Кабели электрические 110 кВ

Кабели электрические 110 кВ: конструкция, типы, применение и стандарты

Кабельные линии на напряжение 110 кВ являются критически важным элементом современных энергосистем, обеспечивая передачу и распределение электроэнергии высокой мощности в условиях, где строительство воздушных линий (ВЛ) невозможно или нецелесообразно по технико-экономическим, экологическим или градостроительным соображениям. Их применение охватывает подводные переходы, густонаселенные городские и промышленные зоны, особо охраняемые природные территории, а также подземные вводы на территорию крупных подстанций и энергоемких объектов.

Конструктивные особенности кабелей 110 кВ

Конструкция кабеля на 110 кВ является многослойной и сложной, каждый элемент которой выполняет строго определенную функцию, обеспечивая высокую электрическую прочность, механическую надежность и долговечность в течение всего срока службы (не менее 30-40 лет).

1. Токопроводящая жила

Изготавливается, как правило, из медной (реже алюминиевой) проволоки высокой чистоты. Для сечений от 240 мм² и выше жила выполняется секторной или сегментной формы для уменьшения общего диаметра кабеля и экономии материалов изоляции и оболочек. Медь предпочтительна из-за более высокой проводимости, механической прочности и стойкости к ползучести.

2. Внутренний полупроводящий экран (экран жилы)

Наносится поверх токопроводящей жилы в виде слоя из полимерной композиции, содержащей сажу. Его основная функция – выравнивание электрического поля, устранение микроскопических воздушных включений между жилой и основной изоляцией, что предотвращает возникновение частичных разрядов – главной причины старения и пробоя изоляции.

3. Основная изоляция

Для кабелей 110 кВ в современной практике применяются два основных типа изоляции:

• Сшитый полиэтилен (XLPE, Cross-Linked Polyethylene): Является доминирующим материалом. Получается путем химической или радиационной сшивки молекул полиэтилена, что резко повышает его термическую стойкость (допустимая температура жилы до 90°C в продолжительном режиме и до 250°C при КЗ) и стойкость к растрескиванию. Имеет низкие диэлектрические потери.
• Бумажно-масляная изоляция, пропитанная вязким или нестекающим составом (МНС): Традиционный тип. Состоит из множества слоев специальной кабельной бумаги, пропитанной масло-канифольным составом. Требует сложной технологии изготовления и поддержания постоянного избыточного давления масла в процессе эксплуатации, что осуществляется через систему подпитки и сигнализации.

4. Внешний полупроводящий экран (экран изоляции)

Аналогичен внутреннему экрану. Накладывается поверх основной изоляции. Вместе с внутренним экраном создает коаксиальную конфигурацию, ограничивая электрическое поле внутри изоляции.

5. Металлический экран (оболочка)

Выполняет несколько ключевых функций: защита от внешних электромагнитных помех, замыкание тока однофазного короткого замыкания на землю, а также выполнение роли заземляющего проводника в нормальном режиме. Для кабелей 110 кВ применяются:

• Гофрированная алюминиевая оболочка: Наиболее распространенный вариант. Обеспечивает механическую защиту, полную герметичность от влаги и газов, а также служит нулевой жилой. Имеет малый вес и хорошую гибкость.
• Свинцовая оболочка: Используется в кабелях с бумажно-масляной изоляцией и некоторых спецкабелях. Обеспечивает абсолютную герметичность и стойкость к коррозии в агрессивных грунтах, но имеет большой вес и подвержена ползучести (вибрации).
• Медные проволочные экраны: Применяются в виде оплетки или наложения медных лент. Чаще используются в кабелях СНР.

6. Защитные покровы

Внешние слои, предназначенные для защиты металлической оболочки от механических повреждений, химической и электрохимической коррозии. Включают в себя:

• Подушка (битумный состав, ПЭ/ПП ленты): Защищает оболочку от повреждения броней.
• Броня: Из стальных оцинкованных лент (для защиты от механических воздействий) или проволок (для увеличения прочности на растяжение, например, в подводных кабелях).
• Наружный защитный шланг: Изготавливается из полиэтилена (PE) высокой плотности, поливинилхлорида (PVC) или полимера без галогенов (LSZH – Low Smoke Zero Halogen) для объектов с повышенными требованиями к пожарной безопасности. Защищает броню от коррозии и выполняет функцию идентификации (цветовая маркировка).

Сравнительная таблица основных типов изоляции кабелей 110 кВ

Параметр	Сшитый полиэтилен (XLPE)	Бумажно-масляная изоляция (МНС)
Макс. рабочая температура жилы, °C	90	80-85
Температура при КЗ (до 4 с), °C	250	160-200
Допустимый изгиб при монтаже	≥ 20D*	≥ 25D*
Требование к поддержанию давления/уровня масла	Нет	Да (система подпитки и сигнализации)
Монтаж на вертикальных участках	Без ограничений	Ограничено (риск стекания пропиточного состава)
Диэлектрические потери	Низкие	Высокие
Вес и габариты при равном сечении	Меньше	Больше
Эксплуатационные расходы	Низкие	Высокие (обслуживание масляных систем)

*D – наружный диаметр кабеля.

Системы кабельных линий 110 кВ и способы прокладки

Кабельная линия 110 кВ – это не только кабель, но и комплекс сопутствующего оборудования, обеспечивающего ее функционирование.

Способы прокладки:

• Подземная в траншеях: Наиболее распространенный способ. Кабель укладывается на подготовленное песчаное ложе, защищается сверху кирпичом или бетонными плитами, после чего траншея засыпается. Требует соблюдения расстояний между цепями, глубины заложения (не менее 1-1.5 м) и наличия сигнальной ленты.
• В кабельных каналах, тоннелях и коллекторах: Применяется в городской инфраструктуре для совместной прокладки большого количества коммуникаций. Обеспечивает легкий доступ для осмотра и ремонта, но требует систем вентиляции и пожаротушения.
• В блоках: Прокладка в асбестоцементных или полимерных трубах, замоноличенных в бетон. Используется при необходимости дополнительной механической защиты или при пересечении дорог.
• По эстакадам и галереям: Применяется на территориях промышленных предприятий, в условиях высокого уровня грунтовых вод или агрессивных почв.
• Подводная прокладка: Для пересечения водных преград используются специальные кабели с усиленной броней из оцинкованных проволок и дополнительными защитными покровами.

Критически важные элементы системы:

• Концевые и соединительные муфты: Обеспечивают электрическое соединение, восстановление изоляции и герметизацию. Для кабелей 110 кВ это высокотехнологичные устройства, требующие специального оборудования и квалификации монтажников. Различают стопорные, соединительные и переходные муфты.
• Система постоянного контроля изоляции (СКИ): Особенно важна для кабелей с бумажно-масляной изоляцией. Включает в себя устройства подпитки маслом, датчики давления и расхода, систему сигнализации.
• Устройства для компенсации тепловых удлинений: Кабельные ролики, «змейки» в траншеях, специальные компенсаторы в кабельных колодцах.
• Система охлаждения: Для линий с очень высокой пропускной способностью (более 500 МВА) могут применяться принудительное охлаждение водой или воздухом.

Расчет и выбор параметров кабеля 110 кВ

Выбор сечения и типа кабеля осуществляется на основе технико-экономического расчета, учитывающего:

• Длительно допустимый ток нагрузки (I_дд): Определяется условиями нагрева и зависит от способа прокладки, температуры окружающей среды, количества работающих цепей вплотную, термического сопротивления грунта.
• Потери напряжения: Должны укладываться в нормативные пределы (обычно ±5% от номинального).
• Ток короткого замыкания: Кабель должен выдерживать термическое и электродинамическое воздействие тока КЗ в течение времени срабатывания защиты.
• Экономическая плотность тока: Используется для оптимизации капитальных и эксплуатационных затрат.

Нормативная база и стандарты

Проектирование, производство и монтаж кабельных линий 110 кВ регламентируются строгими национальными и международными стандартами:

• ГОСТ Р 55025-2012 (МЭК 60840:2011): Кабели силовые с пластмассовой изоляцией на номинальное напряжение 30 кВ до 150 кВ включительно. Технические требования.
• ГОСТ 18410-93: Кабели силовые с бумажной изоляцией, пропитанные вязким нестекающим составом, на напряжение 110 кВ.
• ПУЭ (Правила устройства электроустановок), 7-е изд.: Главы 2.3 и 3.4, регламентирующие прокладку кабельных линий.
• СП 288.1325800.2016: Кабельные линии электропередачи напряжением до 220 кВ. Правила проектирования.
• Международные: IEC 60840, IEC 62067 (для напряжений выше 150 кВ, но часто используется как референс).

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Что предпочтительнее для новой прокладки: кабель с изоляцией XLPE или МНС?

В абсолютном большинстве новых проектов предпочтение отдается кабелям с изоляцией из сшитого полиэтилена (XLPE). Причины: отсутствие необходимости в сложных системах подпитки маслом, меньшие эксплуатационные расходы, возможность прокладки на трассах со значительными перепадами высот, меньший вес и габариты, лучшие экологические показатели (отсутствие масла). Кабели МНС применяются в основном при реконструкции существующих линий, где уже есть масляное хозяйство, или в особых случаях, обусловленных историческими традициями эксплуатации.

2. Как определяется необходимое сечение жилы кабеля 110 кВ?

Сечение определяется расчетом по двум основным критериям: по длительно допустимому току нагрузки (условие нагрева) и по экономической плотности тока. Из двух полученных значений выбирается большее. Затем выполняется проверка на термическую стойкость при токах короткого замыкания и на потерю напряжения. Для ответственных линий также может моделироваться тепловой режим с учетом реальных условий прокладки.

3. Каковы основные причины повреждений кабелей 110 кВ и как их предотвратить?

• Повреждения при земляных работах (около 60% случаев): Предотвращение – строгое соблюдение охранных зон, наличие точной исполнительной документации, применение маркировочной ленты, контроль за работами сторонних организаций.
• Дефекты соединительных и концевых муфт: Предотвращение – использование качественных материалов, строгое соблюдение технологии монтажа, проводимого сертифицированными специалистами, обязательный высоковольтный контроль после монтажа.
• Коррозия металлических оболочек и брони: Предотвращение – правильный выбор защитных покровов в соответствии с агрессивностью грунта, контроль состояния катодной защиты (для свинцовых оболочек).
• Старение изоляции и развитие частичных разрядов: Предотвращение – проведение плановых диагностических измерений (тангенс угла диэлектрических потерь, локация частичных разрядов, измерение сопротивления изоляции).

4. Какие методы диагностики состояния кабельной линии 110 кВ наиболее эффективны?

Для кабелей 110 кВ применяется комплекс диагностических методов:

• Измерение сопротивления изоляции (мегаомметром на 5-10 кВ): Оценка общего состояния изоляции.
• Измерение коэффициента абсорбции и поляризации (PI): Оценка увлажненности изоляции.
• Измерение тангенса угла диэлектрических потерь (tg δ) и его зависимости от напряжения: Основной метод для оценки степени старения бумажно-масляной изоляции и выявления дефектов в изоляции XLPE.
• Локация частичных разрядов (ЧР): Наиболее чувствительный метод для обнаружения локальных дефектов в изоляции, муфтах, особенно для кабелей XLPE.
• Волновая рефлектометрия (импульсный метод): Для определения места обрыва жилы или низкоомного дефекта.

Диагностика должна проводиться по регламенту, согласованному с заводом-изготовителем и нормативной документацией.

5. Как организуется переход с воздушной линии 110 кВ на кабельную (ВОЛС-кабель)?

Переход осуществляется через концевой портал (стойку) ВЛ и концевую кабельную муфту (ККМ) открытого типа (обычно наружной установки). Кабель поднимается по порталу, где его концевая муфта электрически соединяется с проводом ВЛ через натяжной зажим или переходное соединение. К металлическому экрану кабеля на ККМ подключается заземляющий спуск для отвода токов КЗ. Обязательно обеспечивается надлежащий уровень изоляции и расстояние до заземленных частей портала. Место перехода требует особого внимания при проектировании молниезащиты.

Заключение

Кабельные линии электропередачи на напряжение 110 кВ представляют собой сложные инженерные системы, проектирование, производство и монтаж которых требуют глубоких знаний в области электротехники, материаловедения и строительства. Доминирующей технологией в мире стала изоляция из сшитого полиэтилена (XLPE), обеспечивающая высокую надежность и меньшие эксплуатационные затраты. Успешная эксплуатация кабельных линий на протяжении десятилетий зависит от корректного выбора типа кабеля и способа его прокладки, качества монтажа муфт, а также от внедрения системы планово-предупредительных диагностических мероприятий, позволяющих выявлять дефекты на ранней стадии их развития. Постоянное развитие технологий, таких как системы онлайн-мониторинга температуры и частичных разрядов, открывает новые возможности для повышения надежности и управляемости этих критически важных активов энергосистемы.