Сооружение и эксплуатация кабельных линий - Кабели, их конструкции

Глава вторая
КАБЕЛИ, ИХ КОНСТРУКЦИИ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

2-1. Общая часть

Кабель представляет собой одну или несколько изолированных и скрученных между собой жил, заключенных в герметическую оболочку, поверх которой могут быть наложены защитные покровы для различных условий прокладки.
Кабели предназначены для передачи и распределения электрической энергии в отличие от контрольных кабелей, применяемых лишь для целей управления, сигнализации и автоматизации.
Кабели 1—35 кВ являются одним из важнейших видов сортамента кабельных изделий, выпускаемых кабельными заводами и применяемых во всех областях народного хозяйства. Кабели изготовляются с медными и алюминиевыми жилами. Выпуск кабелей с медными жилами из года в год снижается.
Наибольшее распространение получили кабели с изоляцией из пропитанной бумаги, однако развитие химической промышленности и организация массового производства различных электроизоляционных пластмасс обусловили разработку и внедрение ряда новых экономических конструкций кабелей с пластмассовой изоляцией и оболочками.
В дальнейшем изложении рассматриваются конструкции и технические требования, предъявляемые к каждому элементу конструкции кабелей 1—35 кВ, изготовляемых по ГОСТ 340-59 (кабели силовые с изоляцией из пропитанной бумаги в свинцовой оболочке), ГОСТ 6515-55 (кабели с изоляцией из пропитанной кабельной бумаги в алюминиевой оболочке) и ГОСТ 16442-70 (кабели силовые с пластмассовой изоляцией), а также новые конструкции кабелей по техническим условиям (см. §2-5).

Рис. 2-1. Конструкции трехжильных электрических кабелей.
а — трехжильный кабель с поясной изоляцией; б — трехжильный кабель с отдельно освинцованными жилами; 1 — жила; 2 — жильная изоляция; 3 — экран из полупроводящей бумаги; 4 — поясная изоляция; 5 — бумажная изоляция; 6 — межфазные заполнения; 7 —экран из полупроводящей бумаги; 8 — свинцовая или алюминиевая оболочка; 9 — свинцовая оболочка; 10 — подушка под бронею; 11 — джутовое заполнение; 12 — броня; 13 — наружный защитный покров.

При этом следует иметь в виду, что в настоящей книге, за исключением специально оговоренных случаев, рассматриваются кабели только силовые, а жилы — токоведущие.
Каждый элемент кабеля и вся конструкция в целом должны обладать достаточной гибкостью для обеспечения технологических удобств в процессе прокладки и монтажа кабельных линий.
На рис. 2-1 представлены конструкции трехжильных кабелей, состоящих из трех изолированных скрученных между собой жил, выполненных в одном случае в общей поясной изоляции и общей герметической оболочке, а в другом — отдельно освинцованными жилами.

2-2. Жилы кабелей

По количеству жил кабели изготовляются одно-, двух-, трех- и четырехжильными.

В связи с широким применением трехфазного переменного тока наибольшее применение получили трех- и четырехжильные кабели. Одно- и двухжильные кабели применяются главным образом для передачи постоянного тока, а также на напряжения 1—35 кВ переменного тока с сечениями свыше 240 мм².
Для изготовления жил кабелей применяется алюминий из слитков вайербасов, поставляемых по ГОСТ 4004-52, или медь — по ГОСТ 193-53.
Плотность алюминия 2,7 г/см³, температура плавления 657 °С. Алюминий примерно в 3,5 раза легче меди, сравнительно мягок, но менее тягуч. Плотность меди 8,9 г/см³, температура плавления 1 083°С. Медь сравнительно мягка и тягуча.
В зависимости от требований алюминиевые и медные жилы изготовляются различной гибкости. В связи с этим жилы могут быть однопроволочными или мпогопроволочными — скрученными между собой из отдельных проволок небольшого сечения.
Для изготовления жил кабелей применяется круглая алюминиевая проволока диаметром 0,8—5 мм марки AM (мягкая) по ГОСТ 6132-52 и медная — диаметром 0,03—12 мм двух марок: МТ — твердая (неотожженная) и ММ — мягкая (отожженная) по ГОСТ 2112-62.
Механическая прочность медной проволоки примерно в 3,6 раза больше алюминиевой аналогичного сечения.
Электропроводность медной отожженной проволоки несколько выше неотожженной, у алюминиевой она не зависит от степени отжига. Сопротивление жилы постоянному току, пересчитанное на 1 мм² номинального сечения, 1 м длины и температуру 20 °С, не должно превышать 0,031 Ом для алюминиевой и 0,0184 Ом —для медной жилы, т. е. при одинаковом сечении электрическое сопротивление алюминиевого провода в 1,65 раз больше, чем сопротивление медного. Следовательно, для передачи по кабелю одинаковой мощности при одном и том же напряжении сечение алюминиевой жилы следует брать большим сечения медной жилы.
Расход материалов (изоляции, оболочки, защитных покровов) для изготовления кабеля с алюминиевыми жилами почти на 25% больше, чем для изготовления кабеля с медной жилой эквивалентного сечения, что в известной степени уменьшает преимущество алюминия по плотности.
Существенным недостатком алюминия является его подверженность коррозии, на открытом воздухе он быстро покрывается тонкой пленкой окиси, которая предохраняет металл от дальнейшего окисления. Для алюминиевых жил кабеля это не имеет существенного значения так как они надежно защищены бумажной, пластмассовой или другой изоляцией, заключенной в герметическую оболочку. Вместе с тем оксидная пленка, имеющая высокое электрическое сопротивление и температуру плавления примерно 2 000°С, значительно усложняет выполнение соединений и оконцеваний алюминиевых жил.
Алюминий имеет большой положительный потенциал, поэтому в местах соприкосновения с другим металлом он всегда будет повреждаемым элементом. На алюминий сильно действуют соляная кислота, щелочи и хлорные соединения. Наличие влаги в окружающей среде повышает интенсивность разрушения алюминия.
Стандартом предусматриваются следующие номинальные сечения кабелей: 2,5; 4, 6, 10, 16, 25, 35, 50, 70, 95, 120, 150, 185, 240, 300, 400, 500, 625 и 800 мм².
Медные жилы могут быть: сечением до 16 мм² включительно — однопроволочные; сечением 25 мм² и более— многопроволочные; сечением 25 и 35 мм² в кабелях 1—3 кВ и в кабелях 6 кВ с обедненной изоляцией — одно- или многопроволочные.
Алюминиевые жилы могут быть: сечением до 120 мм² включительно — однопроволочные, сечением 150 мм²и более — многопроволочные.
Однопроволочные жилы сечением 70, 95, 120 мм² должны изготовляться из мягкого алюминия с относительным удлинением не менее 25%.
Допускается изготовление алюминиевых жил сечением 25—120 мм², а для кабелей с обедненно-пропитанной изоляцией 70—120 мм² — многопроволочными уплотненными или комбинированными. В комбинированных жилах сердечник может быть сплошным или состоять из двух и более фасонных частей, однако при изготовлении сердечника из твердого алюминия общая площадь сечения его не должна превышать 45% сечения всей жилы. Поверх сердечника должно быть наложено не менее одного повива проволок.

Кабельными заводами в 1970 г. изготовлена партия кабелей разных марок и напряжений с сечениями 150—240 мм² с однопроволочными жилами из мягкого выпрессованного алюминия с относительным удлинением не менее 30% для испытания их и накопления опыта в условиях монтажа и эксплуатации.
По форме сечения жилы изготовляются круглыми, секторными и сегментными (рис. 2-2). 

Рис. 2-2. Сечения жилы.
а — круглое; б — секторное; в — сегментное.

Кабели одно- и трехжильные с отдельно освинцованными жилами всех сечений, а также многожильные кабели с поясной изоляцией сечением до 16 мм² включительно изготовляются с жилами круглой формы. Многожильные кабели с поясной изоляцией сечением жил 25 мм² и более изготовляются с жилами секторной формы. Четырехжильные кабели могут иметь четвертую жилу треугольной формы, в этом случае она располагается в центре кабеля.
Применение жил, имеющих в сечении формы сектора и сегмента, а для четвертой жилы также форму треугольника, позволяет значительно уменьшить диаметр многожильных кабелей по сравнению с кабелями тех же сечений, но круглой формы, это снижает стоимость кабеля на 15—30%.
Чтобы в многопроволочной жиле отдельные проволоки плотно прилегали друг к другу и не смещались, а также для создания гибкости кабеля производится скрутка жилы. Длина одного полного оборота проволоки вокруг сердечника жилы называется шагом скрутки и выражается в миллиметрах или величиной, кратной диаметру скрученной жилы. Для кабелей с бумажной пропитанной изоляцией с круглыми жилами обычно принимается шаг скрутки от 18 до 20 диаметров жилы.

Таблица 2-1
Круглые и секторные жилы для трех- и четырехжильных кабелей

Данные конструкций круглых и секторных жил приведены в табл. 2-1.
При изготовлении жил для кабелей стремятся получить наибольший коэффициент заполнения, т. е. отношение суммы площадей всех медных или алюминиевых проволок к полной (включая свободное пространство между проволоками) площади всей скрученной жилы.

Рис. 2-3. Сечения круглой и секторной жилы.
а — неуплотненной; б — уплотненной.
Если жила однопроволочная, коэффициент заполнения будет наибольшим — равным единице (100%-ное заполнение). В многопроволочной жиле в зависимости от числа проволок и конструкции жилы коэффициент заполнения всегда меньше единицы и для круглых неуплотненных жил составляет 71—76%.
Чтобы повысить коэффициент заполнения, уменьшить диаметр жилы в целях уменьшения отекания пропиточного состава и улучшения электрических характеристик кабеля в связи с удалением из жилы значительного количества воздушных включений жилы уплотняются. Кроме того, применение уплотняющих жил в кабелях дает экономию от 7 до 10% свинца или алюминия при изготовлении оболочки и уменьшение на 5—9% расхода изоляционных материалов. Коэффициент заполнения уплотненных жил весьма высок и может быть доведен до 95%.
Уплотнение многопроволочных жил производится обжатием их в уплотняющих вальцах. Для многожильных кабелей применение уплотняющих вальцов различного профиля обеспечивает возможность изготовить жилу секторной или сегментной формы в зависимости от назначения и получить тем самым круглую форму кабеля.
Следует отметить, что в процессе уплотнения жилы происходит нагартовка проволок, что несколько увеличивает электрическое сопротивление жилы. У алюминиевых жил изменение сопротивлений при уплотнении получается меньшим, чем у медных. Вместе с тем создание более гладкой поверхности жилы при ее уплотнении повышает электрическую прочность наложенной изоляции.
Нулевая жила кабелей 3Х120+1Х50 и 3Х185+1Х70 мм² изготовляется круглой неуплотненной.
Форма сечения и конструкция круглых, секторных неуплотненных и уплотненных жил для трех- и четырехжильных кабелей приведены на рис. 2-3. Жила не должна иметь заусенцев, режущих кромок, выпучивания и обрывов отдельных проволок, могущих повредить бумажную изоляцию. Радиус закругления однопроволочных секторных жил должен быть не менее 0,5 мм.