Технологии

В условиях рыночной экономики проблемы надежности кабельных линий напряжением 1 - 10 кВ весьма актуальны. Это обусловлено возросшей в десятки раз стоимостью восстановительных работ из-за значительного увеличения цен на кабели, кабельную арматуру и другие расходные материалы, а также на выполнение ремонтных электромонтажных работ, связанных с поиском места повреждения кабеля, землеройными работами, монтажом муфт. Значительных материальных и временных затрат требуют также испытания и сдаточные мероприятия после ремонта кабельных линий.

В настоящее время весь комплекс мер по восстановлению одной соединительной муфты оценивают в 1,5 - 2 тыс. долл. и на его реализацию затрачивают 10 - 14 сут. Поэтому кабельные линии должны обладать такими электрическими и механическими свойствами, которые обеспечивают срок их службы на протяжении 30 лет. Таким же требованиям должна отвечать и кабельная арматура. Это вызвало необходимость в поиске новых технологий ее изготовления и монтажа.

Наибольшее распространение за рубежом и в России получили новые технологии изготовления кабельной арматуры на основе термоусаживаемых сшитых полимеров (полиэтилена, поливинилхлорида), направленные на повышение надежности и экономичности кабельных электрических сетей на напряжение 1 - 10 кВ. Такая арматура имеет существенные преимущества перед кабельной арматурой на основе заливочных компаундов и изоляционных обмоточных материалов и обеспечивает:
  полную герметизацию кабелей и отличные изоляционные свойства;
  высокую стойкость к воздействию окружающей среды;
  повышенную механическую прочность;
  возможность применения современной технологии монтажа, позволяющей немедленно ввести муфту в эксплуатацию;
  широкий диапазон объемного изменения размеров конструктивных деталей и элементов муфт вследствие свойства термоусаживаемости, что позволяет использовать один макроразмер муфты для нескольких типов и сечений жил кабелей и значительно сократить складской резерв муфт;
  длительное хранение комплектов деталей и материалов для монтажа муфт, которые практически не подвергаются старению;
  экологическую безопасность для монтажников и эксплуатационников, а также для окружающей среды.

В России для кабелей с бумажной изоляцией широкое применение нашла кабельная арматура на напряжение 1 - 10 кВ зарубежных и отечественных производителей. Из продукции зарубежных производителей наиболее востребованы соединительные и концевые муфты фирмы "Райхем", которые отличаются высоким качеством всех термоусаживаемых конструктивных элементов, а также других материалов, входящих в монтажные комплекты. Смонтированные муфты фирмы "Райхем" очень надежны и обладают высокими эксплуатационными показателями, однако их применение в электрических сетях России сдерживают высокие цены на соединительные и концевые муфты. Кроме того, их монтаж должны выполнять только специально обученные и аттестованные монтажники-кабельщики. Конструкция муфт насыщена различными элементами, деталями и материалами, что очень усложняет технологию их монтажа.

Из множества отечественных производителей кабельных муфт следует выделить такие, как Михневский завод электроизделий и Подольский завод электромонтажных изделий. Несмотря на наличие сертификатов соответствия требованиям ТУ, в муфтах имеются недостатки. Так, кабельная арматура Подольского завода перегружена большим количеством лент, подмоток и различных термоусаживаемых трубок, технология монтажа достаточно сложна, качество упаковки комплектов деталей и материалов муфт оставляет желать лучшего.

Продукцию Михневского завода также отличает нестабильность комплектации. Например, не все материалы, указанные в комплектовочных ведомостях, имелись в наличии, были случаи, когда некоторые перчатки и трубки не усаживались, растрескивались при монтаже. Кроме того, термоусаживаемые изделия фирмы "Райхем", Михневского и Подольского заводов изготавливают метолом радиационной сшивки кристаллической структуры полиэтилена.

Ввиду трудности контроля за процессом сшивки при производстве перчаток и труб, особенно у отечественных производителей, имеет место определенная нестабильность технических характеристик. Именно поэтому зафиксировано растрескивание трубок и перчаток в процессе усадки при монтаже. Коэффициент усадки перчаток ограничен коэффициентом 2, что не позволяет провести широкую унификацию макроразмеров муфт.

Компания "Электромонтаж" - ведущая в России специализированная организация в области электромонтажных работ, имеющая многолетний опыт разработки и внедрения электромонтажных изделий, учитывая перечисленные недостатки отечественных муфт и проанализировав потребности рынка в этой сфере, приступила к собственной разработке и изготовлению новых конструкций кабельной арматуры на напряжение 1 - 10 кВ для кабелей с бумажной маслянопропитанной изоляцией.

Цель разработки - создание таких конструкций муфт, которые по всем техническим, технологическим и эксплуатационным параметрам не уступали бы наиболее известным конструкциям кабельной арматуры ведущих зарубежных фирм ("Райхем", "АВВ-Сименс") и превосходили бы лучшие образцы отечественных муфт. При этом кабельная арматура должна иметь принципиально новую конструкцию, термоусаживаемые элементы, изготовленные по новым технологиям, обладать новыми свойствами и быть доступными по цене массовому потребителю: муниципальным городским электрическим сетям, промышленным предприятиям и энергосистемам.

Поставленную задачу решали аналитическими и научно-экспериментальными методами. На первом этапе были проанализированы статистические данные ведущих научно-исследовательских институтов России в области разработки кабелей и кабельной арматуры, таких, как ВНИИКП, ОРГРЭС, НИИпроектэлектромонтаж. Результаты анализа данных о надежности работы кабельных муфт свидетельствовали, что чаше всего выход из строя соединительных муфт происходит из-за износа их в горловине (в месте обреза металлической оболочки кабеля) и в центральной части (в месте контактного соединения жил). Этот вывод позволил определить главные направления разработки новых конструкций соединительных и концевых муфт.

Применив результаты исследования электрического поля в кабеле, точно измерив его напряженность, неравномерности и искажения, определив наиболее напряженные точки в изоляции кабеля, использовали эти данные для повышения электрической прочности кабельной арматуры.

С информационной целью приведем модель, схему измерения и последующие расчеты для определения наибольшей напряженности электрического поля вследствие его неравномерности для кабеля с бумажной изоляцией, например марки ААШв напряжением 10 кВ (рис. 1).

Электрическое поле в межэлектродном пространстве модели создано однофазным источником переменного напряжения при подсоединении его к электроду А и оболочке О_б, которая при этом заземлена (электроды В и С также заземлены). Аналогично создается поле после переключения источника с электрода А на В или С.

Результирующее поле в произвольной точке межэлектродного промежутка соответствует полю трехфазной системы напряжений, если измеренные поля однофазных источников накладываются с учетом их временного фазового сдвига на 120°. Результаты измерений приведены на рис 2, 3.

Анализ кривой на рис. 2 показывает, что значения напряженности (до 27 кВ/см) у края оболочки более чем в 2 раза превосходят полученное для стационарной части кабеля. Кривая на рис. 3 свидетельствует, что максимальная напряженность превышает 44 кВ/см. Это указывает на недопустимость выноса полупроводящей ступени бумажных лент без мер защиты от повышенной напряженности.

Кабельная муфта - это конструкция, предназначенная для эксплуатации совместно с кабелем. Трудно определить, где кончается кабель, а где начинается сама муфта. Реально кабель, входящий в муфту, является неотъемлемой частью ее конструкции. Для реализации поставленной задачи было решено: в основных узлах и элементах кабельной арматуры, разрабатываемой Компанией "Электромонтаж", использовать термоусаживаемые изделия, превосходящие по физико-механическим и электрическим параметрам муфты, применяемые в настоящее время; улучшить конструкцию этих узлов и элементов за счет технологически простых и вместе с тем эффективных решений, отвечающих современным требованиям, ориентируясь на аналогичные муфты фирм "Рай-хем", "АББ-Сименс", а также Михневского и Подольского заводов. Изучив руководящие материалы МЭК, информацию, полученную на технических выставках и из международных каталогов, и др., приняли решение о применении термоусаживаемых перчаток и труб фирмы "Canusa". Эти изделия, в отличие от упомянутых выше, изготовлены методом химической сшивки кристаллической структуры полиэтилена, обеспечивающим стабильность их свойств и высокое качество.

Все другие детали и материалы в конструкциях муфт были отечественными, однако при их отборе предъявляли высокие требования к их техническим параметрам и свойствам, учитывая особенности климата в России, разный уровень технической оснащенности объектов, степень подготовленности рабочего персонала и т. д.

Термоусаживаемые перчатки, трубы и трубки фирмы "Canusa" обладают высокими физико-механическими и электрическими характеристиками.

1. Коэффициент усадки - 6,позволяющий провести широкую унификацию макроразмеров муфт по сечениям проверяемых кабелей.
2. Высокая тепло- и холодоустойчивость, дающая возможность эксплуатировать изделия при температуре окружающей среды от-55до+120°С.
3. Изделия не поддерживают горение, и это принципиально новое качество обусловливает их применение в любых кабельных сооружениях- городских коммуникационных коллекторах, где наряду с силовыми кабелями могут быть проложены кабели связи с изоляцией из горючего полиэтилена, кабельных полуэтажах ТЭЦ, ГРЭС и ГЭС, кабельных каналах РП и ТП, максимальных залах и т. д.
4. В химическом составе антипиренов (веществ, обеспечивающих нераспространение горения), входящих в рецептуру материалов, из которых изготовлены изделия, нет галогеносодержащих составляющих (хлор, фтор), т. е. токсичный дым не выделяется.

Анализ исследований существующих конструкций муфт показал следующее:
  электрическое поле на участках кабеля 10 кВ, входящего в муфту, имеет значительное искажение;
  наибольшая неравномерность электрического поля наблюдается у обреза металлической оболочки (экрана), на внутреннем ребре его кромки;
  напряженность электрического поля в наиболее опасных точках в несколько раз превосходит напряженность на стационарной части кабеля и составляет 44 кВ/см и более;
  простым и экономичным конструктивным решением по выравниванию напряженности электрического поля является применение для любых типов концевых и соединительных муфт выравнивающего конуса или подобной ему детали простой конфигурации (рис. 4) из материала, обладающего диэлектрической проницаемостью > 20 и выравнивающими свойствами.

Рис. 4. Выравнивающий конус R - радиус конуса; альфа - угол раск- рытия конуса; h - координата вдоль внутренней поверхности оболочки и конуса; z - осевая координата места сгиба жил

Подтверждением того служит эксперимент (рис. 5), при котором на кабель с установленным на одном конце конусом подавалось повышенное напряжение до начала процесса ионизации и появления короны. У образца без выравнивающего конуса подобные явления были зафиксированы при напряжении U = 24 кВ, у образцов с выравнивающим конусом - при U = 30 кВ.

Это подтверждает выводы о снижении напряженности электрического поля не менее чем на 20 % и, как следствие, увеличивает электрическую прочность и надежность кабельной арматуры не менее чем в 2 раза.

5. Значительный коэффициент усадки позволяет получить необходимую нормированную толщину изоляционного слоя манжет и труб (6 - 8 мм) и таким образом обеспечить высокую электрическую прочность основных узлов, например, места контактного соединения жил, с помощью гильз со срывными болтами у соединительных муфт. Слой изоляции труб большой толщины для наружных оболочек также обеспечивает необходимую механическую защиту муфт.

В 2004 - 2005 гг. ОАО Компания "Электромонтаж" на принадлежащем ему заводе ООО "Пластмассовые электромонтажные изделия" (Ростов-на-Дону) начала серийный выпуск соединительных и концевых муфт на напряжение 10 кВ. Соединительные муфты выпускают по ТУ 3559-003-01394633-2004, а концевые - по ТУ 3449-004-0194633-2004. Изделия сертифицированы и имеют сертификаты на соответствие ГОСТ 13781.0-86 и требованиям пожарной безопасности.

Соединительные термоусаживаемые муфты СТп_нг-10ЭМ предназначены для соединения трехжильных силовых кабелей с бумажной изоляцией по ГОСТ 18409-73 и ГОСТ 18410-73 на напряжение 6 и 10 кВ переменного тока частотой 50 Гц при температуре окружающей среды от +50 до -50°С и относительной влажности до 98 %, а также при температуре +35°С (климатическое исполнение УХЛ 1,5 по ГОСТ 15150-69). Муфты применяют для соединения кабелей в алюминиевой или свинцовой оболочке с защитными покровами или без них, проложенных в земле, туннелях, коллекторах, каналах и других кабельных сооружениях.

Концевые внутренней установки термоусаживаемые муфты (в дальнейшем именуемые "муфты") марки КВТп_нг10ЭМ предназначены для оконцевания трех-и четырехжильных силовых кабелей по ГОСТ 18409-73, ГОСТ 18410-73 и ГОСТ 16442-80 на напряжения 1; 6 и 10 кВ и поставляются в виде комплекта деталей и материалов (климатического исполнения УХЛ 3 по ГОСТ 15150-69).

Макроразмеры муфт в зависимости от сечения жил кабеля (в обозначении макроразмера муфт в скобках даны сечения жил в мм²) приведены в табл. 1.

Соединительная муфта СТп_нг-10ЭМ состоит из следующих термоусаживаемых элементов фирмы "Canusa": двух перчаток, трех манжет, общей трубы, наружной (защитной) трубы, а также 12 трубок российского производства.

Термоусаживаемые трубки предназначены для герметизации бумажной изоляции жил кабелей и повышения их электрической прочности, термоусаживаемые перчатки - для герметизации концов разделанных кабелей. Дополнительно перед усадкой межжильное пространство заполняют массой, обладающей высокими электрической прочностью и влагостойкостью,

Контактные соединения жил кабелей выполняют механическими сжимами, герметизируют пластинами для выравнивания электрического поля и изолирующими пластинами, обладающими высокой электрической прочностью, маслобензостойкостью и термостойкостью. Поверх пластин на контактные соединения усаживают термоусаживаемые манжеты.

Для лучшей жесткости и электрической прочности всей конструкции в межжильное пространство оставляют перегородку, а пустоты заполняют массой, обладающей электрической прочностью и влагостойкостью.

Термоусаживаемая труба большого диаметра обеспечивает защиту и герметизацию муфты и служит для восстановления оболочки. Экран муфты выполнен из листовой алюминиевой фольги. Провод заземления и экран заземляют хомутами к металлическим оболочкам кабеля (провод заземления может быть припаян). Механическую защиту всей муфты обеспечивает наружная термоусаживаемая труба.

Макроразмеры концевых внутренней установки термоусаживаемых муфт в зависимости от сечения жил кабеля (в обозначении макроразмера муфт в скобках даны сечения жил в мм²) приведены в табл. 2.

Для увеличения электрической прочности жилы кабеля на напряжение 10 кВ изолируют двумя термоусаживаемыми трубками, жилы кабеля на напряжение 1 кВ - с помощью одной термоусаживаемой трубки. Корешок кабеля герметизируют термоусаживаемой перчаткой, на внутреннюю поверхность которой нанесен термоплавкий клей. Межжильное пространство термоусаживаемых перчаток заполняют наполнителем, обладающим высокой электрической прочностью.

Термоусаживаемые манжеты обеспечивают полную герметизацию наконечников. Место присоединения провода заземления к оболочке и броне кабеля герметизируют и изолируют термоусаживаемой манжетой. Для увеличения длины пути утечки внешней изоляции муфты у корешка ее усаживают проходные изоляторы.

По сравнению со всеми зарубежными и отечественными кабельными муфтами муфты СТп_нг-103М и КВТп_нг-10ЭМ обладают отличительными конструктивными особенностями, которые позволяют усилить электрическую прочность и увеличить эксплуатационную надежность. Этого достигают благодаря применению простых технологических приемов монтажа и изоляционных материалов, обладающих необходимыми свойствами.

Основные конструктивные изменения коснулись повышения электрической прочности узла контактного соединения жил, который выполнен с применением гильз с болтами, имеющими срывные головки. Для этого использован метод градирования изоляции, т. е. постепенный послойный переход от материалов с напряженностью, близкой к напряженности электрического поля оголенной жилы и имеющих диэлектрическую проницаемость > 20 - 30, к изоляционным материалам, имеющим диэлектрическую проницаемость 6 - 8, напряженность поля, сниженную по 30 %, и применены материал с диэлектрической проницаемостью 3, являющийся полным диэлектриком, имеющий величину объемного сопротивления v = 10^-14 Ом мм³, и термоусаживаемые материалы фирмы "Canusa" с толщиной стенки не менее 4 мм, также со свойствами высокого диэлектрика. Общая толщина восстанавливаемой изоляции - более 10 мм, чего не имеет ни одна соединительная муфта, изготавливаемая в настоящее время.

Для повышения электрической прочности в месте сочленения кабеля с муфтой (корешок муфты), являющемся критической точкой (по результатам анализа статистических данных о выходе муфт из строя), применен технологический прием, при котором очень простым средством на монтаже имитируют деталь выравнивающего конуса.

Разделка конца кабеля, подготовленного для монтажа соединительной муфты СТп_нг-10ЭМ. После удаления металлической оболочки и образования ступени из полупроводящей бумаги шириной 5 мм от пластины, предназначенной для выравнивания напряженности электрического поля, отрезают полосу шириной 10 мм, которую сворачивают в жгут диаметром 5 мм и затем наматывают на торец обреза оболочки так, чтобы он заходил на ступень полупроводящей бумаги. Как было указано выше, напряженность поля этого узла муфты снижается более чем на 20 %.

После усадки трубок на гильзах в корешок разделки между жил вставляют заполнитель (сформированный в виде конуса), а на ступень поясной изоляции из бумажных лент наматывают заполнитель в виде ленты.

После усадки перчатки по ее периметру и из "пальцев" должен выступить расплавленный клей. Таким образом будет гарантировано отсутствие пузырей воздуха, вытесняемого в результате усадки термоусаживаемой перчатки. Использование в соединительных и концевых муфтах наряду с термо-усаживаемыми изделиями фирмы "Canusa", примененными в основных конструктивных элементах, также и российских материалов высокого качества позволило изготовить кабельную арматуру, не уступающую лучшим мировым образцам по надежности, но ниже по цене в 1,5 - 2 раза.