Силовые кабели - Выбор проводникового металла

III. КОНСТРУКЦИИ СИЛОВЫХ КАБЕЛЕЙ
Выбор проводникового металла, материала изоляции и защитных оболочек кабеля зависит от целого ряда условий, обусловливаемых многообразием целей, для которых силовые кабели применяются. Поэтому прежде чем перейти к рассмотрению конструктивных особенностей отдельных типов кабелей и областей и целей их применения мы остановимся на выборе основных трех элементов конструкции кабеля: проводникового металла, материала изоляции и защитных оболочек кабеля.

§ 14. Выбор проводникового металла

Господствующим металлом для проводящих жил кабеля является медь. Ее высокая электропроводность, которая лишь немного уступает проводимости одного только серебра, относительно хорошие механические свойства, относительная химическая стойкость и, наконец, относительная дешевизна — обусловливают ее всеобщее распространение в качестве проводникового металла.
Таблица 10
Удельное омическое сопротивление главнейших металлов

В табл. 10 приведены величины удельного сопротивления важнейших металлов; эта таблица ясно показывает превосходство меди как проводникового металла над другими металлами. Наиболее серьезным конкурентом меди является алюминий, некоторое значение могут иметь цинк и железо, которые в Германии во время империалистической войны употреблялись взамен меди. Что касается алюминия, то он имеет очень широкое распространение в качестве материала для голых проводов, идущих на воздушные линии; попытки же его применения в силовых кабелях за границей относятся к очень давним временам: так, на всемирной выставке в Брюсселе в 1908 г. был выставлен такой кабель. Имелось также несколько опытных установок во Франции и Германии. У нас силовые кабели с алюминиевыми жилами выпускались в широком масштабе в 1931—1933 гг., когда они почти вытеснили кабели с медными жилами, поэтому можно считать, что мы имеем наибольший мировой опыт применения таких кабелей. В течение всего этого периода алюминий был для нас импортным
металлом и лишь с конца 1934 г. начался притоки нашего отечествен нога алюминия. Поэтому алюминий для нас имел прежде всего экономическое значение, поскольку, как будет видно из дальнейшего, алюминий в техническом отношении значительно уступает меди. В последнее время в Германии в связи с изменившимися там экономическими условиями началась усиленная пропаганда алюминия как для голых проводов, так и для изолированных силовых кабелей, ибо в Германии считают, что для них алюминий является на 93% отечественным металлом.
Учет стоимости изготовления кабеля почти ничего в расчете не меняет, так как стоимость изготовления кабеля с алюминиевыми жилами также примерно на 30% выше, чем кабеля с медными жилами.
Приведенное выше рассуждение относилось к кабелю на среднее калькуляционное сечение и напряжение, если же мы возьмем кабели других сечений, то доля стоимости проводникового металла в них уже будет другая. Так. например, доля стоимости меди составляет для З-кВ кабелей при сечении 3 х 10 мм2— 27%, а при сечении 3 X 185 мм2— 67% от стоимости всего кабеля. Поэтому, чем выше сечение кабеля, тем выгоднее заменять медь алюминием. Это обстоятельство было учтено в соответствующих постановлениях об изготовлении кабелей с алюминиевыми жилами. Нужно, однако, иметь в виду, что, чем выше сечение жил кабеля, тем резче выступают и технические недостатки алюминия. Что касается до рабочего напряжения кабеля, то применение алюминиевых жил тем выгоднее, чем ниже напряжение. Этому соображению противоречит более плохое поведение алюминиевых кабелей при повышении рабочей температуры, что имеет место у низковольтных кабелей.
Равенства (225), (226) и (227) показывают, что алюминий выгоден для применения в голых проводах, если его стоимость за тонну ниже двойной стоимости меди, а для применения в силовых кабелях (в среднем) в том случае, если его стоимость ниже увеличенной в 1,65 раза стоимости меди, причем в этом случае омические потери в алюминиевых кабелях будут больше, чем в медных. Последнее соотношение цен обоих металлов бывает очень редко; во время кризиса в Европе соотношение цен поднялось до А1 = 3 Си, что делало алюминий невыгодным не только для изолированных, но даже и для голых проводов.
Технических преимуществ перед медью алюминий почти никаких не имеет. Он обладает сравнительно большой теплоемкостью, которая равна 0,214 cal/кг°C против 0,095 cal/кг°C для меди; это обусловливает его легкую прогораемость при коротких замыканиях в кабельных сетях. Свойство кабелей быстро выгорать в случае коротких замыканий в настоящее время ценится в низковольтных сложных распределительных сетях, поскольку здесь имеется стремление устраивать замкнутые сети, не защищаемые от коротких замыканий предохранительными устройствами. Кроме того, благодаря более высокой теплоемкости можно брать сравнительно с медью пониженные сечения, если кабель выбирается по току короткого замыкания.
Другим относительным преимуществом алюминия является его малый удельный вес, равный 2,71 против 8,89 для меди. Особо важное значение это преимущество имеет для проводов, идущих на оборудование аэропланов и судов, где очень важно уменьшение веса провода. Для голых проводов уменьшение веса провода ведет за собой уменьшение веса мачт. Однако это преимущество в значительной степени компенсируется необходимостью устройства значительно большего вылета траверс у мачт, так как вследствие легкости металла сильно увеличивается раскачивание проводов от ветра. Кроме того, благодаря необходимости увеличения стрел провеса алюминиевых проводов увеличивается и высота мачт. Это необходимо еще потому, что остаточное удлинение после подвески у алюминия выше, чем у меди. Для силовых кабелей низкий удельный вес алюминия с избытком компенсируется увеличением веса изолирующих и защитных материалов по сравнению с эквивалентными медными кабелями.
Третье преимущество алюминия заключается в том, что при применении его в проводах с резиновой изоляцией устраняется необходимость лужения, так как алюминий не влияет на резину, а содержащаяся в резине сера не вступает с ним в реакцию в условиях вулканизации провода.
Недостатки алюминия как проводникового металла заключаются в следующем. Его удельное сопротивление выше, чем у меди, в 1,62—1,65 раза, а именно как для твердо тянутого, так и для мягко отожженного алюминия при 20° С у нас удельное сопротивление гарантируется не свыше 29,512 на 1 km длины и 1 мм2 сечения, а для твердотянутой меди — соответственно 17,90 и для мягко отожженной меди —17,53. Так как для целей передачи энергии важна по существу только проводимость провода, то повышенное по сравнению с медью удельное сопротивление алюминия влечет за собой целый ряд нежелательных обстоятельств, как-то: 1) увеличение диаметра провода или кабеля; 2) уменьшение на 30—605/0 выпуска (в метрах) всех производственных агрегатов, начиная с прокатного стана, волочильных машин, пожигальных печей и кончая крутильными машинами, сушильно-пропиточными устройствами, свинцовыми прессами и испытательной станцией; 3) уменьшение строительной длины кабеля, что влечет за собой 4) увеличение числа соединительных муфт и 5) увеличение расхода дерева на упаковку, 6) удорожание транспорта, монтажа, прокладки и т. п. В тех случаях, когда эквивалент сечения принимается вместо 1,62 равным 1,5, эти недостатки соответственно ослабляются, но зато прибавляется увеличение потери энергии в сети по сравнению с медными кабелями, что в конечном счете приносит, как показывают элементарные подсчеты, не экономию, а увеличение расходов. Кроме того, увеличение расхода изолирующих и защитных материалов для кабелей с алюминиевыми жилами на 30—60%, хотя и может быть в исключительных случаях выгодным, требует, однако, или увеличения производственных площадей или уменьшения производственной мощности.
Другим существенным недостатком алюминия является его подверженность коррозии. Алюминий является наиболее электроположительным металлом в вольтовом ряду; практически это значит, что при возникновении пары в соприкосновении с другим металлом алюминий всегда будет страдающим элементом. Алюминий очень чувствителен к щелочам, на него действует также соляная кислота. В применении к изолированным кабелям не отмечалось случаев резкой коррозии, что же касается до воздушных линий, то здесь были отмечены случаи гибели воздушных алюминиевых проводов только потому, что при монтаже провода протаскивались по земле, благодаря чему на них оставались следы извести, что и служило причиной разъедания металла. В особенности сильно подвержены коррозии места паек.
Механические свойства алюминия значительно хуже, чем у меди. Так, временное сопротивление на разрыв твердотянутого алюминия выражается величиной от 15 до 19 кг/мм в зависимости от диаметра проволоки и степени нагартовки. У медной проволоки соответствующие величины выражаются цифрами 38—45 кг/мм. Разрывные усилия для мягко отожженного металла: 7—10 kg/мм2 для алюминия и 18—22 кг/мм2 для меди. По сравнению с медью алюминий много хуже сопротивляется изгибу. Незначительность величины временного сопротивления на разрыв алюминиевой проволоки обычно требует для случая голых воздушных проводов усиления их с помощью стального сердечника.
Алюминий очень легко окисляется, что влечет за собой целый ряд затруднений в применении к проводам и кабелям, так как окислы алюминия обладают очень высокой изолирующей способностью. Благодаря окислению места соединения алюминиевые провода очень трудно спаиваются, а места спайки обычно обладают сильно повышенным омическим сопротивлением. До сих пор не существует вполне надежных припоев; значительно лучше ведет себя сварка, но, к сожалению, в условиях монтажа она обычно не применима и удобна только на кабельных заводах, которые преимущественно и применяют этот вид соединения. Лучшим способом соединения при монтаже считали обжим места соединения алюминиевой гильзой при помощи очень высокого давления, достигающего нескольких сот атмосфер. При таких давлениях алюминий течет, и место соединения образует одно сплошное тело. Однако и в этом случае окислы значительно повышают омическое сопротивление места соединения. Измерения, сделанное в Мосэнерго на метровых кусках алюминиевых жил силовых кабелей, показали, что по сравнению с чистой жилой жила со спайкой или обжимом увеличивает свое сопротивление от 2 до 303 раз.
В результате в муфте на месте соединения при прохождении электрического тока получается местный нагрев, а так как алюминий к тому же имеет тот недостаток, что у него коэффициент термического расширения велик и достигает величины 0,0000240/о на 1° С против 0,000017% для меди, т. е. в 1,5 раза больше, то в муфтах в местах развилин проволоки проводящей жилы растягивают и даже разрывают изоляцию, в результате чего возникают пробои. Статистика повреждений в сетях Мосэнерго показывает, что на муфты кабелей с алюминиевыми жилами падает до 80 пробоев на каждые 1000 муфт, а на муфты кабелей с медными жилами—7—8 пробоев на 1000 муфт, т. е. в 10 раз меньше. В силу катастрофического положения с пробоями муфт Мосэнерго стал грузить свои алюминиевые кабели только на 60% от допустимых согласно ОСТ 6260 нагрузок, что, конечно, резко снизило использование металла. Введение опрессования мест соединения алюминиевой гильзой под высоким давлением с подсыпкой алюминиевых опилок дало не лучшие результаты, если не худшие. В последнее время Мосэнерго остановился на припое из 85% цинка и 15% алюминия, который дал в общем удовлетворительные результаты, хотя долговременной практикой эксплуатации он еще не проверен. Согласно исследованиям ВЭИ наилучшим из исследованных им припоев для алюминия оказался сплав из 55% олова, 43,5% цинка и 1,5% серебра. Применение этого сплава рекомендуется также и Электропромом.
Аналогичные явления были замечены и с алюминиевыми проводами, имеющими резиновую изоляцию, в которых очень сильно нагреваются контакты и места соединения. Здесь к тому же прибавляются большие трудности при пайке тонких проволок.
Дальнейшим недостатком алюминия является необходимость волочения алюминиевой проволоки в нефти, а не мыльной эмульсии, как в случае медной проволоки. Это обстоятельство вызывает у обслуживающего персонала накожные заболевания.
При использовании в качестве проводникового металла алюминия важным вопросом является вопрос о выборе эквивалента между сечениями меди и алюминия. Обычно, как было указано выше, этот эквивалент рассчитывается из соотношения удельных омических сопротивлений алюминия и меди, которое принимают равным от 1,62 до 1,65. Принятие этого эквивалента обусловливает равенство падения напряжения и потерь энергии как в медных, так и в эквивалентных им алюминиевых кабелях. У нас эквивалент 1,62 сохранился только для голых воздушных проводов, которые большей частью рассчитываются на предельное падение напряжения, а для изолированных силовых кабелей эквивалент принят равным 1,5, исходя из условий равной температуры при нагреве током одной и той же силы.
Нужно сказать, что этот эквивалент зависит от почвы, в которой прокладывается кабель, причем для сухих и песчаных почв он приближается к 1,65, а для влажных почв может быть значительно меньшим. Несмотря на то, что экспериментальная проверка, как будто, подтверждает правильность выбора эквивалента 1,5, однако может быть поставлен вопрос, допустима ли в кабелях с алюминиевыми жилами столь же высокая температура, как в кабелях с медными жилами, в особенности если принять во внимание увеличение числа пробоев в муфтах алюминиевых кабелей, о чем говорилось выше.
Применение в качестве проводникового металла цинка имеет лишь теоретическое значение, так как цинк для нас в значительной степени также является импортным материалом, причем экономика цинка в приложении к проводниковым металлам очень невыгодна, а технические его недостатки очень велики. Он обладает удельным омическим сопротивлением в 3,5 раза выше, чем медь. При удельном весе цинка 1,86 одинаковая выгодность применения меди и цинка для голых проводов определяется следующим равенством:
(228)
Иначе говоря, цинк должен стоить более чем в 3 раза дешевле меди, чтобы его было бы выгодно применять для голых проводов, а для изолированных он должен стоить еще дешевле. В настоящее время цинк дешевле меди только в 1,7 раза. Во время мировой войны в Германии кабели с цинковыми жилами делались, но физические и механические свойства цинка как проводникового металла оказались настолько невысокими, что в 1918 г. Союз германских электротехников запретил его применение для проводов и кабелей. В особенности велика оказалась ломкость проволоки, большое значение имела также низкая температура плавления цинка—420° С. При монтаже нужно было применять много предосторожностей; например нужно было избегать чрезмерного нагревания заливочной массы для муфт, нельзя было пользоваться паяльной лампой для нагрева жилы, нельзя было применять паяных соединений и т. п. Однако вредного влияния высокой температуры при коротких замыканиях установлено не было, возможные разрушения жилы оказались не выше, чем у медных кабелей. Кроме того, цинк вгорячую не катается, поэтому для получения так называемой катанки он должен быть прокатан или протянут вхолодную или выдавлен на прессу.
Условие одинаковой выгодности применения железа и меди для голых проводов определяется следующим выражением:
(229)
Здесь удельное омическое сопротивление железа принято равным 143 й на 1 km на 1 мм* при 20° С. Даваемое уравнением (229) соотношение цен далеко не решает вопроса, та:< как здесь не учитывается значительного вздорожания мачт при применении железных проводов вследствие большего увеличения диаметра провода и его веса по сравнению с медными проводами. Кроме того, железные провода в зависимости от химического состава и обработки имеют очень сильно колеблющееся удельное сопротивление, а именно от 118 до 204 на 1 km и_на 1 мм2. Стоимость проволоки из обычного торгового железа около 150 руб. за тонну, а специальной проволоки с усиленной проводимостью—около 190 руб. за тонну, причем удельное сопротивление этой проволоки около 120—130 2 на 1 km и 1 мм2. Чтобы удержать электрические свойства железной проволоки на этом максимуме проводимости согласно исследованиям ВЭИ, необходимо, чтобы железо имело временное сопротивление на разрыв 70—75 кг/мм2, содержание углерода 0,10—0,15%, а вредных примесей не более: кремния 0,20%, марганца 0,50%, серы 0,05% и фосфора 0,05%. Слишком малая удельная проводимость железа по сравнению с медью делает изолированные провода и кабели с железными жилами применимыми только для сечений, эквивалентных небольшим сечениям по меди, причем очень возможно, что такое применение может оказаться экономически выгодным, однако в этом случае необходимо считаться с очень большим увеличением габаритов со всеми вытекающими отсюда последствиями: увеличение диаметра кабеля и его веса, уменьшение строительной длины и т. п. Неотъемлемой областью применения железных проводов являются воздушные линии сельских областей и вообще те случаи применения, где по воздушным линиям нужно передать незначительное количество энергии. В таких случаях провода рассчитываются, главным образом, на механическую прочность, поэтому в случае применения меди обычно имеется избыток проводимости, что делает выгодным применение железных проводов.