Кабели магистральные в пластмассовой изоляции

Кабели магистральные в пластмассовой изоляции: конструкция, типы, применение и стандарты

Магистральные кабели в пластмассовой изоляции представляют собой ключевой элемент современных систем передачи и распределения электроэнергии на средние и высокие напряжения. Они предназначены для прокладки на ответственных участках электрических сетей: в качестве основных питающих линий от подстанций до распределительных пунктов, в городских кабельных коллекторах, тоннелях, по мостам и в других инженерных сооружениях. Их основное функциональное назначение – передача больших мощностей на значительные расстояния с высокой степенью надежности и долговечности.

Классификация и основные типы

Классификация магистральных кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ) и поливинилхлорида (ПВХ) осуществляется по нескольким ключевым параметрам.

По номинальному напряжению:

• Кабели на среднее напряжение: от 6 кВ (6/10 кВ) до 35 кВ (20/35 кВ).
• Кабели на высокое напряжение: 110 кВ (64/110 кВ), 220 кВ (127/220 кВ) и выше.

По материалу изоляции:

• С изоляцией из сшитого полиэтилена (XLPE): Наиболее распространенный тип для напряжений от 6 до 220 кВ и выше. Сшивка молекул полиэтилена (химическая или радиационная) придает материалу повышенную термостойкость (до 90°C в длительном режиме и до 250°C при КЗ), отличные диэлектрические и механические свойства.
• С изоляцией из полиэтилена (ПЭ): Применяется реже, в основном для низких и средних напряжений, где не предъявляются высокие требования по термостойкости.
• С изоляцией из поливинилхлорида (ПВХ): Используется преимущественно для кабелей на напряжение до 1 кВ, реже – до 6 кВ, в магистральных сетях среднего напряжения практически вытеснена СПЭ из-за худших диэлектрических потерь и ограниченной термостойкости (70°C).

По конструктивному исполнению:

• Одножильные: Наиболее распространены для высоких напряжений. Требуют специальных мер по компенсации индуктивных потерь и защиты от вихревых токов.
• Трехжильные: Распространены на средние напряжения. Три изолированные жилы могут быть заключены в общую оболочку, часто с поясной изоляцией и общим экраном.

Конструкция кабеля на среднее/высокое напряжение с изоляцией из СПЭ

Конструкция магистрального кабеля типа АПвП (с алюминиевой жилой, изоляцией из сшитого полиэтилена, в полиэтиленовой оболочке) или ПвП (с медной жилой) является многослойной и строго регламентированной.

• Токопроводящая жила: Изготавливается из алюминия или меди, круглой или секторной формы, однопроволочная (для малых сечений) или многопроволочная. Класс гибкости обычно 1 или 2.
• Экран на жиле (внутренний полупроводящий): Наносится экструзией поверх жилы. Выравнивает электрическое поле, устраняя микроскопические неровности поверхности жилы, предотвращая локальные концентрации напряженности.
• Изоляция из сшитого полиэтилена (XLPE): Основной диэлектрический слой. Толщина строго нормируется в зависимости от номинального напряжения. После экструзии подвергается процессу сшивки в специальной печи (ванне).
• Экран на изоляции (внешний полупроводящий): Наносится поверх изоляции. Вместе с экраном на жиле формирует цилиндрический конденсатор с равномерным радиальным распределением электрического поля.
• Металлический экран (заземляющий): Выполняет несколько функций: защита от внешних электромагнитных влияний, замыкание тока однофазного КЗ на землю, обеспечение симметрии поля вокруг жилы. Выполняется в виде медной ленты, гофрированной медной ленты, проволок (спирально наложенных или продольных) или комбинированно.
  • Для кабелей 110 кВ и выше часто применяется экран из проволок с минимальным сечением по условию стойкости к токам КЗ.
• Поясная изоляция: Лента, наматываемая поверх металлического экрана в трехжильных кабелях.
• Заполнитель: Промежутки между скрученными жилами заполняются жгутами из ПЭ или ПВХ для придания кабелю круглой формы.
• Оболочка: Защищает все внутренние элементы от механических повреждений, влаги и агрессивных сред. Выполняется из полиэтилена (ПЭ) высокой плотности, поливинилхлорида (ПВХ) или, для особых условий, из полимера, не распространяющего горение (ПВХ-Пнг). Для кабелей с продольной герметизацией под оболочкой может накладываться алюмополимерная лента.
• Броня (при наличии): Для кабелей, прокладываемых в земле (траншеях) при наличии риска механических повреждений, поверх оболочки может накладываться броня из стальных оцинкованных лент или проволок. Поверх брони накладывается защитный шланг из ПЭ или ПВХ.

Сравнительная таблица характеристик изоляционных материалов

Параметр	Сшитый полиэтилен (XLPE)	Поливинилхлорид (ПВХ)
Максимальная рабочая температура жилы, °C	90	70
Температура при КЗ (кратковременно), °C	250	160
Диэлектрическая проницаемость (ε)	~2.3	~6-8
tg δ (тангенс угла диэлектрических потерь)	0.0005 — 0.001	0.05 — 0.1
Стойкость к влаге и трекингу	Высокая	Средняя
Гибкость при низких температурах	Снижается	Низкая (пластификаторы мигрируют)
Основная область применения в магистральных сетях	6-500 кВ	До 1-6 кВ (ограниченно)

Ключевые стандарты и обозначения

Производство и испытания кабелей регламентируются национальными и международными стандартами.

• ГОСТ 31996-2012: Кабели силовые с пластмассовой изоляцией на номинальное напряжение 1, 3 и 6 кВ. Основной стандарт для среднего напряжения в РФ.
• ГОСТ Р 53769-2010 (МЭК 60502-2:2005): Кабели на номинальное напряжение от 6 кВ до 30 кВ.
• ГОСТ Р МЭК 60840-2012: Кабели на номинальное напряжение от 30 кВ до 150 кВ.
• ГОСТ Р МЭК 62067-2012: Кабели на номинальное напряжение выше 150 кВ.
• МЭК 60502, МЭК 60840, МЭК 62067: Международные стандарты серии.

Пример расшифровки марки АПвПу 1х500/70-110:

• А – алюминиевая жила
• Пв – изоляция из сшитого полиэтилена
• П – оболочка из полиэтилена
• у – усиленная конструкция (с броней)
• 1х500/70 – одна жила сечением 500 мм² с сечением экрана 70 мм²
• 110 – номинальное напряжение 110 кВ

Области применения и особенности прокладки

Магистральные кабели в пластмассовой изоляции применяются в сетях переменного тока частотой 50 Гц с изолированной, компенсированной или эффективно заземленной нейтралью.

Основные способы прокладки:

• В кабельных сооружениях: Тоннели, коллекторы, эстакады, галереи. Для этого применяются кабели в негорючей оболочке (ПвПнг(А)-HF).
• В земле (траншее): Наиболее распространенный способ. Используются бронированные кабели (АПвБбШп, АПвПу). Требуется подготовка песчаной подушки, защита кирпичом или плитами, наличие сигнальной ленты.
• Бестраншейные методы: Горизонтальное бурение (ГНБ) – требует кабелей с гладкой и прочной наружной оболочкой, стойкой к растяжению.
• По конструкциям: По мостам, путепроводам – с учетом температурных деформаций и вибраций.

Преимущества и недостатки по сравнению с кабелями с бумажно-масляной изоляцией (БМИ)

Преимущества СПЭ-кабелей:

• Более высокая допустимая температура жилы (90°C против 70-80°C).
• Отсутствие необходимости в сложных системах подпитки маслом и ограничениях по перепаду высот.
• Меньший вес и наружный диаметр при одинаковом напряжении и сечении.
• Простота монтажа и соединения (хотя и требующая высокой культуры работ).
• Более высокая стойкость к динамическим нагрузкам.
• Экологическая безопасность (отсутствие масла).

Недостатки/особенности СПЭ-кабелей:

• Высокая чувствительность к частичным разрядам в случае дефектов монтажа (заусенцы, неправильная разделка).
• Чувствительность к дендритному росту («водные деревья») в кабелях старых конструкций. Современные материалы (сшитый полиэтилен с добавками) минимизируют этот риск.
• Более высокая стоимость на единицу длины, однако общая экономическая эффективность проекта часто выше из-за снижения затрат на монтаж и обслуживание.

Контроль качества и диагностика

Для обеспечения надежности магистральных линий проводятся:

• Приемо-сдаточные испытания: Измерение сопротивления изоляции, испытание повышенным напряжением постоянного тока (для кабелей до 35 кВ) или переменным напряжением очень низкой частоты (0.1 Гц).
• Эксплуатационная диагностика:
  • Измерение сопротивления изоляции.
  • Испытание выпрямленным напряжением.
  • Мониторинг частичных разрядов (ЧР) – наиболее информативный метод для оценки состояния СПЭ-изоляции.
  • Диагностика по спектру возвратного напряжения (метод PDC/FDS) для оценки степени увлажнения.
  • Тепловизионный контроль мест соединений и терминалов.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем принципиально отличается кабель АПвП от АПвПу?

Кабель АПвП имеет стандартную конструкцию с полиэтиленовой оболочкой и, как правило, без брони, предназначен для прокладки в кабельных сооружениях, где нет риска механических повреждений. Кабель АПвПу имеет усиленную конструкцию: «у» означает наличие брони (обычно из стальных оцинкованных проволок или лент) и защитного шланга поверх нее. Он предназначен для прокладки в земле (траншее).

Почему для магистральных сетей 110 кВ и выше почти всегда используют одножильные кабели, а не трехжильные?

Использование трех отдельных одножильных кабелей на высокие напряжения обусловлено технологическими и эксплуатационными причинами: меньший вес и диаметр единичного кабеля, что облегчает транспортировку и монтаж; лучший теплоотвод; меньшие потери в металлической оболочке (при правильной схеме прокладки и перекресте); упрощение производства и ремонта. Трехжильные кабели на 110 кВ существуют, но они крайне громоздки и сложны в изготовлении и монтаже.

Каковы основные риски при монтаже концевых муфт на СПЭ-кабели?

Основные риски: загрязнение или увлажнение поверхности изоляции жилы, оставление заусенцев на полупроводящих экранах после их зачистки, неправильная геометрическая центровка элементов муфты, неполная усадка термоусаживаемых элементов или некачественная опрессовка контактных соединений. Любой из этих дефектов приводит к локальной концентрации электрического поля, возникновению частичных разрядов и последующему пробою.

Что такое «водные деревья» и актуальна ли эта проблема для современных кабелей?

«Водные деревья» – это микроскопические древовидные каналы, образующиеся в полиэтиленовой изоляции под действием электрического поля и присутствия влаги. Они постепенно снижают электрическую прочность изоляции. Для кабелей, произведенных в 70-90-х годах, это была серьезная проблема. Современные кабели изготавливаются из сшитого полиэтилена с специальными добавками-стабилизаторами, а также используют экраны с герметизирующими свойствами (например, на основе алюмополимерных лент), что практически исключает проникновение влаги и образование «водных деревьев».

Как выбрать сечение магистрального кабеля?

Выбор сечения осуществляется в соответствии с ПУЭ (Глава 1.3) и involves расчет по следующим критериям в порядке приоритета:

1. По допустимому длительному току нагрузки (нагреву).
2. По потере напряжения (для сетей до 35 кВ).
3. По экономической плотности тока (для сетей выше 35 кВ и протяженных линий).
4. По термической стойкости к токам короткого замыкания.
5. По условиям срабатывания защит (для сетей с глухозаземленной нейтралью).

Расчет должен учитывать способ прокладки, температуру окружающей среды, количество кабелей в траншее и их взаимное расположение.

Каков срок службы качественного магистрального СПЭ-кабеля и от чего он зависит?

Номинальный срок службы, заявленный производителями и стандартами, составляет 30-40 лет. Фактический срок эксплуатации зависит от:

• Соблюдения условий прокладки и монтажа (качество муфт, отсутствие механических повреждений).
• Режима работы (непревышение токовых нагрузок, отсутствие частых перегрузок).
• Качества обслуживания и своевременности диагностики.
• Внешних воздействий (коррозия оболочки, повреждения при сторонних работах, вибрации).

При правильной эксплуатации ресурс кабеля может значительно превышать номинальный.