1.3. Силовые кабели с бумажной пропитанной изоляцией
на напряжение 1–35кВ
Силовые кабели с поясной изоляцией. Основная масса силовых кабелей на напряжение до 10 кВ выпускается трехжильными с секторными жилами, так называемые кабели с поясной изоляцией (рис. 1.5). Такие кабели выпускаются с медными и алюминиевыми жилами сечением от 6 до 240 мм2.
Рис. 1.5. Трехжильный кабель с поясной изоляцией:
1 – жила; 2 – фазная изоляция; 3 – поясная изоляция;
4 – металлическая оболочка; 5,6 – защитные и упрочняющие покровы
В последние годы медь стала остродефицитной, поэтому в кабельной промышленности наиболее широко применяется алюминий, как для токопроводящих жил, так и для оболочек.
Электропроводность алюминия в 1,65 раза меньше, чем у меди, однако и плотность его в 3,3 раза меньше плотности меди, что позволяет получить алюминиевые жилы с одинаковым электрическим сопротивлением в 2 раза легче медных. В настоящее время 85 % силовых кабелей с пропитанной бумажной и пластмассовой изоляцией на напряжение 1 кВ и выше изготавливаются с алюминиевыми токопроводящими жилами. Изготовление однопроволочных алюминиевых жил в виде сплошного сектора дает большой экономический эффект в кабельной промышленности. Применение таких жил позволяет уменьшить диаметр кабеля, кроме того, при изготовлении таких жил повышается производительность труда, так как по сравнению с изготовлением многопроволочных жил сокращается объем волочильных операций и исключается операция скрутки жил. Сплошные секторные жилы имеют большую жесткость, чем скрученные, кроме того, несколько повышается трудоемкость монтажа кабелей с такими жилами. Однако, как показали исследования, жесткость кабеля в основном определяется не токопроводящими жилами, а, прежде всего материалом и конструкцией оболочки.
Изоляция кабелей состоит из лент кабельной бумаги, пропитанной маслоканифольным составом. В кабелях на напряжения 1–10 кВ каждая фаза изолируется отдельно, а затем поверх скрученных изолированных жил накладывается общая – поясная изоляция. Промежутки между изолированными жилами заполняются жгутами из сульфатной бумаги. Электрическое поле в кабелях с поясной изоляцией имеет сложный вид. Силовые линии поля в некоторых областях сечения кабеля не перпендикулярны слоям бумаги, поэтому появляется тангенциальная составляющая электрического поля в изоляции.
Выпускаемые в России кабели предназначены для работы в сетях с изолированной нейтралью. При этом в аварийном режиме напряжение между соседними неповрежденными фазами будет равно напряжению между этими фазами и оболочкой и равно линейному напряжению сети. Действительно, при замыкании одной из фаз на оболочку при изолированной нейтрали последняя приобретает потенциал поврежденной фазы. Следовательно, чтобы в аварийном режиме обеспечить примерное равенство средних напряженностей электрического поля в фазной и поясной изоляции, необходимо выбрать их равной толщины. Однако с учетом того, что аварийные режимы работы кабелей носят кратковременный характер, допускается некоторое увеличение напряженности поля в изоляции кабелей при кратковременных повышениях напряжения.
Основным недостатком бумажной пропитанной изоляции является ее большая гигроскопичность, поэтому для защиты изоляции от увлажнения в процессе хранения, прокладки и эксплуатации кабели заключают в металлическую оболочку. В России силовые кабели выпускаются в свинцовой и алюминиевой оболочках.
Кабели с алюминиевыми оболочками значительно легче кабелей со свинцовыми оболочками (плотность алюминия в 4,2 раза меньше, чем плотность свинца).
Высокая электропроводность алюминия дает возможность использовать алюминиевые оболочки в качестве четвертой жилы кабеля, что обеспечивает значительную экономию алюминия, изоляционных и защитных покровов. Однако кабели с алюминиевыми оболочками нельзя применять в условиях воздействия на них агрессивных сред (пары щелочи, концентрированные щелочные растворы). В таких условиях необходимо применять кабели в свинцовых оболочках.
Опыт изготовления и монтажа кабелей с алюминиевой оболочкой диаметром свыше 40 мм выявил их чрезмерную жесткость. Применение гофрированной оболочки увеличивает гибкость кабелей, однако при прокладке таких кабелей на наклонных трассах возможно стекание по гофрам пропиточного состава и образование воздушных включений в изоляции кабеля. В связи с этим гофрированные оболочки можно использовать только в кабелях, изоляция которых пропитана нестекающими составами.
Кабели с радиальным электрическим полем на напряжения 20 и 35 кВ. С увеличением рабочего напряжения возрастают напряженности электрического поля в изоляции кабеля, и при напряжениях больше 20 кВ значения тангенциальной составляющей напряженности поля в кабелях с поясной изоляцией близки к значениям, при которых возможен пробой изоляции. В связи с этим кабели на напряжения 20 и 35 кВ изготовляются либо в одножильном исполнении с круглыми алюминиевыми или медными жилами в свинцовой и алюминиевой оболочке, либо в трехжильном исполнении, при этом кабель скручивается из трех круглых изолированных жил, каждая из которых имеет свинцовую оболочку. В изоляции этих кабелей электрическое поле радиальное, при этом продольная составляющая напряженности поля практически отсутствует, что позволяет изготовлять кабели с бумажной изоляцией, пропитанной вязким маслоканифольным составом, на напряжения 20 и 35 кВ.
Выпускаемые в России трехжильные кабели с радиальным электрическим полем (так называемые кабели с отдельно освинцованными жилами) имеют марки ОСБ, АОСБ (рис. 1.6).
Рис. 1.6. Трехжильный кабель с отдельно освинцованными жилами:
1 – жила; 2 – изоляция; 3 – свинцова оболочка; 4 – заполнение;
5 – проволочная броня
Кабели с отдельно освинцованными жилами выпускаются только с круглыми медными или алюминиевыми жилами сечением 25 – 185 мм2 на напряжение 20 кВ и 120 – 150 мм2 на напряжение 35 кВ. Для кабелей типа ОСБ применяют в основном многопроволочные жилы, причем лучшие характеристики имеют кабели с уплотненными жилами.
Алюминиевые оболочки для подобных кабелей из-за своей жесткости пока применения не нашли.
Кабели для вертикальных прокладок. При прокладке кабелей с бумажной пропитанной изоляцией на трассах с большим перепадом уровней существует опасность стекания пропиточного состава в нижнюю часть трассы. В верхних участках трассы, таким образом, уменьшается электрическая прочность кабеля вследствие возникновения воздушных зазоров в изоляции. В нижних участках трассы из-за повышенного давления пропиточного состава возможна разгерметизация кабеля. Уменьшения эффекта стекания пропиточного состава можно добиться следующими мероприятиями: применением стопорных муфт при соединении строительных длин кабеля; уменьшением объема пропиточного состава в кабеле; увеличением вязкости пропиточного состава.
Некоторые общие требования к кабелям с бумажной пропитанной изоляцией на 1–35 кВ. Указанные кабели предназначены для эксплуатации при температуре окружающей среды ±50 °С. При прокладке кабелей минимальный радиус изгиба не должен превышать 15-кратного наружного диаметра кабеля для многожильных кабелей в свинцовой оболочке и 25-кратного – для остальных кабелей. Длительно допустимая температура жил кабелей на напряжение 1–35 кВ, так называемая рабочая температура, устанавливается равной 50 °С для 35 кВ и 80 °С для 1–3 кВ.
Гарантированный срок службы кабеля составляет не менее 25 лет.
Достоинства: высокие электрические параметры; большая надежность в эксплуатации.
Недостатки: технологический процесс изготовления сложен и малопроизводителен; кабели изготовляются только в металлической оболочке, так как пропитанная бумага невлагостойкая, что значительно удорожает и утяжеляет их конструкцию; из-за стекания пропиточного состава в кабелях имеются ограничения при вертикальных прокладках.