Пожалуй, ни одна из инноваций в кабельной отрасли не вызывает столь бурных дискуссий, как применение сшитого полиэтилена в изоляции. На самом деле, технология эта не такая уж и новая — на Западе ее применяют с 70-х годов XX века, в нашей стране — с середины 90-х. Тем не менее вокруг такого рода кабелей сложился уже некий ореол таинственности. Представление, что данная технология «не для России», явно сдерживает ее применение. Давайте разберемся непредвзято, откуда берутся эти мифы и соответствует ли «общественное мнение» действительности?
Замечательным свойством полиэтилена является то, что он обладает большой гибкостью без применения дополнительных пластификаторов. В этом его принципиальное отличие от поливинилхлорида (ПВХ), который изначально представляет собой твердое вещество, в которое обязательно добавляют пластификаторы, если речь идет об изоляции жил кабелей. Пластификаторы значительно ухудшают электрические свойства при высоких напряжениях. Поэтому кабели с ПВХ-изоляцией на напряжение выше 6 кВ практического применения не нашли.
Но обычный полиэтилен, из которого, например, изготавливают пакеты, непрочен. Кроме этого, при температуре выше +80°C полиэтилен размягчается, теряя форму. Поэтому изоляцию из обычного полиэтилена в силовых кабелях на высокое напряжение не делают.
Недостатки полиэтилена обусловлены его структурой: он состоит из длинных молекул, не связанных друг с другом. Решением проблемы является поперечное соединение молекул, так называемая сшивка. В результате получается прочная трехмерная структура, хорошо сохраняющая форму. Это и есть сшитый полиэтилен (СПЭ). В лабораторных условиях он выдерживает нагрев до +130°C не размягчаясь. При этом СПЭ является гибким материалом, т. е. из него можно изготавливать изоляцию жил кабелей. В России СПЭ мо-жет также обозначаться как ПЭ-С, за рубежом используют обозначение XLPE или PE-X.
Кабели с изоляцией из СПЭ уже сейчас широко применяются в крупных российских городах для замены воздушных ЛЭП на кабельные с высвобождением земли под застройку. Также подводные кабели с подобной изоляцией использованы в энергомосте, по которому подается электричество из Краснодарского края в Крым.
К сожалению, сшивка полиэтилена не устраняет таких его недостатков, как постепенное разрушение под действием влаги и ультрафиолетового излучения. Поэтому из СПЭ в высоковольтных кабелях, как правило, делают только изоляцию, а оболочку кабеля выполняют из других материалов (например, ПВХ).
На момент написания статьи кабели с изоляцией из СПЭ серийно выпускались на напряжение до 220 кВ (в России) и до 500 кВ (за рубежом).
Предшествующие технологии
Основным видом изоляции в высоковольтных кабелях до появления СПЭ была бумажно-масляная. Канифоль растворяли в минеральном масле и ею пропитывали специальную техническую бумагу, которой обертывались жилы. Кабели по данной технологии, изобретенной еще в позапрошлом веке, до сих пор выпускаются и пользуются в нашей стране большим спросом. По мнению автора статьи, этот спрос обусловлен как низкой ценой (при сопоставимых электрических характеристиках кабель с изоляцией из СПЭ стоит в 1,5–2 раза дороже), так и имеющимся недоверием у монтажных и эксплуатирующих организаций к новому изоляционному материалу. Кабели в бумажно-масляной изоляции выдерживают напряжение до 35 кВ. Жилы у них могут разогреваться до +70°C против +90°C у кабелей с изоляцией из СПЭ. То есть бумажно-масляная изоляция проигрывает СПЭ по перегрузочной способности кабелей.
Для напряжений 35-500 кВ применяют маслозаполненные кабели. В них также используется бумага с пропиткой, но воздушные промежутки дополнительно заполняются минеральным маслом, что увеличивает напряжение пробоя. Недостатком маслозаполненных кабелей является то, что при большом перепаде высот трассы масло может неравномерно распределяться по кабелю. Кроме этого, такие кабели сложны в обслуживании, при их повреждении в окружающую среду попадает вредное минеральное масло. Сравнение наиболее распространенных материалов изоляции для высоковольтных кабелей приведено в таблице.
Технология производства
Существует несколько способов производства СПЭ. Но когда речь заходит о материале для изоляции кабелей, применяют только два способа сшивки — пероксидный и силановый.
Исторически первым появился пероксидный способ. Он заключается в обработке полиэтилена пероксидами в атмосфере нейтрального газа. Недостатком этого способа является то, что технологический процесс происходит при высоком давлении (20 атм) и температуре (+400 °C). При этом малейшие отклонения от заданных параметров приводят к браку. В итоге СПЭ получается очень дорогим.
Когда кабели с изоляцией из СПЭ стали более массовым видом продукции, для удешевления придумали другой способ — силановый. Полиэтилен помещается в ванну с дистиллированной водой, в которой растворены специальные химические добавки — силаны. Процесс происходит при температуре +90 °C, повышенное давление не требуется.
Пероксидный способ позволяет сшить 80-90 % молекул, а силановый — только 65-80 %. По этой причине считается, что изоляция из силанового СПЭ уступает по своим характеристикам изоляции, изготовленной пероксидным способом. Кабели с силановым СПЭ массово выпускаются на напряжение до 10 кВ. В то же время среди специалистов-практиков сложилось мнение, что изоляция, полученная силановым способом, непригодна для напряжений выше 1 кВ. Данный вывод, однако, пока не подкреплен ни серьезными научными исследованиями, ни существующими в нашей стране нормативными документами.
Надежность изоляции
Наиболее распространенный миф — кабели с бумажно-масляной изоляцией, а также масло-заполненные кабели обладают способностью к самовосстановлению после пробоя, а при использовании СПЭ такой возможности нет. Следует заметить, что такого понятия, как «самовосстановление», применительно к кабелям, где в изоляции присутствует бумага, в современных нормативных документах нет. Полное самовосстановление возможно только для изоляции, находящейся в жидком или газообразном состоянии без включения твердых веществ. Таким образом, «самовосстановление» без нарушения действующих правил невозможно для любого широко применяющегося типа силового кабеля, используется ли в нем бумага с масляной пропиткой или СПЭ.
Кабели, где применяется масло, чувствительны к перегрузкам, т. к. у них не должны сильно нагреваться проводящие жилы. Но и у СПЭ есть свои слабые места. Если оболочка кабеля повреждена и к изоляции проникла влага, со временем возникает так называемый водный триинг. Вода, попадая в неоднородность на поверхности изоляции, постепенно формирует проводящие каналы древовидной формы. Потом именно в этих местах возникает пробой. Развитие водного триинга возможно только при одновременном воздействии двух факторов — влаги и электрического поля. Без воздействия электричества СПЭ устойчив к влаге настолько, что из него даже делают водопроводные трубы. Кабели с бумажно-масляной изоляцией более устойчивы к появлению небольших механических дефектов в оболочке.
Тем не менее если четко выдерживать все принятые нормы и правила при укладке кабеля, а персонал, занимающийся этим, имеет соответствующую профессиональную подготовку, никаких механических повреждений оболочки у кабеля любого типа быть не должно.
Срок службы
Заявленный срок службы кабелей, в которых применяется СПЭ, — 30 лет. Как это соотносится с традиционными типами кабелей? У одного из самых надежных отечественных кабелей с бумажно-масляной изоляцией ААШв значение этого параметра составляет также 30 лет. Маслозаполненный кабель МНС, согласно данным производителя, прослужит 35 лет, что ненамного больше. Откуда же тогда взялись «страшилки» про малый срок службы изоляции из СПЭ?
Причина заключается в том, что СПЭ относительно недавно используется в кабелях и еще не удалось набрать статистику по его долговечности, по крайней мере, при эксплуатации на территории РФ. Срок службы первого такого кабеля, установленного в России, еще не достиг 30 лет. Более-менее релевантная статистика может быть собрана по кабелям, которые работают около 15 лет. В то же время, например, известны случаи, когда кабель ААШв без проблем работал до 60 лет.
Зарубежные данные здесь ничем помочь не могут. В странах Западной Европы, где изоляция из СПЭ применяется с 70-х годов, принято заменять электрооборудование по истечении заявленного срока службы. Соответственно, и там, но уже по другой причине, нет данных, будет ли кабель работать дольше. Для наших же энергетиков перспектива замены кабеля точно по истечении заявленного срока службы действительно может выглядеть как недостаток. Еще не стерся в памяти сложный период 90-х годов, когда работа кабелей сверх заявленного срока позволила избежать крупных сбоев в энергоснабжении.
Только одножильные?
Весьма распространенным заблуждением является то, что, применительно к высоким напряжениям, СПЭ якобы пригоден лишь для изго-товления одножильных кабелей. На самом деле, есть иное технологическое ограничение — до недавнего времени такой изоляцией покрывали жилы только с сечением круглой формы. Это обстоятельство увеличивает толщину кабеля, а значит, уменьшает емкость стандартного кабельного барабана. В итоге длина непрерывного отрезка кабеля сокращается, например, с 1000 до 400 м.
Для того, чтобы не уменьшать длину отрезка кабеля, поставляемого с завода, применяют одножильные изделия. Но в настоящее время освоена технология покрытия СПЭ электрических проводов секторной формы. Это позволило уменьшить диаметр, а значит, увеличить длину отрезка, наматываемого на барабан, для многожильных высоковольтных кабелей. Другой вопрос — а нужны ли они? Современной тенденцией в электроэнергетике является прокладка пучка одножильных кабелей вместо одного многожильного. Логично использовать для СПЭ более современные подходы.
Несмотря на то, что изоляцию из СПЭ нельзя испытывать повышенным напряжением постоянного тока во избежание повреждения из-за накопления электрического заряда, сами кабели такой конструкции для передачи энергии на постоянном токе вполне пригодны. Мало того, именно их обычно используют в современных HVDC-системах.
Более сложные испытания
Испытания кабелей с изоляцией из СПЭ на пробой действительно более сложные. Постоянный ток для этого неприменим, используется переменный ток частотой 50 или 0,1 Гц. Причем испытания на 0,1 Гц считаются более адекватными, но они требуют приборов, специально созданных для этого типа кабелей. Для поиска мест повреждений в кабелях с применением СПЭ также требуется более сложное оборудование.
Стандартизация
В сентябре 2021 г. были внесены значительные изменения в ГОСТ 31996-2012, регулирующий параметры кабелей на 0,66; 1 и 3 кВ. Помимо прочего, СПЭ был введен в список допустимых для изоляции материалов. Параметры силовых кабелей с пластмассовой изоляцией на напряжение от 6 до 35 кВ регулируются ГОСТ Р 55025-2012, в котором среди возможных материалов изоляции упоминается и СПЭ.
Применение СПЭ в кабелях на более высокие напряжения регулируется уже стандартами организаций. Такие кабели выпускаются заводами на основании как собственных технических условий, так и технических условий, разработанных ВНИИ кабельной промышленности.
В общем, применение СПЭ для изоляции кабелей в России находится сейчас вполне в правовом поле. Другой вопрос, что пока сделаны первые шаги в данном направлении и нормативная документация недостаточно полная.
Выводы
Для рабочих напряжений до 35 кВ включительно основным преимуществом СПЭ по сравнению с бумажно-масляной изоляцией является большая пропускная способность за счет более высокой допустимой температуры токопроводящих жил. Это обстоятельство позволяет, при определенных условиях, окупить более высокую цену кабеля и дополнительные расходы на аппаратуру для испытаний и поиска мест повреждения.
При напряжениях выше 35 кВ конкурентом выступают уже маслозаполненные кабели. Изоляция из СПЭ по экономике здесь уверенно выходит вперед, поскольку кабели с ней не требуют обслуживания. Кроме этого, не требуются дополнительные площади для баков с минеральным маслом, а трасса может выбираться произвольно, что важно для современных густонаселенных мегаполисов.
При работе строго по правилам (аккуратная прокладка, своевременная замена, игнорирование незадокументированной функции «самовосстановления» кабеля) большинство недостатков, приписываемых СПЭ, становятся несущественными. Но развитие российской электроэнергетики как раз и происходит в направлении минимизации влияния человеческого фактора на надежность. Поэтому широкое внедрение СПЭ неизбежно, вопрос только в том, насколько быстро это произойдет.
