Kable elektroenergetyczne wysokiego napięcia z izolacją papierową w powłoce ołowianej i dławnicami kablowymi

Kable elektroenergetyczne przeznaczone są do przesyłu i dystrybucji energii elektrycznej na terenie oraz do zasilania go z odbieraków prądu.

Chociaż kable są droższe w instalacji niż linie napowietrzne, są coraz częściej stosowane jako preferowane rozwiązanie. Obecnie kable wysokiego napięcia pracują głównie przy poziomach napięć 380 kV, 110 kV, 35 kV, 20 kV, 10 kV i 400 V.

Podczas gdy obecnie produkowane są prawie wyłącznie kable z izolacją z tworzywa sztucznego i Powłoka XLPE, klasyczny kabel wysokiego napięcia to tak zwany kabel papierowy.

Kable XLPE zaczęto powszechnie układać przed latami 80. XX wieku, chociaż w niektórych krajach proces ten rozpoczął się później. Szczególnie godną uwagi cechą tego poziomu napięcia jest ogromna różnorodność alternatywnych typów kabli polimerowych.

Kable zasilające w izolacji papierowej (po lewej) a kabel XLPE

Kable zasilające z izolacją z papieru impregnowanego

Kable ołowiane z izolacją papierową mają prawie taką samą podstawową budowę dla poziomów napięć od 400 V do 35 kV.Były wykorzystywane do przesyłu energii od czasu wprowadzenia pierwszych systemów elektroenergetycznych pod koniec XIX wieku.

Opancerzony kabel zasilający z XX wieku w osłonie ołowianej

Dla napięć roboczych do 35 kV włącznie kable takie wykonuje się z izolacją z papieru kablowego impregnowanego olejem kalafonii w powłoce ołowianej i pancerzu w zależności od warunków układania.

Kable i przewody układane na statkach wykorzystywanych w przemyśle wydobywczym, wytwórczym i rolniczym wykonywane są głównie z izolacją gumową lub z tworzywa sztucznego w elastycznym wężu z gumy lub PVC.

Kable zasilające wyróżniamy liczbą rdzeni: jedno-, dwu-, trzy- i czterożyłowe. Przewody mogą być jedno- lub wielodrutowe, w kształcie okrągłym, sektorowym, segmentowym i owalnym.

Jak wspomniano powyżej, kabel trójżyłowy o napięciu do 6 kV pojawił się pod koniec XIX wieku. Początkowo był to kabel z okrągłymi drutami miedzianymi, grubą warstwą izolacji impregnowanej papierem na drutach i tej samej grubości ze wspólną (pasową) warstwą izolacji na drutach izolowanych skręconych ze sobą, czyli pod ołowiem osłona.

Przykład kabla ołowianego w reklamie Kabelwerke Brugg z 1927 roku.

Ułożenie kabla 30 kV w Niemczech w 1928 r.

Rozwój kabla elektroenergetycznego idzie w kierunku zwiększania napięcia roboczego kabla i niezawodności jego działania, ale nie poprzez dalsze zwiększanie grubości warstwy izolacyjnej, ale poprzez poprawę jakości i poprawę użytkowania kabla izolacyjnego materiał w kablu.

Poprawa wskaźników ekonomicznych kabla tj.przede wszystkim obniżenie jego ceny determinowane jest oszczędnością podstawowych materiałów dzięki lepszemu ich wykorzystaniu oraz doskonaleniu procesu technologicznego (skrócenie cyklu produkcyjnego, redukcja odpadów i braków w produkcji).

W latach dwudziestych XX wieku przewody okrągłe w wielożyłowych kablach elektroenergetycznych zostały zastąpione przewodami segmentowymi i sektorowymi, ponieważ poziom produkcji kabli wzrósł do tego czasu tak bardzo, że stało się możliwe wytwarzanie niezawodnych kabli elektroenergetycznych z przewodami nieokrągłymi do 10 kV włącznie .

Głównym typem kabla zasilającego z papieru impregnowanego jest kabel sektorowy.

Kabel ten ma warstwę izolacyjną na każdym rdzeniu (izolacja fazowa) oraz wspólną warstwę izolacyjną na trzech skręconych ze sobą izolowanych żyłach (izolacja taśmowa).Taki kabel nazywany jest kablem z izolacją taśmową lub, w zależności od rodzaju pola elektrycznego w to kabel z polem niepromieniowym, a według rodzaju impregnacji - kabel z impregnacją lepką.

Do oznaczenia kabla tego typu stosuje się symbole (marki) w zależności od rodzaju ekranu i osłony zewnętrznej, np.:

• SG — kabel bez pancerza i zaślepek na wyprowadzeniu,
• CA — na osłonę ołowianą nakładana jest warstwa asfaltu,
• SB — nad ołowiem pancerz z dwóch stalowych pasów i otulina z przędzy kablowej impregnowanej bitumem (juta),
• SBG — taki sam jak poprzedni projekt, ale bez jutowego zakrycia zderzaka,
• OP i SK — kabel z pancerzem z drutów płaskich lub okrągłych.

Pierwsza litera marki wskazuje na obecność skorupy, a ostatnia na rodzaj osłon ochronnych.

W celu zaoszczędzenia ołowiu poprzez zmniejszenie średnicy w wielożyłowych kablach elektroenergetycznych (dwu-, trzy- i czterożyłowych) żyły kabla wykonuje się nie na okrągło, ale w kształcie wycinka lub odcinka.

Kabel trójżyłowy z żyłami sektorowymi ma około 15% mniejszą średnicę niż kabel z żyłami okrągłymi o takim samym przekroju. Oszczędność ołowiu wynikająca z wprowadzenia żył sektorowych w kablach trójżyłowych można szacować średnio na 20%.

Żyły kabla trójfazowego mogą mieć kształt owalu zbliżającego się do elipsy. Zaletą tego kształtu żyły jest to, że żyła owalna nie ma tak ostrych rogów jak żyła sektorowa.

Zastosowanie żyły owalnej w kablach wysokiego napięcia 35 kV może zapewnić pewną kompensację zmian termicznych składu impregnującego w warstwie izolacyjnej kabla, a tym samym poprawić jakość kabla.

Głównymi materiałami izolacyjnymi, z których wykonywana jest warstwa izolacyjna kabla zasilającego w fabryce kabli, są papier kablowy i masa czytająca.

Impregnacja warstwy papierowej kabla przeprowadzana jest w celu zastąpienia powietrza w papierze oraz pomiędzy warstwami taśm papierowych olejem mineralnym lub innym środkiem impregnującym, który jest mocniejszy w połączeniu elektrycznym.

Rolą papieru jest nie tylko utrzymywanie masy impregnującej. Obecność papieru w warstwie izolacyjnej kabla umożliwia uzyskanie warstwy izolacyjnej, której wytrzymałość na zerwanie jest około 3 razy większa niż wytrzymałość na zerwanie mieszanki impregnującej.

Papier kablowy używany do produkcji warstwy izolacyjnej kabli elektroenergetycznych musi posiadać określone właściwości mechaniczne zapewniające szczelne zachodzenie pasków papieru na rdzeń kabla, właściwości fizyczne niezbędne do prawidłowego przeprowadzenia procesu impregnacji oraz nie może zawierać zanieczyszczeń, które obniżają właściwości elektryczne papieru po impregnacji.

Konstrukcja kabla 20 i 35 kV z izolacją taśmową nie może zapewnić wystarczającej niezawodności działania, głównie ze względu na obecność składowych stycznych w izolacji kabla spowodowanych niepromieniowością pola elektrycznego.

Do tego napięcia stosowana jest struktura z trzema ołowianymi żyłami skręconymi we wspólny pancerz paskowy, umownie oznaczany przez markę OSB. Ten projekt został po raz pierwszy zaproponowany w 1923 roku przez A. Jakowlewa i S. M. Bragina.

Kable wysokiego napięcia na napięcia powyżej 20 kV zawsze były produkowane jako kable jednożyłowe, tj. z promieniowym polem elektrycznym, ponieważ w tym przypadku niezawodność kabla przy wysokim napięciu ma szczególne znaczenie.

Stosowane są głównie dla 110 i 220 kV kable wypełnione olejem którego główną cechą jest to, że papierowa izolacja tego kabla jest impregnowana olejem mineralnym o niskiej lepkości, który może łatwo przesuwać się wzdłuż kabla wzdłuż rdzenia drążonego pod wpływem nadciśnienia wytwarzanego w kablu.

Przy zmianie temperatury kabla swobodnie poruszający się olej umożliwia kompensację za pomocą urządzeń elektroenergetycznych zmian temperatury w objętości warstwy izolacyjnej, co w kablu z lepką impregnacją prowadzi do powstawania pustek i zniszczenia.

Obecność wydrążonego rdzenia umożliwia suszenie i podawanie kabla podczas produkcji, dzięki czemu praktycznie nie pozostają w nim pęcherzyki i wtrącenia gazu.

W produkcji kabel jest nawinięty na bęben i podłączony do specjalnego zbiornika oleju pod pewnym nadciśnieniem. Dzięki temu urządzeniu w przewodzie nie tworzą się wtrącenia gazowe, nawet przy znacznych zmianach temperatury.

Nowoczesny kabel OSB-35 3×120 na napięcie 35 kV

Uszczelnienia kablowe

Dostępne są końcówki kablowe i złącza umożliwiające podłączenie kabli do innych urządzeń lub między sobą.

Ponieważ kable są wykonywane na ograniczoną długość, wymagane są złączki – tzw. dławiki kablowe. Zadaniem skrzynki kablowej jest połączenie ze sobą dwóch końców kabla.

Demonstracja połączenia kablowego 30 kV z Muzeum w Lipsku, które po otwarciu pokazuje, jak działa takie połączenie kablowe:

Bezpośrednie połączenie drutu aluminiowego jest spawane i obrabiane aluminiowym pilnikiem. W przypadku drutów miedzianych zakłada się tzw. tulejki lutownicze, żyły kablowe i lutuje.

Gołe metalowe przewodniki są ręcznie owijane papierem olejowym o szerokości od 10 do 30 mm, aż grubość izolacji będzie 2,5 razy większa od grubości izolacji kabla.

Przed nawinięciem mieszankę kabli i papier należy podgrzać do 130 stopni, aby wilgoć mogła wyparować. Wykorzystano do tego otwarte piece węglowe. Oczywiście było to możliwe tylko na zewnątrz.

Aby zapobiec przedostawaniu się wilgoci do przepustów, do połączenia osłon ołowianych i szczelnego lutowania stosuje się fabrycznie wykonaną tuleję wewnętrzną z ołowiu lub stali ocynkowanej.

Tuż przed zakończeniem procesu lutowania do otworu wlewana jest mieszanka kablowa, aby uniknąć pęcherzyków powietrza.

Przy przeprowadzaniu procesu impregnacji kabla zasilającego należy przed impregnacją odparować wilgoć pozostałą w warstwie izolacyjnej. i jak najdokładniej zaimpregnować całą warstwę izolacyjną kabla, minimalizując wtrącenia powietrza, które mogą tworzyć się w warstwie izolacyjnej podczas szeptów NS.

Impregnat musi być poddawany okresowemu czyszczeniu z zanieczyszczeń mechanicznych, obróbce próżniowej w celu usunięcia wilgoci nagromadzonej podczas impregnacji kabla oraz odgazowaniu w celu usunięcia rozpuszczonych w nim gazów (powietrza).

Zanim tzw. „ołowiana tuleja wewnętrzna” zostanie zamknięta w obudowie ze staliwa i wypełniona izolacją z żywicy, należy wykonać metalowe połączenia między wzmocnieniem z taśmy stalowej a osłoną ołowianą.

Po schłodzeniu przez co najmniej 3 godziny zainstalowane gniazdko może być używane przez bardzo długi czas (30 lat lub więcej).

Więcej informacji o urządzeniu i technologii montażu uszczelnień kabli zasilających znajdziesz tutaj:Złącza kabli zasilających