Сооружение и эксплуатация кабельных линий - Электрические характеристики кабелей

Качество изготовления кабеля и его соответствие требованиям ГОСТ пли технических условий тщательно контролируется. Проверяют размеры конструктивных элементов кабеля и производят электрические заводские испытания. Эти испытания позволяют следить за соблюдением технологии в процессе изготовления кабеля, принимать своевременные меры по устранению обнаруженных недостатков, тем самым обеспечивая высокое качество и надежность работы кабельных линий в условиях эксплуатации.
Ниже приведены основные электрические характеристики кабелей, установленные ГОСТ и ТУ.

Электрическое сопротивление жил кабеля постоянному току, перечисленное на 1 мм² номинального сечения и 1 км длины при температуре +20 °C, не должно превышать 18,4 Ом для медных жил и 31 Ом для алюминиевых жил.
С изменением температуры, а также в результате скрутки отдельных проволок многопроволочной жилы действительное сопротивление жил может не соответствовать ее номинальному значению.
Сопротивление кабеля для различных температур определяется по следующей формуле:
для медных жил

Пусть сопротивление кабеля с медными жилами сечением S=3X120 мм² длиной l=240 м при t=20 °C составляет:

Сопротивление изоляции кабеля представляет собой частное от деления приложенного напряжения на ток, проходящий через изоляцию, спустя минуту после включения напряжения. Изменением сопротивления изоляции устанавливается правильность процесса сушки и пропитки бумажной изоляции, а также степень ее влажности.
Минимальные сопротивления бумажной изоляции кабелей при измерении по схеме: сопротивление изоляции одной жилы против других, соединенных со свинцовой оболочкой, приведены в табл. 2-22.
Таблица 2-22
Минимальное сопротивление изоляции кабелей с бумажной пропитанной изоляцией

Изоляция кабелей (за исключением кабелей 6 и 10 кВ с обедненно-пропитанной изоляцией) после изготовления испытывается также напряжением переменного тока промышленной частоты. При этом кабели 1 кВ должны выдержать в течение 10 мин испытательное напряжение 3,5 кВ, а кабели 6 кВ — 16 кВ; кабели 10 кВ должны выдержать в течение 20 мин 25 кВ, кабели 20 кВ — 50 кВ и кабели 35 кВ — 88 кВ.
Кроме того, для кабелей 6 кВ и выше с нормальной пропиткой нормируется величина тангенса угла диэлектрических потерь, являющаяся наиболее чувствительным показателем качества изоляции кабелей.

Максимальное значение tg δ и приращение Δ tg δ силовых кабелей с пропитанной бумажной изоляцией

Диэлектрическими потерями называют потери, вызванные рассеиванием энергии в диэлектрике (изоляции кабеля) в результате приложенного к нему переменного напряжения. Углом диэлектрических потерь δ называют дополняющий до 90° угол φ сдвига фаз между током и напряжением в емкостной цепи.
Известно, что в электрической цепи с идеальной емкостью (изоляцией) вектор тока опережает вектор напряжения на угол 90° и дополнительный угол при этом равен нулю. Чем больше в испытываемой изоляции энергии будет переходить в тепло, тем больше будет значение угла δ и тем хуже качество изоляции.
Тангенс угла диэлектрических потерь и приращение тангенса диэлектрических потерь, измеренные до и после нагрева до 50 °C, не должны превышать значений, приведенных в табл. 2-23.
Величина tg δ и максимальное приращение tg δ для кабелей с обедненно-пропитанной изоляцией не нормируются.
Полиэтиленовая изоляция кабелей обладает значительно большим сопротивлением по сравнению с кабельной изоляцией из поливинилхлорида. В табл. 2-24 приведены минимально допустимые величины сопротивления пластмассовой изоляции в зависимости от температуры.
Сопротивление изоляции жил кабелей при рабочих температурах, пересчитанное на 1 км длины, для кабелей с поливинилхлоридной изоляцией должно быть не менее 0,005 МОм для 1 кВ, 0,05 МОм для 6 кВ и 0,5 МОм для 10 кВ.
Для кабелей 1—35 кВ с полиэтиленовой изоляцией сопротивление изоляции при рабочих температурах, пересчитанных на 1 км длины, должно быть не менее 50 МОм.
Кабели с пластмассовой изоляцией после изготовления испытываются напряжением переменного тока промышленной частоты, при этом в течение 10 мин кабели должны выдержать для 1 кВ 4 кВ и для 6 кВ 11 кВ, в течение 20 мин для 10 кВ 14,5 кВ, для 20 йВ 28 кВ и для 35 кВ 50 кВ.
Кроме указанных выше испытаний изолированные жилы кабелей с пластмассовой изоляцией после пребывания в воде в течение 24 ч при температуре +20 °С должны выдержать испытание напряжением переменного тока промышленной частоты в течение 30 мин для жил 1 кВ 8 кВ и для жил 6 кВ 15 кВ.
Фаза кабелей 10 и 35 кВ с отдельно экранированными жилами должна выдержать испытание напряжением переменного тока (50 Гц) в течение 4 ч: для фаз кабелей 10 кВ — 23 кВ, для 20 кВ — 45 кВ, для 35 кВ — 80 кВ.
Фаза кабелей 10—35 кВ должна выдержать указанные выше напряжения после изгиба в течение 10 мин.
Таблица 2-24
Наименьшие значения сопротивления пластмассовой изоляции кабелей

Тангенс угла диэлектрических потерь на образцах кабелей 10—35 кВ измеряется после прогрева жилы до 70 °С в течение 4 ч, при этом напряжение начала ионизации должно быть выше 8 кВ для кабелей с номинальным напряжением 10 кВ, выше 17 кВ для кабелей 20 кВ и выше 30 кВ для кабелей 35 кВ.
После прокладки кабеля и монтажа муфт испытание кабельной линии с пластмассовой изоляцией производится напряжением постоянного тока в течение 10 мин: линии 1 кВ 8 кВ; линии 6 кВ 14 кВ; линии 10 кВ 23 кВ; линии 20 кВ 45 кВ и линии 35 кВ 80 кВ.
Экраны из медной ленты или алюминиевой фольги для жил должны выдержать ток замыкания на землю 50 А в течение 4 ч. В сетях с большим током замыкания на землю соответственно должны быть увеличены сечения металлических экранов.
Емкость кабельных линий. Значения емкостей для кабелей не предусмотрены действующими ГОСТ и ТУ. Однако для кабельных сетей 6—35 кВ, работающих обычно в режиме изолированной нейтрали (§ 1-2-65 ПУЭ), весьма важно учитывать величину тока замыкания на землю для всевозможных режимов работы сети, возникающих в условиях эксплуатации, в целях правильной настройки дугогасящих устройств сети.
Величины емкостных токов при однофазном замыкании на землю в системах с незаземленной нейтралью приведены в табл. 2-25.
Таблица 2-25
Емкостные токи кабельных линий при однофазном замыкании на землю в сети

Зная протяженность, сечение и напряжение находящихся в эксплуатации кабельных линий, нетрудно определить расчетную величину емкостного тока замыкания на землю.
Пусть, например, к РУ 10 кВ ЦП подключены питающие линии сечением 185 мм² протяженностью 25 км и сечением 120 мм²—50 км;
распределительные линии сечением 70 мм² протяженностью 60 км, сечением 50 мм²—40 км и сечением 35 мм²—50 км.
При возникновении в сети этого ЦП однофазного замыкания на землю расчетная величина емкостного тока однофазного замыкания питающих кабелей 10 кВ для сечения 185мм² составит 1,4-25=35 А, *для сечения 120 мм²—1,1-50 = 55 А; для кабелей распределительной сети: для сечения 70 мм²—0,76-60 = 42,6 А, для 50 мм²—0,75-40 = = 30 А, для 35 мм²—0,70-50 = 35 А.
Общая величина емкостного тока замыкания на землю составит:
(35+ 55) + (42,6 +30 + 35) = 197,6А.
Полученные таким образом расчетные токи замыкания на землю позволяют произвести настройку дугогасящих устройств ЦП.

Напряженность электрического поля.

Надежность работы изоляции кабеля в условиях эксплуатации определяется ее электрической прочностью и соответствием принятого значения напряженности электрического поля максимально допустимой его величине. Максимальная напряженность электрического поля в трехжильных кабелях с поясной изоляцией принимается не более 4 кВ/мм, а в кабелях с отдельными металлическими оболочками на жилах 5 кВ/мм.
Меньшая величина напряженности электрического поля, установленная для кабелей с поясной изоляцией, объясняется сложностью и неблагоприятным распределением электрического поля в изоляции кабелей этой конструкции. Как видно из рис. 2-5, а, в кабеле с отдельными металлическими оболочками на жилах действие электрического поля ограничивается металлической оболочкой. Вне металлической оболочки каждой жилы электрического поля нет; заземленная металлическая оболочка служит экраном, ограничивающим распространение сил электрического поля.

В кабелях с поясной изоляцией (рис. 2-5, б) все три жилы, междужильная изоляция, а также заполнения между изоляцией жил, электрическая прочность которой значительно ниже жильной изоляции, оказываются под действием электрического поля напряженностью, в У^З раз большей, чем напряженность изоляции фаз. Напряженность электрического поля в кабеле с отдельно металлическими оболочками, как это видно из рис. 2 -6 , имеет радиальное направление (от жилы перпендикулярно слоям бумажной изоляции), где электрическая прочность кабельной бумаги очень велика. В кабеле с поясной изоляцией имеется составляющая напряженность электрического поля, направленная вдоль оси кабеля (параллельно слоям намотки бумажной изоляции), где прочность кабельной бумаги в 10 раз меньше, чем в радиальном направлении.
Поэтому кабели с поясной изоляцией изготовляются на напряжение не выше 10 кВ, кабели 20—35 кВ изготовляются с отдельными металлическими оболочками изолированных жил.

Рис. 2-5. Электрическое поле трехжильного кабеля.
а — с отдельно освинцованными экранированными жилами; б — с поясной изоляцией в общей металлической оболочке.
Напряженность электрического поля е (кВ/мм) в любой точке изоляции, расположенной на расстоянии тх от оси жилы, находящейся под напряжением U, определяется следующим уравнением:

где U — рабочее напряжение между жилой и металлической оболочкой кабеля, В; R — наружный радиус изоляции, мм; г — внутренний радиус изоляции, мм.
Как видно из уравнения и рис. 2-6, максимальную напряженность испытывает изоляция у жилы, где гх —г, и соответственно минимальную слои изоляции, расположенные у металлической оболочки кабеля, где rx = R.

Рис. 2-6. Напряженность радиального электрического поля в изоляции кабеля с отдельными металлическими оболочками на жилах.
1 — жила кабеля; 2 — изоляция кабеля; 3 — металлическая оболочка кабеля.
Известно, что значение максимальных напряженностей электрического поля в разных слоях изоляции обратно пропорционально их диэлектрической проницаемости, т. е. E1ε1 = Е2ε2, где E1 и Е2 — напряженность электрического поля в разных слоях изоляции; ε1 и ε2 — диэлектрическая проницаемость изоляционных материалов в этих слоях.
Это свойство используют для выравнивания электрического поля и лучшего применения изоляционного материала; при этом берут двухслойную изоляцию с различными значениями диэлектрической проницаемости. Изоляционный слой с большей диэлектрической проницаемостью при этом располагается ближе к жиле.
Приведенное выше уравнение для вычисления максимальной напряженности электрического поля относится к идеальному случаю, в котором жила представляет собой гладкую цилиндрическую поверхность с плотно прилегающей к изоляции металлической оболочкой.

В действительности жилы изготовляются многопроволочными. Для сглаживания интенсивности поля на «гребнях» витков и обеспечения радиальности, скрученные из отдельных проволок жилы, выполняются экранированными.
Для иллюстрации произведен расчет и определим максимальную и минимальную напряженность электрического поля в изоляции кабеля 35 кВ марки ОСБ с сечением 120 мм²:

что находится в пределах допустимых значении