В современных энергосистемах высоковольтные кабели играют важнейшую роль. От подземных линий электропередачи в городах до магистральных линий электропередачи, проложенных 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 конструкцию, классификацию, процесс производства, эксплуатационные характеристики, монтаж и обслуживание.
1.Основная конструкция высоковольтных кабелей
Высоковольтные кабели в основном состоят из проводников, изоляционных слоев, экранирующих слоев и защитных слоев.
Проводник служит каналом передачи тока и обычно изготавливается из меди или алюминия. Медь обладает хорошей проводимостью и пластичностью, а алюминий относительно дешев и лёгкий. Такие проводники обычно представляют собой многожильные скрученные провода для повышения гибкости.
Изоляционный слой — ключевая часть высоковольтного кабеля, играющая важную роль в предотвращении утечки тока и изоляции проводника от внешнего мира. В качестве изоляционных материалов обычно используют сшитый полиэтилен (XLPE), промасленную бумагу и т. д. XLPE обладает превосходными электрическими свойствами, термостойкостью и механической прочностью и широко используется в современных высоковольтных кабелях.
Экранирующий слой разделяется на внутренний и внешний. Внутренний экран служит для обеспечения равномерности электрического поля и предотвращения повреждения изоляционного слоя локальными разрядами; внешний экран снижает помехи внешнего электромагнитного поля на кабеле, а также предотвращает электромагнитное воздействие кабеля на окружающую среду.
Защитный слой в основном защищает кабель от внешних воздействий, таких как механические повреждения, химическая коррозия и проникновение воды. Он обычно состоит из металлической брони и внешней оболочки. Металлическая броня обеспечивает механическую прочность, а внешняя оболочка выполняет водонепроницаемые и антикоррозионные функции.
2. Классификация высоковольтных кабелей
По уровню напряжения высоковольтные кабели можно разделить на кабели среднего напряжения (обычно 3–35 кВ), кабели высокого напряжения (35–110 кВ), кабели сверхвысокого напряжения (110–500 кВ) и кабели сверхвысокого напряжения (выше 500 кВ). Кабели разных уровней напряжения различаются конструктивным исполнением, требованиями к изоляции и т. д.
Что касается изоляционных материалов, помимо упомянутых выше кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена (XLPE) и кабелей с бумажно-масляной изоляцией, существуют также кабели с изоляцией из этиленпропиленовой резины. Кабели с бумажно-масляной изоляцией имеют долгую историю, но из-за высокой стоимости обслуживания и других причин их постепенно вытесняют кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена (XLPE). Кабели с изоляцией из этиленпропиленовой резины обладают хорошей гибкостью и устойчивостью к атмосферным воздействиям, а также подходят для использования в некоторых особых случаях.
3. Процесс изготовления высоковольтного кабеля
Изготовление высоковольтного кабеля — сложный и деликатный процесс.
Изготовление проводов требует, прежде всего, растяжения, скручивания и других операций с медным или алюминиевым сырьем для обеспечения точности размеров и механических свойств проводника. В процессе скручивания жилы должны быть плотно расположены для улучшения проводимости проводника.
Экструзия изоляционного слоя является одним из ключевых этапов. Для изоляционного слоя из сшитого полиэтилена (СПЭ) материал 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 путём плетения металлической проволоки или обмотки металлической лентой. Процессы изготовления внутреннего и внешнего экранов немного различаются, но оба способа должны обеспечивать целостность экранирующего слоя и надёжный электрический контакт.
Наконец, изготовление защитного слоя включает в себя наложение металлической брони и формование внешней оболочки. Металлическая броня должна плотно прилегать к кабелю, а формование внешней оболочки должно 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 хорошей стойкостью к напряжению. Высокое сопротивление изоляции эффективно предотвращает утечку тока, низкие диэлектрические потери снижают потери электроэнергии при передаче, а высокая стойкость к напряжению обеспечивает безопасную работу кабеля в условиях высокого напряжения.
С точки зрения механических свойств кабель должен обладать достаточной прочностью на разрыв, радиусом изгиба и ударопрочностью. В процессе монтажа и эксплуатации кабель может подвергаться растяжению, изгибу и воздействию внешних сил. Недостаточные механические свойства могут 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 нормально работать в определённом температурном диапазоне без проблем, таких как старение изоляции. Кабель из сшитого полиэтилена (XLPE) обладает относительно хорошей термостойкостью и может длительное время работать при более высоких температурах.
5. Монтаж и обслуживание высоковольтных кабелей
При монтаже первым делом необходимо спланировать маршрут, чтобы обеспечить разумную и безопасную прокладку кабеля. Во время прокладки следует избегать чрезмерного растяжения, изгиба и выдавливания кабеля. При прокладке кабелей на большие расстояния обычно используется такое оборудование, как кабельные конвейеры.
Изготовление кабельных муфт – ключевой этап монтажного процесса. Качество муфты напрямую влияет на эксплуатационную надежность кабеля. При изготовлении муфт кабель необходимо зачистить, соединить, соединить и изолировать. Каждый этап должен выполняться строго в соответствии с технологическими требованиями, чтобы гарантировать соответствие электрических и механических свойств муфты установленным требованиям.
Техническое обслуживание крайне важно для долговременной и стабильной эксплуатации высоковольтных кабелей. Регулярные осмотры позволяют своевременно обнаружить повреждения внешнего вида кабеля или оболочки. Кроме того, испытательное оборудование позволяет проверить состояние изоляции и частичные разряды кабеля. При обнаружении проблем их следует своевременно устранить или заменить.
6. Выявление и обнаружение неисправностей высоковольтных кабелей
К распространённым неисправностям высоковольтных кабелей относятся пробой изоляции, отсоединение проводника и повреждение соединительной муфты. Пробой изоляции может быть вызван старением изоляции, частичным разрядом или внешним перенапряжением. Отсоединение проводника обычно происходит под действием внешнего механического воздействия или длительной перегрузки. Неисправность соединительной муфты может быть вызвана ненадлежащим процессом изготовления или сильным нагревом во время работы.
Для обнаружения этих неисправностей существует множество методов. Одним из наиболее распространённых методов является обнаружение частичных разрядов. Обнаруживая сигнал, генерируемый частичным разрядом в кабеле, можно определить наличие дефектов изоляции внутри кабеля. Испытание на выдерживаемое напряжение позволяет определить допустимую нагрузку кабеля и выявить потенциальные проблемы с изоляцией. Кроме того, технология инфракрасной тепловизионной съёмки позволяет определить распределение температуры на поверхности кабеля, что позволяет выявить такие проблемы, как локальный перегрев.
7. Применение и тенденции развития высоковольтных кабелей в энергосистемах
В энергосистемах высоковольтные кабели широко используются для преобразования городских электросетей, отходящих линий крупных электростанций, подводных кабельных линий электропередачи и других областях. В городских электросетях, в связи с ограниченным пространством, использование подземных кабелей позволяет сэкономить место и улучшить внешний вид города. Отходящие линии крупных электростанций требуют использования высоковольтных кабелей для передачи электроэнергии на удалённые подстанции. Подводные кабели позволяют осуществлять трансморскую передачу электроэнергии и обеспечивать стабильное электроснабжение островов и прибрежных районов.
В связи с непрерывным развитием энергетических технологий, высоковольтные кабели также демонстрируют некоторые тенденции развития. Одна из них – это исследования, разработки и применение кабелей с более высокими уровнями напряжения. С ростом спроса на передачу электроэнергии на большие расстояния разработка сверхвысоковольтных кабелей станет одним из основных направлений. Вторая – это интеллектуальность кабелей. Интеграция датчиков и другого оборудования в кабель позволяет осуществлять мониторинг рабочего состояния кабеля в режиме реального времени и оповещать о неисправностях, тем самым повышая эксплуатационную надежность кабеля. Третья – это разработка экологически чистых кабелей. В связи с растущими требованиями к защите окружающей среды, исследования и разработки экологически чистых, пригодных для вторичной переработки кабельных материалов станут одним из будущих направлений развития.
Время публикации: 24 сентября 2024 г.