Прикладные исследования по использованию эффекта сверхпроводи-мости, достигаемого у сверхпроводящих материалов (сверхпроводников) при температурах ниже критических, ведутся уже на протяжении многих десятков лет. В начале 60-х годов на базе сверхпроводящих материалов и криогенной техники с использованием в качестве хладагента жидкого гелия (температура кипения жидкого гелия – 4,2 К при нормальном давлении) зародились низкотемпературные сверхпроводниковые технологии (НТСП-технологии). Основу освоенных промышленностью сверхпроводящих материалов составляли два вещества: сплав Nb-Ti (с параметрами: критическая температура – 9,6 К при нулевых магнитном поле и токе, критическое магнитное поле – 12 Тл при 4,2 К и нулевом токе, критическая плотность тока – 3-109 А/м-2 при 4,2 К и в магнитном поле 5 Тл) и интерметаллическое соединение Nb3Sn (с параметрами: критическая температура – 18,3 К при нулевых магнитном поле и токе, критическое магнитное поле – около 22 Тл при 4,2 К и нулевом токе, критическая плотность тока – более 109 А? м-2 при 4,2 К и в магнитном поле 10 Тл).
Технология изготовления высоковольтных силовых кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ-кабели, XLPE-кабели) является одной из наиболее прогрессивных технологий в кабельной технике. Сшитый полиэтилен (СПЭ) идеально подходит для изоляции высоковольтных кабелей.
Массовое производство высоковольтных кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена на номинальное напряжение 110 кВ и выше началось еще в 70-х годах прошлого столетия.
Основным недостатком первых кабелей высокого напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена было интенсивное старение полимерной изоляции. Главная проблема кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена – определяемый триингами (медленно развивающимися в сильном электрическом поле каналами пробоя) срок их службы, который не должен уступать таковому для соответствующих кабелей с бумажно-масляной изоляцией (не менее 25–30 лет).
В кабелях с газовой изоляцией основой изоляцией является сжатый элегаз или смесь азота с элегазом под давлением до 0,25 МПа (кабели низкого давления) или до 1,5 МПа (кабели высокого давления). Первые линии на основе кабелей с газовой изоляцией состояли из отдельных негибких секций длиной до 10-12 м. Основными элементами кабеля являются алюминиевые трубчатые токопроводящая жила и оболочка, соосное расположение которых обеспечивается изоляционными распорками, расположенными на определенном расстоянии драг от друга по длине секции. Такие секции изготовляются на заводе, герметизируются и заполняются газом под давлением. В секциях предусмотрены устройства для компенсации температурного изменения длины жилы и оболочки. Современные гибкие кабели могут изготавливаться и транспортироваться секциями длиной до 200 м. При этом внешняя оболочка для увеличения гибкости может выполняться гофрированной.
В газонаполненных кабелях увеличение электрической прочности изоляции кабелей реализуется за счет повышения давления в газовых включениях, находящихся в бумажной изоляции. Они устроены таким образом, что в кабель подводится чистый сухой газ под давлением. Величина давления определяется особенностями конструкции кабеля и условиями его прокладки и находится в пределах от 0,7 до 3,0 МПа.
В зависимости от конструкции кабеля сжатый газ может поступать либо непосредственно в изоляцию кабеля, либо не иметь непосредственного соприкосновения с изоляцией, а передавать давление на изоляцию через специальную мембрану. Если газ под давлением непосредственно подается в изоляцию, то для изолирования кабеля могут применяться либо бумажные ленты с последующей сушкой, пропиткой изоляции и удалением излишек пропиточного состава (обеднено-пропитанная изоляция), либо предварительно пропитанные бумажные ленты. Если сжатый газ непосредственно не соприкасается с изоляцией, то кабель изолируется бумажными лентами с последующей пропиткой вязким составом или жидким маслом, а поверх изоляции на кабель наносят пластмассовую оболочку, которая играет роль мембраны.
Маслонаполненные кабели (МНК, OF Cables) с бумажно-масляной изоляцией в России остаются пока наиболее распространенными кабелями высокого напряжения. При этом чем выше класс номинального напряжения кабелей, тем больше удельный вес МНК среди всех кабелей высокого напряжения.
МНК в России и в странах СНГ применяются для электроснабжения городов и крупных потребителей энергии, для вывода мощности с тепловых станций и гидроэлектростанций, а также для передачи электроэнергии через труднопроходимые местности (водные пространст-ва, горные районы и др.).
Основные типы конструкций силовых МНК, выпускаемых по ГОСТ 16441-78 (производитель – завод «Камкабель») – кабели низкого давления (до 3-5 атм.) в свинцовой или алюминиевой оболочке на номинальное на-пряжение 110, 150 и 220 кВ (см. рис. 19) и кабели высокого давления (10-15 атм.) в стальном трубопроводе на номинальное напряжение 110, 220, 330, 380 и 500 кВ. Повышение давления масла приводит к увеличению электрической прочности бумажно-масляной изоляции и к возможности применения силовых МНК при более высокой рабочей напряженности электрического поля в изоляции кабелей (до 15 кВ/мм и более).
Для оконцевания кабелей, а также для соединения строительных длин кабелей применяются соответственно концевые и соединительные муфты. Разновидностью соединительных муфт можно считать ответвительные муфты, которые применяются для соединения и ответвления силовых кабелей напряжением до 1 кВ.
Конструкции муфт очень разнообразны и определяются типом силовых кабелей и их изоляции, значением рабочего напряжения, условиями установки и размещения муфт и т. п.
Для изоляции муфт кабелей с бумажной изоляцией применяются пропитанные рулоны кабельной бумаги. Такая изоляция накладывается вручную на месте монтажа, что усложняет процесс монтажа. Кроме того, пониженная электрическая прочность бумажной подмотки приводит к увеличению габаритов муфт.
Силовые кабели с резиновой изоляцией (выпускаются по ГОСТ 443-73) предназначены для неподвижной прокладки в сетях переменного напряжения 660 В и в сетях постоянного напряжения 1, 3, 6 и 10 кВ.
Кабели имеют медные или алюминиевые жилы круглой формы сечением от 1 до 500 мм2. Изоляция выполняется из изоляционной резины. Поверх изолированных жил накладывается оболочка из свинца, поливинилхлорида или шланговой резины. В случае необходимости кабели имеют упрочняющие покровы, состоящие из двух стальных лент, и защитные покровы обычной конструкции (см. рис. 9).
Кабели 660 В переменного напряжения (1000 В постоянного напряжения) могут быть одножильными или многожильными. Толщина изоляции в зависимости от сечения жилы составляет 1–2,5 мм.
Cиловые кабели с пластмассовой изоляцией более просты в изготовлении, удобны при монтаже и в эксплуатации. Процесс наложения пластмассовой изоляции методом экструзии (т.е. выдавливания) на токопроводящие жилы гораздо более производителен, чем изолирование методом обмотки бумажными лентами. Кроме того, отпадает необходимость в сушке и пропитке изоляции.
В настоящее время основными применяемыми материалами являются сшитый полиэтилен (СПЭ), поливинилхлорид (ПВХ) и этиленпропиленовая резина (ЭПР). При этом наибольшее распространение получили кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена ((русское название – СПЭ-кабели, английское название – XLPE-кабели), которые имеют существенные преимущества перед кабелями с бумажной изоляцией (см. табл. 1):
Силовые кабели с пропитанной бумажной изоляцией (с вязкой пропиткой) имеют значительные ограничения по номинальному напряжению из-за интенсивных ионизационных процессов при переменном напряжении, и поэтому применяются в распределительных сетях России при напряжениях до 35 кВ включительно (за рубежом при напряжениях до 60 кВ).
В России силовые кабели с бумажной пропитанной изоляцией на на-пряжения до 35 кВ включительно выпускаются по ГОСТ 18410-73 (производители – заводы Камкабель, Севкабель, Иркутсккабель, Москабель и др.). Как уже отмечалось, эти кабели являются наиболее массовым видом продукции. Их доля составляет около 95 % от всех типов применяемых кабелей в распределительных сетях.
КЛ высокого напряжения (60…500 кВ) имеют исключительно важное хозяйственное значение, и их надежность должна быть также высока, поскольку по этим КЛ передают большие потоки электроэнергии на ответственных объектах. Это, как правило, линии глубокого ввода в центр города, вывод мощности с электростанции и т.д. Повреждение такой линии может привести к большим экономическим потерям из-за недоотпуска энергии (например, пробой кабельной линии 315 кВ в Монреале в 1992 г., когда центральная банковская часть города на 15 мин. потеряла энергоснабжение). Вторым важным обстоятельством является то, что в КЛ высокого давления при пробое возникают большие повреждения, происходит выброс масла из труб с образованием в изоляции кабеля сухих участков.
