28.07.2009. Особенности конструкций кабельных линий

Конструкции силовых кабелей и их назначение. Кабель состоит из токопроводящих жил, изоляции и герметичных оболочек с за­щитным покрытием.

Силовые кабели различают: по роду металла токопроводящих жил — кабели с алюминиевыми и медными жилами; по роду ма­териалов изоляции токоведущих жил — кабели с бумажной, по­лиэтиленовой 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 числу жил — одно-, двух-, трех-, четырех- и пятижильные.

Каждая конструкция кабеля имеет свои обозначение и марку. Марка кабеля составляется из начальных букв слов, раскрыва­ющих конструкцию кабеля.

Токопроводящие жилы— проводники электрического тока. Си­ловые кабели имеют основные и нулевые жилы. Трехжильные ка­бели имеют только основные жилы, а четырехжильные — три основных и одну нулевую. Основные жилы используются для пе­редачи электрической энергии, а нулевые — для прохождения разности токов фаз при их неравномерной нагрузке. Нулевые жилы присоединяются к нейтрали источника тока.

Токопроводящие жилы силовых кабелей изготовляют из алю­миния и меди однопроволочными и многопроволочными. По форме жилы выполняют круглыми, секторными или сегментными.

Алюминиевые жилы кабелей сечением до 35 мм2 включитель­но изготовляют однопроволочными, 50...240 мм2 — однопрово­лочными или многопроволочными, 300...800 мм2 — многопрово­лочными.

С начала 1980-х годов промышленность выпускает кабели с сек­ционированной многопроволочной алюминиевой жилой сечени­ем 1000 и 1500 мм2 с пластмассовой изоляцией и оболочкой ма­рок ABB и АВТВ (по ТУ 10-505.12 — 80), предназначенные для рас­пределения электроэнергии в стационарных установках напряжением до 1 кВ. Медные жилы сечением 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 уменьшенное по сравнению с основными жилами сечение. Она бывает круглой, секторной или треугольной формы и распо­лагается в центре кабеля или между его основными жилами. 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). По виду изоляции и оболочки различают сило­вые кабели с пропитанной бумажной изоляцией в металлической оболочке; бумажной изоляцией, пропитанной нестекающим со­ставом, в металлической оболочке; пластмассовой изоляцией в пластмассовой или металлической оболочке; резиновой изоляци­ей в пластмассовой, резиновой или металлической оболочке. Пла­стмассовая изоляция подразделяется на поливинилхлоридную и полиэтиленовую.

Изоляция, наложенная на жилу кабеля, называется изоляцией жилы. Изоляция, наложенная поверх изолированных скрученных и параллельно уложенных жил многожильного кабеля, называет­ся поясной. 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. Разность высот между концевыми их заделками не должна пре­вышать: для кабелей с вязкой пропиткой напряжением 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 на­пряжением 6 кВ бронированных и небронированных в свинцовой оболочке — 15 м, в алюминиевой оболочке — 20 м, для кабелей с вязкой пропиткой напряжением 10 кВ бронированных и неброни­рованных в свинцовой и алюминиевой оболочке —15 м.

Кабели с вязким пропиточным составом, свободная часть ко­торых 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, а с разностью уровней до 100 м — для 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 на­пряжением до 1 кВ и постоянного тока напряжением до 10 кВ.

Силовые кабели с пластмассовой изоляцией имеют изоляцию из поливинилхлоридного пластиката в виде сплошного слоя или из композиций полиэтилена. Все большее применение находят 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 конструкционными элементами кабеля в целях 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 кабеля бывают алюминиевые, свинцовые, стальные гофрированные, пластмассовые и резиновые негорючие (нейритовые). Они 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 покрытия используются для предотвращения повреж­дений и даже разрушений кабеля от химических и механических воздействий.

Защитные покрытия предохраняют оболочку кабеля от внеш­него воздействия (коррозии, механических повреждений). К ним относятся подушка, бронепокрытие и наружное покрытие. В зави­симости от конструкции кабеля применяют одно, два или три защитных покрытия.

Подушка накладывается на экран или оболочку для их защиты от коррозии и повреждения лентами или проволочной броней. По­душку изготовляют из слоев пропитанной кабельной пряжи, поливинилхлоридных, полиамидных и других равноценных лент, крепированной бумаги, битумного состава или битума.

Для защиты от механических повреждений оболочку кабеля 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 стальной проволоки, помимо этого, воспринимает также и растягивающие усилия, которые возникают в кабелях при верти­кальной прокладке на большую высоту или по крутонаклонным трассам.

Для предохранения брони кабеля от коррозии ее покрывают наружными покрытиями, выполненными 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 наружным покрытием, изготовленным на основе стеклянной пряжи из штапельного стек­ловолокна. Область применения силовых кабелей определена Еди­ными техническими указаниями по выбору и применению элект­рических кабелей и зависит от конструкции сети, способа про­кладки кабеля и воздействия на него агрессивной, взрыво- или пожароопасной окружающей среды.

Одножильные кабели напряжением 6... 10 кВ с изоляцией из сши­того полиэтилена. В начале 1970-х годов стали применять кабели с пластмассовой изоляцией, структурная формула которой имеет следующий вид:

С этого времени их начали активно заменять на кабели с бу­мажной изоляцией в классах среднего и высокого напряжения.

Среди пластмассовых изолирующих материалов наиболее пред­почтительным является сшитый полиэтилен (СПЭ), который при­дает кабелям хорошие диэлектрические свойства: низкие величи­ны относительной диэлектрической проницаемости, сниженные потери, большой запас термической стойкости. Это достигается за счет измененной молекулярной структуры обычного полиэти­лена путем создания новых молекулярных связей:

Процесс вулканизации может производиться двумя способа­ми: химической и радиационной сшивкой. Сшивание молекуляр­ных связей ведет к получению сшитого полиэтилена с эластично-резиновыми свойствами и температурой размягчения выше, чем у обычного полиэтилена, а также с более высокими диэлектриче­скими свойствами. В США и Канаде кабели из сшитого полиэтилена занимают 80...85 % всего рынка силовых кабелей, в Герма­нии и Дании — 95 %, а во Франции, Финляндии и Швеции — 100%.

Основными преимуществами кабеля с СПЭ изоляцией по срав­нению с бумажной маслопропитанной изоляцией являются: боль­шая пропускная способность за счет увеличения допустимой тем­пературы, которая примерно на 20...30% больше; высокий ток термической устойчивости при КЗ, что особенно важно, когда сечение кабеля выбрано только на основании номинального тока; низкая масса, меньший диаметр и соответственно радиус изгиба при прокладке в кабельных сооружениях и в земле на сложных трассах; использование полимерных материалов для изоляции и оболочки позволяет вести прокладку при температуре до -20 °С без предварительного подогрева, а также на местности с больши­ми наклонами трассы; отсутствие жидких компонентов (масел) упрощает монтаж; уменьшает время и снижает стоимость про­кладки и монтажа. Практика применения этого кабеля в Европе и США показывает, что его повреждаемость в 3...50 раз ниже, чем кабеля с бумажно-пропитанной изоляцией. При повреждении этого кабеля значительно снижены затраты на его ремонт.

Кроме того, эти кабели по сравнению с кабелями с бумажной изоляцией имеют повышенную надежность в работе. Поэтому они уже широко применяются за рубежом и их внедрение планирует­ся в электрических сетях России. Однако в отличие от зарубежных электрических сетей среднего напряжения, которые работают с нейтралью, заземленной через активное сопротивление, а во Фран­ции даже с глухо заземленной нейтралью, наши электросети имеют изолированную нейтраль, и это сдерживает внедрение кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена.

Кабель на напряжение 6... 10 кВ имеет недостаточную терми­ческую устойчивость, а в условиях наших электросетей при воз­никновении токов однофазного замыкания на землю (033) в сети появляются перенапряжения до 2,5 Uфаз, а продолжительный по времени процесс 033 имеет тенденцию к переходу в двухфазное КЗ, так как у кабелей в процессе их продолжительной работы снижается уровень изоляции.

Для использования кабелей на напряжение 6... 10 кВ с изоля­цией из сшитого полиэтилена необходимо переходить на заземле­ние нейтрали через активное сопротивление. Но здесь возникает другая проблема. Для обеспечения автоматического отключения однофазного КЗ, в которое переходит сеть с заземленной нейтра­лью, необходимо устанавливать в каждой ячейке РУ с выключа­телем третий трансформатор тока (в сети с изолированной нейт­ралью, как известно, применяют в каждой ячейке с выключате­лем два трансформатора тока), выбирать точки заземления нейт­рали, т. е. определить трансформаторы, в нейтрали которых надо устанавливать резистор, через который будет заземлена нейтраль сети. Кроме того, необходимо учитывать изменение сопротивле­ния контуров центров питания, распределительных пунктов и трансформаторных подстанций, так как оно переходит от 4 Ом, принятых в ПУЭ, в зону 0,5 Ом или уменьшается в 8 раз, а зна­чит, надо усиливать все контуры заземлений.

Конструкция кабеля на напряжение 110 кВ и выше. Примене­ние силовых кабелей с бумажной изоляцией обычной конструк­ции становится невозможным при напряжении 110 кВ и выше из-за наличия в изоляции воздушных и газовых включений. Под действием электрического поля в этих включениях возникает ионизация, которая сопровождается повышением температуры. В результате этих процессов происходит ускоренное местное ста­рение изоляции и снижение ее электрической прочности. По этой причине при напряжении ПО кВ и выше используют маслонаполненные кабели. В таких кабелях образование газовых включе­ний не происходит, поскольку пропитка бумажной изоляции осу­ществляется маловязким маслом, изготовленным по специаль­ной технологии. Масло в маслопроводящем канале кабеля при монтаже и эксплуатации постоянно находится под давлением.

Маслонаполненные кабели на напряжение 110...500 кВ выпус­кают двух типов: низкого давления (длительно допускаемое дав­ление 0,0245...0,294 МПа) и высокого давления (1,08... 1,57 МПа). Кабели низкого давления напряжением 11О...22ОкВ изготовляют с изоляцией из бумажных лент различной плотнос­ти, пропитанных высоковольтным нефтяным или синтетическим маслом малой вязкости. Маслопроводящий канал этих кабелей через специальные муфты периодически по трассе прокладки со­единяется с баками, давление в которых может достигать 0,3 МПа. В кабелях высокого давления подпитка осуществляется автомати­ческими маслоподпитывающими установками. Каждая такая уста­новка состоит из бака для хранения масла под вакуумом, рабоче­го и резервного маслонасосов, перекачивающих масло в кабель при понижении в нем давления, и наоборот, из кабеля в бак при повышении давления.

Успешно эксплуатируются также кабельные линии напряже­нием 110...500 кВ высокого давления в стальных трубах с цирку­ляцией и искусственным охлаждением масла. По кон­цам кабеля установлены однофазные концевые муфты 1, к кото­рым подходят фазные трубы разветвления 5, выполненные из не­магнитного материала. В разветвительной муфте 9 фазные трубы переходят в трехфазный стальной трубопровод. Соединительные муфты 8 устанавливаются в местах соединения строительных длин кабеля. Соединительно-разветвительная муфта 7 выполняет роль соединительной муфты, и одновременно в ней осуществляется разводка магистрального трубопровода по фазным трубам, иду­щим к концевым муфтам. Применение этих муфт позволяет раздельно протягивать кабель через последнюю секцию трубопрово­да и разветвительные трубы.