Кабели силовые одножильные на напряжение 220 кВ с пластмассовой изоляцией: конструкция, применение и технические аспекты

Силовые кабели на напряжение 220 кВ с пластмассовой изоляцией представляют собой высокотехнологичные изделия, предназначенные для передачи и распределения электрической энергии в сетях высокого и сверхвысокого напряжения. Они являются современной альтернативой кабелям с бумажно-масляной изоляцией, предлагая существенные эксплуатационные преимущества. Основным изоляционным материалом в них выступает сшитый полиэтилен (XLPE), что и подразумевается под термином «пластмассовая изоляция» в высоковольтном сегменте.

Конструкция одножильного кабеля 220 кВ

Конструкция кабеля является многослойной, каждый слой выполняет строго определенную функцию. Рассмотрим ее от центра к периферии.

• Токопроводящая жила: Изготавливается из медных или алюминиевых проволок секторной или круглой формы, уплотненных. Для меди сечение может достигать 2000 мм² и более. Жила обеспечивает основную путь прохождения электрического тока.
• Экран по жиле (внутренний полупроводящий слой): Наносится экструзией поверх токопроводящей жилы. Выполнен из сшитого полиэтилена с добавлением сажи. Его ключевая задача – выравнивание электрического поля, устранение микроскопических воздушных включений между жилой и изоляцией и предотвращение возникновения частичных разрядов.
• Основная изоляция: Выполняется из сшитого полиэтилена (XLPE) высокой степени очистки. Толщина изоляции для кабелей на 220 кВ составляет, как правило, от 22 до 27 мм и строго регламентирована стандартами (МЭК 60840, ГОСТ Р 53769-2010 и др.). Сшивка молекул полиэтилена придает материалу повышенные термические и механические свойства, позволяя работать при температуре жилы до 90°C в продолжительном режиме и до 250°C при коротком замыкании.
• Экран по изоляции (внешний полупроводящий слой): Аналогичен внутреннему экрану. Служит для симметризации электрического поля и его замыкания на землю. Вместе с внутренним экраном формирует цилиндрический конденсатор, внутри которого заключено изоляционное поле.
• Металлический экран (оболочка): Является одним из наиболее критичных элементов. Выполняет несколько функций: защита от внешних электромагнитных влияний, замыкание тока утечки (емкостного тока) в случае повреждения изоляции, а также проведение тока короткого замыкания. Для кабелей 220 кВ применяются:
  • Гофрированные медные или алюминиевые ленты (толщиной до 1,0 мм).
  • Медные проволоки, наложенные поверх продольной медной ленты (для большей стойкости к токам КЗ).

  Сечение металлического экрана рассчитывается исходя из ожидаемых токов короткого замыкания в сети.

• Защитный покров (наружная оболочка): Изготавливается из полиэтилена (PE) высокой плотности или поливинилхлорида (PVC). Защищает металлический экран от механических повреждений, влаги и коррозии. Для кабелей, прокладываемых в грунте, часто имеет яркий цвет (оранжевый, красный) и может содержать слой брони из стальных оцинкованных лент.

Преимущества кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена (XLPE) перед маслонаполненными

• Отсутствие давления масла: Нет необходимости в сложных системах подпитки маслом и постоянном мониторинге давления, что упрощает проектирование трасс и эксплуатацию.
• Гибкость и меньший радиус изгиба: Позволяет прокладывать кабели по более сложным трассам.
• Высокая допустимая температура: Длительно допустимая температура жилы +90°C против +70-80°C у бумажно-масляных кабелей, что повышает пропускную способность.
• Меньшая масса и габариты: Облегчает транспортировку и монтаж.
• Экологическая безопасность: Отсутствие минерального масла исключает риск загрязнения почвы и водоемов при повреждении оболочки.
• Возможность вертикальной прокладки без ограничений по высоте: В отличие от маслонаполненных кабелей, где возникает перепад давления масла.

Области применения

Одножильные кабели 220 кВ применяются в случаях, где использование трехжильных конструкций экономически или технически нецелесообразно:

• Вводы электроэнергии в крупные города и мегаполисы (подземные кабельные линии 220 кВ).
• Соединение открытых распределительных устройств (ОРУ) подстанций при стесненных условиях.
• Переходы через водные преграды, где требуется высокая надежность и гибкость.
• Прокладка в туннелях, коллекторах и по эстакадам в рамках инфраструктурных проектов.
• Подключение мощных генераторов электростанций к блочным трансформаторам.

Особенности проектирования и монтажа

При работе с одножильными кабелями на 220 кВ необходимо учитывать ряд специфических факторов.

Потери в металлическом экране (оболочке) и способы прокладки

Переменный ток в одиночной жиле наводит ЭДС в металлическом экране, что приводит к циркулирующим токам и дополнительным потерям. Для их уменьшения применяются различные схемы соединения и прокладки экранов:

Способ прокладки/соединения экранов	Принцип действия	Преимущества	Недостатки
Одностороннее заземление экранов	Экраны всех трех фаз соединяются и заземляются только в одной точке трассы, обычно в середине или на конце. На остальных участках экраны изолированы.	Полное отсутствие циркулирующих токов, минимальные потери.	При повреждении изоляции ток КЗ может пройти через землю, создавая высокий потенциал на незаземленных концах экранов. Требует установки устройств защиты от перенапряжений на свободных концах.
Поперечное соединение экранов (система cross-bonding)	Трасса разбивается на три примерно равные секции. Экраны в каждой секции поперечно перекрещиваются (фаза A к экрану фазы B, B к C, C к A) и заземляются на концах секций.	Результирующая ЭДС в контуре экрана стремится к нулю, циркулирующие токи минимальны. Позволяет использовать длинные линии.	Сложность монтажа, необходимость установки специальных соединительных и заземляющих муфт. Требует точного расчета длины секций.
Двустороннее заземление	Экраны заземлены с обоих концов каждой фазы.	Простота и надежность, безопасность персонала.	Максимальные циркулирующие токи, приводящие к значительным потерям (до 80% от потерь в жиле). Применяется только на коротких участках.

Тепловой режим и допустимые токовые нагрузки

Допустимый длительный ток кабеля определяется условиями его прокладки: температура окружающей среды, способ прокладки (в земле, в воздухе, в туннеле), количество кабелей в группе и расстояние между ними. Для одножильных кабелей, проложенных в земле треугольником или в ряд, взаимный нагрев значительно снижает пропускную способность. Точный расчет ведется по методикам МЭК 60287 с использованием специализированного ПО.

Требования к монтажу

• Радиус изгиба: Как правило, не менее 20-25 наружных диаметров кабеля при монтаже.
• Температура монтажа: Прокладка разрешена при температуре не ниже 0°C (без предварительного подогрева). При более низких температурах кабель необходимо прогревать.
• Тяжение: Монтаж ведется с контролем максимально допустимого тягового усилия, которое зависит от сечения жилы и способа тяги (за жилу или за наружную оболочку).
• Соединительные и концевые муфты: Требуют высокой квалификации монтажников. Муфты для 220 кВ представляют собой сложные устройства с собственной изоляцией, экранами и системой контроля.

Контроль качества и диагностика

Кабели 220 кВ проходят обязательные приемо-сдаточные испытания повышенным напряжением:

• Испытание переменным напряжением 220-275 кВ частотой 50 Гц в течение 15-30 минут.
• Испытание постоянным напряжением 340 кВ в течение 15 минут (чаще для послеаварийной проверки).

В эксплуатации применяется мониторинг частичных разрядов (ЧР), распределенной температуры (DTS) и тока экрана для оценки состояния изоляции и прогнозирования остаточного ресурса.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем обусловлен выбор именно одножильной конструкции, а не трехжильной, для напряжения 220 кВ?

Одножильные кабели проще в производстве, транспортировке и монтаже на большие длины (бухты могут достигать 800-1000 м против 200-300 м для трехжильных). Они позволяют гибко формировать трассы, особенно в туннелях, и применять систему cross-bonding для компенсации потерь в экране. Трехжильные кабели компактнее при прямой прокладке в земле, но их монтаж сложнее из-за большого веса и жесткости.

Каков типичный срок службы кабеля 220 кВ с изоляцией XLPE?

Проектный срок службы, заявленный производителями, составляет не менее 40 лет. Фактический срок зависит от условий эксплуатации, качества монтажа, перегрузок и воздействия внешней среды. Регулярная диагностика позволяет продлить этот срок.

Почему для изоляции используется именно сшитый полиэтилен, а не другие пластмассы?

XLPE обладает уникальным сочетанием свойств: высокие диэлектрические характеристики, стойкость к термическому старению (благодаря поперечным связям между молекулами), отличная механическая прочность и гибкость, устойчивость к влаге и химическая инертность. Альтернативы, такие как EPR (этилен-пропиленовый каучук), также применяются, но чаще для средних напряжений.

Как решается проблема продольной герметизации кабеля 220 кВ?

Для предотвращения продольного проникновения влаги под оболочку в случае ее повреждения современные кабели высокого напряжения часто имеют радиальную, но не продольную герметизацию. Защита от влаги обеспечивается целостностью внешней оболочки из PE. В качестве дополнительной меры под оболочкой может размещаться герметизирующая лента или наноситься алюминиевый влагобарьерный слой.

Каковы основные риски при эксплуатации таких кабелей?

• Повреждение при сторонних работах: Наиболее частая причина отказов.
• Термическое старение изоляции: При систематических перегрузках.
• Развитие водных триингов: При наличии микроскопических дефектов и влаги в изоляции.
• Коррозия металлического экрана: При повреждении наружной оболочки и попадании влаги.
• Неправильная работа системы заземления экранов: Может привести к перегреву и повреждению кабеля.

Как выбирается сечение жилы кабеля на 220 кВ?

Выбор сечения является технико-экономической задачей. Исходные данные: передаваемая мощность, режим работы (длительно допустимый ток, ток КЗ), способ прокладки, условия охлаждения. Расчет ведется по допустимому току нагрузки с учетом поправочных коэффициентов, затем выполняется проверка на термическую стойкость при токах КЗ и падение напряжения. Часто применяются сечения 630, 800, 1000, 1200, 1600, 2000 мм².