Общая характеристика кабельных линий

Зарождение в начале XIX в. техники передачи электроэнергии по изо­лированным проводникам, получившим впоследствии общее название «кабели», было связано с необходимостью передачи электрических сигна­лов. Силовые кабели появились в конце XIX в. вместе с первыми электри­ческими генераторами и началом развития электроснабжения. В настоящее время силовые кабельные линии сооружаются в тех случаях, когда строи­тельство воздушных линий нецелесообразно по причинам экономического, архитектурно-планировочного или экологического характера.

Совокупность этих причин в наибольшей степени проявляется при решении вопросов электроснабжения крупных городов и промышленных зон, где в большинстве случаев приходится считаться с необходимостью отчуждения достаточно больших территорий под трассы воздушных линий, а также с экологическими и эстетическими недостатками их сооружения в густонаселенных районах. Поэтому в последние десятиле­тия для электроснабжения таких районов все шире используются кабель­ные линии, а в крупнейших городах с целью высвобождения территории для жилищного строительства все чаще ранее сооруженные воздушные линии заменяются кабельными. Кроме того, кабельные линии в ряде слу­чаев являются единственным средством передачи электроэнергии через большие водные пространства, на подходах к аэропортам, а также для обеспечения выдачи мощности гидроэлектростанций, если отсутствует возможность связи трансформаторов и распределительного устройства высшего напряжения по воздушным линиям.

Кабельные линии, прокладываемые по городским или промышленным территориям, в большинстве случаев являются закрытыми сооруже­ниями, причем чаще всего подземными. Вследствие этого они защищены от воздействия ветра и гололедных нагрузок, однако подвержены другим отрицательным внешним воздействиям. При прокладке кабелей в грунте ими являются наличие влаги, химическая агрессивность почвы, наличие блуждающих токов, возможность механических повреждений механиз­мами при проведении земляных работ, дополнительный нагрев от проло­женных вблизи теплотрасс или других источников теплоты и т.п. В связи с этим конструкции как собственно кабеля, так и кабельной линии в целом должны предусматривать защиту от указанных воздействий. Поэтому поверх электрической изоляции кабеля накладывается металли­ческая оболочка, которая, в свою очередь, имеет те или иные защитные покровы, в том числе в ряде случаев и металлическую броню для защиты от механических повреждений.

Кабельная линия (КЛ) как электроустановка состоит из следующих элементов: собственно силового кабеля (или кабелей), оборудования для соединения и секционирования участков кабеля и присоединения концов кабеля к аппаратуре и к шинам распределительных устройств (кабель­ная арматура), а также аппаратуры подпитки маслом или газом (для масло- и газонаполненных кабелей). Кабели могут прокладываться не только в земляных траншеях, но и в различных кабельных сооруже­ниях — в коллекторах, туннелях, каналах, блоках, шахтах, в кабельных этажах и двойных полах, по эстакадам и в галереях. Кабельная арматура иногда вместе с аппаратурой подпитки может размещаться в кабельных колодцах или камерах. В специальных зданиях располагаются автомати­ческие подпитывающие установки маслонаполненных кабельных линий высокого давления. Таким образом, кабельная линия, в особенности при номинальных напряжениях 110 кВ и более, представляет собой доста­точно сложное техническое сооружение.

Классификация кабельных линий в основном соответствует класси­фикации ее главных элементов, т.е. кабелей. Основными признаками этой классификации являются [10.2, 10.17]:

род тока;

значение номинального напряжения U_ном;

число токоведущих элементов;

материал токоведущих элементов;

электроизоляционный материал (ЭИМ);

характер пропитки и способ увеличения электрической прочности бумажной изоляции;

материал оболочек.

Отметим, что данные признаки относятся лишь к кабелям, работаю­щим в условиях естественного охлаждения. Рассмотрение кабельных линий с форсированным охлаждением водой или маслом, а также крио­генных кабелей является предметом специального курса, поэтому здесь эти нетрадиционные типы кабельных линий не рассматриваются, равно как и кабельные линии, использующие в качестве основной изоляции сжатый газ [10.2].

Итак, по роду тока различаются силовые кабели переменного и постоянного тока. Кабели переменного тока по величине U_ном делятся на кабели низкого (до 1 кВ), среднего (1—35 кВ) и высокого напряжения (110 кВ и выше). По числу токоведущих элементов различают кабели одно-, двух-, трех- и четырехжильные. Двух- и четырехжильные кабели используются в сетях с номинальным напряжением до 1 кВ. Последние применяются в четырехпроводных сетях переменного тока, поэтому чет­вертая жила выполняет функцию нулевого провода и ее сечение обычно меньше сечения фазных жил. Одножильные и преимущественно трехжильные кабели используются в сетях с U_ном= 3-35 кВ. Кабели более высоких напряжений, как правило, одножильные.

По материалу токоведущих элементов различают кабели с медными, алюминиевыми и натриевыми жилами. В последнее время в связи с дефи­цитностью и высокой стоимостью меди при U_ном < 35 кВ преимущест­венно изготовляются кабели с алюминиевыми жилами. Кабели с натрие­выми жилами на сегодня еще не получили широкого распространения, и их ограниченное количество находится в стадии экспериментальных исследований и опытной эксплуатации.

Электрическая изоляция токопроводящих жил (ТПЖ) рассматри­ваемых традиционных конструкций кабелей может быть реализована с использованием различных электроизоляционных материалов (ЭИМ). В настоящее время промышленность выпускает кабели с бумажной про­питанной, пластмассовой и резиновой изоляцией. Последние изготовля­ются в ограниченном количестве на напряжения до 1 кВ. Производство кабелей с пластмассовой изоляцией в настоящее время расширяется, поскольку они имеют ряд преимуществ по сравнению с кабелями с бумажной пропитанной изоляцией, основными из которых являются простота изготовления, большее удобство монтажа и эксплуатации, а также большие допустимые температуры нагрева в стационарных режи­мах, при перегрузках и коротких замыканиях.

Бумажная электрическая изоляция кабелей с номинальным напряже­нием до 35 кВ для увеличения электрической прочности пропитывается составами различной вязкости. При этом различают кабели, пропитанные нормально, обедненно и нестекающим составом. При U_ном > 110 кВ вязкая пропитка не обеспечивает требуемой электрической прочности изоляции при экономически приемлемых габаритах кабеля. Поэтому для таких кабе­лей увеличение электрической прочности достигается заполнением бумаж­ной изоляции маслом или газом под давлением. В первом случае кабели получили название маслонаполненных, во втором — газонаполненных.

Как уже упоминалось, защита бумажной электрической изоляции кабе­лей от увлажнения при хранении и в процессе монтажа и дальнейшей экс­плуатации линии обеспечивается наложением металлических оболочек. Кабели с такой изоляцией в нашей стране изготовляют в свинцовых и алю­миниевых оболочках. В последнем случае оболочка может выполняться гладкой или гофрированной (для обеспечения требуемой гибкости). Неме­таллические оболочки (из пластмассы или резины) применяются для кабе­лей с синтетической или резиновой изоляцией.

Из перечисленных выше разновидностей кабелей далее основное вни­мание будет уделено кабелям переменного тока среднего и высокого напряжений с бумажно-масляной изоляцией, как нашедшим сегодня наи­более широкое применение при построении систем электроснабжения крупных городов и промышленных предприятий, а также тем элементам, которые в совокупности с названными кабелями образуют кабельную линию электропередачи.

Надежность работы всей кабельной линии во многом определяется надежностью ее арматуры, т.е. муфт различного типа и назначения. Кабельные муфты высокого напряжения можно классифицировать по трем основным признакам [10.18].

По назначению муфты делятся на три основные группы — концевые, соединительные и стопорные, причем среди концевых выделяют откры­тые муфты и кабельные вводы в трансформаторы и аппараты высокого напряжения, а среди соединительных — собственно соединительные, ответвительные и соединительно-разветвительные муфты.

По виду электрической изоляции муфты делятся на две группы: со слоистой и с монолитной изоляцией. Слоистая изоляция выполняется путем намотки лент из кабельной бумаги, синтетической пленки или их композиции и заполняется той или иной изолирующей средой (маслом, газом) под избыточным давлением или без него. Монолитная изоляция образуется методом экструзии или спеканием ЭИМ в подогреваемых пресс-формах.

По роду тока различают муфты для кабелей переменного, постоян­ного и импульсного тока. Муфты кабелей переменного тока могут выпол­няться однофазными и трехфазными.

Конструкция муфт силовых кабелей высокого напряжения в первую очередь определяется типом кабеля, для которого они предназначены. Последний же из основных элементов кабельной линии — аппаратура подпитки — будет рассмотрен в § 10.9, где описываются маслонаполненные кабельные линии.