21. Силовые кабели: область применения, типы, конструкции, условия выбора.

Силовые кабели применяют на напряжениях 0,4 – 500 кВ. Кабелями выполняют присоединения потребителей собственных нужд 0,4, 0,66, 6, 10 кВ на электростанциях и подстанциях к соответствующим шинам. Кабелем выполняют соединение блочных трансформаторов с КРУЭ. По кабельным линиям получают электроэнергию потребители. Кабельные линии 110-220 кВ находят применение в условиях промышленной и городской застройки, т.е. в районах, где прокладка ВЛ имеет трудности. В городах и промышленных зонах кабели, как правило, прокладывают в земле (траншеях) по непроезжей части улиц (под тротуарами) и по техническим полосам (газоны с кустарниками). На территориях с подземными коммуникациями, КО прокладывают в коллекторах и туннелях. В цепях собственных нужд кабели прокладывают в кабельных полуэтажах, туннелях, на металлических лотках, укреплённых на стенах и конструкциях зданий.

По виду изоляции различают кабели:

• с резиновой или пластмассовой изоляцией;

• с бумажно-пропитанной изоляцией;

• с изоляцией из сшитого полиэтилена.

Кабель с бумажно-пропитанной изоляцией (с поясной изоляцией трёхжильный 6 кВ, трёхжильный с отдельно освинцованными жилами 35 кВ)

Кабель с резиновой изоляцией (0,66 кВ)

Кабель с ПВХ-изоляцией (0,66 кВ)

В настоящее распространение получает кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена.

Кабель с СПЭ-изоляцией (0,66 кВ) Пв – изоляция из сшитого полиэтилена, В нг – оболочка из ПВХ пластиката пониженной горючести, Г- защитный покров отсутствует (голый), категория пожароопасности A

Кабель с СПЭ-изоляцией (110-220 кВ) Рисунок 4.1 – Внешний вид и элементы конструкции кабеля

Кабели выполняют с числом жил от 1 до 5. На напряжении 0,4 кВ используют преимущественно 4 и 5 жильные кабели (3 фазных, рабочий и защитный нулевой проводники), на напряжении 6 – 35 кВ – трёхжильные и одножильные, на напряжении 110-500 кВ – одножильные.

Трёх- и четырёхжильные кабели используются на меньшем напряжении, чем одножильные по следующим причинам:

• разрушение изоляции в одном месте влечёт за собой выведение из строя всех трёх фаз;

• вероятность однофазных замыканий на землю при применении трёх- и четырёхжильных кабелей выше;

• трёх- и четырёхжильное исполнение СПЭ-кабелей даёт возможность выполнять сечения токоведущих жил до 240 мм², что позволяет использовать их на напряжении классом до 35 кВ.

Одножильное исполнение СПЭ-кабелей даёт возможность выполнять сечения токоведущих жил до 3000 мм² (радиус жилы 30,9 мм), что позволяет использовать их на напряжении классом до 500 кВ.

Основной особенностью кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена СПЭ (ХLPE) - кабелей является их особая изоляция — сшитый полиэтилен. Полиэтилену присущи серьёзные недостатки, главным из которых является резкое ухудшение характеристик при температурах, близких к температуре плавления. Изоляция из термопластичного полиэтилена начинает терять форму, электрические и механические характеристики уже при температуре 85 °С, в то время, как изоляция из сшитого полиэтилена сохраняет свои свойства даже при температуре 130 °С. Термин «сшивка» или «вулканизация» подразумевает обработку полиэтилена на молекулярном уровне. Поперечные связи, образующиеся в процессе сшивки между макромолекулами полиэтилена, создают трёхмерную структуру, которая и определяет высокие электрические и механические характеристики материала. Существует две технологии сшивки, принципиальное различие которых заключается в реагенте, с помощью которого происходит процесс сшивки: пероксидная сшивка и силанольная сшивка.

Кабельная изоляция из сшитого полиэтилена обладает следующими достоинствами:

• изготавливаются на напряжение до 500 кВ;

• срок службы не менее 30 лет;

• пропускная способность выше, чем у кабелей с другими типами изоляции, например СПЭ-кабели рассчитаны на длительную работу при температуре жилы до 90 °С, а бумажно-масляные аналоги – до 70 °С;

• стойкость к повышению температуры в аварийной ситуации до 130 °С (не более 6 ч в сутки, при этой температуре изоляция сохраняет форму, электрические и механические характеристики);

• предельная температура при коротком замыкании до 250 °С;

• допустимый ток короткого замыкания, действующий на площади 1 мм²: для жилы из меди - до 144 А, из алюминия – до 93 А;

• прокладка и монтаж меньше зависят от температуры и могут проводиться при температуре до – 20 °С; • условия монтажа СПЭ-кабелей легче, это обусловлено меньшей массой, диаметром, отсутствием тяжёлой свинцовой (или алюминиевой) оболочки;

• меньший вес и допустимый радиус изгиба.

Выбор кабелей

Силовые кабели выбирают по условиям нормального режима и проверяются на термическую устойчивость при коротком замыкании.

Условия выбора кабелей:

1) по номинальному напряжению:

U_{ном. уст} ≤ U_{ном.каб.} ;

2) по экономической плотности тока (учёт стоимости кабеля и потерь в нём):

где j_э – экономическая плотность тока, А/мм² ;

3) по длительно допустимому току:

I_{доп. расч.} ≤ 𝑘₁𝑘₂𝑘₃𝑘₄𝑘₅I_доп. ,

𝑘₁ – поправочный коэффициент на температуру окружающей среды,

𝑘₂ – поправочный коэффициент на глубину прокладки,

𝑘₃ – поправочный коэффициент на термическое удельное сопротивление грунта;

𝑘₄ – поправочный коэффициент на междуфазное расстояние между кабелями в плоскости,

𝑘₅ – поправочный коэффициент количество групп (цепей) кабелей,

По условию:

I_{раб. макс.} ≤ I_{доп. расч.}

выбирается сечение кабеля 𝑞_доп. Из полученных сечений 𝑞_э и 𝑞_доп. выбирают большее.

4) по термической стойкости (как для аппаратов):

𝐵_к ≤ 𝐼²_Т 𝑡_Т

где 𝐼_Т – ток термической стойкости (максимальный ток короткого замыкания по жиле в течение 1 с,

𝑡_Т = 1 с – длительность протекания тока короткого замыкания.

Значения экономической плотности тока для кабельных линий нормированы (табл. 4.1). При проектировании при выборе кабеля к потребителям на напряжении 6 – 10 кВ Т_макс можно принимать более 3000 до 5000 ч, для кабельной связи генераторов и трансформаторов Т_макс более 5000 ч.

Таблица 4.1 – Экономическая плотность тока для кабелей, А/мм²

Проводники	Продолжительность использования наибольшей нагрузки Тмакс, ч/год
	более 1000 до 3000	более 3000 до 5000	более 5000
Кабели с бумажной, резиновой, поливинилхлоридной изоляцией:
жилы медные	3,0	2,5	2,0
жилы алюминиевые	1,6	1,4	1,2
Кабели с резиновой и пластмассовой изоляцией:
жилы медные	3,5	3,1	2,7
жилы алюминиевые	1,9	1,7	1,7

При выборе по длительно допустимому току необходимо учитывать поправочные коэффициенты. В справочниках и каталогах производителей приводится длительно допустимый ток для одножильных кабелей и трёхжильных кабелей (на 1 жилу) для следующих условий (табл. 4.2).

Таблица 4.2 – Условия, соответствующие длительно допустимым токам

Условие прокладки (МЭК 60287) для 𝒌𝒊=1	Поправочный коэффициент 𝒌𝒊 при других условиях эксплуатации
- один многожильный кабель или одна трёхфазная группа одножильных кабелей	таблицы с Iдоп. (воздух/земля; Al/Cu)
- температура грунта – 20 °С	поправочный коэффициент на температуру грунта для кабелей в земле или температуру воздуха для кабелей в воздухе - 𝑘1
- температура окружающего воздуха – 35 °С
- глубина прокладки – 1 м	поправочный коэффициент на глубину прокладки - 𝑘2
- термическое сопротивление грунта – 1 км/Вт	поправочный коэффициент на термическое удельное сопротивление грунта - 𝑘3;
Способы расположения кабелей и расстояния
- расстояние S между осями кабелей фаз, проложенных в плоскости – De+70 мм (рис. 4.2)	поправочный коэффициент на междуфазное расстояние в плоскости - 𝑘4
- групповая прокладка (в 1 группе три одножильных кабеля или один трёхжильный, рис. 4.3)	поправочный коэффициент на число групп (цепей) КЛ - 𝑘5

Рисунок 4.2 – Схема прокладки кабеля в плоскости (одножильный кабель, 3 фазы)

Одножильные кабели могут прокладываться треугольником или в плоскости. Также один трёхжильный может рассматриваться как три одножильных.

Рисунок 4.2 – Схема прокладки кабеля несколькими группами (от 2 до 9 групп).

Пример применения поправочных коэффициентов

Две трёхфазные группы одножильных кабелей с СПЭ-изоляцией на напряжение 110 кВ с алюминиевыми жилами 1х500 прокладываются в земле треугольником на глубине 1,5 м при температуре грунта 30 °С, термическое удельное сопротивление грунта 1,5 км/Вт, расстояние между группами 400 мм:

Условия прокладки и поправочные коэффициенты:

- длительно допустимый ток	Iдоп. = 595 А,
- температура грунта 30 °С	𝑘1 = 0,93,
- глубина 1,5 м	𝑘2 = 0,95,
- термическое удельное сопротивление грунта 1,5 км / Вт	𝑘3 = 0,84
- расстояние между группами 400 мм	𝑘5 = 0,85

Допустимый односекундый ток короткого замыкания (для проверки на термическую стойкость).

Дополнительно, при несинусоидальной нагрузке необходимо учитывать поправочный коэффициент на гармонические составляющие тока.