Изоляция обеспечивает необходимую электрическую прочность токопроводящих жил по отношению друг к другу и к заземлённой оболочке (земле). По виду изоляции и оболочки различают кабели с пропитанной бумажной изоляцией в металлической оболочке; с бумажной изоляцией, пропитанной нестекающим составом, в металлической оболочке; с пластмассовой изоляцией в пластмассовой или металлической оболочке; с резиновой изоляцией в пластмассовой, резиновой или металлической оболочке. Пластмассовая изоляция подразделяется на поливинилхлоридную и полиэтиленовую.
Изоляция кабелей с бумажной пропитанной изоляцией состоит из лент кабельной бумаги, пропитанной маслоканифольным составом. В кабелях на напряжение 1-10 кВ каждая фаза изолируется отдельно, а затем поверх скрученных изолированных жил накладывается общая — поясная изоляция. Промежутки между изолированными жилами заполняют заполнителями.
Бумажная пропитанная изоляция — это многослойная изоляция из лент кабельной бумаги, наложенных в виде обмотки, и изоляционного пропиточного состава.
Для изоляции силовых кабелей напряжением до 10 кВ применяют однослойную кабельную бумагу по ГОСТ 23436-83 марок К-080, К-120, К-170 (толщина бумаги 0,08; 0,12 и 0,17 мм, соответственно).
В зависимости от вязкости пропиточного состава кабели с бумажной изоляцией могут быть изготовлены с вязким пропиточным, с обеднённо-пропиточным и с нестекающим пропиточным составом.
Кабель с вязким пропиточным составом — это кабель с бумажной изоляцией, пропитанный маслоканифольным составом марки МП-3, в состав которого входят канифоль (7,5 ± 2,5%) , полиэтиленовый воск (3 ± 2%), остальное — нефтяное масло (для пропиточного состава применяют нефтяное масло марки КМ-25).
Кабель с обеднённо-пропитанной изоляцией — это кабель с вязким пропиточным составом также марки МП-3, но свободная часть его частично или полностью удалена, т.е. бумажная изоляция освобождена от избытка пропиточного состава. Кабели с обеднённо-пропитанной изоляцией выпускают на напряжение до 6 кВ и маркируются с добавлением через дефис буквы В, например ААШв-В. Кабели с обеднённо-пропитанной изоляцией предназначены для вертикальных и наклонных трасс с ограниченной разностью уровней.
Кабель с нестекающим пропиточным составом — это кабель с бумажной изоляцией пропитанной изоляционным составом, вязкость которого такова, что при рабочих температурах кабеля он не способен к перемещению (стеканию). В качестве нестекающего пропиточного состава используют маслоканифольный состав, марки МП-5, содержащий 3...2% канифоли, 18± 1 % полиэтиленового воска, остальное количество — нефтяное масло и церезин. Бумажная изоляция, пропитанная этим составом, предназначена для прокладки кабелей на вертикальных и наклонных трассах без ограничения разности уровней. Кабели с нестекающим пропиточным составом маркируются индексом Ц, стоящим впереди обозначений марки кабеля, например ЦААШв.
Толщина бумажной изоляции зависит от рабочего напряжения кабеля и сечения жил. Так, толщина изоляции жил и поясной изоляции (в зависимости от их сечения) для кабелей со свинцовой и алюминиевой оболочками напряжением 1 кВ составляет соответственно 0,75...0,95 и 0,5...0,6 мм, для кабелей напряжением 6 кВ — 2 и 0,95 мм, а напряжением 10 кВ — 2,75 и 1,25 мм. В многожильных кабелях для различия фаз верхние ленты изоляции на каждой жиле имеют разный цвет (на одной жиле — красный, на другой — черный, на третьей — цвета изоляционной бумаги) или полоски различного цвета либо цифры на каждой ленте (на одной — 1, на другой — 2, на третьей — 3).
Кабели по ГОСТ 16442-80 с пластмассовой изоляцией имеют изоляцию из пластической массы в виде сплошного слоя, выполненного из поливинилхлоридного пластиката по ГОСТ 5960-72 или из композиции полиэтилена по ГОСТ 16336-77.
На кабели с пластмассовой изоляцией поверх скрученных изолированных жил должна быть наложена поясная изоляция.
Толщина изоляции кабелей зависит от особенности исполнения конструкции, номинального напряжения и сечения жил (повышаясь при их увеличении).
В монтажных условиях контроль толщины изоляции производится:
- при отсутствии или утере сертификата на кабель для установления его номинального напряжения;
- при сомнениях в технических данных, для проверки соответствия условиям проекта номинального напряжения кабеля, доставленного на место работ;
- при определении толщины намотки дополнительной изоляции в местах соединений и оконцеваний кабеля.
Толщины изоляции многожильных кабелей с поясной изоляцией в свинцовых и алюминиевых оболочках одинаковые, за исключением кабелей на напряжение 3 кВ, у которых поясная изоляция кабелей с алюминиевой оболочкой на 0,2 мм больше, чем у кабелей со свинцовой оболочкой. В отечественных кабелях толщина изоляции между фазами приблизительно на 36% больше толщины изоляции между жилами и оболочкой.
Сечения токопроводящих жил кабелей: a — секторная однопроволочная жила; б — круглая многопроволочная неуплотненная жила; в— круглая многопроволочная уплотненная жила; г — сегментная многопроволочная уплотненная жила для двухжильных кабелей; д — секторная многопроволочная уплотненная жила для трехжильных кабелей; в — секторная многопроволочная уплотненная жила для четырехжильных кабелей; ж— секторная многопроволочная уплотненная нулевая жила для четырехжильных кабелей; 3 — многопроволочная жила сложной правильной концентрической скрутки из семи стренг
Поперечное сечение секторной токопроводящей жилы трехжильного кабеля
Бумажная изоляция жил одножильных и трехжильных кабелей с отдельными оболочками
Напряжение кабеля, кВ | Сечение жил, мм2 | Номинальная толщина изоляции жил, мм |
| 10...95 | 1,2 |
| 120, 150 | 1,4 |
1 | 185,240 | 1,6 |
| 300,400 | 1,8 |
| 500, 625 | 2,1 |
| 800 | 2,4 |
| 10...240 | 2 |
3 | 300,400 | 2,2 |
| 500, 625 | 2,4 |
Так, для кабелей на напряжение 6 кВ толщина фазной изоляции составляет 2 мм, а толщина поясной — 0,95 мм, для кабелей на напряжение 10 кВ — соответственно 2,75 и 1,25 мм.
В кабелях на напряжения 1 и 3 кВ толщину изоляции выбирают в основном из условия ее механической прочности (отсутствие повреждений при изгибах). Для кабелей на напряжение 1 кВ толщина фазной и поясной изоляции в зависимости от сечения жилы составляет 0,75...0,95 и 0,5...0,6 мм, а для кабелей на напряжение 3 кВ соответственно 1,35 и 0,7 мм.
Резина применяемая для изоляции, состоит из синтетического или натурального каучука в смеси с рядом компонентов (наполнителей смеси). Сырая резина, наносимая на жилы кабеля, приобретает необходимые качества изоляции после ее нагревания и вулканизации.
Толщина изоляции жил и поясной изоляции кабелей с бумажной изоляцией, пропитанной нестекающим составом
Напряжение кабеля, кВ | Сечение жил, мм2 | Номинальная толщина, мм | |
изоляция жил | поясной изоляции | ||
6 | 25...185 | 2,0 | 0,95 |
10 | 25...185 | 2,75 | 1,25 |
Для кабелей применяют резину типа РТИ-1 (35% содержания каучука). Для кабелей 3 и 6 кВ по скрутке изолированных жил накладывается поясная изоляция из резины типа РШК, толщина которой не нормируется.
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. Если учесть, что электрическая прочность слоистой бумажной изоляции значительно больше в направлении, перпендикулярном слоям, чем в направлении вдоль слоев бумажных лент, то становится очевидным, что наиболее опасным местом в изоляции являются междуфазные заполнения. Толщина фазной и поясной изоляции кабелей на напряжения 6 и 10 кВ выбрана с учетом напряженности электрического поля, возникающей в изоляции в рабочих и в аварийных режимах, например, при замыкании одной фазы кабеля на оболочку. В рабочем режиме как при заземленной, так и при изолированной нейтрали сети напряжение между фазами равно линейному, а напряжение между фазами и оболочкой — фазному, т.е. в V3 раз меньше. Поэтому для рабочих режимов средние напряженности электрического поля в фазной и поясной изоляции будут примерно одинаковыми, если толщина изоляции между жилами будет примерно на 70% больше, чем между жилой и оболочкой. Если кабели работают в сетях с заземленной нейтралью (например, в странах Западной Европы), то в аварийном режиме соотношение напряжений между неповрежденными фазами и с этими фазами и оболочкой не изменится. Действительно, напряжение между фазами равно линейному, а между фазами и оболочкой — фазному (при замыкании фазы на оболочку потенциал последней в сетях с заземленной нейтралью не меняется). Поэтому толщины фазной и поясной изоляции, выбранные из условий работы кабеля в рабочем режиме, обеспечивают надежную его работу и в аварийном режиме.
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 разной 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 выпускают в свинцовой и алюминиевой оболочках. Если ранее основным металлом для кабельных оболочек являлся свинец, то в настоящее время подавляющее большинство кабелей изготовляют в алюминиевой оболочке. Алюминиевые оболочки достаточно герметичны и механически более прочны по сравнению со свинцовыми. Это позволяет в ряде случаев использовать их без дополнительной механической защиты. Алюминий имеет повышенную стойкость к вибрационным нагрузкам. Свинцовые оболочки для увеличения вибростойкости обычно содержат присадки сурьмы (0,3...0,85%) и теллура (0,03...0,05%) или другие присадки того же назначения. 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, поэтому кабели на напряжение 1 кВ сечением 3x240 мм2, 6 кВ сечением 3x150 мм2 и выше, 10 кВ сечением 3x120 мм2 и выше должны быть изготовлены с гофрированной алюминиевой оболочкой.
Применение гофрированной оболочки увеличивает гибкость кабелей, однако при прокладке таких кабелей на наклонных трассах возможны стека- ние 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.
Металлические оболочки, как правило, защищаются от коррозии и механических повреждений защитными покровами.
По сути своей каждая фаза кабеля представляет собой конденсатор и все процессы, происходящие в нем, можно рассматривать как сочетание магнитных и электрических процессов.
Изоляция кабелей должна обладать высокой электрической прочностью, что позволяет уменьшить диаметр кабеля и его стоимость. В силовых кабелях наибольшее распространение получила бумажно-масляная изоляция различных типов, которые отличаются друг от друга количеством пропиточного масла, приходящегося на единицу объема изоляции, и вязкостью масла. Для пропитки бумаги в силовых кабелях применяют минеральное масло с различными добавками, из которых основное значение имеет канифоль. Добавки к маслу, во-первых, предотвращают его окисление, в результате которого масло стареет и его изоляционные свойства ухудшаются, во-вторых, при наличии добавок увеличивается вязкость масла.
Кабели с вязкой пропиткой имеют значительные преимущества при монтаже и эксплуатации. При соединении отдельных отрезков кабеля с помощью соединительных муфт пропиточная масса не вытекает из концов кабеля, благодаря чему с помощью простых мероприятий удается предотвратить образование воздушных включений в кабельной изоляции. Основным недостатком кабелей с вязкой пропиткой является возможность появления газовых включений в эксплуатации, если кабель работает в режиме переменной электрической нагрузки, приводящей к перемежающимся нагревам и охлаждениям кабеля. Так как температурный коэффициент расширения изоляции кабеля значительно больше, чем у оболочки (у силовых кабелей она изготавливается обычно из свинца), то при нагреве кабеля в режиме максимальной нагрузки оболочка принудительно «распирается» изоляцией.
При уменьшении нагрузки и остывании кабеля оболочка сохраняет остаточную деформацию, в результате чего внутри кабеля образуется ряд пустот, постепенно заполняющихся выделяющимся из изоляции газом. Газовые включения образуются вблизи оболочки, однако за счет диффузии газа сквозь изоляцию появляются газовые включения и вблизи жилы кабеля, т.е. в области наибольшей напряженности электрического поля (рис. 2). Они впоследствии приводят к преждевременному пробою изоляции. Поэтому кабели с вязкой пропиткой, хотя и являются основным типом кабелей для переменных напряжений до 35 кВ, оказываются малопригодными для высоких напряжений.
Рис. 2
В кабелях 6-35 кВ в настоящее время основное распространение получила изоляция из кабельной бумаги, пропитанной жидким маслом, находящимся под давлением в несколько атмосфер за счет плотной намотки в горячем состоянии слоев бумаги и, находящегося между ними масла. Здесь нет места для воз душных включений, так как они немедленно заполняются маслом, способным перемещаться вдоль кабеля.
Как видно из рис., для уменьшения наружного диаметра кабеля жилам придается не круглая, а секторная форма, обеспечивающая более полное использование объема под свинцовой оболочкой. Изоляция кабеля состоит из двух частей — фазной и поясной. Таким образом, между жилами кабеля находится двойная фазная изоляция, а между каждой жилой и оболочкой — фазная плюс поясная. Зазоры между отдельными изолированными жилами заполняются низкокачественным наполнителем (джут пли бумажные жгуты). Поверх свинцовой оболочки для повышения механической прочности кабеля накладывается броня из стальных лент или проволок. Эта броня защищается от коррозии слоем из волокнистых материалов, пропитанных битумом и антисептиком, или шлангом, выпрессованный из пластмассы.
Кабельная изоляция изготовляется из бумажных лент шириной 10...30 мм и толщиной 80, 120, 170 мк, наматываемых спирально слой за слой.
В каждом слое между краями, двух смежных лент сохраняются зазоры в 1,5...3,5 мм, благодаря которым при изгибании кабеля бумажные ленты не повреждают друг друга. Масляные каналы в зазоре между лентами являются слабым местом в изоляции, поэтому при намотке бумаги необходимо по возможности предотвращать совпадения зазоров в двух соседних слоях бумаги.
Во время намотки изоляции бумага содержит до 10% адсорбированной поверхностями волокон влаги и воздух, для удаления которых применяется сушка под вакуумом при температуре 120...135 °С. После сушки, в тех же герметически закрытых баках производится пропитка изоляции под вакуумом составом из минерального масла и канифоли.
Масло и бумага в кабельной изоляции весьма удачно дополняют друг друга. Поэтому пробивные напряженности кабельной изоляции значительно выше пробивных напряжённостей бумаги и масла, взятых по отдельности.
Из этого следует, что кабельная изоляция имеет весьма, высокую кратковременную электрическую прочность порядка 50...60 кВ/мм при переменном напряжении, значительно превышающую прочность бумаги и масла, взятых в отдельности. При постоянном токе эта разность более значительна. К сожалению, электрическая прочность изоляции с вязкой пропиткой очень сильно снижается при увеличении времени воздействия напряжения.
Снижение пробивного напряжения кабелей с вязкой пропиткой или, иными словами, уменьшение срока жизни кабеля при увеличении рабочего напряжения связано, в первую очередь с ионизацией воздушных включений, образующихся при переменном тепловом режиме работы кабеля.
Пузырек газа, расположенный вблизи жилы кабеля, попадает в область наибольшей напряженности поля. Поэтому ионизация газа может начаться даже при рабочем напряжении. Края газового пузырька начинают бомбардироваться ионами. Он раздробляется, превращаясь в газомасляную эмульсию, которая постепенно вытесняет масло из пор ближайшей бумажной ленты и проникает в следующий масляный канал между бумажными лентами Так как ионизация сопровождается прохождением определенного тока, одно или несколько отверстий в первой ленте бумаги обугливается, превращаясь в хорошо проводящий канал. Во втором масляном слое процесс развивается аналогично. В результате чего оказывается проколотой следующая лента бумаги.
После того как в нескольких слоях бумаги, примыкающих к жиле, образуются проводящие каналы, электрическое поле в окрестности газового включения искажается так, как показано на рис. Появляется тангенциальная составляющая напряженности электрического поля, и разряд получает возможность развиваться вдоль слоев бумаги. На этом пути прочность кабельной изоляции значительно ниже примерно в 2,4...5,7 раза. Поэтому разряд начинает скользить вдоль слоев бумаги, несмотря на то, что этот путь значительно длиннее в направлении оболочки или соседней жилы. Дойдя до соседнего зазора между лентами бумаги, разряд переходит в следующий слой, после чего он может прорастать как вправо так и влево. Образуется характерный для кабелей с вязкой пропиткой ветвистый разряд, который иногда доходит до оболочки кабеля на расстоянии 1 м и более от места своего зарождения. По мере движения ветвистого разряда, вдоль канала распространяется газомасляная эмульсия, в которой непрерывно происходят ионизационные процессы, сопровождающиеся химическим разложением бумаги и масла
Пробой изоляции кабелей может иметь не только ионизационный, но и тепловой характер. Но в кабелях с вязкой пропиткой тепловой процесс маловероятен, по сравнению с тем как он мог бы произойти при напряжённостях поля, значительно превышающих те, при которых начинают развиваться ионизационные процессы. Однако температурный режим работы кабелей имеет важное значение.
Трехжильные кабели имеют неблагоприятную конструкцию с точки зрения отвода тепла, который затруднен из центральной части кабеля, удаленной от оболочки см. рис. . Кроме того, электрическое поле трехжильных кабелей не является строго радиальным. Имеется составляющая напряженности поля, направленная вдоль слоев бумаги, что существенно уменьшает электрическую прочность кабеля. Поэтому трехжильные кабели с поясной изоляцией применяются только для напряжений 10 кВ и ниже.
При больших напряжениях (20 и 35 кВ) применяются в большинстве случаев кабели с отдельно «освинцованными» жилами или кабели с экранированными жилами. В обоих типах кабеля жилы покрыты слоем металлизированной бумаги, благодаря чему устраняются местные усиления напряженности электрического поля на поверхности жилы, скрученной из отдельных проволок. Электрическое поле в кабелях обоих типов является строго радиальным, что позволяет использовать примерно в 2 раза большие рабочие напряженности поля по сравнении с трехжильными кабелями не имеющими такой защиты. При постоянном напряжении кабели с вязкой пропиткой имеют значительно более благоприятные характеристики, так как отсутствует возможность образования ветвистых разрядов.
Помимо нормальных кабелей с вязкой пропиткой промышленность выпускает также кабели с обедненно-пропитанной изоляцией. Изоляция таких кабелей сушится и пропитывается обычным образом, а затем подвергается дополнительному нагреву, во время которого удаляется более 70% пропитывающей массы с поверхности бумажных лент и около 30% из лент бумаги. Оставшаяся масса удерживается в бумаге капиллярными силами и не стекает даже при вертикальной прокладке. В этом и заключается единственное преимущество кабелей с обедненно-пропитанной изоляцией.- Электрические характеристики этой изоляции существенно хуже, чем у нормальной изоляции с вязкой пропиткой, так как условия для образования газовых включений оказываются здесь весьма благоприятными. Поэтому в кабелях с обедненно-пропитанной изоляцией на напряжение 6-10 кВ применяется увеличенная примерно на 40% толщина изоляции. Для напряжений 35 кВ и выше обедненно-пропитанная изоляция используется в более сложных по устройству газонаполненных кабелях, которые мы рассматривать не будем.
Для устранения воздушных промежутков и придания кабелю круглой формы между изоляцией жил и поясной изоляцией в кабелях с бумажной и пластмассовой изоляцией имеются заполнители.
Для многожильных кабелей с поясной бумажной изоляцией в качестве заполнителей промежутков между изолированными жилами применяются жгуты из сульфатной бумаги. Для заполнения промежутков между жилами в отдельных оболочках в качестве заполнителей применяют жгуты из пропитанной кабельной пряжи или штапелированной стеклопряжи.
Для кабелей с пластмассовой изоляцией заполнение должно быть:
- при изоляции из полиэтилена, самозатухающего, вулканизирующего полиэтилена — из материала изоляции или из поливинилхлоридного пластиката;
- при изоляции из поливинилхлоридного пластиката — из поливинилхлоридного пластиката;
- для кабелей на напряжение до 3 кВ — из непропитанной кабельной пряжи или из стеклянной штапелированной пряжи.
Допускается изготавливать кабели с пластмассовой изоляцией на напряжение до 1кВ без заполнителей.
