• В настоящее время в электрические сети среднего напряжения различного назначения всё шире внедряются силовые кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена (XLPE, СПЭ). Применение в кабелях такой изоляции имеет определенные преимущества по сравнению с бумажно-пропитанной изоляцией. К этим преимуществам следует прежде всего отнести более высокие значения пропускной способности, сниженные себестоимость изделия и эксплуатационные затраты.
  Немаловажным преимуществом является также и отсутствие жидких компонентов в конструкции кабелей, что не накладывает дополнительных требований по перепаду высот вдоль трассы их прокладки.
  Надежная эксплуатация этих кабелей зависит в том числе и от условий их прокладки. Именно способы прокладки в большой мере определяют тепловой режим эксплуатации кабелей, а, следовательно, и надежность как самого кабеля, так и электропитания потребителей.
  Вместе с тем проектирующими организациями уделяется недостаточное внимание условиям прокладки кабелей с изоляцией из СПЭ, что в ряде случаев приводит к перегреву и даже к возгоранию кабелей в нормальном эксплуатационном режиме. Этот вопрос на страницах нашего журнала рассматривают ученые из Новосибирска.

Кабели 6–10 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена
Требования к прокладке

Кира Кадомская,
д.т.н., профессор
Юрий Лавров,
к.т.н.
Семен Кандаков,
магистрант
Новосибирский государственный технический университет

Наиболее распространенными в сетях 6–10 кВ в настоящее время являются кабели с СПЭ-изоляцией (более часто их называют кабелями с пластмассовой изоляцией (КПИ)) в однофазном исполнении (рис. 1).
Такое исполнение конструкции кабеля обусловлено требуемыми большими строительными длинами, легкостью монтажа, а также возможностью выполнения кабелей с большими номинальными сечениями жилы. Однофазная конструкция КПИ накладывает определенные ограничения на способы их прокладки в отличие от кабелей традиционных трехфазных конструкций с бумажно-пропитанной изоляцией. Например, в [1] оговариваются допустимые температурные условия эксплуатации кабеля при различных способах его прокладки, а в [2,3] подчеркиваются особенности прокладки КПИ в местах, требующих их механической защиты с помощью труб: при пересечении инженерных сооружений, естественных препятствий и т.п.
Невыполнение регламента прокладки КПИ в этих случаях может привести по крайней мере к двум негативным явлениям: к термическому разрушению кабеля при его эксплуатации в номинальном режиме либо локальному снижению электрической прочности СПЭ-изоляции на участке кабеля, заключенного в трубу. Деградация CПЭ-изоляции при комбинированном воздействии электрического и теплового полей больше сказывается на снижении электрической прочности СПЭ при высокочастотных импульсных перенапряжениях, которые, например, могут инициировать вакуумные выключатели. Таким образом, неправильное проектирование прокладки КПИ однофазного исполнения на «особых участках» может с течением времени спровоцировать аварийную ситуацию, связанную с тепловым разрушением кабеля или его электрическим пробоем.

О тепловом режиме эксплуатации кабелей
Перегрев кабеля может быть вызван выделением тепла как внутри конструкции кабеля, так и в окружающем его пространстве. Источником теплового поля внутри и снаружи кабеля являются электрические токи, протекающие по всем металлическим элементам конструкции: по жиле кабеля и экрану из медных проволок.
Следует отметить, что в ряде проектов на определенных участках кабельной трассы (зачастую под дорогами) предполагается пофазная прокладка кабелей в металлических трубах. При такой прокладке дополнительным источником тепла являются токи Фуко, протекающие по металлической трубе. Так как длина защитных стальных труб обычно на порядок и более меньше общей длины кабельной линии, то при расчете токов в экранах можно с большой степенью точности пренебречь наличием стальной трубы. Проведенные расчеты подтвердили это предположение (рис. 2).

Токи в экранах кабелей в общем случае прокладки трех фаз кабеля
Рассмотрим общий случай прокладки трех фаз кабельной линии, экраны которых заземляются по концам его строительных участков (рис. 3). Расчеты производились как с помощью аналитической методики, основанной на анализе электромагнитного поля в соответствующих электрических схемах, так и на основе численного анализа поля с помощью векторного метода конечных элементов (ВМКЭ). При использовании численного метода использовалось понятие векторного магнитного потенциала, описывающего распределение магнитного поля в проводящей среде и в диэлектрике.
На рис. 4 приведены зависимости отношений токов в экранах к токам в жилах от расстояния между фазами кабеля при горизонтальной прокладке трех фаз в грунте. Рассмотрен кабель 10 кВ фирмы Nexans с изоляцией из сшитого полиэтилена типа N2XSY10 1•500. Токопроводящая жила и экран выполнены из меди. Сечение токопроводящей жилы 500 мм2, сечение экрана 35 мм2, номинальный ток при прокладке в земле 745 А, толщина изоляции по жиле – 4 мм, толщина ПВХ оболочки – 2,5 мм. Внешний диаметр кабеля – 45 мм. Заглубление центров фаз кабелей – 0,7 м.
Этот и аналогичные расчеты показали, что токи в экранах кабелей однофазного исполнения могут составлять значительную величину – начиная с 10–15% от тока в жиле при расположении фаз кабеля в непосредственной близости друг от друга и до 40–50% при значительном удалении фаз. Следовательно, при пофазной прокладке фаз в стальной трубе токи в экранах являются существенным дополнительным источником тепла.

Тепловыделение в стальной трубе
Произведенные расчеты показали, что при прокладке стальной трубы в грунте вихревые токи вследствие существенно большей проводимости трубы, выполненной из конструкционной стали (107См/м), замыкаются лишь по самой трубе. Тепловыделение в ней, определенное с помощью численного расчета теплового поля от вихревых токов при прокладке фазы кабеля с параметрами, указанными выше, и номинальном токе в нем составило 129 Вт/м.

Распределение температуры в плоскости сечения кабеля, проложенного в стальной трубе
При решении уравнения теплопроводности в рассматриваемой системе (однофазный кабель в трубе) были приняты следующие правомочные допущения:

• поверхность земли принята изотермической при заданной температуре,
• на границе расчетной области тепловой поток принят равным нолю,
• на границах сред с различными значениями коэффициента теплопроводности принималось условие непрерывности температурного поля (T₁ = T₂) .

Рис. 6 Последствие прокладки фазы кабеля с пластмассовой изоляци- ей в стальной трубе

Рис. 7 Температурное поле в сечении конструкции при прокладке трех фаз кабеля в стальной трубе

Из рисунка видно, что температура жилы в рассматриваемой конструкции составляет величину порядка 150ОС, что значительно выше длительно допустимой температуры нагрева изоляции из сшитого полиэтилена (90ºС).
Правомочность приведенных результатов подтверждается непосредственными измерениями температуры трубы при повреждении кабеля длиной 110 м, связывающего генераторы теплоэлектростанции с КРУ (длина стальных труб с проложенными под дорогой пофазно кабелями составляла 13 м). При этих измерениях температура стальной трубы оказалась равной 140–145ОС. На рис. 6 приведена фотография поврежденной фазы кабеля.
Избежать повреждения кабеля, проложенного пофазно в стальной трубе, можно, нагрузив его не более чем на 50–60% от номинального тока. Очевидно, что такая недогрузка кабелей вряд ли допустима.
Одной из возможных мер уменьшения рабочей температуры кабелей при прокладке их в стальных трубах является расположение всех трех фаз вплотную в вершинах правильного треугольника в общей стальной трубе.
Распределение температурного поля при прокладке трех фаз, расположенных в стальной трубе в вершинах правильного треугольника, приведено на рис. 7. Из рисунка видно, что при такой прокладке температура наиболее нагретой жилы составила 85ОC, что не превышает допустимого значения.
Можно заметить, что в наихудших условиях с точки зрения температуры находится верхняя фаза (фаза А на рис. 7), так как через неё проходит тепловой поток от нижних фаз.

Заключение

1. Пофазная прокладка кабелей среднего напряжения в стальных трубах недопустима из-за появления дополнительного источника тепла в виде вихревых токов в стальной трубе, что приводит к повышению температуры в конструкции, существенно превышающей допустимую.
2. Снизить тепловыделение в стальной трубе можно путем прокладки трех фаз однофазных кабелей вплотную, в вершинах правильного треугольника в общей стальной трубе. Тепловыделение в трубе при этом становится соизмеримым с тепловыделением в жиле и экране кабеля, а максимальная рабочая температура не превышает предельно допустимых значений.
3. Если это не требуется по условиям механической прочности, то следует по возможности избегать прокладки кабелей в трубах из ферромагнитных материалов, а применять отрезки неметаллических труб (например, асбоцементные, керамические, пластмассовые или из иного немагнитного материала).

Литература

1. Кабели силовые с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 10, 20, 35 кВ. Технические условия. ТУ 16.К71-335-2004. (ОАО ВНИИКП).
2. Инструкция по прокладке кабелей силовых с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 10, 20 и 35 кВ. RUKAB/ID 23-2-019 (ABB Москабель).
3. Инструкция. Прокладка силовых кабелей на напряжение 10 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена. ИМ СК-20-03 (Камкабель).