитки маслом.
● Сниженное техническое обслуживание: устойчивость к проблемам поглощения влаги, которые были характерны для бумажной изоляции.
● Распределительные сети коммунальных предприятий: основное назначение — подземная сеть в городах и пригородах, обеспечивающая подачу электроэнергии от подстанций к распределительным трансформаторам.
● Промышленные предприятия и шахты: питание крупных двигателей, насосов и технологического оборудования на предприятиях, часто в сложных условиях, требующих специальной оболочки (маслостойкой, бронированной).
● Коммерческие комплексы и больницы: служат основными источниками электроэнергии в больших зданиях и обеспечивают надежное электроснабжение критически важных систем безопасности.
● Возобновляемая энергетика: соединение ветряных турбин на ферме или передача электроэнергии от солнечных инверторных станций к точке подключения к сети.
● Морская и шельфовая промышленность: электроснабжение судов и морских платформ, требующее повышенных показателей пожарной безопасности, дымоудаления и токсичности.
Надежность системы среднего напряжения зависит как от монтажа на месте установки, так и от заводского изготовления.
● Монтаж: Требует аккуратного обращения, чтобы избежать превышения минимального радиуса изгиба, что может повредить изоляционные экраны. Правильные методы протяжки и правильный подбор диаметра кабелепровода имеют решающее значение.
● Соединительные муфты: Используются для соединения двух отрезков кабеля. Предварительно отформованные, термоусадочные или холодноусадочные муфты должны тщательно восстанавливать соединение проводников и, что наиболее важно, восстанавливать непрерывный интерфейс полупроводник-изоляция-полупроводник и контроль электрического поля.
● Заделка кабеля: Подключает кабель к распределительным устройствам, трансформаторам или воздушным линиям электропередачи. Она обеспечивает снятие напряжения в точке разреза металлического экрана с помощью конусов напряжения или геометрической градации для предотвращения разрушительных концентраций поля. Они могут быть внутренними, наружными или разъемными (углового типа).
Кабели среднего напряжения подвергаются строгим испытаниям на протяжении всего срока службы:
● Заводская приемка: включает испытания на частичные разряды (ЧР) при повышенном напряжении для обеспечения целостности изоляции и измерение тангенса угла диэлектрических потерь (тангенса угла диэлектрических потерь).
● Монтаж на объекте: испытания на устойчивость к постоянному напряжению высокого напряжения (Hi-Pot) обычно проводятся после монтажа и соединения для подтверждения целостности изоляции перед включением питания.
● Мониторинг состояния: для критически важных цепей такие методы, как распределенное измерение температуры (DTS) с использованием волоконной оптики или мониторинг частичных разрядов, могут обеспечить раннее предупреждение о развивающихся неисправностях.
Кабели среднего напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена (XLPE) — это бесшумная, интеллектуальная основа современной, надежной электросети. Их сложная многослойная конструкция элегантно решает сложную проблему безопасного контроля высоких электрических нагрузок. По мере развития электросетей с увеличением доли распределенной генерации (солнечной, ветровой) и инфраструктуры «умных городов» спрос на надежные, высокопроизводительные кабели среднего напряжения будет только расти. Их роль в обеспечении перехода к более электрифицированному, эффективному и возобновляемому энергетическому будущему имеет фундаментальное значение, доказывая, что некоторые из наиболее важных элементов инфраструктуры — это то, что мы редко видим, проложенное под нашими ногами или незаметно проходящее через наши города.
