Logo

Успешно завершены первые в России испытания отечественного кабеля на максимальное напряжение 550 кВ

А.Н. Горобец, инженер ОАО «ВНИИКП»,
Д.А. Гук, заведующий Высоковольтным испытательным центром ОАО «ВНИИКП»,
И.Н. Носков, технический директор АО «Кирскабель»,
В.Л. Овсиенко, к.т.н., заместитель заведующего отделением кабелей и проводов энергетического назначения ОАО «ВНИИКП»,
А.В. Хорьков, технический директор ООО «ТД «УНКОМТЕХ»,
М.Ю. Шувалов, д.т.н., заведующий отделением кабелей и проводов энергетического назначения ОАО «ВНИИКП»

В настоящее время в ряде промышленно развитых стран кабельная промышленность освоила производство кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ) на номинальное напряжение 290/500 кВ (максимальное напряжение 550 кВ). В России производство таких кабелей до настоящего времени отсутствовало. В целях наиболее полного удовлетворения современных потребностей электроэнергетической отрасли, повышения производственно-технического потенциала, а также в связи с решением задачи импортозамещения данного вида продукции в энергосистемах России, в рамках государственной программы «Развитие промышленности и повышение её конкурентоспособности» в 2016 году предприятие АО «Кирскабель» при поддержке Министерства промышленности и торговли Российской Федерации приступило к реализации проекта «Разработка и организация серийного производства нового поколения высоковольтных кабелей на напряжение до 550 кВ».

Работы по проведению НИОКР, типовых и предквалификационных испытаний проводились совместно с ОАО «ВНИИКП». Цель работы — освоение серийного производства кабеля и аккредитация его в ПАО «ФСК ЕЭС». Работы проводились в рамках Технического задания, согласованного участниками проекта. Основными этапами работ являлись:

  • проведение патентного поиска по теме «Высоковольтные кабели на напряжение до 550 кВ» и разработка конструкции кабеля;
  • изготовление опытных образцов и углубленный лабораторный контроль их качества;
  • проведение типовых электрических и неэлектрических испытаний кабеля совместно с арматурой в соответствии с требованиями стандарта ГОСТ Р МЭК 62067;
  • проведение предквалификационных испытаний в соответствии с требованиями стандарта ГОСТ Р МЭК 62067;
  • разработка документации и постановка продукции на производство в соответствии с требованиями ГОСТ Р 15.301-2016.

При разработке конструкции кабеля особое внимание уделялось выбору материалов изоляционной системы. Выбор поставщика материалов для кабеля осуществлялся на конкурсной основе. При этом учитывались:

  • опыт участия потенциального поставщика материалов в производстве кабелей сверхвысокого напряжения;
  • внутренние требования к качеству (контроль чистоты изоляционных материалов, гладкости электропроводящих экранов);
  • открытость фирмы с точки зрения оперативного решения текущих технических вопросов и предоставления данных о проведённых ранее исследованиях и испытаниях поставляемых полимеров.

В качестве материалов для изоляционной системы была выбрана сверхчистая изоляционная пероксидно сшиваемая композиция на основе полиэтилена низкой плотности и саженаполненная пероксидно сшиваемая полимерная сверхгладкая композиция для электропроводящих экранов.

Выбор толщины изоляции кабеля осуществлялся исходя из того, что основным механизмом выхода ее из строя в случае высоковольтного кабеля, является зарождение электрического триинга – ветвящегося канала неполного пробоя. Этот процесс начинает развиваться локально в местах с максимальной напряжённостью электрического поля и/или с пониженной электрической прочностью – на микродефектах изоляционной системы. Характерная особенность этих явлений заключается в наличии некоторой пороговой или критической величины напряжённости электрического поля (Екр), ниже которой электродеградация полимера не происходит – [1-3]. Величина Екр определялась во ВНИИКП в результате экспериментов по изучению длительной электрической прочности изоляционного полиэтилена компании-поставщика (из числа выбранных поставщиков материалов).

Уровень дефектности (наличие и размеры инородных включений в изоляции, величина выступов электропроводящих экранов) оценивался путём углублённых лабораторных исследований на опытных образцах кабеля. Пример характерного микродефекта представлен на рисунке 1. Проверочный электрический расчёт разработанного изделия осуществлялся по методике ОАО «ВНИИКП» [4].

Рисунок 1. Характерный выступ электропроводящего экрана в толще изоляции высотой 37 мкм

В результате проведённых работ была определена базовая конструкция кабеля на напряжение 290/500 (Um = 550) кВ с медной токопроводящей жилой (ТПЖ) сечением 1600 мм2 из 5-ти секторов (рисунок 2).

Необходимо отметить, что подготовка к изготовлению опытного образца кабеля на напряжение 290/500 (Um = 550) кВ на АО «Кирскабель» началась много лет назад. Некоторые технические и конструктивные решения при организации производства, а также оснащение технологическим оборудованием изначально предусматривали возможность в перспективе выпускать кабели сверхвысокого напряжения. В 2013-2015 гг. на АО «Кирскабель» была проведена модернизация производственного подразделения и организовано серийное изготовление кабеля на напряжение 110 и 220 кВ с сечением токопроводящей жилы до 2500 мм2. Отработанные при этом технологические решения по производству сегментированных ТПЖ крупных сечений были использованы при разработке конструкции и изготовлении опытного образца кабеля на напряжение 290/500 (Um =550) кВ.

Технологическую сложность при производстве образца представляло применение наклонной линии непрерывной вулканизации. В отличие от вертикальных линий, на наклонных линиях необходимо принимать дополнительные меры технического и технологического характера для обеспечения высоких требований к геометрическим размерам изоляционной системы кабеля. На предприятии был использован совместный опыт производителей материалов, оборудования, а также технологические решения, апробированные при подготовке производства.

Рисунок 2. Конструкция кабеля марки ПвПу2г 1×1600(гж)/300ов-290/500(Um=550). Сечение медной ТПЖ 1600 мм2; напряжение 290/500 (Um =550) кВ:

1 — Секционированная медная ТПЖ;
2 — Водоблокирующие электропроводящие ленты;
3 — Экран по жиле;
4 — Изоляция;
5 — Экран по изоляции;
6 —Подушка под металлический экран из электропроводящих водоблокирующих лент;
7 — Экран из медных проволок, скреплённых медной лентой;
8 — Оптический модуль;
9 — Разделительный слой из электропроводящих водоблокирующих лент;
10 — Алюмополимерная лента;
11 — Наружная оболочка

Рисунок 3. Поперечный срез кабеля марки ПвПу2г 1×1600(гж)/300ов-290/500(Um=550)

Для изготовления изоляции был использован материал повышенной вязкости для исключения эффекта «стекания» под действием силы тяжести. Производителем оборудования (компанией Maillefer Extrusion OY) была разработана особая конфигурация технологической оснастки. Для изготовления кабеля использованы — система EHT (Entry Heat Treatment — предварительная температурная обработка); модернизированная система подкрутки; специальная «чистая комната» для загрузки материала с контролем чистоты воздуха; модернизированные камеры дегазации и др. Поперечный срез опытного образца кабеля, изготовленного на предприятии АО «Кирскабель», представлен на рисунке 3.

Для проведения заводских испытаний кабеля в АО «Кирскабель» были проведены работы по строительству специального помещения и монтажу высоковольтной испытательной станции, приобретенной в 2016 году. Станция рассчитана на испытания напряжением до 700 кВ и измерения частичных разрядов на кабелях высокого и сверхвысокого напряжения с изоляцией из СПЭ. Пуск и наладка станции производились с участием специалистов фирмы - поставщика оборудования.

После успешных испытаний на предприятии-изготовителе образец кабеля проходил углубленные исследования в Высоковольтном испытательном центре и лабораториях ОАО «ВНИИКП»:

  • исследование уровня дефектности изоляционной системы;
  • исследование степени дегазации;
  • исследование уровня внутренних механических напряжений в изоляции;
  • проверку структуры, химического состава (в том числе содержания влаги после операции охлаждения заготовки);
  • определение уровня импульсной электрической прочности.

Последний пункт программы исследовательских испытаний состоял в следующем.

При температуре жилы 95 – 100 0С на образец кабеля длиной более 30 м подавалось 10 положительных и 10 отрицательных стандартных грозовых импульсов амплитудой 1550 кВ. Данное испытание входит в программу типовых по стандарту ГОСТ Р МЭК 62067. Далее, с шагом 50 кВ образец подвергался на каждой ступени воздействию трёх импульсов отрицательной полярности, вплоть до напряжения 1850 кВ. После этих воздействий температура кабеля поднималась до величины 110–115 0С на жиле и испытания повторялись, начиная с напряжения 1150 до напряжения 1850 кВ. Далее дополнительно на образец подавалось 10 отрицательных импульсов при максимальной амплитуде 1850 кВ.

Рисунок 4. Установка сверхвысокого напряжения на испытательной станции АО «Кирскабель».

Рисунок 5. Образец кабеля на напряжение 500 кВ, смонтированный для приемо-сдаточных испытаний на АО «Кирскабель».

В результате проведения всех испытаний по приведенной выше программе пробой образца не наступил. Данные результаты свидетельствуют об отсутствии грубых дефектов изоляционной системы кабеля, подтвердив ранее сделанные положительные выводы о качестве изделия на основе выполненных предыдущих пунктов программы исследований и испытаний.

На основании выполненных работ было принято решение о проведении типовых испытаний кабеля в соответствии с требованиями ГОСТ Р МЭК 62067. Испытательная сборка помимо кабеля включала в себя арматуру (соединительные и концевые муфты) двух зарубежных производителей, поскольку отечественная арматура на данный класс напряжения в России на настоящий момент отсутствует. Данные испытания проходили в период с октября 2017 по март 2018 гг. Помимо термических циклов под напряжением испытания включали в себя проверку герметичности наружной защиты соединительных муфт и подробные исследования элементов кабельной сборки после воздействия повышенных значений температуры и напряжения.

По мере получения положительных результатов, в январе 2018 года были выполнены монтажные работы по созданию испытательной сборки для проведения годичных (предквалификационных) испытаний в соответствии с требованиями ГОСТ Р МЭК 62067 (рисунок 5). В состав сборки входила арматура двух зарубежных производителей. В марте 2019 года данные испытания успешно завершены. Испытательная сборка выдержала нормируемые стандартом циклические тепловые нагрузки при максимальной температуре на жиле 90–95 °С и напряжении 493 кВ без пробоя, а также последующие испытания импульсным грозовым напряжением амплитудой 1550 кВ.

Рисунок 6. Испытательная сборка для проведения годичных (предквалификационных) испытаний в соответствии с требованиями ГОСТ Р МЭК 62067 кабеля марки ПвПу2г 1×1600(гж)/300ов-290/500(Um=550) в Высоковольтном испытательном центре ОАО «ВНИИКП»

В процессе проведения испытаний контроль температуры образца осуществлялся в соответствии с ГОСТ Р МЭК 62067 с использованием контрольного кольца. Однако, для повышения точности была впервые применена специально разработанная новая методика определения теплового состояния высоковольтного кабеля, включающая использование оригинального программного обеспечения и также оригинального дополнительного оборудования, позволяющего точно учитывать нелинейный характер зависимости теплофизических характеристик изоляционных и электропроводящих материалов, применяемых при производстве кабелей, от температуры. Последнее оказалось особенно важным как раз для кабелей на напряжение 500 кВ, т.к. толщина изоляционной системы в них может достигать 32-33 мм и выше. Во время испытаний новая система контроля показала высокую степень совпадения расчётной и измеренной температуры. Полученный результат позволит применять новые технические решения при эксплуатации разработанного кабеля для мониторинга его температуры.

Заключение

Выполненная НИОКР показала важность комплексного подхода к созданию такого сложного технического объекта, как кабель на максимальное напряжение 550 кВ. В процессе реализации проекта уделялось повышенное внимание качеству разрабатываемого изделия. Это происходило и на этапе выбора материалов и конструкции, и при подготовке производства, и при изготовлении образцов, и при проведении их комплексного лабораторного исследования. Все это позволило успешно завершить испытания высокотехнологичного и наукоёмкого изделия.

Список литературы

Montanari G.C. Electrical Life Threshold Models for Solid Insulated Materials Subjected to Electrical and Multiple Stresses. Investigation and Comparison of Life Models. IEEE Transactions. Vol. EI-27, № 5, 1992, p.p. 974-986.

Simoni L., Mazzanti G., Montanari G.C. General Multi-Stress Life Model for Insulating Materials with or without Evidence for Thresholds. IEEE Transactions, Vol. EI-28, № 3, 1993, p.p. 349-364.

Tanaka T., Greenwood A. Effects of Charge Injection and Extraction on Tree Initiation in Polyethylene. IEEE Transactions, Vol. PAS-97, № 5, 1978, p.p. 1749-1759.

Овсиенко В.Л., Пешков И.Б., Шувалов М.Ю. Электрохимическое старение и электродеструкция экструдированной изоляции силовых кабелей. – М.: Инновационное Машиностроение, 2017. 164 с.

Авторы

Горобец Александр Николаевич — инженер ОАО «ВНИИКП». После окончания Московского энергетического института в 2010 году работает во ВНИИКП. В настоящее время занимается разработкой и испытаниями кабелей высокого и сверхвысокого напряжения, разработкой методов расчёта и контроля их теплового состояния в процессе испытаний и эксплуатации.

Гук Дмитрий Анатольевич — заведующий высоковольтным испытательным центром ОАО «ВНИИКП». После окончания Московского физико-технического института работал в области нелинейной оптики и лазерной техники. С 2012 года работает заведующим Высоковольтным испытательным центром ОАО «ВНИИКП»

Носков Иван Николаевич — технический директор АО «Кирскабель». Окончил Пермский государственный технический университет. С 2002 года и по настоящее время работает на АО «Кирскабель» (г. Кирс Кировской обл.), с 2010 года занимает должность технического директора.

Овсиенко Владимир Леонидович, к.т.н. — заместитель заведующего отделением кабелей и проводов энергетического назначения ОАО «ВНИИКП». После окончания Московского энергетического института работал в филиале ВЭИ (г. Истра Московской обл.), а затем во ВНИИКП, где в настоящее время является заместителем заведующего отделением кабелей и проводов энергетического назначения. Участвовал в разработке, исследованиях и испытаниях кабелей высокого и сверхвысокого напряжения. Автор более 30 научных статей и патентов, кандидат технических наук. Лауреат премии им. П.Н. Яблочкова РАН за 2015 год за работы в области электрофизики и электротехники.

Хорьков Александр Владимирович — технический директор ООО «ТД «УНКОМТЕХ». Окончил Государственную морскую академию им. адм. С.О. Макарова (г. Санкт-Петербург). С 2016 года по настоящее время работает в ООО «ТД «УНКОМТЕХ» (г. Москва) в должности технического директора.

Шувалов Михаил Юрьевич, д.т.н. — заведующий отделением кабелей и проводов энергетического назначения ОАО «ВНИИКП». В 1980 году окончил Московский энергетический институт и поступил на работу во ВНИИКП, где и работает в настоящее время, с 2008 года — в должности заведующего отделением. Автор более 180 печатных трудов и патентов, доктор технических наук. Основная область научных интересов — разработка и исследования изоляционных систем силовых кабелей среднего и высокого напряжения, исследования механизмов старения и отказа кабельных изделий. Лауреат премии им. П.Н. Яблочкова РАН за 2015 год за работы в области электрофизики и электротехники.