Материалы кабельной изоляции

Когда говорят про материалы кабельной изоляции, многие сразу думают о полиэтилене или ПВХ, но в реальности спектр куда шире, и часто именно бумажная изоляция, та самая, 'старомодная', оказывается незаменимой в специфичных условиях. Видел, как на проектах пытались заменить пропитанный маслом кабельный картон современными полимерами, а потом возвращались к классике из-за проблем с частичными разрядами в высоковольтных линиях. Вот об этом и хочется порассуждать — не по учебнику, а так, как это всплывает на практике, с оговорками и сомнениями.

Бумажная изоляция: не анахронизм, а необходимость

До сих пор в силовых кабелях на 110 кВ и выше массово используется пропитанная бумажная изоляция. Почему? Дело в совокупности факторов: диэлектрическая прочность в сочетании с пропиткой минеральным маслом или синтетическими жидкостями, стабильность при длительном нагреве под нагрузкой, да и сам процесс деградации более предсказуем по сравнению с некоторыми сшитыми полиэтиленами. Но здесь всё упирается в качество самой основы — электротехнического картона. Он должен быть не просто бумагой, а материалом с чётко контролируемой плотностью, пористостью, зольностью и, что критично, без проводящих включений.

Вот, к примеру, приходилось работать с картоном от ООО Шаоян Хунчэн Изоляционный Картон — их продукция как раз под такие задачи. На их сайте syshongcheng.ru указано, что они специализируются на производстве электротехнического изоляционного картона и формовых изделий. На деле это значит, что материал должен выдерживать многослойную намотку на жилу без образования воздушных карманов, равномерно пропитываться и не давать усадки при сушке. Мелочь, вроде однородности толщины по полотну, может потом вылиться в локальный перегрев.

Помню случай на монтаже кабельной линии 220 кВ: партия картона от другого поставщика дала разброс по толщине в 5-7% — казалось бы, ерунда. Но при пропитке в вакуумной установке более тонкие участки пропитались избыточно, а толстые — недостаточно. В итоге при высоковольтных испытаниях пошли пробои именно по границам этих зон. Пришлось снимать сегмент и перематывать. С тех пор обращаешь внимание не только на сертификаты, но и на то, как ведёт себя материал в реальном технологическом процессе — при намотке, сушке, пропитке.

Пропитка: где теория расходится с цехом

Сам по себе сухой кабельный картон — не готовый изоляционный материал. Его диэлектрические свойства раскрываются только после глубокой и полной пропитки диэлектрической жидкостью. В теории всё просто: создаёшь вакуум, удаляешь воздух из пор, затем закачиваешь подогретое масло. На практике же вязкость жидкости, температура, время выдержки и даже скорость подъёма давления — всё это параметры, которые подбираются эмпирически под конкретную марку картона.

У того же ООО Шаоян Хунчэн Изоляционный Картон в ассортименте есть разные марки картона по плотности и пористости. И для каждой оптимальный режим пропитки будет своим. Более плотный, например, требует более длительного вакуумирования и более высокой температуры масла. Если поторопиться — останутся микрополости, которые станут очагами ионизации и постепенного старения изоляции. Это не всегда видно сразу, может проявиться через несколько лет эксплуатации в виде роста tg δ.

Был у нас опыт с ускоренной пропиткой для срочного заказа. Увеличили температуру масла на 15°C сверх рекомендованной для используемой марки картона. Вроде бы, всё пропиталось, испытания на заводе прошли. Но через год эксплуатации на трассе с циклической нагрузкой кабель начал 'дымить' по показателям диэлектрических потерь. Разрезали — внутри, в толще изоляции, обнаружились микроскопические расслоения, вероятно, из-за того, что при быстром нагреве разные слои картона расширялись неравномерно. Пришлось признать: с материалами нельзя форсировать процессы, заложенные природой их структуры.

Формовые изделия: незаметные, но критические элементы

Помимо ленточного картона, в кабельной изоляции огромную роль играют т.н. формовые изделия — конусы, манжеты, распорки, которые используются в кабельных муфтах и концевых заделках. Их задача — плавно сформировать электрическое поле, не допуская резких изломов эквипотенциальных линий. И здесь материал должен быть не просто изолятором, а ещё и обладать определённой механической прочностью, обрабатываемостью и стабильностью размеров.

Изоляционные формовые изделия из прессованного бумажного массы — это как раз та специализация, которую заявляет ООО Шаоян Хунчэн. Важно, чтобы такие детали после пропитки в муфте вели себя так же, как и основная изоляция кабеля — имели одинаковый коэффициент теплового расширения, одинаковую степень гигроскопичности. Иначе в месте стыка со временем возникнет механическое напряжение или путь для влаги.

Одна из частых проблем — это усадка формового элемента после монтажа муфты. Казалось бы, деталь сделана точно по чертежу. Но если бумажная масса была недостаточно однородной или процесс прессования/сушки шёл с отклонениями, то уже в полевых условиях, под воздействием тепла от кабеля и пропиточного состава, конус может незначительно изменить геометрию. А это уже риск концентрации электрического поля. Поэтому для ответственных объектов мы всегда требовали от поставщиков, включая Шаоян Хунчэн, предоставлять не только паспорта на материал, но и протоколы испытаний готовых формовых деталей на термоциклирование.

Совместимость с другими материалами

Кабельная изоляция — это редко один материал. Это система: проводник, внутренняя полупроводящая экранирующая лента, сама бумажная изоляция, внешний полупроводящий слой, металлическая экранировка, защитная оболочка. И все эти слои работают в тесном контакте, при высокой температуре и электрическом напряжении. Поэтому ключевой вопрос — совместимость. Бумажная изоляция, пропитанная определённым маслом, должна химически и физически 'уживаться' с материалом полупроводящих экранов (часто это тоже бумага, но с добавлением сажи или полимеров).

Был печальный опыт с кабелем, где использовалась бумажная изоляция от одного производителя и полупроводящая бумага с углеродным наполнением от другого. Вроде бы, оба материала по отдельности соответствовали стандартам. Но в процессе длительной эксплуатации при 70-80°C началась миграция некоторых компонентов из полупроводящего слоя в пропитанную изоляцию. Это привело к локальному изменению электропроводности и, как следствие, к искажению распределения электрического поля. Результат — преждевременный пробой.

Отсюда вывод: лучше, когда весь пакет изоляционных материалов — и ленточный картон, и формовые изделия, и экранирующие ленты — поставляется от одного производителя, который гарантирует их совместимость. Как раз подход ООО Шаоян Хунчэн Изоляционный Картон, как производителя комплексных бумажных изоляционных материалов, в этом смысле логичен. Они контролируют сырьё и технологию для всей линейки, что снижает риски подобных 'конфликтов' материалов внутри кабеля.

Контроль качества: не доверяй, а проверяй

В работе с кабельной изоляцией, особенно бумажной, самый важный этап — входящий контроль. Сертификат — это хорошо, но он отражает средние показатели по партии. А нам нужна уверенность в каждом рулоне, в каждой партии формовых деталей. Что мы всегда проверяли, помимо диэлектрической прочности? Зольность — высокое содержание минеральных примесей может ухудшить пропитываемость и повысить tg δ. Равномерность плотности — проверяется буквально на просвет, и опытный глаз заметит затемнения. И, конечно, механическую прочность на разрыв — слабая бумага порвётся при намотке на жилу большого сечения.

На сайте syshongcheng.ru компания указывает на специализацию в производстве электротехнического изоляционного картона. Для профессионала это сигнал, что стоит запросить у них детальные данные по методике контроля. Например, как они отслеживают отсутствие проводящих включений? Используют ли автоматизированный контроль толщины в процессе производства? Каков допуск по влажности для отгружаемой продукции? Ответы на эти вопросы часто говорят больше, чем красивый каталог.

Практика показала, что надёжнее всего работать с поставщиками, которые готовы предоставить образцы для собственных испытаний заказчика. Мы, бывало, делали 'тестовые' намотки на коротких отрезках жилы, пропитывали их по своему технологическому регламенту и затем резали, изучая срез на предмет равномерности пропитки. Это долго и затратно, но для ответственных проектов — необходимо. И если материал, как от Шаоян Хунчэн, проходит такие 'варварские' проверки, то доверие к нему возрастает.

Вместо заключения: мысль вслух

Говоря о материалах кабельной изоляции, особенно таких традиционных, как бумага, часто кажется, что всё уже изучено и новых открытий не будет. Но это не так. Появляются новые пропиточные составы, синтетические эстеры, например, которые предъявляют новые требования к структуре картона. Меняются стандарты по экологии, что влияет на состав пропиток. И сам кабельный картон эволюционирует — становится более однородным, с добавками, повышающими стойкость к частичным разрядам.

Специализация компании на бумажных изоляционных материалах, как у ООО Шаоян Хунчэн Изоляционный Картон, в этой ситуации — это фокус на глубине, а не на ширине ассортимента. Это значит, что они, вероятно, больше ресурсов вкладывают в оттачивание именно этих технологий, в контроль сырья (древесной массы), в разработку марок под конкретные задачи — для сухих трансформаторов, маслонаполненных кабелей, высоковольтных вводов.

Так что, когда в следующий раз будет выбор изоляционного материала для кабеля, стоит смотреть не только на цифры в таблице характеристик, но и на то, кто и как его производит. Понимает ли производитель всю цепочку — от целлюлозы до работы материала в готовом кабеле под напряжением и нагревом? В этом, пожалуй, и заключается главный профессиональный критерий. Остальное — детали, которые, впрочем, и решают всё.