Из многочисленных видов изоляции, употребляемых кабельной техникой, для изоляции силовых кабелей может быть применен один из трех видов: вулканизированная резина, кембриковая лента и пропитанная бумажная изоляция. Кроме этих видов изоляции исторически одним из первых возник тип изоляции из пропитанного джута. Пропитанный джут теперь совершенно оставлен, так как он и хуже и дороже изоляции из пропитанной бумаги, хотя для телеграфных кабелей он был устранен у нас только в конце 20-х годов. Насколько диэлектрически слаба изоляция из пропитанного джута, показывает тот факт, что диэлектрическая прочность кабеля с джутовой изоляцией ниже, чем диэлектрическая прочность таких кабелей, у которых вместо джута была бы изоляция из воздуха равной толщины.
Остальные три типа изоляции употребляются и в настоящее время, поэтому необходимо дать себе представление о свойствах этих типов изоляции и об областях их применения. Здесь прежде всего нужно указать, что нельзя провести вполне резко очерченную границу между областями применения этих трех видов изоляции; причем они часто применяются все три в одной и той же области. Достаточно сказать, что кабель с кембриковой изоляцией почти неизвестен у нас, а также и в Европе, и вместе с тем имеет очень широкое распространение в Америке.
Резиновая изоляция имеет перед остальными видами изоляции два основных преимущества, обусловливающих ее распространение: 1) гибкость, что делает ее незаменимым типом изоляции для всякого рода гибких и переносных проводов и кабелей, и 2) негигроскопичность и даже почти полная водонепроницаемость, что позволяет ее употреблять большей частью без таких дорого стоящих защитных оболочек, как свинцовая. Кроме того, резиновая изоляция обладает превосходными диэлектрическими качествами, она также довольно хорошо сопротивляется воздействиям многих обычных в эксплуатации химических реагентов. В противоположность этим достоинствам резиновая изоляция обладает целым рядом крупных недостатков, сильно ограничивающих область ее применения. Эти недостатки сводятся к следующим: 1) необходимость в очень тщательном изготовлении: 2) чувствительность к термическим изменениям, в особенности к нагреву, вследствие чего она допускает наименьшую из всех кабельных диэлектриков рабочую температуру — порядка 50—60°С; 3) чувствительность к короне, иначе — плохую озоностойкость; 4) относительно малая долговечность; 5) чувствительность к свету и воздуху (кислороду), маслу, бензину, нефти и т. п.; 6) сравнительная дороговизна.
Хорошие диэлектрические свойства резины достигаются только при очень тщательном ведении технологического процесса изготовления резины и наложения ее на проводящую жилу. Необходима исключительная чистота как самого каучука, который для получения вполне безукоризненного качества должен быть тщательно промыт, так и всех ингредиентов, входящих в состав резиновой смеси. Попадающие в неготовую резиновую смеску песчинки или всякого рода загрязнения тотчас же сказываются на качество изоляции, почему очень часто резиновые кабели обладают невысоким запасом диэлектрической прочности, несмотря на то, что удельная диэлектрическая прочность самого по себе материала очень высока. К этому прибавляются неизбежные погрешности технологического процесса наложения резиновой изоляции, а также повреждения ее во время транспорта внутри завода. Все это вместе взятое обычно вызывает очень большое количество пробоев при испытаниях кабелей с резиновой изоляцией.
Вулканизированная резина чувствительнее других видов изоляции относится к нагреву. В резине всегда остается некоторый процент несвязанной серы, поэтому процесс вулканизации, хотя и очень медленно, происходит в ней все время ее службы, причем высокая температура ускоряет этот процесс и тем вызывает ускоренное постарение резины. Насколько этот процесс идет быстро, показывает метод испытания резины на ускоренную жизнь путем выдерживания образца резины в токе горячего воздуха в течение 96 час. при 70° (так называемое испытание по Гиру), причем резина, прошедшая это испытание, считается (хотя и условно) постаревшей настолько, насколько она постарела бы в естественных условиях через два года. Вредным обстоятельством при нагреве резиновой изоляции является окисление каучука под влиянием кислорода воздуха. Все это делает резиновую изоляцию относительно недолговечной. За границей кабельные фирмы обычно дают гарантию на провода с резиновой изоляцией только на два года; только при очень хорошей защите от внешних воздействий в виде свинцовой оболочки можно рассчитывать на 10-летнюю службу проводов с резиновой изоляцией. Низкая допустимая рабочая температура при этом виде изоляции обусловливает очень плохое использование меди в установочных проводах.
Очень крупным недостатком резиновой изоляции является ее чувствительность к озону, получающемуся в результате возникновения короны. Не нужно думать, что этот недостаток обнаруживается только при очень высоких напряжениях: американцы считают, что пределом применения кабеля с обычной резиновой изоляцией, в который не приняты меры к увеличению озоностойкости, следует считать 5 кВ. В нашей практике были случаи гибели освинцованных 6-кВ кабелей с резиновой изоляцией в результате влияния короны. Здесь особенно ярок пример двукратной гибели такого кабеля на заводе ЗИС. Этот кабель первый раз был изготовлен с толщиной изоляции по нормам Союза германских электротехников, а второй раз — с толщиной изоляции по американским нормам, т. е. с вдвое большей, и оба раза кабель прослужил только немного месяцев. Поэтому для избежания влияния короны применяются или специальные рецепты резины, что обычно очень невыгодно, так как с этим связана потеря эластичности и упругих свойств резиновой изоляции, или же защищают резину оплеткой, покрытой лаками из производных целлюлозы или масляными лаками.
На резиновую изоляцию влияет целый ряд факторов. Она очень чувствительна к свету, в особенности к солнечным и к ультрафиолетовым лучам. На солнце резиновая изоляция погибает в течение нескольких недель, что же касается до ультрафиолетовых лучей, то существует способ испытания на ускоренную жизнь резиновой изоляции посредством помещения ее на полчаса в свет кварцевой лампы, что примерно равносильно 96-часовому испытанию по методу Гира. На резину действует масло, бензин, нефть, в которых резина в большей или меньшей степени набухает и теряет свою эластичность.
Резина господствует в применении к разного рода переносным проводам низкого напряжения, причем здесь она часто с успехом применяется для кабелей на 6 кВ и выше. Следует, однако, предупредить от ее применения в освинцованных кабелях даже на 6 кВ. Вместе с тем известны случаи успешного применения морских неосвинцованных кабелей с резиновой изоляцией до 15 кВ и даже 26 кВ, но в этом случае от влияния короны защищает вода.
Диэлектрические потери в резиновой изоляции выше, чем в пропитанной бумажной изоляции, но ниже, чем в кембриковой. Так как резиновая изоляция употребляется только для сравнительно низких напряжений, то величина потерь в диэлектрике для нее практически никакой роли не играет.
Для подземной прокладки кабели с резиновой изоляцией применяются очень редко. В нормах Союза германских электротехников такие кабели еще уцелели, так как они применяются в горных работах и в судовых установках, там где нет достаточного пространства для установки концевых муфт.
Кембриковая изоляция сравнительно моложе двух других видов изоляции, впервые она была введена в 1902 г. американской фирмой GEC и с тех пор стала очень популярной в Америке. Применяемый для этой изоляции кембрик (лакоткань) делается из специальной хлопчатобумажной ткани, которая предварительно промывается с целью удаления загрязнений, мягчителей и крахмала, употребляемых для укрепления пряжи и ее отделки; затем ткань обрабатывается опалкой, чтобы удалить все ворсинки, после чего на нее накладываются три или четыре слоя изоляционного лака, причем каждый слой предварительно запекается перед наложением последующего. Такой материал режется в виде лент и накладывается на проводящую жилу путем обмотки, причем промежутки между лентами с целью устранения воздушных включений заполняются изоляционным маслом. Смотря по назначению, такие кабели или получают сверху обычную оплетку, как у проводов с резиновой изоляцией, или же покрываются свинцовой оболочкой. Кембриковая изоляция по своим свойствам большей частью занимает середину между резиновой и пропитанной бумажной изоляцией. К ее достоинствам следует отнести: 1) озоностойкость; 2) более повышенную по сравнению с вулканизированной резиной теплостойкость, а следовательно, и более высокую допустимую рабочую температуру;
- более высокое рабочее напряжение кабеля, чем у резиновой изоляции;
- отсутствие вредного влияния масла, нефти и бензина. К ее недостаткам нужно отнести: 1) сильно повышенные диэлектрические потери по сравнению с другими видами изоляции; 2) сравнительную дороговизну, а именно в наших условиях кембриковая изоляция примерно в шесть раз дороже резиновой, хотя американцы считают ее стоящей не дороже резиновой.
Как уже сказано, озон на кембрик не действует, поэтому кембриковые кабели употребляются и для более высоких напряжений, чем резиновые, а именно до 22 кВ включительно, а иногда и выше. При более высоких напряжениях кембрик не годится, так как его высокие диэлектрические потери отражаются на допустимой нагрузке кабелей, построенных на напряжение выше 10 кВ. Рабочая температура кембриковых кабелей допускается нормами Американского института инженеров-электриков в 75° С, что делает эти кабели выгоднее в смысле допустимой нагрузки, чем резиновые. Повышенная рабочая температура делает эти кабели более удобными для теплых мест, где резина уже не годится. Кембрик не настолько влагоустойчив, как резина, но много устойчивее бумажной пропитанной изоляции. Кембрик менее горюч, чем резина. Он допускает изгибы кабеля на более крутой радиус, чем кабели с бумажной изоляцией. Кембрик не чувствителен к свету, не подвергается скоро окислению, поэтому он долговечнее резины.
Третий вид изоляции — пропитанная бумажная изоляция — почти исключительно господствует в области силовых кабелей для всех рабочих напряжений. Такое распространение этого вида изоляции обязано двум основным его преимуществам: крайней дешевизне и превосходным качествам пропитанной бумаги как диэлектрика.
Бумажная пропитанная изоляция обладает наименьшими из всех видов кабельной изоляции потерями в диэлектрике, что делает ее единственно возможной для применения при наивысших напряжениях. Ее диэлектрическая прочность выше, чем у остальных видов кабельной изоляции, и выражается цифрой в 40—80 кВ для листов пропитанной бумаги. В то время как даже хорошо очищенные масла, а также газы, резко снижают свою диэлектрическую прочность, если сильно увеличивается площадь электродов, как это имеет место в кабелях, при бумаге это увеличение отражается очень слабо. Согласно объяснениям W. Vogel’H [136] это происходит потому, что при больших площадях электродов и при однородном технически диэлектрике всегда в каком-либо месте происходят скопления ионов, проводящих частиц и т. п., в слоистой же кабельной бумажной изоляции такие скопления не могут иметь места, так как они подразделяются слоями бумаги. Поэтому Vogel считает разделение изоляции на слои, т. е. слоистость изоляции, основным принципом конструирования высоковольтного кабеля.
Бумажная изоляция обладает очень высоким сроком службы. В тех случаях, когда после 30-ти летней эксплуатации высоковольтных кабелей, как это, например, было с берлинскими 30-кВ кабелями, их вынимают из земли и подвергают подробному исследованию, то обнаруживается, что их изоляция осталась совершенно свежей и нисколько не изменила своих свойств. Из всех видов кабельной изоляции пропитанная бумага допускает наивысшую рабочую температуру, что позволяет лучше всего использовать при ее применении металл проводящей жилы. Она, однако, наиболее гигроскопична из всех других видов изоляции, поэтому требует обязательной защиты свинцовой оболочкой. Другим ее недостатком является сравнительно малая механическая прочность, хотя этот недостаток не имеет решающего значения. В настоящее время изоляция из кабельной бумаги применяется для подземных кабелей с рабочим напряжением от 110 до 220 000 V.
