Технология изготовления высоковольтных силовых кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ-кабели, XLPE-кабели) является одной из наиболее прогрессивных технологий в кабельной технике. Сшитый полиэтилен (СПЭ) идеально подходит для изоляции высоковольтных кабелей.
Массовое производство высоковольтных кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена на номинальное напряжение 110 кВ и выше началось еще в 70-х годах прошлого столетия.
Основным недостатком первых кабелей высокого напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена было интенсивное старение полимерной изоляции. Главная проблема кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена – определяемый триингами (медленно развивающимися в сильном электрическом поле каналами пробоя) срок их службы, который не должен уступать таковому для соответствующих кабелей с бумажно-масляной изоляцией (не менее 25–30 лет).
Во многих странах (ФРГ, Франция, Италия, США, Япония и др.) ве-лись и ведутся интенсивные исследования по совершенствованию кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена. Усовершенствование технологических процессов изготовления кабеля и применение различных добавок к полиэтилену позволило ряду ведущих зарубежных фирм разработать кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена на номинальные напряжения до 420–550 кВ.
Современные СПЭ-кабели благодаря своей конструкции, технологии изготовления и совершенным изоляционным материалам технически более совершенны и более экономичны по сравнению с маслонаполненными кабелями и в последние годы быстро вытесняют в новых проектах кабели с бумажной изоляцией.
Сравнительные характеристики кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена и маслонаполненных кабелей приведены в табл. 2.
Основным преимуществом использования кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена является более высокая надежность КЛ, что связано как с улучшенным качеством кабеля, так и с технологией монтажа концевых и соединительных муфт. Кроме того, СПЭ-кабели имеют меньший диаметр и легче, чем кабели с бумажно-масляной изоляцией, и поэтому они могут прокладываться большими длинами, что уменьшает число соединений и увеличивает надежность линий. Отсутствие жидких компонентов в изоляции позволяет использовать СПЭ-кабели в широком диапазоне окружающих температур и без ограничений по разности высот прокладки. По этой же причине КЛ, выполненные СПЭ-кабелями, экологически более безопасны и не требуют постоянного контроля и обслуживания в процессе эксплуатации.
При современной технологии изготовления кабелей в процессе вулканизации (сшивки) полиэтиленовой изоляции происходит изменение молекулярной структуры полиэтилена и образуются новые межмолекулярные связи, что приводит к улучшению электрических и механических свойств изоляции.
Процесс вулканизации (сшивки) особо чистого полиэтилена при пероксидной технологии производится химическим способом в “вулканизационной трубе” в среде нейтрального газа (азота) при высоком давлении (8-9 атмосфер) и высокой температуре (285-400 ?С) с использованием в качестве реагента пероксида дикумила. При высокой температуре сшивка происходит равномерно по всей толщине изоляции без пустот и посторонний включений. Эта технология применяется в вертикальных (наклонных[) экструзионных линиях. Для улучшения электроизоляционных свойств и исключения возможности образования дефектов в изоляции используется также более совершенный процесс “сухой” сшивки или вулканизации (метод “MDCV”). При использовании этого метода на жилу, которая подается с барабана, немедленно накладывается изоляционный компаунд, не содержащий влаги и посторонних включений. Далее жила сразу поступает в “вулканизационную трубу”, где производится сшивка изоляции посредством нагрева “вулканизационной трубы” постоянным током, т.е. изолированная жила не подвергается воздействию азота. Необходимо отметить, что экструзия электропроводящего экрана по жиле, слоя изоляции и электропроводящего экрана по изоляции осуществляется одновременно, т.е. происходит трехслойное экструдирование. Такая технология обеспечивает хорошую адгезию между экранами и изоляцией, а также отсутствие газовых включений в изоляции и на границе с экранами.
Токопроводящие медные или алюминиевые жилы СПЭ-кабелей изготавливаются уплотненными и герметизированными, а при сечении жилы более 1000-1200 мм2 сегментированными для уменьшения поверхностного эффекта.
Внутренний полупроводящий слой, изоляция и внешний полупрово-дящий слой выпресовываются одновременно из композиций сшиваемого полиэтилена высокой частоты. При этом толщина и эксцентриситет слоев непрерывно контролируются приборами лазерного контроля.
Металлический экран кабеля состоит из медных проволок и спирально наложенной медной ленты. Сечение экрана выбирается по условию протекания токов короткого замыкания. Для обеспечения продольной герметизации используется слой водонабухающего материала.
Для надежной защиты изоляции кабелей от влаги используется оболочка из алюмополимерной ленты, сваренной c полиэтиленовой или ПВХ оболочкой, для радиальной герметизации (см. рис. 24). Рис. 24. Элементы конструкции СПЭ-кабелей с пластмассовой оболочкой.
Помимо оболочки из полиэтилена или ПВХ-пластиката (стандартный вариант для кабелей, проложенных в земле), может использоваться усиленная полиэтиленовая оболочка с продольными ребрами жесткости (для сложных трасс), а также свинцовая оболочка (cм. рис. 25) или гофрированная алюминиевая оболочка (cм. рис. 26). Поверх внешней оболочки может накладываться слой, защищающий кабель от возгорания. Для измерения температуры нагрева кабеля по всей трассе и для передачи данных в кабель (между проволоками экрана или под свинцовой оболочкой) могут быть интегрированы оптоволоконные нити. 
Рис. 25. Элементы конструкции СПЭ-кабелей со свинцовой оболочкой.
Рис. 26. Элементы конструкции СПЭ-кабелей с алюминиевой оболочкой.
Как уже отмечалось, к настоящему времени рядом ведущих зарубеж-ных фирм разработаны и выпускаются одножильные СПЭ-кабели на напряжения до 420–550 кВ с сечением токопроводящей жилы до 2500-3000 мм2 и с пропускной способностью до 1000 МВА (см. табл. 3).
В последние годы за рубежом находят применение также трехжильные кабели с СПЭ-изоляцией в стальной трубе (см. рис. 27). Кабели специально были разработаны для возможности использования уже существующих труб при реконструкции старых линий.
Рис. 27. Элементы конструкции трехжильных СПЭ-кабелей 132 кВ в стальной трубе.
Ведущими зарубежными производителями высоковольтных СПЭ-кабелей являются компании ABB, NEXANS, Pirelli, NKT Cable, корпорация Sumitomo Electric.
В России освоен выпуск кабелей c с изоляцией из сшитого полиэтилена на номинальное напряжение 110 кВ (производитель – ЗАО “АББ Москабель”) c использованием новейших технологий (по лицензии фирмы АВВ Energiekabel). В Украине также освоен выпуск СПЭ-кабелей на напряжение 110 кВ (производитель – завод “Южкабель”). В 2007 г. ОАО “Севкабель” запустило линию (фирмы Maillefer) по производству кабеля с изоляцией из пероксидносшитого полиэтилена на напряжение до 220 кВ включительно.
Конструктивно кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена напряжением 110 кВ (марок ПвП, ПвПу, АПвП, АПвПу) состоит из круглой многопроволочной медной или алюминиевой жилы сечением от 185 до 800 мм2, полупроводящего слоя по жиле, изоляции из сшитого полиэтилена толщиной 15-16 мм, полупроводящего слоя по изоляции, полупроводящей ленты, экрана из медных проволок и медной ленты, полупроводящей ленты, оболочки из полиэтилена или ПВХ пластиката. Для обеспечения продольной герметизации в кабелях индексом “г” используется слой водонабухающего материала. При контакте с водой этот слой разбухает и формирует продольный барьер, предотвращая распространение влаги при повреждении наружной оболочки. Кабели имеют оболочку из черного полиэтилена. Кабели с индексом “у” имеют усиленную полиэтиленовую оболочку с продольными ребрами жесткости (используются при прокладке на сложных участках кабельных трасс).
Все кабели комплектуются соответствующей кабельной арматурой, состоящей из элементов заводской сборки (изолирующие части и конуса изготавливаются из силиконовой резины), включая концевые муфты наружной установки, муфты для ввода в элегазовые КРУ и трансформаторы, соединительные муфты.
В частности широко применение находят кабельные муфты фирмы “Райхем ”, в том числе:
– композитные концевые муфты наружной установки типа OHVT-145C и OHVT-170C (корпус муфты состоит из резиновой трубки, усиленной стекловолокном, с юбками из силиконовой резины; конус выравнивания напряженности электрического поля выполнен из силиконовой резины; пространство между конусом, изоляцией кабеля и внутренней поверхностью корпуса заполнено силиконовым маслом; для герметизации используются термоусаживаемые компоненты; для соединения применяется болтовой соединитель со срывными головками);
– сухие концевые муфты наружной установки типа OHVT-145D без заполнения маслом (силиконовый резиновый корпус с юбками со встроенным контактным электродом; силиконовый конус выравнивания напряженности электрического поля; металлическое подпружинивающее кольцо; изолированный кабельный сальник; болтовой соединитель со срывными головками);
– концевые муфты для распределительных и трансформаторных подстанций типа SHVT-170 и THVT-170 для работы в элегазе и изоляционных жидкостях (эпоксидный изолятор со встроенным контактным электродом; силиконовый конус выравнивания напряженности электрического поля; заполнение силиконовым маслом; болтовой соединитель со срывными головками; экран против короны);
– сухие компактные концевые муфты для распределительных и трансформаторных подстанций типа PHVS-145 и THVS-145 без заполнения маслом (легкий эпоксидный корпус со встроенным контактным электродом; силиконовый конус выравнивания напряженности электрического поля; металлическое подпружинивающее кольцо; болтовой соединитель со срывными головками; экран против короны);
– соединительные и экранно-разделительные муфты типа EHVS-145 (конструкция состоит из трех предварительно изготовленных на заводе частей – соединителя, адаптеров из силиконовой резины, включая конусы выравнивания, и корпуса муфты из силиконовой резины; встроенная блокировка влаги с использованием термоусаживающихся компонентов; соединительные гильзы со срывными головками).
Для соединения маслонаполненных кабелей низкого давления на на-пряжение 110 кВ с кабелями с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 110 кВ предприятием ООО “Техкабель”(разработка ОАО “ВНИИКП”) выпускаются переходные муфты типа МПМНП-110 (МПМНП-М-110; МПМНП-МС-110). Конструкция муфт состоит из центральной части, изготовленной и испытанной в заводских условиях (литые детали из эпоксидного компаунда, усиливающая изоляция из пропитанной маслом бумаги, центральный электрод) и двух кабельных заделок, заключенных в немагнитный металлический кожух с отводами для заземления. Заделка маслонаполненной части муфты, содержащая наложенную дополнительно бумажно-пропитанную изоляцию и запрессованный на жиле контактный наконечник, заполняется кабельным маслом. Заделка кабеля с полимерной изоляцией, содержащая запрессованный на жиле контактный наконечник и дополнительно выпресованную полиэтиленовую изоляцию, заполняется полиметилсилоксановой жидкостью.
В последние годы КЛ высокого и сверхвысокого напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена широко применяются при организации глубоких вводов в центральные районы крупнейших городов мира, так как они помимо надежного электроснабжения, обеспечивают минимальный землеотвод и максимальное сохранение окружающей среды.
Из реализованных в последние годы крупных проектов КЛ с изоляцией из сшитого полиэтилена для передачи большой мощности в густонаселенных городских районах можно выделить, например, двухцепную подземную КЛ 400 кВ Восток-Запад в Берлине с передаваемой мощностью свыше 1600 МВА. Самым мощным является подземный кабель 400 кВ, входящий в проект новой инфраструктуры энергоснабжения Лондона (сечение жилы кабеля – 2500 мм2, расчетный ток – 3700 А). КЛ большой длины на напряжение 500 кВ (Shin Keiyo-Toyosu Line) проложена в городе Токио. Длина линии – 40 км.
В России высоковольтные кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена также находят все более широкое применение. Так, например, кабели с СПЭ-изоляцией использовались при реконструкции и строительстве сетей 110 и 220 кВ в Москве по проекту энергетического кольца. В Санкт-Петербурге в настоящее время ведется прокладка кабелей на напряжение 330 кВ (длина линий 4–5 км). Кабель 500 кВ с СПЭ-изоляцией был применен для вывода мощности от Бурейской ГЭС.
Силовые кабели прокладываются либо непосредственно в траншее, либо в специальном туннеле, либо в коллекторе, где размещаются и другие жизненно важные городские коммуникации. Вдоль трассы прокладки кабеля предусматриваются подземные колодцы для монтажа соединительных муфт. Для механизации рытья траншей и прокладки кабелей используются специальные машины. В каждом проекте учитывается специфика прокладки кабеля и, соответственно, корректируется его предельная пропускная способность по току.
Усовершенствование технологий производства кабелей, их прокладки и монтажа приводит к снижению капитальных вложений на сооружение КЛ. На сегодняшний день капитальные вложения в современные подземные высоковольтные КЛ могут в 5 раз и более превышать затраты на сооружение воздушных линий. Однако учет экономических и эксплуатационных факторов (минимальный землеотвод, высокая надежность, меньшие издержки при техническом обслуживании, меньшие потери, высокая устойчивость к кратковременным перегрузкам и др.) может существенно снизить это соотношение в пользу кабелей.
