Что такое оболочка кабеля
Основные виды оболочек кабеля
Так как кабель и провод могут прокладываться в самых различных условиях, включая среду с повышенной влажностью или возможность повреждения линии, важную роль при их выборе в процессе строительства играет тип используемой оболочки. От этого зависит надежность проложенной линии и срок ее эксплуатации.
Обычно оболочка кабеля состоит из одного или более слоев, выполненных из различных материалов, в зависимости от назначения и особенностей самого провода. Прежде всего необходимо внести ясность в терминологию. Изоляция — это слой диэлектрика, покрывающий токоведущую жилу, а оболочка — это все остальные защитные слои вокруг нее. Для дополнительной защиты некоторых силовых кабелей используют графитополимерный (КОГВЭШ) или выполненный из полупроводящего материала и медной ленты экран, а также броню из двух стальных или оцинкованных лент (ВЭВБбШв). Далее мы рассмотрим наиболее распространенные виды оболочек для провода и кабеля.
Наиболее распространенным материалом для выполнения оболочки является поливинилхлоридный пластикат или сокращенно ПВХ. Это смесь поливинилхлорида с различными пластификаторами и стабилизаторами. Присутствие в его составе хлора обеспечивает стойкость к воздействию агрессивных сред, таких как кислоты и щелочи, а так же к возгоранию. Кроме того он может быть выполнен в различных вариантах: не распространяющий горение, с низким дымо- и газовыделением и пониженной пожароопасности. Однако при эксплуатации в среде, температура которой ниже указанного в маркировка минимума, ПВХ затвердевает и может разрушится. Он используется для изготовления большинства марок медного силового кабеля, медного и алюминиевого контрольного кабеля и других видов.
Полиэтилен также широко применяется для изготовления оболочек кабеля и провода благодаря высоким физико-механическим показателям. Чаще всего шитый полиэтилен используют как изоляционный материал в кабелях марки N2XH и в самонесущих изолированных проводах. В зависимости от особенностей и назначения провода, применяют светостабилизированный полиэтилен, светостабилизированный сшитый полиэтилен и светостабилизированный сшитый полиэтилен не поддерживающего горение.
Поливинит — это еще один из полимеров, используемый в данной сфере. Он представляет собой гранулированный материал, устойчивый к старению и экстремальным температурам. Из него делают оболочки и изоляцию для негорючего безгалогенного кабеля марки YnKY.
Из металлических оболочек наиболее популярной является алюминиевая: она герметична, прочна и способна выдержать высокие вибрационные нагрузки. Примером ее использования являются некоторые марки алюминиевого силового кабеля: ААШв, ААБл, а кабель АСБл использует в качестве материала оболочки свинец. Такие оболочки не требуют применения дополнительных экранов и брони.
Однако стоит обратить внимание, что только качественная оболочка, не зависимо от материала выполнения, может эффективно защитить кабель и провод от любых нежелательных воздействий. Поэтому доверять следует лишь надежным поставщикам кабельно-проводниковой продукции.
Защитные оболочки кабелей
От внешних воздействий высокой влажности, кислот, газов внутренние элементы кабелей (изоляцию, токопроводящие жилы, наполнители и пр.) надежно предохраняют защитные оболочки. В зависимости от типа кабеля используют одну или несколько защитных оболочек.
Оболочка представляет собой дополнительный защитный покров кабеля, она устанавливается поверх токопроводящих жил, и может состоять из нескольких слоев. В качестве оболочки используют разнообразные материалы, определяющиеся типом и характеристиками конкретного кабеля.
Материалы, используемые для защитных оболочек кабелей
Для силовых кабелей обычно используют поливинилхлоридные пластикаты (ПВХ), который получают путем добавления в поливинилхлорид разнообразных пластификаторов и стабилизаторов, что гарантирует качественный изоляционный материал. Для повышения стойкости к воздействию агрессивных сред в ПВХ также добавляют хлор. Таким образом, получают поливинилхлорид. Он выгодно отличается низкой пожарной активностью, малым дымо- и газовыделением. Но при не соблюдении нормируемых условий эксплуатации он может твердеть и крушиться.
Помимо этого, защитные оболочки изготавливают из полиэтилена, поскольку он имеет высокие химические и физические характеристики. Широкое распространение получил шитый полиэтилен. Основными его достоинствами являются низкий вес, увеличенная влагостойкость и пр.
Другим не менее качественным и надежным материалом является поливинит. Это гранулированный полимер с прекрасными качественными показателями устойчивости к износу и к значительным колебаниям температур. Он является абсолютно негорючим.
Также для изготовления защитных покровов кабелей используют шланговую резину. Она обладает высокими прочностными характеристиками при растяжении и других механических воздействиях. Ее использование повышает гибкость кабельной продукции в условиях низких температур. Резины, изготовленные на базе синтетических каучуков, характеризуются меньшей прочностью, в сравнении с резинами из натуральных материалов, однако они считаются менее подверженными тепловому старению.
Наиболее популярной и распространенным видом материала для оболочки является алюминий. Его отличает хорошая устойчивость к вибрациям, герметичность, повышенная стойкость к высоким нагрузкам.
Свинец также используется в электротехнической промышленности при производстве защитных покровов кабелей. Помимо этого, он может выполнять функцию экрана или брони.
Независимо от типа защитного покрытия, его качество в любом случае должно быть высоким, обеспечивая эффективную защиту провода.
Конструкция кабеля и провода: назначение и характеристики основных элементов
Бытовые приборы, электроинструменты, промышленное оборудование, осветительная техника — это и многое другое требует применения кабельной продукции для подключения к источнику питания или передачи сигнала.
Для того, чтобы работа осуществлялась наиболее эффективно, существуют разные конструкции монтажных, силовых, сигнальных проводов и кабелей, каждая из которых применима в определённых условиях. Рассмотрим основные составляющие.
Конструкция кабеля
Кабель — это гибкое электротехническое изделие, предназначенное для передачи электроэнергии или радиосигнала от одного элемента сети к другому. Главное отличие кабеля от провода — наличие собственных изоляционных оболочек у каждой из жил, а вся конструкция заключена в общий слой из плотного материала.
Токопроводящие жилы силового многожильного кабеля
Для изготовления используется проволока из меди, стали, алюминия, а также сплавов с низким или высоким сопротивлением. Диаметр жилы кабеля бывает от 1 до 10 миллиметров. Основным требованием к элементу является хорошая электропроводность, которая влияет на допустимый ток нагрузки или коэффициент потери сигнала (в информационных кабелях). Именно электропроводность определяет выбор сечения и количество жил.
Самые популярные материалы внутренних компонентов силового гибкого кабеля:
Цена силового медного кабеля намного выше, чем у алюминиевого. Это объясняется широкой сферой применения, дефицитностью металла, высокой надёжностью и долговечностью.
Изоляционная оболочка
Покрытие предназначено, во-первых, для создания диэлектрического промежутка в простых и силовых кабелях с медными, алюминиевыми жилами. Во-вторых, выполняет функцию стабилизации геометрических размеров — это важно для радиочастотных изделий. Стоит отметить, что материал, толщина и плотность изоляции влияют на предельное значение рабочего напряжения.
Виды материалов:
Самый распространённый материал для изоляционной оболочки в продукции общепромышленного применения — ПВХ.
Электрические экраны
Экранированный силовой кабель — изделие, защищённое от помех, создаваемых работающими электроприборами. Экраны изготавливают в виде оплётки из алюминиевой проволоки, ленты или фольги. Элемент снижает воздействие электромагнитного поля и способствует повышению качества передаваемого сигнала.
Внешний защитный покров
Прежде чем купить силовой кабель, стоит подробно рассмотреть варианты исполнения внешней изоляционной оболочки, так как этот параметр определяет сферу использования и влияет на выбор способа монтажа.
Различают следующие виды материалов изоляции:
Существует специализированная продукция, оболочки которой выполнены из технологичных материалов, например, силовой кабель ВВГнг и ВВГнг LS. Особенность заключается в том, что при превышении максимально допустимой температуры изделие не горит, не плавится, не выделяет едкий дым и отравляющий газ. Силовой огнестойкий кабель прокладывают в стратегически важных объектах: на атомных станциях, в аэропортах, медучреждениях и других зданиях, где важно исключить задымление при аварии.
Конструкция провода
Провод может состоять как из одной, так и из нескольких жил, бывает как оголённый, так и с изоляцией. Жилы провода уложены параллельно друг к другу и скручены в пучок. Силовой медный провод часто встречается в составе электрических линий в помещениях, а оголённые варианты используются для передачи энергии в ЛЭП и прокладываются по воздуху.
Конструкция провода напоминает кабельную, однако здесь всё намного проще.
Токопроводящая жила
Выполняет функцию проведения тока. Основные требования: минимальный нагрев, гибкость, устойчивость к поражению коррозией, хорошая электропроводность и невысокая стоимость. Жила гибкого силового провода выполнена в виде проволоки из алюминия или меди, которая характеризуется классами от 1 до 6. Чем выше уровень, тем лучше изделие выдерживает нагрузку на изгиб.
Внешняя изоляционная оболочка
Чтобы купить подходящий силовой провод, стоит заранее определить условия эксплуатации. Продукция без изоляции подходит для прокладки только по воздуху. Наличие оболочки допускает установку в помещениях как открытым, так и закрытым способом.
Внешний слой изготавливается из тех же материалов, что и у кабелей. Стоит отметить, что, независимо от вида оболочки, провода не обладают достаточной герметичностью для размещения в земле или под водой.
Материалы оболочки кабеля: «первая линия обороны» для повышения его надёжности
Надёжность прокладываемых кабелей на всех этапах — от ввода в эксплуатацию до замены — должна быть настолько высокой, насколько это возможно. Оболочка кабеля обеспечивает «первую линию обороны» при транспортировке, прокладке и в течение всего срока эксплуатации кабеля. Таким образом, выбор наиболее подходящего материала для оболочки является ключевым вопросом для защиты кабеля на всех этапах его использования.
С начала применения кабеля среднего напряжения с изоляцией из сшитого полиэтилена в 60-е годы в его конструкцию было внесено множество изменений для повышения надёжности, например, появились полупроводящие экраны с экструдированной изоляцией. Сегодня защитные оболочки используются повсеместно, однако в прошлом это было не так. Североамериканские исследователи показали, что только в восьмидесятые годы, когда стали применяться полимерные оболочки, число прокладываемых кабелей увеличилось на 80% [1]. Исследования также показали, что использование оболочек кабеля значительно сократило количество его повреждений [2].
Повышенный спрос на кабель обусловлен заменой активов и расширением сети. Наряду с этим усиливается общественная оппозиция против тех неудобств, с которыми население сталкивается при прокладке кабеля. Требование снизить проектные расходы и сократить время прокладки кабеля вынуждает энергокомпании рассматривать иные способы укладки кабеля, альтернативные тем, что применялись на протяжении многих лет.
Методы прокладки различаются в зависимости от региона, например, кабельные канализации широко используются в Северной Америке, но меньше в Европе. Кроме того, некоторые технологии ещё недостаточно освоены в промышленности или накладывают ограничения при использовании в известных методах прокладки, например, открытым способом или наклонно-направленным бурением.
Примеры
1. Для кабельных канализаций необходим всего лишь короткий участок траншеи, который может быть разрыт в любой момент. Канализация может прокладываться в любое удобное время, сводя к минимуму неудобства для жителей, а кабель прокладывается в каналах позднее.
2. Во многих больших городах и их пригородах всё чаще используются тоннели. Несмотря на дороговизну, это решение позволяет смонтировать в одном месте несколько кабелей, обеспечить к ним быстрый доступ и свести к минимуму неудобства для населения при раскапывании.
3. Открытый способ популярен на открытых грунтах благодаря быстроте прокладки кабеля.
4. Наклонно-направленное бурение используется как на короткие, так и на длинные расстояния и позволяет избежать повреждения верхнего слоя грунта.
Надёжность прокладываемых кабелей на всех этапах — от ввода в эксплуатацию до замены — должна быть настолько высокой, насколько это возможно. Несмотря на большое внимание к электрическим параметрам жил кабеля, его оболочка обеспечивает «первую линию обороны» при транспортировке, прокладке и в течение всего срока эксплуатации. Таким образом, выбор наиболее подходящего материала для оболочки является ключевым вопросом для защиты кабеля на всех этапах его использования.
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБОЛОЧКИ
В нормативах предусмотрены минимальные требования к оболочкам. Для оболочек из полиэтилена функциональные требования к материалам определены в стандартах МЭУ 60502 и CENELEC HD620.
Некоторые характеристики, такие как прочность при растяжении и удлинение, важны при любом применении, другие должны определяться техникой и средой прокладки кабеля. Есть даже географический критерий важности параметров, например, для южной Европы и тропиков требуется стойкость к повреждению термитами [3, 4].
Оболочка кабелей, затягиваемых в каналы или протягиваемых в наклонно-направленной шахте, может механически повреждаться вследствие трения, кабели при таких методах укладки могут попадать на острые предметы (например, камни) и должны иметь высокую прочность на прокол.
Ударопрочность также является важной характеристикой кабелей в открытом грунте, которые могут повреждаться во время земляных работ, проводимых в непосредственной близости от них. Их оболочка должна быть устойчива к химикатам, содержащимся в грунте, и функционировать как барьер. В других случаях преимуществами кабелей являются:
• проложенных в каналах — низкий коэффициент трения и гибкость;
• проложенных в тоннеле — оболочка имеет характеристики по огнестойкости;
• находящихся в контакте с жидкими химическими реактивами — оболочка предотвращает диффузию воды внутрь кабеля;
• согнутых и кручёных — очень высокая стойкость к растрескиванию под напряжением.
СПЕЦИАЛЬНЫЕ СЛОИ ОБОЛОЧКИ
Помимо физической защиты кабеля оболочка обеспечивает дополнительные характеристики, например, огнестойкость или улучшенные токопроводящие дорожки.
Преимуществом использования полупроводящей оболочки для кабеля среднего напряжения является наличие заземления по всей длине кабеля, которое обеспечивает дополнительную защиту от грозовых перенапряжений [4]. Для кабелей высокого и сверхвысокого напряжения внешний полупроводящий слой оболочки обеспечивает простоту диагностики после производства и прокладки, особенно это касается кабелей, подвешенных в воздухе.
Огнестойкие материалы оболочки кабелей, проложенных в тоннелях, обеспечивают повышенную безопасность, увеличивая время для эвакуации персонала в случае пожара в тоннеле. Такие огнестойкие материалы могут применяться во внешнем слое традиционной оболочки, сочетающей достоинства обоих материалов.
МАТЕРИАЛЫ ОБОЛОЧКИ
Механическая прочность оболочки часто определяется механическими свойствами при растяжении. На рис. 1 показано сравнение механических свойств при растяжении ПВХ и различных полиэтиленов. ПЭВП обеспечивает максимальную прочность при растяжении, сохраняя при этом высокие показатели удлинения (до обрыва). ПВХ имеет более низкие показатели.
ГИБКОСТЬ
Гибкость часто выражается в модулях упругости при изгибе и определяет усилие, прикладываемое для сгибания кабеля. Оболочки из пластифицированного ПВХ очень гибкие. В семействе полиэтиленов хорошей гибкостью обладает ЛПЭНП (рис. 1); по этой причине его чаще используют в регионах с холодным климатом. Жёсткие полиэтиленовые материалы оболочки имеют более высокую плотность.
ЖЁСТКОСТЬ И ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ
Жёсткость материала оболочки часто выражается по Шору — D или A, она определяет износостойкость и стойкость к повреждению термитами. Исследования показали, что европейские виды термитов не атакуют оболочки с жёсткостью D выше 60. Это значит, что для таких районов подходят оболочки ПЭСП и ПЭВП. В других географических зонах, где некоторые виды термитов могут прогрызать более твёрдые материалы, используются нейлоновые (полиамидные) внешние оболочки для повышенной защиты.
Сравнение износостойкости показано на рис. 2. Несмотря на то что полупроводящие оболочки подходят для кабельных канализаций, первое поколение полупроводящих оболочек было мягче, чем незаполненные материалы, и более подвержено абразивному истиранию при протягивании по грубым поверхностям, чем современные химические составы. Новые полупроводящие оболочки второго поколения дают износостойкость, более характерную для ЛПЭНП. Они подходят для затяжки в каналы и наклонно-направленные шахты.
ТЕРМОСТОЙКОСТЬ
Важным термическим параметром оболочки является прочность на прокол, измеряемая при испытании давлением на повышенных температурах (рис. 3). Это испытание моделирует устойчивость оболочки к острым камням, попадающим под оболочку при нагревании кабеля и последующему термомеханическому движению. Испытываются кабели для прокладки непосредственно в грунте, в котором ничего не предпринимается, чтобы избежать этой ситуации. Класс ПЭВП оболочки обеспечивает самую высокую прочность на прокол для кабелей среднего и высокого напряжения.
Другой общий критерий для термической устойчивости — это теплостойкость по Вика. На рис. 1 видно, что это свойство сильно зависит от плотности материала. Однако контроль полимерной структуры позволяет точно определять это свойство, сохраняя при этом другие характеристики.
СТОЙКОСТЬ К РАСТРЕСКИВАНИЮ ПОД НАПРЯЖЕНИЕМ (ESCR)
ESCR — важная характеристика, показывающая, может ли кабель треснуть под высоким напряжением, например при сгибании. ЛПЭНП демонстрирует очень высокую стойкость к растрескиванию под напряжением, поэтому он был выбран для оболочек силовых кабелей; при необходимости более высокой износостойкости используется ПЭСП.
Предыдущее поколение оболочек ПЭВП гарантировало только высокий уровень ESCR, так как полимер с высоким молекулярным весом труднее экструдируется и даёт большую усадку. В новом поколении ПЭВП-оболочек удалось избавиться от этих недостатков [6, 7]. Современные материалы выдерживают 4000 часов в 10-процентном растворе «Игепал» — самое жёсткое испытание — а это уже стандартный уровень характеристик ЛПЭНП-оболочек.
ФУНКЦИИ БАРЬЕРА
Оболочка не только защищает и предупреждает коррозию экрана и металлической оболочки (если имеется), но и ограничивает диффузию воды внутрь кабеля в случае отсутствия радиальной защиты. При проникновении воды в изоляции из сшитого полиэтилена начинают развиваться водные триинги (одна из основных причин пробоя силовых кабелей).
Использование сшитого полиэтилена, устойчивого к развитию водных триингов, в сочетании с низкой паропроницаемостью, снижает вероятность развития водных триингов при отсутствии радиальной защиты кабеля. На рис. 4 даётся сравнение паропроницаемости гибкой оболочки из ПВХ и оболочки из полиэтилена. Эти результаты были подтверждены измерениями на реальных кабельных оболочках при различных температурах [8]. Поскольку диффузия молекул воды регулируется упаковкой полимерных молекул, высокая кристалличность ПЭВП даёт самую низкую паропроницаемость. Однако и последнее (второе) поколение полупроводящих материалов для оболочек обеспечивает низкую паропроницаемость, сравнимую с ПЭВП.
КОЭФФИЦИЕНТ ТРЕНИЯ
Коэффициент трения материала оболочки определяет силу тяжения, необходимую для протягивания кабеля по канализации. Эта характеристика оболочек из полиэтилена также связана с плотностью. ПЭВП имеет самый низкий коэффициент трения в группе полиэтиленов, и его значение ниже, чем у пластифицированного ПВХ.
ПОВЕДЕНИЕ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
Несмотря на то что большая часть кабельной линии прокладывается под землей, отдельные её участки могут оставаться на поверхности и подвергаться атмосферным воздействиям, например, кабели, крепящиеся к мостам, герметичные концы кабеля. Поэтому необходима защита кабеля от УФ-излучения, а самый эффективный УФ-стабилизатор — это сажа. Расширенные исследования лабораторий Bell [9] показали, что минимум 2% мелкодисперсной сажи (размер частичек 20 нм и меньше) обеспечивает существенную УФ-защиту полиэтилена на 35 и более лет. Для цветных оболочек УФ-стабилизатор должен быть выполнен на основе натуральных смол или цветного каучука.
ЭВОЛЮЦИЯ МАТЕРИАЛОВ ОБОЛОЧКИ
Многие энергокомпании указывают конкретный класс полиэтилена для оболочки. Однако, как говорилось выше, он может быть не самым оптимальным для конкретного проекта, метода или среды прокладки.
Внедрение «нового поколения» разновидностей оболочек, например из бимодальных материалов [10], значительно изменило свойства материалов, однако классификация по плотности осталась попрежнему простой (ПЭВП и т.д.). Новые технологии катализаторов [11] обеспечивают больше свободы при проектировании, оптимизируя некоторые свойства без ущерба для других (рис. 5).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Характеристики оболочки силового кабеля должны соответствовать методу и среде его прокладки. Преимуществами оболочек из полиэтилена перед оболочками из ПВХ являются уменьшенная диффузия воды, повышенная износостойкость и повышенная вязкость.
Достижения в области полимеризации и технологий катализаторов позволили создать полиэтиленовые материалы, которые, несмотря на ту же классификацию (ПЭВП и т.п.), имеют другие свойства. Следовательно, современные материалы имеют улучшенные технические характеристики по сравнению с предшественниками.
Там, где гибкость имеет ключевое значение, хорошим выбором могут стать оболочки ЛПЭНП. Новое поколение класса ПЭВП оболочки обеспечивает сочетание высокой износостойкости, отличных характеристик водяного заслона, высокой термоустойчивости и стойкости к растрескиванию под напряжением. Развитие технологий оболочек из полиэтилена позволяет использовать кабели повышенной надёжности.
Усовершенствованные исполнения оболочек (например, полупроводящие) обеспечивают дополнительные преимущества при испытаниях силовых кабелей после производства, прокладки и в ходе эксплуатации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Dudas J.H., 1994, IEEE Electrical Insulation Magazine (Журнал по электрической изоляции IEEE) Vol.10, № 2, 7—15.
2. Kong A., Nov 1991 Minutes of ICC, IEEE-PES 89th Meeting (Протокол ICC, 89-е совещание IEEE-PES).
3. Graham G., Szaniszlo S., 1995, IEE Electrical Insulation Magazine (Журнал по электрической изоляции IEEE), Vol.11, Выпуск 5, 5—12.
4. CIGRE WG21.07 (Рабочая группа СИГРЭ 21.07), 1994, Electra 157.
5. Brument J., Lesur F., Paulmier I., 2007, Jicable 2007, Секция B1.5.
6. Nicolas A., Kharazi A., 1985, SPE ANTEC’85 conference (Конференция), Boston (MA).
7. Gau Y., Kmiec C.J, Person, T.J., 1997, Jicable’99, B10.4, 638—648.
8. Ross R., Geurts W.S.M.; 1998 IEEE International conference on Conduction and Breakdown in Solid Dielectrics (Международная конференция по проводимости и деструкции в твердых диэлектриках), June 22—25, Vasteras, Sweden, 345—348.
9. Howard J.B., Gilroy H.M., Polymer Engineering & Science, Vol. 9, nr. 4, 286—294 (1969).
10. Dammert R.C., Wald D., Kirchner M., Philippczyk C., 2003, Jicable, 03, 789—795 (2003).
11. Kale L.T., Iaccino T.L., Bow K.E., 1996, Antec’96, 1647—1651.
Нашли ошибку? Выделите и нажмите Ctrl + Enter