Интернет-учебник по расчету кабельной продукции

Особенности электрического расчета изоляции кабелей высокого напряжения постоянного тока

Кабели постоянного тока представляют интерес при передачи энергии на большие расстояния. В кабелях переменного тока при этом допустимая нагрузка значительно снижается из-за дополнительных потерь от емкостного тока и потерь в металлических частях конструкции кабеля. (где U - фазное напряжение, В; С - емкость кабелей, Ом; - угловая частота, ; l - длина линии, м). У кабелей на U=220 и 500 кВ, соответственно и при длине линии в 30-40 км близок к максимально допустимому току кабеля.

Для подземных линий кабель постоянного тока составляется конкурентоспособным с кабелями переменного тока при его использовании на расстояние не менее 60 км. Он позволяет осуществлять регулировку мощности и обеспечивает ее постоянство (не позволяет ей резко увеличиваться) при коротком замыкании. При постоянном токе допустимая длина кабельной линии определяется, в основном, потерями в токопроводящей жиле.

У реальных изоляционных материалов энергетическая проводимость минимальна при постоянном токе. Омическое сопротивление изоляции для одножильного кабеля МОм·км зависит только от геометрических размеров кабеля.

Электрическая прочность изоляции кабеля при постоянном напряжении из-за значительно меньшей интенсивности частичных разрядов существенно выше, чем при переменном. Например, распределение напряжения между слоями пропитанной бумаги и прочным составом при постоянном токе происходит не по емкостям (что имеет место при переменном напряжении), а по сопротивлениям. Поэтому при постоянном токе наиболее напряженной частью изоляции является пропитанная бумага, а не пленка масла, как на переменном напряжении, так как проводимость пропитанной бумаги в несколько раз меньше проводимости пропитывающего состава. Таким образом при постоянном токе на наиболее прочную часть изоляции - пропитанную бумагу приходятся и больше напряженности, в результате чего электрическая прочность изоляции при постоянном токе выше, чем при переменном. В соответствии с этим, например, провода с поливинилхлоридной изоляцией марок ПВ1, ППВ, АППВ используются в цепях переменного тока напряжением до 450 В, а в цепях постоянного тока - до 1000 В; кабели с пропитанной бумажной изоляцией на напряжение 35 кВ выдерживают испытания переменным напряжением 115 кВ, в постоянным - 320 кВ. В таблице 1 [1] приведены физические свойства и электрическая прочность некоторых кабельных бумаг. Для бумаги КВАУ-080 среднее пробивное напряжение на постоянном напряжении превышает аналогичное напряжение на переменном токе примерно в 2-4 раза.

Марка бумаги	Объемная масса,	Воздухо- проницаемость, мл/мин	Переменное напряжение, , кВ	Постоянное напряжение, , кВ	Импульсное напряжение, , кВ
КВМУ-080	1,13	2,1	86,6	211,0	270,2
КВМУ-120	1,11	3,6	97,5	224,7	243,0
КВМС-080	0,64	13,9	64,5	110,2	185,5
КВМС-120	0,65	23,3	69,5	165,8	167,4
КВМС-170	0,76	23,1	70,9	190,8	173,4

Аналогичные по порядку величины данные сообщались и в [2]. В статье дан обзор проекта прокладки маслонаполненного кабеля постоянного тока мощностью 1000 МВт на острове Хоккайдо (Япония). При исследовании электрической прочности изоляции наблюдалась ее уменьшение со временем, примерно на 35% за секунд (как и при переменном напряжении). Это объяснялось накоплением объемных зарядов и искажением под их влиянием распределения электрического поля. Влияние объемных зарядов увеличивалось с ростом температуры. Был сделан вывод о том, что старение изоляции под действием постоянного напряжения происходило значительно менее интенсивно, чем при переменном напряжении и что наиболее тяжелым режимом для изоляции является наложение импульсов, возникающих при перенапряжениях, на постоянное напряжение. Толщина изоляции была выбрана по импульсному уровню (1250 кВ) и составляла 21мм. При этом рабочая напряженность постоянного электрического поля кабеля СИП-2А [3], предназначенного для работы в сетях переменного напряжения, составляет около 0,7 МВ/м.

Наряду с маслонаполненными кабелями известны высоковольтные кабели постоянного тока с полиэтиленовой изоляцией [4, 5]. Применение полиэтилена обеспечивает простоту конструкции, монтажа и эксплуатации. По толщине изоляции кабель постоянного тока с полиэтиленовой изоляцией на 250кВ соответствует 154кВ кабелю переменного тока. Причем, усиление неоднородности распределения объемных зарядов у сшитого полиэтилена научились компенсировать введением минеральных наполнителей.

Исследования показали, что кабели с изоляцией из экструдированного полиэтилена можно использовать для напряжений до 400 кВ при средней рабочей напряженности 20-25 МВ/м и электрической прочности 120 МВ/м; толщина изоляции - около 12 мм.