Апвпу

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:

ИНТЕРЕСНО! Нижний температурный предел использования сшитого полиэтилена без изменения его диэлектрических и прочностных характеристик равен -50C, что выгодно отличает его от других полимеров (ПВХ, полипропилен), температурный диапазон эксплуатации которых начинается лишь с -15 C.

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 C 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:

1. Полиэтилен, даже «сшитых» образцов, плохо переносит длительное воздействие ультрафиолетового излучения, поэтому его использование на открытых для солнечного света местах нежелательно,
2. 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

Трехфазные кабели

Выпускаются различные модификации трехфазных кабелей. На практике чаще всего используют изделия с отдельным экранированием каждой жилы. Дополнительно у них может быть один общий экран для всего кабеля. Такая комбинация позволяет уменьшить помехи, испускаемые во внешнюю среду.

Существует и другой способ прокладки. При нем каждая фаза укладывается отдельным кабелем. Такой метод предпочтительней для мощных проводников сечением от 240 кв. мм, ведь проще укладывать 3 тонких кабеля, чем один толстый. Раздельная прокладка трех фаз благоприятно сказывается и на пропускной способности линии. Разведенные друг от друга жилы менее подвержены перегреву и способны пропустить без разрушения больший ток.

Раздельная прокладка фаз одножильными проводниками

В то же время достоинства есть и с точки зрения электромонтажников. СПЭ проводник более прост в работе. Он имеет сниженный вес и меньший радиус изгиба. Эти факторы делают его более предпочтительным для монтажа, от простоты и удобства которого зависит стоимость работ.

Особенности заземления кабельной трассы

Наружное покрытие СПЭ проводников выполнено из полупроводящего материала. Это необходимо для поиска повреждения оболочки. Однако этот факт создает некоторые сложности при заземлении.

Если к земле подключаются оба конца кабеля, то при протекании по нему тока на внешней оболочке наводится ЭДС. В результате возникает ток, циркулирующий между землей и полупроводящей оболочкой. Это приводит к лишним и нежелательным потерям активной энергии. Проблема решается разделением линии на 3 участка и транспозицией отрезков полупроводящей оболочки. Для этого выпускаются специальные транспозиционные муфты, которые позволяют выполнить отвод от оболочки отдельным высоковольтным проводом.

Транспозиционная муфта 110 кв

Практикуют и другой способ заземления экрана — подключение с одного конца. В таком случае на оставшемся свободным окончании кабеля наводится чрезмерно большое напряжение. Это требует подключения разрядников или ограничителей перенапряжения (ОПН). Их рекомендуется использовать на 6 кВ. Перед испытанием линии все ОПН придется отключать, что крайне неудобно на длинных трассах.

Модель

Была разработана простая модель расходов на жизненный цикл13,14, включающая следующие факторы:

• Стоимость кабеля
• Стоимость монтажа кабельной линии
• Прогнозируемый срок службы кабеля
• Условия окончания срока службы – время до потери надежности, количество отказов кабеля до его замены
• Расходы на восстановление кабеля после повреждения
• Расходы на техническое обслуживание
• Расходы, связанные с потерями в кабеле (потери в проводнике, диэлектрике и оболочке)

Для более эффективного сравнения кабельных технологий, использующих кабели с различным прогнозируемым сроком службы (которые будут рассмотрены в этом документе), результат модели рассчитывается для нескольких жизненных циклов: за более длительный период времени в кабеле с более коротким жизненным циклом  происходит больше событий отказа, чем в кабеле с более длинным жизненным циклом.  На рис. 2 показаны жизненные циклы кабелей с 25-летним жизненным циклом (кабель A) и 40-летним жизненным циклом  (кабель B) за 80 лет.   Предполагается, что оба типа кабеля прокладываются в год 1 и отказы кабелей обоих  типов начинают появляться за  5 лет до окончания жизненного цикла (т. е. в данном случае через 20 и 35 лет службы кабеля).  По завершению жизненного цикла кабели заменяются на кабели такого же типа; так кабель A первый раз заменяется через 25 лет службы, а кабель кабель B — через 40 лет.  За 80 лет линия, содержащая кабель A, заменялась чаще (три раза) и испытывала больше отказов,  чем линия, содержащая кабель B (дважды).

В примере, показанном на рис. 2, увеличение количества отказов в конце жизненного цикла кабеля приближено к точке поворота на  U-образной кривой надежности.  Также в этом случае не учитывались  отказы в начале жизненного цикла кабеля (в период приработки) и повреждения по вине третьей стороны в течение его жизненного цикла .  Другой метод моделирования отказов кабеля в течение всего его жизненного цикла — сбор распределительными сетевыми компаниями статистических данных об отказов (например,  количество отказов  на 100 километрах линии за год) и преобразование их в среднюю стоимость восстановления одного метра линии за каждый год использования кабеля до окончания его жизненного цикла). В этой работе используется именно этот метод, причем расчет всех расходов основан на данных, предоставленных ОАО «Ленэнерго».

В этой модели также учитывались расходы на монтаж новой линии после окончания жизненного цикла существующей линии.  Например, при расчете расходов на жизненный цикл кабелей, проложенных в трубопроводах за первый год необходимо учитывать расходы на монтаж как кабелей, так и  трубопроводов, однако в конце жизненного цикла кабеля необходимо заменить только кабели, поскольку трубопроводы можно использовать повторно.
В этой модели не учитывались косвенные финансовые последствия отказов кабеля (например, потеря репутации компании, штрафы контрольно-надзорных органов или снижение доходов).  Дополнительные сведения о модели можно найти в13.

Электрические характеристики кабелей

Длительно допустимые токовые нагрузки

При прокладке в плоскости токи рассчитаны при расстоянии между кабелями «в свету», равном диаметру кабелей, при прокладке треугольником – вплотную. При прокладке в земле токи рассчитаны при глубине прокладки 0,7 метров и удельном термическом сопротивлении почвы 1,2 °С м/Вт.

Допустимые токи даны для температуры окружающей среды 15 °С при прокладке в земле и 25 °С при прокладке в воздухе. При других расчетных температурах окружающей среды необходимо применять следующие поправочные коэффициенты:

Поправочные коэффициенты на температуру окружающей среды

Допустимые значения тока кабеля в режиме перегрузки могут быть рассчитаны путем умножения значений длительно допустимых токовых нагрузок кабелей на коэффициент 1,23 (при прокладке в земле) и на 1,27 (при прокладке на воздухе).

Допустимые токи односекундного короткого замыкания по жиле

Токи короткого замыкания рассчитаны при температуре жилы до начала короткого замыкания 90°С и предельной температуры жилы при коротком замыкании 250°С.

Предельная температура нагрева жилы при коротком замыкании по условиям невозгораемости кабеля – 400°С при протекании тока короткого замыкания в течении до 4 сек.

Допустимые токи односекундного короткого замыкания по экрану

Токи короткого замыкания рассчитаны при температуре экрана до начала короткого замыкания 70°С и предельной температуры экрана при коротком замыкании 350°С.

Для продолжительности короткого замыкания, отличающейся от 1с, значения допустимого тока односекундного короткого замыкания (по жиле или по экрану) необходимо умножить на поправочный коэффициент:

t – продолжительность короткого замыкания, сек.

Емкость кабеля

Сопротивление жилы постоянному току при 20 °С

Индуктивное сопротивление жилы при частоте 50 Гц при условии заземления экрана с 2-х сторон

Кабели с пропитанной бумажной изоляцией

Данные кабели выпускаются до сих пор, хотя не во всех каталогах их можно повстречать, вероятно, кто выпускал, тот и выпускает. А кто не выпускал, тот понимает, что сейчас востребованнее и выгоднее ПВХ и СПЭ, за счет отсутствия тяжелых свинцовых и прочих оболочек. В основе производства ГОСТ 18410-73.

Если вначале аббревиатуры стоит буква Ц — это значит, что пропитывающий состав стекающий, в противном случае — вязкий.

ААБл — пропитанная вязким составом бумажная изоляция; токопроводящая жила однопроволочная (ож) или многопроволочная; на напряжение 1, 6 или 10 кВ (с индексом Ц только на 6 и 10кВ); в качестве экрана — лента электропроводящей бумаги;

• А — алюминиевая жила
• А — алюминиевая оболочка
• Б — броня из пары стальных лент
• л — слой из пластмассовых лент под броней в подушке
• 2л — два слоя лент в подушке с броней

ААШв

• А — алюминиевая жила
• А — алюминиевая оболочка
• Шв — ПВХ защитный шланг

АСБ

• А — алюминиевая жила
• С — свинцовая выпрессованная оболочка
• Б — броня из двух стальных лент

ЦАСПШнг

• Ц — бумажная изоляция, пропитанная нестекающим составом
• А — алюминиевая жила токопроводящая
• С — свинцовая оболочка
• П — броня из оцинкованных проволок
• Ш — защитный покров в виде шланга
• нг — не поддерживает горения

Технология изготовления

Полиэтилен, как изоляционный материал, известен достаточно давно. Но технология его использования в кабельной промышленности была до недавнего времени не доработана. Сам термопластичный полиэтилен является обладателем серьезных недостатков. К примеру, его изоляционные характеристики резко ухудшаются, когда материал начинает нагреваться. Дойдя до температуры плавления, он вообще изменяется в плане изменения формы. Кстати, +85С – это уже критическая температура для данного полимера.

А вот уже полиэтилен сшитого типа спокойно себя ведет даже при температуре +135С. Чувствуете разницу? Откуда же появился такой термин – сшивка. По сути, это замена термину «вулканизация». В технологии производства используется высокая температура, под действием которой связи внутри вещества происходят на молекулярном уровне. То есть, внутри полимера появляется трехмерная сетка, отсюда и противостояние высоким температурам, и высокая механическая прочность, и низкая гигроскопичность, и неплохие электрические характеристики.

Типы сшивки

В современных технологиях, используемых в кабельной промышленности, есть два варианта. Их отличает друг от друга – реагент, используемый для вулканизации полимера.

1. Пероксидная сшивка – это часто используемая технология. Из самого названия уже становится понятным, что в процессе сшивки полиэтилена используются пероксиды. Процесс производится под действием определенной температуры (плюс 300-400С) и давления (8-12 атм.), к тому же все это происходит внутри нейтральных газов, чаще азота. Такой способ еще называется сухим. Изготовленный с помощью данной технологии кабель используется для линий с высоким и средним напряжением (10-35 кВ).
2. Силанольная технология. В данном случае в процессе изготовления используется смеси под названием силаны. Этот процесс происходит под более низкими температурами (плюс 80-90С) при воздействии пара и воды, отсюда и менее высокие технические характеристики самого вещества. Кстати, такой кабель можно использовать под напряжением до 1 кВ.

Трехфазные кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена

В основной массе производятся именно однофазные кабеля СПЭ. Однако кроме них, также выпускают и 3-х фазные виды.

Правда следует учитывать, что трехфазные делают только на напряжение до 35кв. От 110кв и выше, уже идут только однофазные варианты.

Преимущественная форма жилы – круг. Такие виды более эффективны, чем секторные.

Электромагнитное поле распространяется наиболее далеко именно от выступающих мест на токоведущих частях. А круглые жилы таких выступов практически не имеют.

Кроме того, при расположении круглых жил в равностороннем треугольнике образуется симметричное магнитное поле, потери в котором достаточно низкие.

Трехфазные кабеля СПЭ с заполнением могут прокладываться в условиях любой влажности.

Разве что, при монтаже в воде, применяют дополнительные защитные слои, герметизирующие внутреннюю поверхность.

Трехфазные кабеля без полноценного заполнения внутренних полостей, имеют несколько недостатков:

затрудняется их эксплуатация на протяженных трассах

При установке манжет и муфт возникают полости на сторонах треугольника жил. Отсюда вытекает риск недостаточной герметизации. Поэтому такие кабеля, без заполнения внутренних полостей, не предназначены для прокладки в земле.

общая форма кабеля треугольник, а не круг

на сегодняшний день, нет нормального заводского инструмента для разделки таких жил (секторных)

Приходится снимать изоляцию вручную. При этом не всегда квалификация электромонтеров кабельщиков позволяет это сделать грамотно.

Именно поэтому широкое распространение получили именно кабеля с круглыми жилами с внутренним заполнением.

https://youtube.com/watch?v=wSoa7sNH9oM