Конструкция
В середине расположена токоведущая жила из алюминия или меди.
Поверх нее нанесен токопроводящий слой, который состоит из того же самого сшитого полиэтилена, но в него включены специальные добавки, основная часть из которых — это сажа.
Сажа добавлена для того, чтобы получить полупроводящий слой, выполняющий функцию выравнивания электромагнитного поля.
Без него, на отдельных жилах напряженность может быть увеличена до 30% по сравнению с остальными. А это способно вызвать частичные разряды между изоляцией и жилой.
Далее идет основная изоляция. Ее толщина зависит от напряжения.
Поверх основной изоляции также накладывается полупроводящий слой. Сажи в нем до 40%.
После идут различные защитные материалы:
подложка
Она может быть выполнена из кабельной бумаги или из нетканого материала с полупроводящими свойствами
экран из медных проволок
в противоположную сторону наложения проволок, на экран накручивается лента медной фольги
Ее функция обеспечить контакт между проволоками, для того чтобы распределить равномерно ток протекающий по ним.
еще один защитный слой из кабельной бумаги или ленты нетканого материала
Он удерживает экран в плотно намотанном состоянии.
поверх всего этого накладывается оболочка из защитного полиэтилена
Здесь уже применяется обычный полиэтилен со свойствами светостабилизации и хорошей механической прочности.
В другой конструкции кабеля АПвПуг-10 две новые буквы обозначают:
У
усиленная оболочка
Она по свойствам такая же как и обычная, но большей толщины.
Кабеля с усиленной оболочкой прокладываются по сложным трассам, в трубах и там, где имеется большее количество пересечений с другими кабелями, водопроводами или иными инженерными сооружениями.
Г
наличие под экраном герметизирующего слоя
Этот слой препятствует распространению воды вдоль кабеля при повреждении внешней оболочки. По своим свойствам эта водоблокирующая лента напоминает детский памперс.
То есть, при попадании воды во внутрь кабеля, эта лента разбухает и препятствует дальнейшему распространению влаги.
В отличие от изделий с бумажной изоляцией, здесь не возможна ситуация, когда кабель буквально всасывает в себя влагу на протяженности нескольких десятков метров.
Если в названии присутствует индекс “2г”, то это означает двойную герметизацию. Одна водоблокирующая лента обеспечивает продольную герметизацию, а внешний слой, выполненный из алюмополимерной ленты – поперечную.
Причем этот защитный слой, может полностью защитить кабель от незначительных трещин на внешней изоляции.
Трехфазные кабеля АПвПуг-10 фактически представляют из себя собранные воедино однофазные модели в общей защитной оболочке.
При этом многим электрическим характеристикам такие кабеля соответствуют обыкновенным видам с бумажно-пропитанной изоляцией.
Главное их отличие и достоинство заключается в том, что даже при повреждении внешних покровов и попадании воды на основную изоляцию (экран, подложки), кабель спокойно будет продолжать работать.
В отличии от обычных КЛ, где внешний дефект в итоге очень быстро сказывается на самих жилах.
Изоляция жил из сшитого полиэтилена не гигроскопична и поэтому обеспечит нормальную работу электроустановки. Фактически зафиксированное время работы кабеля СПЭ, с поврежденной и разрушенной внешней защитной оболочкой, на реальном объекте — порядка 5 лет.
Разница и сравненение кабеля с СПЭ изоляцией 6-35кв и кабеля с бумажной изоляцией:
Основные технические характеристики для высоковольтных кабелей из сшитого полиэтилена (сечение, толщина изоляции, вес, номинальный ток):
Дополнительные характеристики (токи КЗ, сопротивление, емкость, вместимость барабанов):
Свойства полиэтилена – Плотность
Свойства полиэтилена во многом определяются его плотностью. В российских и международных стандартах принята следующая классификация ПЭ по группам плотности, кг/м3:
– ПНП (ПВД) – полиэтилен низкой плотности (полиэтилен высокого давления) – 910-925; – ПСП (ПСД) – полиэтилен средней плотности (полиэтилен среднего давления) – 926-940; – ПВП (ПНД) – полиэтилен высокой плотности (поли-этилен низкого давления) – 941-965.
Полимеризацией при высоком давлении получают разветвленный ПНП. Полимеризацией при низком давлении различными методами (газофазный, суспензионный, в растворе) получают линейный полиэтилен. При этом за счет введения сополимеров может быть получен ПЭ различной плотности – от 920 до 960 кг/м3.
Отечественные трубные марки ПНД производятся газофазным методом с использованием бутена-1 в качестве сополимера. Полимеризацией при низком давлении может быть получен ПСП. Внешне трубы из ПНД и ПВД ничем не отличаются, поэтому при отсутствии маркировки или паспорта (документа о качестве) на трубы отличить их довольно трудно.
Высокая плотность и монолитность соединения могут быть получены только при сварке деталей из одного вида и марки термопласта. Трубы из ПЭ, ПП или ПБ, сваренные между собой, не образуют прочного соединения и легко разрушаются при механическом воздействии.
Свойства изоляции СПЭ
В качестве кабельной изоляции многие годы выступала промасленная бумага, которая не отличалась ни прочностью, ни стабильностью свойств. Она требовала обязательной твердой оболочки из металла, так как была неустойчива к механическим нарушениям, боялась воды и вертикальной прокладки, при которой масло стекало в нижнюю точку провода. Сейчас современные материалы из полимеров, в особенности из так называемого «сшитого» полиэтилена, все чаще заменяют бумажный способ изоляции.
Технические параметры
Сшитый полиэтилен – это полимер углеводорода этилена, модифицированный на молекулярном уровне до выстраивания абсолютно новой структуры. Полученная в процессе «сшивки» система межмолекулярных связей СПЭ выглядит, как трехмерная ячеистая сетка, похожая на кристаллическую решетку твердых веществ. Такое изменение дает особую прочность на разрыв и повышение всех остальных характеристик полиэтилена.
В сравнении как с маслонаполненной, так и ПВХ-изоляцией сшитый полиэтилен дает гораздо более высокие прочностные и диэлектрические характеристики, что видно из таблицы:
| Показатели | СПЭ (PEX)-изоляция | Масляная изоляция | ПВХ-изоляция |
| Наибольшая температура, которую материал может выдерживать длительное время, 0C | 90 | 85 | 70 |
| Аварийно возможная температура, 0C | 130 | 90 | 80 |
| Максимум возможной температуры при коротком замыкании, 0C | 250 | 200 | 160 |
Максимально допустимый ток короткого замыкания, А/мм2
| 144 93 | 101 67 | 125 81 |
| Диэлектрическая проницаемость при нормальной температуре (+20 0C) | 2,4 | 3,3 | 3,5 |
| Диэлектрические потери при нормальной температуре (+20 0C) | 0,001 | 0,004 | 0,02 |
ИНТЕРЕСНО! Нижний температурный предел использования сшитого полиэтилена без изменения его диэлектрических и прочностных характеристик равен -500C, что выгодно отличает его от других полимеров (ПВХ, полипропилен), температурный диапазон эксплуатации которых начинается лишь с -15 0C.
Преимущества использования
Использование СПЭ для изоляции силовых кабелей дало возможность как расширения эксплуатационных свойств электропроводки, так и более удобного ее монтажа:
- Высокие диэлектрические показатели полиэтилена при минимальных диэлектрических потерях разрешили проблему изоляции высоковольтных линий,
- Увеличение максимально допустимой температуры позволило увеличить пропускную способность провода на 20-30% по сравнению с бумажно-масляными аналогами,
- Стойкость к быстрому повышению температуры с рабочей до максимальной величины обезопасила ситуации коротких замыканий,
- Влагонепроницаемость PEX-изоляции исключила необходимость гидрозащиты,
- Устойчивость к механическим повреждениям отменила обязательную металлическую оболочку для провода небольшого сечения, тем самым облегчив его вес и уменьшив нагрузку на опорные конструкции при монтажных работах,
- Эластичность сшитого полиэтилена сделала кабель очень гибким, что позволило свободно менять направление прокладки и делать ее разноуровневой,
- Стойкость к отрицательным температурам до -50 0C без изменения пластичности сделала возможным монтаж электросетей в зимних условиях без предварительного подогрева кабеля.
Недостатки
Изоляция из сшитого полиэтилена, при всех положительных качествах, имеет следующие недостатки, ограничивающие ее использование:
- Полиэтилен, даже «сшитых» образцов, плохо переносит длительное воздействие ультрафиолетового излучения, поэтому его использование на открытых для солнечного света местах нежелательно,
- На PEX-материалы оказывает разрушающее воздействие проникающий в их структуру свободный кислород воздуха, в связи с чем изделия нуждаются в специальном защитном покрытии.
ВАЖНО! Из-за уменьшения срока службы СПЭ при использовании в открытых местах одновременно с идеальными изоляционными свойствами в защищенных зонах его используют для изготовления изоляции, которая непосредственно соприкасается с проводящей ток металлической жилой. Внешние же оболочки кабеля делаются из других материалов
Сравнительные характеристики кабелей
Преимущественно кабели выпускаются в одножильном исполнении, а применение различных типов оболочек и возможность герметизации позволяет использовать кабель как для прокладки в земле, так и для кабельных сооружений, в том числе при групповой прокладке.
СПЭ-кабель может заменить кабель с бумажной изоляцией практически во всех случаях, однако на этапе внедрения кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена на том или ином предприятии необходимо выделить те области, где их применение имеет наибольший смысл. Для этого проведем короткое технико-экономическое сравнение «обычных» и СПЭ-кабелей. К сожалению из-за различий в затратах на ремонты и содержание кабельных линий для конкретных предприятий, разницу в общих затратах на эксплуатацию оценить затруднительно, поэтому предлагаем сравнивать только первоначальные вложения в кабель. Для корректного сравнения возьмем кабели с одинаковой пропускной способностью – бумажный АСБ 3х240 10 кВ и три однофазных кабеля АПвП 1х185/25–10 кВ. Сравнительные характеристики кабелей приведены в табл. 1.
| Параметры сравнения | Кабель с бумажной изоляцией АСБ 3×240 — 10 кВ | Одножильный кабель с СПЭ изоляцией, ЗхАПвП 1×185/25-10 кВ |
| Вид кабельной линии в разрезе | ||
| Сечение жил, мм2 | 240 | 185 |
| Ток нагрузки при прокладке в земле, А | 355 | в плоскости / треугольником 375/360 |
| Максимально-допустимый 1-сек ток КЗ, А | 20,56 | 17,5 |
| Наружный диаметр, мм | 62 | 36 |
| Строительная длина, м | 500-600 | до 1400 (бар. N22) |
| Минимальный радиус изгиба, м | 1.64 | 0.54 |
| Масса, кг/км | 7050 | 1370 (4110) |
| Допустимая разность уровней, м | 15 | не ограничена |
| Сравнительная стоимость. % | 100 | 160 |
Из приведенных данных видно, что при одинаковой пропускной способности и лучших остальных параметрах стоимость СПЭ-кабеля примерно на 60–70% выше. Это объясняется более дорогими материалами и технологией изготовления, большим расходом материалов при радиальной конструкции кабеля. Но с другой стороны, такая конструкция обеспечивает равномерное распределение электрического поля и, как следствие, увеличение электрической прочности.
Эта ситуация меняется кардинально при возрастании требований по пропускной способности кабельной линии. Так, параллельные кабели АСБ 1х240 10 кВ целесообразно заменить СПЭ кабелем большего сечения (см. табл. 2).
| Параметры сравнения | Кабели с бумажной изоляцией 2 х АСБ 3×240 | Одножильный кабель с СПЭ изоляцией, 3хАПвП 1×500 35 |
| Вид кабельной линии в разрезе | ||
| Сечение жил, мм2 | 240 | 500 |
| Ток нагрузки при прокладке в земле, А | 639 | в плоскости / треугольником 650/610 |
| Максимально-допустимый 1-сек ток КЗ, А | 20,56 | 47 |
| Наружный диаметр, мм | 62 | 46 |
| Строительная длина, м | 500-600 | до 850 (бар. N22) |
| Минимальный радиус изгиба, м | 1.64 | 0.74 |
| Масса, кг/км | 2×7050 | 2570 (7710) |
| Допустимая разность уровней, м | 15 | не ограничена |
| Сравнительная стоимость. % | 100 | 115-120 |
Для СПЭ кабеля на напряжение 35 кВ картина еще более благоприятная (см. табл. 3).
| Параметры сравнения | Кабели с бумажной изоляцией АОСБ Зх150-35 кВ | Одножильный кабель С СПЭ изоляцией. ЗхАПвП 1×150/25 — 35 кВ |
| Вид кабельной линии в разрезе | ||
| Сечение жил, мм2 | 150 | 150 |
| Ток нагрузки при прокладке в земле, А | 250 | в плоскости / треугольником 350/330 |
| Максимально-допустимый 1-сек ток КЗ, А | 7,58 | 14,2 |
| Строительная длина, м | 300 | до 1000 (бар. N22) |
| Минимальный радиус изгиба, м | 1.45 | 0.67 |
| Масса, кг/км | 6400 | 1805 (5415) |
| Допустимая разность уровней, м | 15 | не ограничена |
| Сравнительная стоимость. % | 100 | 100-105 |
Это объясняется тем, что на этот класс напряжений применение конструкции с секторными жилами невозможно. Поэтому бумажные кабели изготавливаются с отдельно освинцованными жилами, что влечет за собой значительное удорожание по сравнению с кабелями 10 кВ. Стоимости кабелей с бумажной и полиэтиленовой изоляцией одинакового сечения приблизительно равны. Однако, как видно из табл. 3, полиэтиленовый кабель дает 40%-ное преимущество по нагрузочной способности.
Технология испытаний
Независимо от вида кабеля, испытания должны проводиться в обязательном порядке. В процессе проверяется соответствие всех характеристик и свойств на соответствие нормам. Раньше такие испытания подразумевали пропуск тока, сила которого была в несколько раз больше, чем номинальная (примерно в 6 раз).
Этот метод отбросили, потому что в процессе поверки у ЛЭП снижались характеристики из-за слишком высокого напряжения. В особенности у тех, которые уже давно использовались и имели плохую изоляцию.
В настоящее время для испытаний используют другую технологию. Её ещё называют «щадящей». При этом методе используют напряжение, которое выше номинального всего в 3 раза. Но при этом частота тока равняется 0,1 Гц. Объёмные заряды не образуются при таких испытаниях. Благодаря этому, нет негативного воздействия на изоляционные слои.
Особенности конструкции
Варианты исполнения
Силовые кабели в полиэтиленовой защитной изоляции предназначаются для эксплуатации в линиях с действующими напряжениями 10-35 кВ (в сетях с различными типами заземлений). По своему конструктивному исполнению, а также по присущим им свойствам эти изделия соответствуют общепринятым в России нормам и требованиям.
К ним можно отнести ТУ 3530-001-42747015-2005 года, действующие совместно с техническими рекомендациями МЭК 60502-2.
Специфика конструкции кабелей СПЭ проявляется в следующих основных моментах:
- Эти изделия могут выпускаться как в одножильном, так и в более сложном – трёхжильном исполнении;
- Для получения нужного количества линий из трёх одножильных кабелей делается плотная скрутка, помещаемая в одну общую изоляцию;
- Второе из этих исполнений предполагает выпуск готового трехжильного кабеля с общим металлизированным экраном в наружной бронированной оболочке.
Разновидности кабелей из СПЭ
Дополнительная информация. Из этих двух вариантов предпочтение чаще всего отдаётся первому (одножильное исполнение), поскольку в этом случае наблюдается выигрыш по техническим показателям и защитным свойствам.
К особенностям их конструкции также следует отнести:
- Наличие специальных элементов герметизации, создающих надёжное препятствие на пути распространения влаги вдоль по токопроводящей жиле, а также в зоне металлической оболочки;
- Присутствие в ней хорошо защищённого экрана, сплетённого на основе медных проволочек и имеющего оговорённые в стандартах сечения;
- Длительные сроки службы этих изделий при соблюдении правил эксплуатации и хранения, составляющие не менее 30 лет.
Устройство
С вариантом конструктивного исполнения типового одножильного кабеля, рассчитанного на 10-35 кВ, можно ознакомиться на приводимом ниже рисунке.
Устройство одножильного кабеля
В его состав входят следующие обязательные элементы:
- Алюминиевая, а иногда медная токопроводящая жила округлой формы, состоящая из большого количества уплотнённых проволочек (1);
- Специальный экранный полупроводящий слой из СПЭ (2);
- Изоляционная оболочка кабеля (3);
- Экранная изоляция полупроводящая (4);
- Отдельная прослойка из электропроводящей бумаги (5);
- Оболочка-экран, набранная на основе медных проволок, поверх которых наложена лента из того же материала (6);
- Промежуточный разделяющий слой из ткани с резиной (7);
- Лента на основе полимера (8);
- Наружная полиэтиленовая оболочка с повышенными прочностными показателями (9).
Добавим к этому, что нормируемая толщина кабельной изоляции зависит от величины рабочих напряжений, на которые рассчитывается продукция данного класса. Как правило, она указывается в ТУ на выпускаемое изделие.
Пример выбора кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена
Исходные данные:
Требуется обеспечить питание двух трансформаторов ТМ-4000/10 от подстанции. Линия состоит из двух групп одножильных кабелей АПвЭгП, группы могут быть расположены треугольником или в плоскости. Линия прокладывается в грунте (в траншее) и по территории предприятия по эстакаде. Расстояние между группами кабелей в траншее 200 мм, а на эстакаде равно диаметру группы кабелей, связанных в треугольник.
Линия имеет участок перехода в трубах длиной 20 м, проложенных в земле, каждый кабель в отдельной трубе. Расчетная температура воздуха 30 °С, грунта 20 °С. Глубина прокладки в земле 1 м, удельное тепловое сопротивление грунта 1 °К⋅м/Вт. Релейная защита отключает ток короткого замыкания через 0,2 с, величина тока короткого замыкания 24 кА.
Сечение токопроводящей жилы и марка кабеля выбраны по РД К28-003:2007 «Руководство по выбору, прокладке, монтажу, испытаниям и эксплуатации кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение от 6 до 35 кВ».
Решение:
1. Определяем расчетный ток в нормальном режиме:
2. Расчетный ток кабельной линии в режиме допустимой перегрузки трансформатора на 40 % (послеаварийный режим) составит:
3. Определяем экономическое сечение, согласно ПУЭ раздел 1.3.25. Расчетный ток принимается для нормального режима работы, т.е. увеличение тока в послеаварийных и ремонтных режимах сети не учитывается:
где: Jэк =1,4 – нормированное значение экономической плотности тока (А/мм2) выбираем по ПУЭ таблица 1.3.36, с учетом что время использования максимальной нагрузки Тmax=4500 ч.
Сечение округляем до ближайшего стандартного 185 мм2.
Необходимо выбрать номинальное сечение жилы кабеля, допустимый ток для которого не менее 324 А.
Сечение 185 мм2 не проходить для кабелей, проложенных в земле для способа прокладки треугольником. В таблице 2.5 указан допустимый ток в земле 367 А, которому соответствует номинальное сечение алюминиевой жилы 240 мм2, а для кабеля сечением 185 указан 317 А < 323,3 А. Поэтому принимаем кабель сечением алюминиевой жилы 240 мм2.
4.1 Допустимый ток для заданных условий прокладки кабеля в траншее рассчитывается при помощи поправочных коэффициентов:
- к2=0,97 (табл.2.10);
- к3=1,18 (табл.2.12);
- к4=0,83 (табл.2.17).
т.е. сечения жилы 240 мм2 при выбранных условиях прокладки достаточно.
4.2 Для прокладки в плоскости допустимый ток для номинального сечения жилы 240 мм2 в земле 373 А. Допустимый ток для заданных условий прокладки кабеля в траншее определяется с учетом коэффициентов:
- к2=0,97 (табл.2.10);
- к3=1,18 (табл.2.12);
- к4=0,83 (табл.2.17)
4.3 Для участка кабеля, проложенного в отдельных трубах, допустимый ток составляет 351 А; поправочные коэффициенты:
- к2=0,97 (табл.2.11);
- к3=1,14 (табл.2.13);
- к4=0,85(табл.2.19)
4.4 Для кабеля, проложенного на воздухе (на эстакаде), допустимый ток составляет 502 А, поправочный коэффициент к5=1,00 (табл.2.21)
Таким образом, выбранное номинальное сечение 240 мм2 обеспечивает пропускную способность линии на всей длине трассы при выбранных видах прокладки.
5. Допустимый односекундный ток короткого замыкания для выбранного сечения жилы кабеля 22,7 кА (табл.2.25); соответствующий допустимый ток короткого замыкания продолжительностью 0,2 с составит:
т.е. больше требуемого тока 24 кА.
6. При выборе сечения медного экрана должно выполняться условие:
Iк.з.экрана > I2ф(к.з.)
где:
- Iк.з.экрана – допустимый ток медного экрана;
- I2ф(к.з.) – двухфазный ток КЗ. Для того чтобы получить двухфазный ток КЗ из трехфазного нужно умножить на √3/2.
6.1 Определяем двухфазный ток КЗ:
I2ф(к.з.) = √3/2* I3ф(к.з.) = 0,87*24 = 20,88 кА
Из табл.2.27 выбираем сечение медного экрана 50 мм2, при длительности короткого замыкания 0,2 с, допустимый ток короткого замыкания по экрану составит:
т.е. больше требуемого тока 20,88 кА, в принципе можно принять сечение медного экрана 50 мм2, но так как допустимое значение медного экрана близко к расчетному двухфазному току, чтобы перестраховаться принимаем сечение 70 мм2.
Таким образом, при указанных исходных данных выбран кабель АПвЭгП-10 1х240/70.
Производство кабелей из сшитого полиэтилена
Химически сшитый полиэтилен состоит из тех же молекул что и обычный. Однако между ними формируются дополнительные связи атомов углерода. Данная реакция осуществляется с помощью двух методов:
- Радиационный. Наиболее дешевый способ производства. Исходное сырье облучается жесткими гамма-лучами. В результате образуются новые химические связи между молекулами. Однако полученный на выходе проводник обладает остаточной радиацией. Поэтому такой метод используют крайне редко.
- Химический. Менее опасный. Делится на два подвида: пероксидная и силановая сшивка.
Пероксидный метод более эффективен. Сшивается до 85% молекул. В качестве реагента выступает перекись водорода. Реакция осуществляется при температуре 200°C.
Силановый метод позволяет сшить до 70% молекул этилена. В реакции используются катализаторы и вода. Силаны — это соединения кремния с водородом.
