В современных энергосистемах высоковольтные кабели играют жизненно важную роль. От подземных электросетей в городах до линий электропередачи на большие расстояния через горы и реки, высоковольтные кабели обеспечивают эффективную, стабильную и безопасную передачу электроэнергии. В данной статье подробно рассматриваются различные технологии, связанные с высоковольтными кабелями, включая их структуру, классификацию, процесс производства, эксплуатационные характеристики, монтаж и техническое обслуживание.
1. Базовая структура высоковольтных кабелей
Высоковольтные кабели в основном состоят из проводников, изоляционных слоев, экранирующих слоев и защитных слоев.
Проводник — это канал передачи тока, и обычно он изготавливается из меди или алюминия. Медь обладает хорошей проводимостью и пластичностью, а алюминий относительно недорог и легок. Как правило, такие проводники представляют собой многожильные скрученные провода для повышения гибкости.
Изоляционный слой является ключевым элементом высоковольтного кабеля, играющим роль в предотвращении утечки тока и изоляции проводника от внешнего мира. К распространенным изоляционным материалам относятся сшитый полиэтилен (XLPE), промасленная бумага и др. XLPE обладает превосходными электрическими свойствами, термостойкостью и механической прочностью и широко используется в современных высоковольтных кабелях.
Экранирующий слой делится на внутренний и внешний. Внутренний экран используется для выравнивания электрического поля и предотвращения повреждения изоляционного слоя локальными разрядами; внешний экран снижает воздействие внешнего электромагнитного поля на кабель, а также предотвращает электромагнитное воздействие кабеля на окружающую среду.
Защитный слой в основном защищает кабель от повреждений, вызванных внешними факторами, такими как механические повреждения, химическая коррозия и проникновение воды. Обычно он состоит из металлической брони и внешней оболочки. Металлическая броня обеспечивает механическую прочность, а внешняя оболочка обладает водонепроницаемыми и антикоррозионными свойствами.
2. Классификация высоковольтных кабелей
В зависимости от уровня напряжения высоковольтные кабели можно разделить на кабели среднего напряжения (обычно 3-35 кВ), высоковольтные кабели (35-110 кВ), сверхвысоковольтные кабели (110-500 кВ) и сверхвысоковольтные кабели (выше 500 кВ). Кабели разных уровней напряжения отличаются по конструкции, требованиям к изоляции и т.д.
С точки зрения изоляционных материалов, помимо упомянутых выше кабелей XLPE и маслобумажных кабелей, существуют также кабели из этиленпропиленовой резины. Маслобумажные кабели имеют долгую историю, но из-за высоких затрат на их обслуживание и других причин их постепенно вытеснили кабели XLPE. Кабель из этиленпропиленовой резины обладает хорошей гибкостью и устойчивостью к атмосферным воздействиям и подходит для некоторых особых случаев.
3. Технологический процесс изготовления высоковольтного кабеля.
Производство высоковольтных кабелей — сложный и деликатный процесс.
Для изготовления проводников сначала медное или алюминиевое сырье подвергается растяжению, скручиванию и другим процессам, обеспечивающим точность размеров и механические свойства проводника. В процессе скручивания жилы должны быть расположены плотно друг к другу для повышения проводимости проводника.
Экструзия изоляционного слоя является одним из ключевых этапов. Для изоляционного слоя из сшитого полиэтилена (XLPE) материал XLPE экструдируется при высокой температуре и равномерно наматывается на проводник. В процессе экструзии необходимо строго контролировать такие параметры, как температура, давление и скорость экструзии, чтобы обеспечить качество и равномерность толщины изоляционного слоя.
Экранирующий слой обычно изготавливается методом плетения из металлической проволоки или обмотки металлической лентой. Технологические процессы изготовления внутреннего и внешнего экранов несколько различаются, но оба должны обеспечивать целостность экранирующего слоя и хорошее электрическое соединение.
Наконец, производство защитного слоя включает в себя укладку металлической брони и экструзию внешней оболочки. Металлическая броня должна плотно прилегать к кабелю, а экструзия внешней оболочки должна обеспечивать гладкую поверхность без дефектов, таких как пузырьки и трещины.
4. Эксплуатационные характеристики высоковольтных кабелей
С точки зрения электрических характеристик, высоковольтные кабели должны обладать высоким сопротивлением изоляции, низкими диэлектрическими потерями и хорошим сопротивлением напряжению. Высокое сопротивление изоляции эффективно предотвращает утечку тока, низкие диэлектрические потери снижают потери электрической энергии при передаче, а хорошее сопротивление напряжению обеспечивает безопасную работу кабеля в условиях высокого напряжения.
С точки зрения механических свойств, кабель должен обладать достаточной прочностью на растяжение, радиусом изгиба и ударопрочностью. Во время монтажа и эксплуатации кабель может подвергаться растяжению, изгибу и воздействию внешних сил. Недостаточные механические свойства могут легко привести к повреждению кабеля.
Тепловые характеристики также являются важным аспектом. Кабель будет выделять тепло во время работы, особенно при высоких нагрузках. Поэтому кабель должен обладать хорошей термостойкостью и быть способен нормально работать в определенном температурном диапазоне без таких проблем, как старение изоляции. Кабель XLPE обладает относительно хорошей термостойкостью и может длительное время работать при высоких температурах.
5. Монтаж и техническое обслуживание высоковольтных кабелей.
Что касается монтажа, первым делом необходимо спланировать траекторию прокладки кабеля, чтобы обеспечить его рациональность и безопасность. В процессе прокладки следует избегать чрезмерного растяжения, изгиба и сдавливания кабеля. Для прокладки кабелей на большие расстояния обычно используется такое оборудование, как кабельные конвейеры, для облегчения строительных работ.
Изготовление кабельных соединений является ключевым звеном в процессе монтажа. Качество соединения напрямую влияет на надежность работы кабеля. При изготовлении соединений кабель необходимо зачистить, очистить, соединить и изолировать. Каждый этап должен выполняться строго в соответствии с технологическими требованиями, чтобы гарантировать соответствие электрических и механических свойств соединения заданным параметрам.
Техническое обслуживание имеет важное значение для долгосрочной стабильной работы высоковольтных кабелей. Регулярные проверки позволяют оперативно выявлять повреждения внешнего вида кабеля или его оболочки. Одновременно с этим, с помощью специального испытательного оборудования можно проверить изоляционные свойства и наличие частичных разрядов в кабеле. При обнаружении проблем их следует своевременно устранить или заменить.
6. Неисправности и обнаружение высоковольтных кабелей
К распространённым неисправностям высоковольтных кабелей относятся пробой изоляции, обрыв проводника и разрушение соединения. Пробой изоляции может быть вызван старением изоляции, частичным разрядом или внешним перенапряжением. Обрыв проводника обычно происходит из-за внешнего механического воздействия или длительной перегрузки. Разрушение соединения может быть вызвано некачественным процессом изготовления соединения или сильным нагревом во время эксплуатации.
Для обнаружения этих неисправностей существует множество методов. Наиболее распространенным методом является обнаружение частичных разрядов. Обнаружение сигнала, генерируемого частичным разрядом в кабеле, позволяет определить наличие дефектов изоляции внутри кабеля. Испытание на выдерживаемое напряжение позволяет определить допустимую нагрузку на кабель и выявить потенциальные проблемы с изоляцией. Кроме того, технология инфракрасной тепловизионной съемки позволяет определить распределение температуры на поверхности кабеля, что помогает выявить такие проблемы, как локальный перегрев.
7. Применение и тенденции развития высоковольтных кабелей в энергосистемах.
В энергосистемах высоковольтные кабели широко используются при преобразовании городских электросетей, на отводных линиях крупных электростанций, в подводной кабельной передаче и в других областях. В городских электросетях, из-за ограниченного пространства, использование подземных кабелей позволяет экономить место и улучшать внешний вид города. Отводные линии крупных электростанций требуют использования высоковольтных кабелей для передачи электроэнергии на удаленные подстанции. Подводная кабельная передача позволяет осуществлять передачу электроэнергии по морю и обеспечивать стабильное электроснабжение островов и прибрежных районов.
С непрерывным развитием энергетических технологий высоковольтные кабели также демонстрируют ряд тенденций развития. Первая — это исследования, разработки и применение кабелей с более высокими уровнями напряжения. С ростом спроса на передачу электроэнергии на большие расстояния разработка сверхвысоковольтных кабелей станет приоритетной задачей. Вторая — это интеллектуальные кабели. Интеграция датчиков и другого оборудования в кабель позволяет осуществлять мониторинг рабочего состояния кабеля в режиме реального времени и предупреждать о неисправностях, тем самым повышая надежность работы кабеля. Третья — это разработка экологически чистых кабелей. По мере роста требований людей к защите окружающей среды, исследования и разработки экологически чистых, пригодных для вторичной переработки кабельных материалов станут одним из направлений развития в будущем.
Дата публикации: 24 сентября 2024 г.