1. Конструкция силовых кабелей
Силовые кабели состоят из следующих основных элементов: токопроводящих жил (ТПЖ), изоляции, оболочек и защитных покровов. Помимо основных элементов в конструкцию силовых кобелей могут входить экраны, нулевые жилы, жилы защитного заземления и заполнители.
Токопроводящие жилы предназначены для прохождения электрического тока, они бывают основными и нулевыми. Основные жилы применяются для выполнения основной функции кабеля – передачи по ним электроэнергии. Нулевые жилы предназначены для протекания разности токов фаз (полюсов) при неравномерной их нагрузке. Они присоединяются к нейтрали источника тока.
Жилы защитного заземления являются вспомогательными жилами кабеля и предназначены для соединения не находящихся под рабочим напряжением металлических частей электроустановки, к которой подключен кабель, с контуром защитного заземления источника тока.
Изоляция представляет собой слой диэлектрика (пропитанной бумаги, пластмассы, резины и т. д.), наложенный на токопроводящую жилу. Служит для обеспечения необходимой электрической прочности токопроводящих жил кабеля по отношению друг к другу и к заземленной оболочке (земле).
Экраны используются для защиты внешних цепей от влияния электромагнитных полей токов, протекающих по кабелю, и для обеспечения симметрии электрического поля вокруг жил кабеля.
Заполнители предназначены для устранения свободных промежутков между конструктивными элементами кабеля в целях герметизации, придания необходимой формы и механической устойчивости конструкции кабеля.
Оболочки защищают внутренние элементы кабеля от увлажнения и других внешних воздействий.
Защитные покровы предназначены для защиты оболочки кабеля от внешних воздействий. В зависимости от конструкции кабеля в защитные покровы входят подушка, бронепокров и наружный покров.
1.2. Классификация и маркировка силовых кабелей
Силовые кабели удобно классифицировать по номинальному напряжению, на которое они рассчитаны; классификационными признаками могут служить также вид изоляции и конструктивные особенности кабелей (см. рис. 1.1).
Все силовые кабели по номинальному рабочему напряжению можно условно разделить на две группы. В группу низкого напряжения кабелей включены кабели, предназначенные для работы в электрических сетях с изолированной нейтралью переменного напряжения 1, 3, 6, 10, 20 и 35 кВ частотой 50 Гц. Эти же кабели могут быть использованы в сетях переменного напряжения с заземленной нейтралью и в сетях постоянного напряжения. Такие кабели выпускаются в России с бумажной пропитанной, пластмассовой и резиновой изоляцией, причем наиболее перспективным видом изоляции является пластмассовая.
Рис. 1.1. Классификация силовых кабелей
Кабели с пластмассовой изоляцией более просты в изготовлении, удобны при монтаже и в эксплуатации. Производство силовых кабелей с пластмассовой изоляцией в настоящее время значительно расширяется. Силовые кабели с резиновой изоляцией выпускаются в ограниченном количестве. Кабели низкого напряжения в зависимости от назначения выпускаются в одножильном, двухжильном, трехжильном и четырехжильном исполнении (рис. 1.2–1.4).
Рис. 1.2. Двухжильные кабели с круглыми (а) и сегментными (б) жилами
Одножильные и трехжильные кабели предназначены для работы в сетях напряжением 1–35 кВ, двух- и четырехжильные кабели используются в сетях напряжением до 1 кВ.
Рис. 1.3. Трехжильные кабели с круглыми (а) и секторными (б) жилами
Четырехжильный кабель предназначен для четырехпроводных сетей переменного напряжения. Четвертая жила в нем является заземляющей или зануляющей, поэтому ее сечение, как правило, меньше сечения основных жил. Однако при прокладке кабелей во взрывоопасных помещениях и в некоторых других случаях сечение четвертой жилы выбирается равным сечению основных жил.
Рис. 1.4. Четырехжильные кабели
В группу кабелей высокого напряжения включены кабели, предназначенные для работы в сетях переменного напряжения 110, 220, 330, 380, 500, 750 кВ и выше, а также кабели постоянного напряжения кВ и выше. Основная масса кабелей высокого напряжения в России в настоящее время изготовляется с пропитанной маслом бумажной изоляцией – это маслонаполненные кабели низкого и высокого давления. Высокая электрическая прочность изоляции этих кабелей обеспечивается избыточным давлением масла в них. Однако за рубежом получили также распространение газонаполненные кабели, в которых используется газ, как в виде изолирующей среды, так и для создания избыточного давления в изоляции. Кабели высокого напряжения с пластмассовой изоляцией являются наиболее перспективными, однако проблема создания таких кабелей на напряжения 110 кВ и выше в настоящее время еще полностью не решена.
Маркировка силовых кабелей обычно включает буквы, указывающие на материал, из которого изготовлены жила, изоляция, оболочка, и тип защитного покрова. Маркировка кабелей высокого напряжения отражает также особенности его конструкции.
Медные токопроводящие жилы в маркировке кабелей не отмечаются специальной буквой, алюминиевая жила обозначается буквой А, стоящей в начале маркировки. Следующая буква марки кабеля указывает на материал изоляции, причем бумажная пропитанная изоляция не имеет буквенного обозначения, полиэтиленовая изоляция обозначается буквой П, поливинилхлоридная – буквой В, а резиновая изоляция – буквой Р. Далее следует буква, соответствующая типу защитной оболочки: А – алюминиевая, С – свинцовая, П – полиэтиленовый шланг, В – оболочка из поливинилхлорида, Р – резиновая оболочка. Последние буквы указывают на тип защитного покрова.
Например, кабель марки СГ имеет медную жилу, бумажную пропитанную изоляцию, свинцовую оболочку, защитные покровы отсутствуют. Кабель марки АПАШв имеет алюминиевую жилу, изоляцию из полиэтилена, алюминиевую оболочку и шланг из поливинилхлоридного пластиката. Маслонаполненные кабели в своем обозначении содержат букву М (в отличие от газонаполненных – буква Г), а также букву, указывающую на характеристику давления масла в кабеле и связанные с этим особенности конструкции. Например, кабель марки МНС – это кабель маслонаполненный, низкого давления, в свинцовой оболочке с упрочняющим и защитным покровом или кабель марки МВДТ – маслонаполненный кабель высокого давления в стальном трубопроводе.
Конструкция силовых кабелей
Силовые кабели состоят из следующих основных элементов: токопроводящих жил, изоляции, оболочек и защитных покровов. Кроме основных элементов в конструкцию кабеля могут входить экраны, жилы защитного заземления и заполнители.
Силовые кабели различают : по роду металла токопроводящих жил — кабели с алюминиевыми и медными жилами, по роду материалов, которыми изолируются токоведущие жилы, кабели с бумажной, с пластмассовой и резиновой изоляцией, по роду защиты изоляции жил кабелей от влияния внешней среды — кабели в металлической, пластмассовой и резиновой оболочке, по способу защиты от механических повреждений — бронированные и небронированные, по количеству жил — одно-, двух-, трех-, четырех-и пятижильные.
Каждая конструкция кабелей имеет свои обозначение и марку. Марка кабеля составляется из начальных букв слов, описывающих конструкцию кабеля.
Рис. 1. Сечения силовых кабелей: а — двухжильные кабели с круглыми и сегментными жилами, б — трехжильные кабели с поясной изоляцией и отдельными оболочками, в — четырехжильчые кабели с нулевой жилой круглой, секторной и треугольной формы, 1 — токопроводящая жила, 2 — нулевая жила, 3 — изоляция жилы, 4 — экран на токопроводящей жиле, 5 — поясная изоляция, 6 — заполнитель, 7 — экран на изоляции жилы, 8 — оболочка, 9 — бронепокров, 10 — наружный защитный покров
Элементы конструкции силовых кабелей и их назначение.
Токопроводящие жилы являются проводниками электрического тока . Силовые кабели имеют основные и нулевые жилы. Основные жилы используются для передачи электрической энергии, а нулевые — для прохождения разности токов фаз при и неравномерной нагрузке.
Токопроводящие жилы силовых кабелей изготовляют из алюминия и меди однопроволочными и многопроволочными. По форме жилы выполняют круглыми, секторными или сегментными (см. рис. 1).
Алюминиевые жилы кабелей до 35 мм2 включительно изготовляют однопроволочными, 50-240 мм2 — однопроволочными или многопроволочными, 300-800 мм2 — многопроволочными.
Медные жилы до 16 мм2 включительно изготовляют однопроволочными, 25 — 95 мм2 — однопроволочными или многопроволочными, 120 — 800 мм2 — многопроволочными.
Нулевая жила или жила защитного заземления, как правило, имеет сечение, уменьшенное по сравнению с основными жилами. Она бывает круглой, секторной или треугольной формы и располагается в центре кабеля или между его основными жилами (см. рис. 1).
Жила защитного заземления используется для соединения не находящихся под напряжением металлических частей электроустановки с контуром защитного заземления.
Изоляция обеспечивает необходимую электрическую прочность токопроводящих жил по отношению друг к другу и к заземленной оболочке (земле). Применяется бумажная, резиновая и пластмассовая (поливинилхлоридная и полиэтиленовая) изоляция.
Изоляция, наложенная на жилу кабеля, называется изоляцией жилы , а наложенная поверх изолированных скрученных или параллельно уложенных жил многожильного кабеля, называется поясной изоляцией .
Бумажная изоляция кабелей пропитывается вязкими пропиточными составами (маслоканифольными или электроизоляционными синтетическими).
Недостатком кабелей с вязким пропиточным составом является крайне ограниченная возможность прокладки их по наклонным трассам, а именно — разность высот между концевыми их заделками не должна превышать: для кабелей с вязкой пропиткой до 3 кВ бронированных и небронированных в алюминиевой оболочке — 25 м, небронированных в свинцовой оболочке — 20 м, бронированных в свинцовой оболочке — 25 м, для кабелей с вязкой пропиткой 6 кВ бронированных и небронированных в свинцовой оболочке — 15 м, в алюминиевой — 20 м, для кабелей с вязкой пропиткой 10 кВ бронированных и небронированных в свинцовой и алюминиевой оболочке — 15 м.
Кабели с вязким пропиточным составом, свободная часть которого удалена, называют кабелями с обедненно-пропитанной изоляцией. Их применяют при прокладке на вертикальных и наклонных трассах без ограничения разности уровней, если это небронированные и бронированные кабели в алюминиевой оболочке на напряжение до 3 кВ, и с разностью уровней до 100 м — для любых других кабелей с обедненно-пропитанной изоляцией.
Для прокладки по вертикальным и крутонаклонным трассам без ограничения разности уровней изготовляют кабели с бумажной изоляцией, пропитанной особым составом на основе церезина или полиизобутилена. Этот состав имеет повышенную вязкость, вследствие чего при нагреве кабеля, проложенного вертикально или по крутонаклонной трассе, он не стекает вниз. Поэтому кабели с такой изоляцией можно прокладывать на любую высоту, так же как и кабели с пластмассовой и резиновой изоляцией.
Резиновая изоляция выполняется из сплошного слоя резины или из резиновых лент с последующей вулканизацией. Силовые кабели с резиновой изоляцией применяют в сетях переменного тока до 1 кВ и постоянного тока до 10 кВ.
Силовые кабели с пластмассовой изоляцией имеют изоляцию из поливинилхлоридного пластиката в виде сплошного слоя или из композиций полиэтилена. Также используются кабели с изоляцией из самозатухающего (не поддерживающего горения) и вулканизированного полиэтилена.
Экраны применяют для защиты внешних цепей от влияния электромагнитных полей токов, проходящих по кабелю, и для обеспечения симметрии электрического поля вокруг жил кабеля. Экраны выполняют из полупроводящей бумаги и алюминиевой или медной фольги.
Заполнители необходимы для устранения свободных промежутков между конструктивными элементами кабеля с целью герметизации, придания необходимой формы и механической устойчивости конструкции кабеля. В качестве заполнителей применяют жгуты из бумажных лент или кабельной пряжи, нити из пластмассы или резины.
Оболочки силовых кабелей . Алюминиевая, свинцовая, стальная гофрированная, пластмассовая и резиновая негорючая (найритовая) оболочки кабеля предохраняют внутренние элементы кабеля от разрушения влагой кислотами, газами и т. п.
Алюминиевую оболочку силовых кабелей на напряжение до 1 кВ допускается использовать в качестве четвертой (нулевой) жилы в четырехпроводных сетях переменного тока с глухозаземленной нейтралью за исключением установок со взрывоопасной средой и установок, в которых ток в нулевом проводе при нормальных условиях составляет более 75 % тока в фазной жиле.
Защитные покровы силовых кабелей . Так как оболочки кабелей могут повреждаться и даже разрушаться от химических и механических воздействий, их покрывают защитными покровами.
Защитные покровы предохраняют оболочки кабеля от внешних воздействий (коррозии, механических повреждений). К ним относятся подушка, бронепокров и наружный покров. В зависимости от конструкции кабеля применяют один, два или три защитных покрова.
Подушка накладывается на экран или оболочку для их защиты от коррозии и повреждения лентами или проволоками брони. Подушка выполняется из слоев пропитанной кабельной пряжи, поливинилхлоридных, полиамидных и других равноценных лент, крепированной бумаги, битумного состава или битума.
Для защиты от механических повреждений оболочки кабелей обматывают в зависимости от условий эксплуатации стальной ленточной или проволочной броней . Проволочную броню выполняют из круглых или плоских проволок.
Броня из плоских стальных лент защищает кабели только от механических повреждений. Броня из стальных проволок помимо этого воспринимает также и растягивающие усилия. Эти усилия возникают в кабелях при вертикальной прокладке кабелей на большую высоту или по крутонаклонным трассам.
Для предохранения брони кабелей от коррозии ее покрывают наружным покровом, выполненным из слоя кабельной или стеклянной пряжи, пропитанной битумным составом, а в некоторых конструкциях поверх слоев пряжи и битума накладывают выпрессованный поливинилхлоридный или полиэтиленовый шланг.
В шахтах, взрывоопасных и пожароопасных помещениях не допускается применять бронированные кабели обычной конструкции из-за наличия между оболочкой и броней кабеля «подушки» с содержанием горючего битума. В этих случаях должны применяться кабели с негорючей «подушкой» и наружный покров, изготовленный на основе стеклянной пряжи из штапельного стекловолокна.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Изоляция и оболочка — важнейшие составляющие конструкции кабеля
Без изолирующего и защитного слоев не обходятся кабели, к какой бы разновидности они ни принадлежали. Многие, однако, путают эти термины, поэтому поясним, что есть что. Изоляцией принято называть слой материала со свойствами диаэлектрика, который изолирует и предохраняет жилу-токопроводник, исключает возникновение электрического контакта между жилами разных фаз (а также фазой и нулем). Оболочка же — это то, что лежит поверх изоляции и выполняет защитную функцию.
Самыми востребованными на сегодняшний день являются, разумеется, кабели в двойной изоляции: она отлично выдерживает нагрузки различных видов (в том числе механические, химические, температурные, атмосферные и ряд других), повышает степень прочности и долговечности изделия (так, кабели в двойной изоляции могут исправно работать в течение 30 лет и даже больше!).
Оболочка, в свою очередь, может состоять из одного или из нескольких слоев. Основными материалами для нее служат поливинилхлорид, свинец, стеклоткань, сталь и некоторые другие. Ее важнейшим назначением является защита внутренних частей кабеля от повреждений и порчи.
Рассмотрим основные материалы, которые производители выбирают сегодня для создания этих двух слоев в структуре изделия.
Очень часто в качестве изоляции используется специальный вид резины, особенно устойчивой к потоку солнечного света и плесени. В основном, сюда относятся кабели следующих марок: КГ, КОГ, КГ-ХЛ, РПШ. Для изолирования каждой отдельной жилы тоже может быть применен этот материал, однако здесь важную роль играет обозначение цветом. Скрученные жилы дополнительно оборачиваются синтетической пленкой.
Для изготовления оболочки, изоляции и заполнителя кабелей типа -нг используют обычно полимерную композицию, не поддерживающую горения. Основным элементом в ней является поливинилхлорид. Сконструированные таким образом изделия обладают уникальным свойством самозатухания.
Прочная и гибкая оболочка, выполненная из полиэтилена, — это характерная деталь тех видов кабеля, прокладка которых ведется в толще грунта или по открытому пространству (например, по стенам зданий с внешней стороны).
Если кабель предназначается для прокладки в гофротрубе или в специальном канале, то значит, речь идет об изделиях, снабженных изолирующим слоем и прочной оболочкой из ПВХ (винила). Пожалуй, такие кабели являются одними из самых распространенных как в промышленности, так и в быту. К таким кабелям можно отнести кабель ВВГ, АВВГ, АПвзБбШп и др.
Существуют, конечно, и другие виды кабеля, но, в основном, стремятся создать такие изделия, которые было бы удобно и безопасно использовать даже в экстремальных условиях. Поэтому для оболочки стараются применять те материалы, не подвластны разрушительному воздействию коррозии и влаги, обработаны специальными составами от грызунов, не выделяют токсинов в процессе горения, обладают гибкостью и прочностью.
Правильные оболочки для производства кабеля
Кабельные оболочки изготавливаются из различных материалов, чаще всего это: полиэтиленовые композиции, композиции на основе поливинилхлорида, или безгалогеновые негорючие композиции на основе полиолефинов и их сополимеров.
Две основные функции кабельной оболочки — защита внутренней конструкции кабельного изделия от влаги и защита кабеля от механических повреждений. В существующих конструкциях кабельно проводниковой продукции оболочка может нести дополнительные функции, такие как: негорючесть, защита от грызунов, поверхностная электропроводность. Дополнительный электропроводящий слой имеет порой важное значения для поиска повреждения кабельного изделия предназначенного для среднего и высокого напряжения, при прокладке по поверхностным конструкциям вне земли.
Для объектов обеспечения, требующих особых свойств от оболочки, таких как: повышенная маслостойкость, защита от накопления статического электричества зачастую применяются следующие материалы: полиуретан, сшиваемый хлорсульфированный полиэтилен, этилен пропиленовая резина, в отдельных случаях применяются оболочки из сшитого полиэтилена.
У полиэтиленовых оболочек есть несколько важных преимуществ, при прокладке в земле и влажных условиях – более высокая прочность, намного более низкая гигроскопичность в сравнении с оболочками из ПВХ и Безгалогеновыми негорючими композициями, как следствие полиэтилен обладает более высокой стойкостью:
- к растрескиванию;
- к низким температурам эксплуатации;
- к механическим повреждениям при длительной эксплуатации.
Повышенная защита от механических повреждений требует использования качественных материалов. На этом мы хотим сделать акцент в своей статье и обозначить важные моменты, которым (как бы ни казалось странно) уделяется заниженное внимание при выборе материала со стороны кабельных производств.
Оболочки для кабельно проводниковой продукции обычно имеют чёрный цвет, что обусловлено их стойкостью к воздействию ультрафиолетового излучения, которое обеспечивается содержанием сажи не менее 2.5%.
Применение оболочки других цветов объясняется, в большинстве случаев, эксклюзивностью — для более лёгкой идентификации кабеля; акцент на фирменных цветах бренда. В отдельных случаях для постоянного мониторинга внутренней конструкции кабеля накладываются прозрачные оболочки. При производстве композиций для цветных и прозрачных оболочек применяется специальный комплекс современных стабилизирующих добавок для устойчивости к ультрафиолету, что часто обуславливает повышенную цену на оболочки не чёрного цвета.
Так вот – то, что необходимо периодически проверять при закупке оболочек черного цвета – это фактическое содержание сажи в композиции. Метод определение на основе ТГА*, средняя рыночная стоимость данного исследования: 6000 руб.
Первым широко используемым материалом для композиций полиэтиленовых оболочек кабелей стал полиэтилен высокого давления. Наиболее распространённой же маркой — полиэтилен 153-10К. Преимуществом данной марки являются цена и распространённость, недостатками: невысокая прочность, низкий предел текучести, показатель стойкости к растрескиванию, при длительной эксплуатации (по ГОСТу 16376-77 не менее 500 часов).
Затем на смену этой марки начали выпускать композиции, на основе полиэтилена низкого давления. Наиболее распространённой стала марка 273-81К, она уже имела более высокий предел текучести и прочности, и стойкость к растрескиванию не менее 500 часов. Иностранные компании стали предлагать на рынок бимодальные полиэтиленовые композиции с ещё более высокой стойкостью к растрескиванию — не менее 5000 часов, такую композицию также начали производить в России.
Второе, что требует особого внимания со стороны кабельных производств, что дорожат своим именем и качеством готовой продукции это – стойкость к растрескиванию используемых материалов для оболочки. Стойкость к растрескиванию основной параметр, который обеспечивает продолжительный срок службы оболочки. Определяется по ГОСТ 13518-68** ,средняя рыночная стоимость 5 руб.\1 час.
Метален ПЭ-11К (https://www.metaclay.ru/doc/ru/products/cable-products/METALEN%20PE%2011K%20CMK.pdf) от компании АО «МЭТАКЛЭЙ» полностью соответствует современным повышенным требованиям предъявляемым к оболочкам как среднего, так и высокого напряжения и не уступает иностранным аналогам как по качеству, так и по характеристикам. Данный материал допущен к использованию компанией Prismian, прошел положительно испытания во ВНИИКП и проходит совместную с кабельным заводом сертификацию в Россетях. Продукт допущен к использованию на большей части заводов России на кабели высокого напряжения.
Во второй половине 2021 года компания АО «МЕТАКЛЭЙ» стала выпускать полиэтиленовую композицию с ещё более высокой трещиностойкостью — Метален ПЭ-13К, со стойкостью к растрескиванию 8000 часов.
Оболочка не является самой дорогой частью кабельной конструкции, но играет очень важную роль при хранении, прокладке и эксплуатации всего кабеля. Недостаточно высокая трещиностойкость исходных полиэтиленов, использование некачественных стабилизаторов и добавок, несовершенство технологии производства композиции вашего поставщика, некачественный контроль входной сырья и контроль готовой продукции — любой из этих факторов может привести к преждевременному выходу из строя оболочки и, как следствие, финансовые потери для кабельных заводов.
Используйте только проверенных поставщиков и качественные материалы.
** Указанные исследования проводит аккредитованная лаборатория ООО «Метаклэй Исследования и Разработки» (МО, ИЦ Сколково).