У сучасних енергосистемах високовольтні кабелі відіграють життєво важливу роль. Від підземних електромереж у містах до ліній електропередачі на великі відстані через гори та річки, високовольтні кабелі забезпечують ефективну, стабільну та безпечну передачу електроенергії. У цій статті буде детально розглянуто різні технології, пов'язані з високовольтними кабелями, включаючи їх структуру, класифікацію, процес виробництва, експлуатаційні характеристики, монтаж та обслуговування.
1. Основна структура високовольтних кабелів
Високовольтні кабелі в основному складаються з провідників, ізоляційних шарів, захисних шарів та захисних шарів.
Провідник є каналом передачі струму і зазвичай виготовляється з міді або алюмінію. Мідь має добру провідність і пластичність, тоді як алюміній відносно недорогий і легкий. Ці провідники зазвичай мають форму багатожильних скручених дротів для збільшення гнучкості.
Ізоляційний шар є ключовою частиною високовольтного кабелю, який відіграє роль у запобіганні витоку струму та ізоляції провідника від зовнішнього світу. До поширених ізоляційних матеріалів належать зшитий поліетилен (XLPE), масляний папір тощо. XLPE має чудові електричні властивості, термостійкість та механічну міцність і широко використовується в сучасних високовольтних кабелях.
Екрануючий шар поділяється на внутрішній екран та зовнішній екран. Внутрішній екран використовується для забезпечення однорідності електричного поля та запобігання пошкодженню ізоляційного шару локальними розрядами; зовнішній екран може зменшити вплив зовнішнього електромагнітного поля на кабель, а також запобігти електромагнітному впливу кабелю на зовнішній світ.
Захисний шар головним чином захищає кабель від пошкоджень зовнішніми факторами, такими як механічні пошкодження, хімічна корозія та проникнення води. Зазвичай він складається з металевої броні та зовнішньої оболонки. Металева броня може забезпечити механічну міцність, а зовнішня оболонка має водонепроникні та антикорозійні функції.
2. Класифікація високовольтних кабелів
За рівнем напруги високовольтні кабелі можна розділити на кабелі середньої напруги (зазвичай 3-35 кВ), кабелі високої напруги (35-110 кВ), кабелі надвисокої напруги (110-500 кВ) та кабелі надвисокої напруги (вище 500 кВ). Кабелі різних рівнів напруги відрізняються конструкцією, вимогами до ізоляції тощо.
З точки зору ізоляційних матеріалів, окрім вищезгаданих кабелів із зшитого поліетилену (XPE) та олійно-паперових кабелів, існують також кабелі з етилен-пропіленової гуми. Кабелі з олійно-паперової гуми мають довгу історію, але через високі витрати на обслуговування та інші причини їх поступово замінюють кабелі з зшитого поліетилену (XPE). Кабель з етилен-пропіленової гуми має добру гнучкість та стійкість до атмосферних впливів, тому підходить для деяких особливих випадків.
3. Процес виробництва високовольтного кабелю
Виробництво високовольтного кабелю – це складний і делікатний процес.
Виробництво провідників спочатку вимагає розтягування, скручування та інших процесів мідної або алюмінієвої сировини, щоб забезпечити точність розмірів та механічні властивості провідника. Під час процесу скручування волокна повинні бути щільно розташовані, щоб покращити провідність провідника.
Екструзія ізоляційного шару є одним з ключових етапів. Для ізоляційного шару XLPE матеріал XLPE екструдується за високої температури та рівномірно намотується на провідник. Під час процесу екструзії такі параметри, як температура, тиск та швидкість екструзії, повинні суворо контролюватися, щоб забезпечити якість та однорідність товщини ізоляційного шару.
Екрануючий шар зазвичай виготовляється шляхом плетіння металевим дротом або обмотування металевою стрічкою. Процеси виготовлення внутрішнього та зовнішнього екранів дещо відрізняються, але обидва мають забезпечувати цілісність екрануючого шару та хороше електричне з'єднання.
Нарешті, виробництво захисного шару включає укладання металевої броні та екструзію зовнішньої оболонки. Металева броня повинна щільно прилягати до кабелю, а екструзія зовнішньої оболонки повинна забезпечувати гладкий вигляд без дефектів, таких як бульбашки та тріщини.
4. Експлуатаційні характеристики високовольтних кабелів
Щодо електричних характеристик, високовольтні кабелі повинні мати високий опір ізоляції, низькі діелектричні втрати та хороший опір напрузі. Високий опір ізоляції може ефективно запобігти витоку струму, низькі діелектричні втрати зменшують втрати електричної енергії під час передачі, а хороший опір напрузі гарантує безпечну роботу кабелю в середовищі високої напруги.
Щодо механічних властивостей, кабель повинен мати достатню міцність на розтяг, радіус вигину та ударостійкість. Під час монтажу та експлуатації кабель може піддаватися розтягуванню, вигину та впливу зовнішніх сил. Якщо механічні властивості недостатні, кабель легко пошкодитися.
Теплові характеристики також є важливим аспектом. Кабель виділятиме тепло під час роботи, особливо під високим навантаженням. Тому кабель повинен мати добру термостійкість і бути здатним нормально працювати в певному діапазоні температур без проблем, таких як старіння ізоляції. Кабель із зшитого поліетилену (XPE) має відносно добру термостійкість і може працювати протягом тривалого часу за вищих температур.
5. Монтаж та обслуговування високовольтних кабелів
Щодо монтажу, перше, що потрібно зробити, це спланувати шлях, щоб забезпечити його обґрунтованість та безпеку. Під час прокладання слід уникати надмірного розтягування, вигину та екструзії кабелю. Для прокладання кабелю на великі відстані зазвичай використовується таке обладнання, як кабельні конвеєри, для сприяння будівництву.
Виробництво кабельних з'єднань є ключовою ланкою в процесі монтажу. Якість з'єднання безпосередньо впливає на експлуатаційну надійність кабелю. Під час виготовлення з'єднань кабель необхідно зачистити, під'єднати та ізолювати. Кожен крок необхідно виконувати суворо відповідно до вимог процесу, щоб забезпечити відповідність електричних та механічних властивостей з'єднання встановленим вимогам.
Технічне обслуговування є важливим для довгострокової стабільної роботи високовольтних кабелів. Регулярні перевірки можуть своєчасно виявити пошкодження зовнішнього вигляду кабелю або оболонки. Водночас, деяке випробувальне обладнання також може бути використане для перевірки ізоляційних характеристик та часткового розряду кабелю. У разі виявлення проблем їх слід своєчасно відремонтувати або замінити.
6. Виявлення пошкоджень та пошкоджень високовольтних кабелів
До поширених несправностей високовольтних кабелів належать пробій ізоляції, відключення провідника та руйнування з'єднання. Пробій ізоляції може бути спричинений старінням ізоляції, частковим розрядом або зовнішнім перенапруженням. Відключення провідника зазвичай спричинене механічною зовнішньою силою або тривалим перевантаженням. Руйнування з'єднання може бути спричинене неякісним виробничим процесом з'єднання або сильним нагріванням під час експлуатації.
Для виявлення цих несправностей існує багато методів виявлення. Виявлення часткових розрядів є поширеним методом. Виявляючи сигнал, що генерується частковим розрядом у кабелі, можна визначити, чи є дефекти ізоляції всередині кабелю. Випробування на витримувану напругу може виявити витримувану напругу кабелю та виявити потенційні проблеми з ізоляцією. Крім того, технологія інфрачервоного тепловізійного зображення може виявити розподіл температури на поверхні кабелю, щоб з'ясувати, чи є у кабелю такі проблеми, як локальний перегрів.
7. Застосування та тенденції розвитку високовольтних кабелів в енергосистемах
В енергосистемах високовольтні кабелі широко використовуються для трансформації міських енергомереж, відвідних ліній великих електростанцій, підводної кабельної передачі та інших галузей. У міських енергомережах, через обмежений простір, використання підземних кабелів може заощадити місце та покращити зовнішній вигляд міста. Відвідні лінії великих електростанцій вимагають використання високовольтних кабелів для передачі електроенергії до віддалених підстанцій. Підводна кабельна передача може реалізувати трансморську передачу електроенергії та забезпечити стабільне електропостачання островів та прибережних районів.
З постійним розвитком енергетичних технологій, високовольтні кабелі також демонструють певні тенденції розвитку. По-перше, це дослідження, розробка та застосування кабелів з вищими рівнями напруги. Зі зростанням попиту на передачу електроенергії на великі відстані, розробка кабелів надвисокої напруги стане пріоритетною. По-друге, це інтелектуальність кабелів. Завдяки інтеграції датчиків та іншого обладнання в кабель можна забезпечити моніторинг робочого стану кабелю в режимі реального часу та попередження про несправності, тим самим підвищуючи надійність експлуатації кабелю. По-третє, це розробка екологічно чистих кабелів. Зі зростанням вимог людей до охорони навколишнього середовища, дослідження та розробка матеріалів для кабелів з низьким рівнем забруднення, придатних для вторинної переробки, будуть одним із напрямків розвитку в майбутньому.
Час публікації: 24 вересня 2024 р.