Адаптация кабельных линий к работе в высоконагруженных режимах

С каждым годом неуклонно растет потребление электроэнергии. Увеличивается нагрузка на всю систему электроэнергетики, в том числе и на кабельные линии передачи. Вопрос повышения надёжности кабельных систем не теряет своей актуальности.

Способы повышения надёжности кабельных систем

Влияние рабочей температуры на надёжность линии

Рабочая температура экплуатации кабельных линий:

Рабочая температура кабеля, кроме передаваемой мощности, зависит от величины свободного пространства в кабельном канале и наличии вентиляции. Для силовых кабелей общего применения рабочая температура в случае длительной эксплуатации может составлять от 70 до 90 градусов по Цельсию. Однако из-за кратковременных «скачков» тока температура может подниматься до значений 120-130 градусов и выше. Для подбора материала изоляции это нужно учитывать. Чем больший температурный запас будет иметь материал изоляции, тем большим будет срок её службы. Предельная рабочая температура кабельной линии рассчитывается, исходя из множества факторов, и в разных странах может иметь разные значения. Но, общие принципы одинаковы.

Проектировщиками кабельных линий применяется ряд мер по отводу тепла и, соответственно, понижению рабочей температуры кабельной системы. Это, прежде всего, следующие меры:

• внутреннее жидкостное охлаждение;
• внешнее жидкостное охлаждение;
• косвенное охлаждение;
• внешнее воздушное охлаждение;
• использование огнеупорных плит;
• увеличение габаритов и массы кабельной конструкции.

Для организации жидкостного или воздушного охлаждения часто применяется принудительная циркуляция охлаждающей жидкости или газа с периодическим их охлаждением в пределах каждого цикла. В качестве охлаждающих жидкостей могут использоваться фторуглеродные жидкости, диэлектрики на основе кремнийорганических соединений, электроизоляционные масла и другие жидкие смеси.

Огнеупорные плиты, как правило, применяются для создания каналов для прокладки огнеустойчивых линий, рассчитанных на работу в экстремальных условиях.

В случае увеличения габаритов и массы кабельной конструкции, увеличивается площадь рассеивания тепла, что, конечно же, способствует понижению рабочей температуры конструкции. Однако в силу известных причин, возможности для применения этого способа охлаждения крайне ограничены.

Влияние материала и типа кабельных муфт на надёжность линии

Температура эксплуатации муфт по типу материала:

Из статистических данных известно, что большая часть аварий на кабельных линиях происходит из-за повреждений кабельных муфт, и поэтому к надежности этих элементов предъявляются более высокие требования, чем к изоляции кабеля.

Тип кабельной муфты влияет на надёжность соединения в связи с технологией монтажа муфты, которая может быть как огневой, так и безогневой.

Огневая технология предполагает применение источника открытого огня в ручном режиме и в этом случае качество соединения напрямую зависит от опыта и квалификации монтажника. В результате, изолирующий материал муфты может быть неравномерным, что безусловно сказажется на диэлектрических свойствах соединения, а, значит, и на его надёжности.

Безогневая технология монтажа кабельных муфт предусматривает использование специальных конструкций и материалов, позволяющих установить муфту не прибегая к нагреву. Наиболее популярной стала технология холодной усадки, когда изолирующий материал муфты предварительно растянутый на временном каркасе, который самопроизвольно усаживается в процессе монтажа на место соединения из-за упругих свойств материала муфты. Это обеспечивает равномерность изоляционного слоя на всём участке монтажа без потери его качества.

Критерии выбора материала кабельных муфт

Исходя из сказанного, можно сформулировать критерии для выбора материала кабельной муфты. К основным из них следует отнести:

• высокий класс нагревостойкости;
• высокий класс термостойкости;
• эластичность;
• широкий диапазон рабочих температур;
• температурная стабильность характеристик в пределах рабочего диапазона.

Высокий класс нагревостойкости характеризует изменения в физической структуре материала при воздействии температуры без изменения его химической структуры. Этот критерий играет ключевую роль в выборе материала.

Высокий класс термостойкости характеризует изменения в химической структуре материала при воздействии температуры. В общем случае, данный параметр может не совпадать с предыдущим параметром. Возможна ситуация, когда физические изменения материал претерпел, но его химическая структура не нарушена. Например, это возможно в случае с полимерами, для которых этот вопрос более актуален.

Эластичность показывает способность материала не разрушаясь, изменять свои геометрические размеры и форму под действием внешних сил.

Широкий диапазон рабочих температур материала муфты позволит обеспечить более длительный срок её службы из-за нечувствительности материала к температурным изменениям окружающей среды, как в летний, так и зимний период.

Температурная стабильность характеристик в пределах рабочего диапазона гарантирует прогнозируемую, надёжную и продолжительную работу муфты.

Современные полимеры для кабельных муфт

Ещё несколько десятков лет назад для производства кабельных муфт начали использовать полимерные материалы, получаемые синтетическим путём. Это объясняется тем, что природные органические полимеры, например, натуральные каучуки в значительной степени подвержены старению под действием температуры, ультрафиолета и других внешних воздействий. Искусственно синтезированные материалы обладают различным набор свойств. Можно выделить две группы полимеров, используемых в кабельной промышленности и отличающихся химическим строением:

• органические полимеры, все узлы решёток которых заполнены органическими элементами;
• элементорганические полимеры, в узлах атомных решёток которых, кроме органических элементов, присутствуют также неорганические.

Рассмотрим более подробно ведущие качества полимеров указанных групп, чтобы проиллюстрировать как используются эти материалы для производства кабельных муфт. Основной акцент сделаем на полимерах с высокими характеристиками эластичности, которые разработаны для применения в современных технологических решениях, например, таких как муфты холодной усадки.

Эластомеры группы полиолефинов

Органические соединения на основе полиолефинов в не модифицированном виде имеют линейную либо слабо разветвлённую структуру и являются плавкими веществами, имеющими очень узкий температурный интервал эластичности или фазу эластичности. Наиболее известные представители этой группы – полиэтилен высокого давления (ПЭВД) и полиэтилен низкого давления (ПЭНД). Хотя эти материалы широко используются в кабельной промышленности, однако имеют небольшой интервал рабочих температур и малый срок службы.

Для улучшения термомеханических и других характеристик материалов, выполненных на основе углеродных соединений, используют различные методы их модификации. Основными из них являются различные варианты сополимеризации с другими химическими элементами класса углеродов, а также радиационные и другие методы обработки, эквивалентные вулканизации, что сопровождается преобразованиями их молекулярной структуры. При этом производится «сшивание» молекулярной структуры полимера с приданием ему каучукоподобных свойств. Наиболее известные из таких материалов:

• СПЭ – сшитый полиэтилен (международное обозначение PEX, где Х – тип сшивки);
• СКЭПТ – синтетический каучук этиленпропиленовый тройной (международное обозначение по ISO 1629 – EPDM).

PEX - это высокомолекулярный полиэтилен, степень уплотнения молекул которого зависит от способа модификации и может быть как физическим, так и химическим. Для получения материалов с более высоким уровнем эластичности используется радиационный метод модификации, дающий на выходе слабо сшитый материал за счёт связывания лишь около 60% макромолекул вещества. Для таких материалов характерна более низкая температура стеклования, а также практически отсутствие фазы текучести, которая заменяется фазой размягчения, длящейся вплоть до температуры химического разложения, что и отличает его от обычных, не модифицированных полиолефинов.

Достоинства:

• сочетает в себе свойства термопластов и эластомеров;
• высокая прочность на разрыв;
• низкая температура стеклования;
• повышенные температуры размягчения и плавления по сравнению с не модифицированным полиэтиленом;
• устойчивость к большинству растворителей;
• устойчивость к растрескиванию;
• высокая эластичность в некотором диапазоне рабочих температур;
• хорошие диэлектрические характеристики.

Недостатки:

• слабая устойчивость к ультрафиолету – при продолжительном воздействии начинает разрушаться;
• неустойчивость к разрушению на воздухе под действием кислорода из-за наличия ненасыщенных связей основной цепи.
• значительная интенсивность износа со временем;
• прочностные характеристики имеют тенденцию к значительному (50-70%) снижению с повышением температуры в пределах рабочего диапазона температур;
• неустойчивость к тепловому старению;
• температурная нестабильность характеристик в пределах рабочего диапазона.

Ниже, в таб. 1 приведены некоторые из основных характеристик этого материала.

EPDM - это материалы, относящиеся к классу резин специального назначения и получаемые на основе насыщенных EPDM каучуков. Эта группа полимеров ориентирована на повышенную озоно- и светостойкость. Такая особенность объясняется насыщенностью их основной молекулярной цепи, которая не содержит двойных связей и, поэтому, не реагирует на атомы кислорода. В результате, такие материалы очень устойчивы к старению на воздухе и тепловому старению. В качестве третьего сополимера и одновременно катализатора реакции здесь используются диены с сопряжёнными связями, составляющие менее 2-х процентов в составе вещества. В процессе обработки вещества происходит образование сетчатой структуры макромолекул, то есть получаемые материалы имеют все признаки модифицированных или «сшитых» материалов с присущими им каучуковыми свойствами.

Достоинства:

• температурная стабильность прочностных характеристик;
• широкий диапазон рабочих температур в сравнении с PEX-материалами;
• высокая степень эластичности, соизмеримая с эластичностью резин;
• устойчивость к ультрафиолету и озону;
• устойчивость к окислению кислородом;
• устойчивость в отношении неконцентрированных растворов кислот и щелочей;
• хорошая механическая прочность, которая остаётся постоянной при повышении температуры;
• малая степень износа, соизмеримая с износом резин.

Недостатки:

• Слабая устойчивость к минеральным маслам.

См. в таб. 1 ниже некоторые из основных характеристик EPDM каучуков.

Эластомеры на основе кремнийорганических соединений

Эта группа искусственных полимеров относится к резинам специального назначения. Основное их свойство – высокая теплостойкость, которая превышает теплостойкость любого из известных эластомеров, полученных синтетическим путём. Такая устойчивость достигается высокой прочностью силоксановых связей в основной цепи молекул материала. Кремнийорганические или полиорганосилоксановые соединения обладают слабой полярностью и, поэтому, имеют низкую адгезию и очень высокую влагостойкость и гидрофобность.

Достоинства:

• температурная стабильность прочностных характеристик;
• температурная стабильность эластичности из-за спиральной формы молекулярных цепей;
• широкий диапазон рабочих температур в сравнении с любыми синтетическими каучуками;
• высокий уровень устойчивости к тепловому старению;
• высокий уровень гидрофобности;
• отличные диэлектрические свойства.

Недостатки:

• небольшая механическая прочность, которая, однако, увеличивается с повышением рабочей температуры выше некоторого значения;
• малая степень эластичности, которая, однако, стабильна при изменениях температуры;
• слабая устойчивость к истиранию.

Сравнительный анализ соответствия эластомеров разных групп установленным критериям

Ранее нами были установлены критерии для материала кабельных муфт, гарантирующие надёжную и продолжительную их работу. В Таблице 1 приведены значения основных параметров рассмотренных эластомеров, позволяющие более полно оценить их возможности.

Таблица 1. Основные характеристики эластомеров.

В Таблице 2 выписаны ранее установленные критерии к материалу муфты и выставлены оценки по каждому из критериев для всех рассмотренных материалов.

Таблица 2. Оценка соответствия эластомеров установленным критериям.

По результатам выставленных оценок можно сделать следующие выводы.

Наиболее высокую оценку получил материал на основе кремнийорганических соединений (10 баллов).

На втором месте материал на основе EPDM (9 баллов).

На третьем месте PEX-материал (5 баллов).

Каждый из рассмотренных материалов можно назвать «продвинутым» в пределах своей группы. Отличия же между ними обусловлены отличиями на химическом уровне. В особенности существенны отличия между материалами органической и элементорганической групп, несмотря на близкие оценки. Это обусловлено присутствием атомов неорганической группы в основной цепи молекул, что делает материал сверхтеплостойким. Одновременно с этим, отсутствие атомов углерода в основной цепи таких соединений несколько снижает уровень их эластичности.

Также можно отметить, что некоторые из указанных недостатков для всех материалов, связанные с их устойчивостью к агрессивным средам, могут быть устранены при введении дополнительных групп атомов в боковые цепи молекул исходных веществ в процессе производства.

Вопросы практической применимости материалов для муфт холодной усадки

Материал муфты должен иметь высокий уровень эластичности, обусловленный не столько наличием сил упругости, рассчитываемыми по формулам Гука, сколько за счёт изменения напряжений конформации молекулярных цепей эластомера, то есть природа эластичности должна иметь в гораздо большей мере выраженный энтропийный или кинетический характер. Только в этом случае материал можно назвать действительно эластичным при условии достаточной ширины рабочего температурного диапазона. На практике это должно проявляться в значительном его сходстве по своим свойствам с газами или жидкостями, например, практически полным отсутствием сжимаемости. Этой характеристике в наибольшей степени отвечают резины общего применения, имеющие значения модуля упругости всего от 1 до 2 МПа и, соответственно, наименьшую интенсивность износа – в пределах 0,011 мм3/с. Это означает, что материал муфты по своим эксплуатационным характеристикам должен в наибольшей степени приближаться к резинам общего применения.

Из рассмотренных материалов наиболее полно этому требованию отвечают EPDM-каучуки, имеющие наименьшие значения модуля упругости (6,8 МПа) и твёрдости, одновременно с наилучшими показателями эластичности и гибкости (см. Таблицу 1). То есть такой материал по своим свойствам в наибольшей степени приближен к резинам общего применения и, поэтому, может в первую очередь быть рекомендован к использованию для муфт холодной усадки в кабельных системах общего применения.

На втором месте по сходству с резинами находятся материалы на основе кремнийорганических соединений (см. Таблицу 1). Учитывая их основное свойство – сверхтеплостойкость, они с успехом могут использоваться для муфт холодной усадки на кабельных линиях специального назначения, к которым предъявляются повышенные требования к пожаро и теплостойкости.

Материал PEX имеет наибольшие значения модуля упругости (500 МПа) и твёрдости и, поэтому в наименьшей степени отвечает современным требованиям к эластомерам (см. Таблицу 1). Для него в большей мере подходит определение твёрдого термопластичного вещества, нежели эластомера. Однако такой материал с успехом может использоваться для изготовления разного рода уплотнителей и труб горячего водоснабжения.

Выводы

Рассмотрев возможные варианты повышения надёжности высоконагруженных кабельных систем, мы пришли к следующим выводам.

Наибольшую отдачу в выравнивании графика отказоустойчивости кабельной линии даст использование материалов для кабельных муфт, которые в наибольшей степени отвечают выдвинутым нами критериям.

Широкое использование муфт холодной усадки позволит повысить качество и надёжность кабельных соединений, а, значит, и всей кабельной системы.

Литература

1. Андрианов К. А., Петрашко А. И. Кремнийорганические полимеры в народном хозяйстве. Издательство Академии наук СССР, Москва, 1959 г.

Заполните форму для связи с нами: