Изоляция кабелей. Общие сведенья и классификация

Электрическими кабелями называют изолированные проводники, снабженные защитными оболочками, предохраняющими изоляцию кабеля и токоведущие проводники от механических повреждений и внешних воздействий. Кабельные линии значительно дороже воздушных, но из-за ряда преимуществ в настоящее время сооружаются на напряжение до 750 кВ.

Главными преимуществами кабельных линий являются: 1) более безопасные условия обслуживания; 2) возможность прокладки кабелей в земле, по стенам зданий и сооружений; 3) кабельные линии не подвержены атмосферным воздействиям, если не связаны с воздушными линиями; 4) возможность передачи больших мощностей к потребителям в районы интенсивной застройки, где сооружение воздушных линий экономически невыгодно или невозможно.

К изоляционным защитным и проводниковым материалам кабеля предъявляются высокие требования. Они должны обладать высокой механической прочностью, чтобы обеспечить многократный изгиб при намотке на барабан и прокладке, обладать достаточной долговечностью, так как при повреждении кабельных линий, особенно проложенных в земле, затрачиваются значительное время и средства на отыскание и исправление повреждений. Изоляционные материалы должны обладать высокой электрической прочностью, чтобы уменьшить толщину изоляции и защитных оболочек, а, следовательно, улучшить условия теплоотдачи от токоведущих жил, увеличить допустимый ток, а также обеспечить большую гибкость кабеля. В последнее время большое внимание уделяется разработке пожаробезопасной, самозатухающей и экологически чистой изоляции.

Для изоляции кабелей используются различные эластичные материалы: резина, бумага, синтетические пленки, поливинилхлоридный пластикат (ПВХ), термопластичный и сшитый полиэтилен (СПЭ), а также бумажно-масляная изоляция (БМИ). В кабелях напряжением 110 кВ и выше также используют масляную и газовую изоляцию.

В качестве проводниковых материалов используется медь и алюминий. Проводимость меди в 1,65 раз больше проводимости алюминия, однако алюминий имеет в 3,3 раза меньшую плотность, поэтому алюминиевые проводники при том же сопротивлении весят в два раза меньше, несмотря на большие сечения. Кроме того, медь является дефицитным материалом и поэтому применяется только для кабелей ответственных установок.

Токоведущие жилы выполняются как сплошными, так и витыми из тонких проволок. Для уменьшения диаметра кабеля при больших сечениях они имеют секторную форму, а многопроволочные жилы опрессовываются. Жилы маслонаполненных и газонаполненных кабелей на 110–750 кВ выполняются в виде полых цилиндров.

Герметизирующая оболочка, защищающая изоляцию от увлажнения и повреждения, изготавливается из алюминия или свинца. Алюминиевая оболочка по сравнению со свинцовой обладает большей прочностью, повышенной стойкостью к вибрации, легче и может использоваться в качестве нулевого проводника. Кабели с алюминиевой оболочкой нельзя применять в условиях воздействия агрессивных сред (растворы и пары щелочей). При больших диаметрах кабеля сплошные оболочки обладают чрезвычайной жесткостью. В этих случаях применяют их выполняют гофрированными.

От механических повреждений кабели защищаются оболочкой из стальных лент или проволоки (броня). Если кабель предназначен для прокладки в земле, то поверх брони накладывается оболочка из джутовой оплетки или пластмассы, защищающей броню от коррозии. В кабелях 110–750 кВ для увеличения механической прочности предусмотрена дополнительная оболочка из стальной проволоки.

Кроме перечисленных выше элементов в кабелях на высокие напряжения предусматривают экраны из полупроводящей бумаги, пленки или металлические фольги для улучшения электрических характеристик, а также дополнительные водонепроницаемые оболочки и слой (подушка) под броню и другие элементы.

Кабельная продукция классифицируется по различным признакам: назначению, количеству жил, рабочему напряжению, изоляции роду тока и т. п.

Рис. 3.11 – Классификация кабелей

Классификация кабелей по напряжению приведена на (рисунке 3.11). Основными каталожными параметрами кабелей являются: номинальное напряжение, номинальный (допустимый) ток, диапазон допустимых (рабочих) температур, допустимая температура воздуха при прокладке.

В процессе заводских и профилактических испытаний кабели нормируются следующими параметрами: , , , .

Кабели с пластмассовой изоляцией (до 35 кВ)

Интенсивное применение пластмассовой изоляции в кабельном производстве стало возможным благодаря снижению стоимости пластмасс, а также разработке прогрессивной технологии нанесения пластмассы на проводник. В настоящее время производство кабелей с пластмассовой изоляцией (ПМИ) составляет в отдельных странах 100 %.

Преимущества кабелей с ПМИ заключаются в следующем: 1) простая технология изготовления методом экструзии, при которой исключается необходимость сушки и пропитки изоляции; 2) большая пропускная способность за счет увеличения допустимой температуры жилы (на 15–30 % больше чем у кабелей с БМИ); 3) высокая термическая стойкость при коротком замыкании; 4) хорошие электрические характеристики изоляции (высокая пробивная напряженность , низкий ); 5) меньшая масса и габариты кабеля по сравнению с кабелями с БМИ, что облегчает прокладку кабеля как на сооружениях, так и в земле на сложных трассах, меньший радиус изгиба; 6) высокая влагостойкость, что исключает необходимость применения металлических оболочек; 7) возможность прокладки с любым углом наклона; 8) возможность прокладки при температурах до -20ºC без предварительного подогрева; 9) низкая удельная повреждаемость (на 1–2 порядка ниже, чем у кабелей с БМИ); 10) при однофазной конструкции возможно изготавливать кабели с жилами до 800 мм² и большой строительной длиной; 11) более высокая экологическая безопасность за счет отсутствия в конструкции масла, битума и свинца.

В качестве изоляционных пластмасс применяют поливинилхлоридный пластикат (ПВХ), термопластичный полиэтилен, сшитый полиэтилен (СПЭ).

Полиэтилен применяется на напряжения 10 кВ выше, так как может быть получен в более чистом виде и обладает высокой электрической прочностью, малым значением , хорошей водостойкостью и гибкостью, повышенной радиационной стойкостью и нагревостойкостью.

Сравнительная характеристика силовых кабелей с изоляцией из СПЭ и БМИ на напряжение 6–35 кВ приведена в таблице 3.1.

Таблица 3.1 – Сравнительная характеристика кабелей с БМИ
и изоляцией из СПЭ

Материал изоляции	СПЭ	БМИ
Допустимая температура нагрева , ºC	90	60
Допустимая температура в аварийном режиме (6 ч) , ºC	130	80
Предельно допустимая температура при КЗ , ºC	250	200
Длительная токовая нагрузка в зависимости от сечения жилы	120–130	100
Относительная диэлектрическая проницаемость при температуре +20 ºC	2,3	4,0
Удельное объемное сопротивление при температуре +20 ºC	1016	1013
Тангенс угла диэлектрических потерь при +20 ºC	0,001	0,008
Минимально допустимая температура прокладки без подогрева, ºC	-15–-20	0
Минимальный радиус изгиба (  – наружный диаметр кабеля)	(7,5– –15)	(15– –25)
Разница уровней по трассе, м	не огр.	15

Основные эксплуатационные характеристики для кабелей с ПМИ приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 – Эксплуатационные характеристики кабелей с ПМИ

Материал	, ºC	, ºC	, ºC
Поливинилхлоридный пластикат	70	80	160
Термопластичный полиэтилен	70	80	130
Сшитый полиэтилен	90	130	250