Кабель ПвПу 1-х жильный 20 кВ: полный технический анализ
Кабель ПвПу 1х жильный на напряжение 20 кВ представляет собой силовой кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ), предназначенный для передачи и распределения электрической энергии в стационарных установках на переменное напряжение частотой 50 Гц. Аббревиатура расшифровывается следующим образом: П – изоляция из силанольносшитого полиэтилена, в – оболочка из поливинилхлоридного пластиката (ПВХ), Пу – усиленная защитная оболочка (броня) из стальных оцинкованных плоских проволок. Конструкция кабеля оптимизирована для работы в сетях среднего класса напряжения 20 кВ и обеспечивает высокую надежность, механическую прочность и долговечность.
Конструкция кабеля ПвПу 20 кВ
Конструкция кабеля является многослойной, каждый слой выполняет строго определенную функцию. Рассмотрим ее детально, начиная от центра.
1. Токопроводящая жила
Жила однопроволочная (монолитная) или многопроволочная, изготавливается из меди или алюминия. Для сечений от 50 мм² и выше, как правило, применяется многопроволочная конструкция для обеспечения необходимой гибкости. Жила соответствует классу 1 или 2 по ГОСТ 22483. Поверхность жилы гладкая, без заусенцев, для предотвращения локальных концентраций электрического поля и повреждения изоляции.
2. Экран на жиле (полупроводящей экран)
Поверх токопроводящей жилы методом экструзии наносится слой полупроводящего сшитого полиэтилена. Его ключевая функция – выравнивание электрического поля, устранение микроскопических воздушных включений между жилой и основной изоляцией, а также сглаживание неровностей поверхности жилы. Это предотвращает возникновение частичных разрядов – основного деградирующего фактора для полимерной изоляции.
3. Основная изоляция
Выполнена из силанольносшитого полиэтилена (П). Это термореактивный материал, который в процессе производства подвергается поперечной сшивке молекул под воздействием высокой температуры, пара и давления. В результате он приобретает стабильные свойства: высокую электрическую прочность (не менее 25-30 кВ/мм), отличные диэлектрические характеристики, стойкость к тепловому старению и перегрузкам. Рабочая температура жилы составляет +90°C, допустимая температура при коротком замыкании +250°C (продолжительность до 5 секунд). Толщина изоляции строго нормирована стандартами (например, ГОСТ 15150).
4. Экран на изоляции (полупроводящей слой)
Внешний слой полупроводящего СПЭ, нанесенный поверх основной изоляции. Замыкает силовые линии электрического поля внутри изоляционного слоя. Вместе с экраном на жиле образует коаксиальную систему, обеспечивающую радиальное распределение электрического поля.
5. Поясная изоляция
Выполняется в виде обмотки из полупроводящей бумаги или полимерной ленты. Ее задача – защитить экран на изоляции от механических повреждений при последующих операциях бронирования и обеспечить электрический контакт с металлическим экраном.
6. Металлический экран
Изготавливается в виде медной или алюминиевой ленты, наложенной продольно с перекрытием, или в виде оплетки из медных проволок. Основные функции:
- Защита от электромагнитных помех (экранирование).
- Обеспечение симметрии электрического поля вокруг жилы.
- Создание пути для тока короткого замыкания и тока утечки (защитная функция).
- В системах с эффективно заземленной нейтралью является проводником для тока однофазного замыкания на землю.
- Рабочее напряжение: 20 кВ (между фазой и землей для изолированной или компенсированной нейтрали) или 12 кВ (для сетей с эффективно заземленной нейтралью).
- Температура окружающей среды при прокладке: от -15°C до +40°C. Без предварительного подогрева прокладка допускается при температуре не ниже 0°C.
- Минимальный радиус изгиба при прокладке: 15 наружных диаметров кабеля для одножильных кабелей с броней из плоских проволок.
- Допустимая температура нагрева жилы: длительно +90°C, при коротком замыкании +250°C.
- Кабель не распространяет горение при одиночной прокладке.
- Перекрестное соединение экранов (брони): При прокладке в одну линию трех одножильных кабелей (по одному на фазу) для снижения потерь и нагрева от токов, наведенных в металлических оболочках, применяют перекрестную перестановку (транспозицию) кабелей с перемычками между экранами/броней через определенные участки (обычно длиной до 500 м). Это позволяет скомпенсировать магнитные поля и значительно снизить циркулирующие токи.
- Заземление: Концы металлического экрана и брони должны быть надежно заземлены. В конце линии экраны часто соединяют между собой и заземляют. В начале линии (на подстанции) заземление выполняется непосредственно или через устройства защиты (ограничители напряжения).
- Соединение и оконцевание: Для соединения жил применяют муфты соединительные стопорные (МСС), для подключения к оборудованию – концевые муфты (КНТп) или термоусаживаемые оконцеватели. Все работы должны выполняться квалифицированным персоналом с использованием специального инструмента и строгим соблюдением технологии очистки, полупроводящих и изоляционных слоев.
- Прокладка: При прокладке в траншеях необходимо обеспечить песчаную подушку толщиной не менее 100 мм и защиту сверху кирпичом или сигнальной лентой. Расстояние между параллельно проложенными кабелями должно быть не менее 100 мм для обеспечения теплоотвода.
- ПвПу vs АПвПу: Буква «А» в начале обозначает алюминиевую жилу. АПвПу – более экономичный вариант при сопоставимых электрических характеристиках на длинных линиях. Медный кабель (ПвПу) имеет меньшее сечение при том же допустимом токе, более гибок и стоек к механическим растягивающим нагрузкам, но существенно дороже.
- ПвПу vs ПвБШв: Кабель ПвБШв имеет броню из стальных оцинкованных лент (Б) и защитный шланг из ПВХ (Шв). Броня из лент хуже воспринимает растягивающие нагрузки, но обеспечивает лучшую защиту от механических повреждений и дешевле в производстве. ПвПу с броней из плоских проволок рекомендуется для прокладки в грунтах с риском смещений и растягивающих усилий.
- ПвПу vs СБл-Шв: Кабель СБл-Шв – это кабель со свинцовой оболочкой и бумажно-масляной изоляцией, пропитанной нестекающим составом. Он исторически предшествовал СПЭ-кабелям. ПвПу значительно легче, не требует сложных концевых муфт с вертикальным градиентом, допускает большие перепады по трассе, не имеет риска утечки пропиточного состава. СПЭ-кабель вытеснил бумажно-масляные аналоги в большинстве новых проектов.
- Определение длительно допустимого тока нагрузки.
- Проверку по потере напряжения (для длинных линий).
- Проверку на термическую стойкость при токах короткого замыкания.
- Учет способа прокладки (в земле, воздухе, каналах), температуры окружающей среды, количества параллельно проложенных кабелей и их взаимного расположения.
Сечение металлического экрана нормируется в зависимости от сечения основной жилы и условий эксплуатации.
7. Заполнитель и подушка под броню
Пространство между металлическим экраном и броней заполняется ПВХ-поясами или нитями для придания кабелю круглой формы и механической стабильности. Подушка под броню (в обозначении кабеля – вторая буква «п» в «Пу») выполняется из битумизированных или ПВХ-лент. Она защищает внутренние элементы кабеля от коррозии и механического воздействия стальной брони.
8. Броня (Пу)
Выполнена из стальных оцинкованных плоских проволок, наложенных по спирали с заданным шагом. Назначение брони – защита кабеля от механических повреждений (растягивающих усилий, ударов, проколов) при прокладке в земле (траншеях), в том числе в условиях с повышенной активностью грызунов. Плоская форма проволок обеспечивает более плотное прилегание и создает практически гладкую поверхность.
9. Наружная оболочка (в)
Внешний защитный слой из поливинилхлоридного пластиката (ПВХ). Оболочка маркируется с указанием номинального напряжения, сечения, производителя и года изготовления. Функции: защита брони от коррозии, общая механическая и химическая защита всей конструкции кабеля, обеспечение необходимых показателей пожарной безопасности (не распространяет горение при одиночной прокладке).
Область применения и условия эксплуатации
Кабель ПвПу 1х20 кВ предназначен для прокладки в земле (траншеях), кабельных каналах, тоннелях, коллекторах, шахтах, а также в помещениях и на открытом воздухе при условии защиты от прямого солнечного излучения. Бронирование делает его основным выбором для прокладки в грунтах всех категорий, включая грунты с повышенной коррозионной активностью и с наличием блуждающих токов. Кабель применяется для создания питающих линий от подстанций к городским распределительным пунктам, для электроснабжения крупных промышленных предприятий, жилых микрорайонов, объектов инфраструктуры.
Условия эксплуатации:
Технические характеристики и параметры
Ключевые параметры кабеля ПвПу 1х20 кВ регламентируются ГОСТ Р 53769-2010 (кабели на напряжение 10, 20 и 35 кВ) и ТУ производителя.
Таблица 1. Основные электрические характеристики изоляции
| Параметр | Значение | Условия испытания |
|---|---|---|
| Электрическое сопротивление изоляции | Не менее 1000 МОм*км | При +20°C |
| Испытательное переменное напряжение частотой 50 Гц | 50 кВ | Продолжительность 10 мин. |
| Импульсное испытательное напряжение | 125 кВ | Полярность +/- |
| Тангенс угла диэлектрических потерь (tg δ) | Не более 8*10-4 | При температуре +90-95°C |
Таблица 2. Примерный весо-габаритный справочник (алюминиевая жила)
| Сечение жилы, мм² | Наружный диаметр, мм | Масса 1 км кабеля, кг | Допустимый длительный ток, А* |
|---|---|---|---|
| 50 | 40-45 | 2200-2500 | 205 |
| 95 | 45-50 | 2900-3300 | 305 |
| 150 | 50-55 | 3700-4200 | 390 |
| 240 | 55-62 | 5100-5800 | 500 |
| 300 | 60-67 | 6100-6900 | 570 |
Значения тока приведены ориентировочно для прокладки в земле (траншее) при температуре грунта +20°C, глубине прокладки 0.7-1.0 м и удельном тепловом сопротивлении грунта 1.0 Км/Вт. Точный расчет ведется по методике ПУЭ 7 изд., гл. 1.3.
Особенности монтажа и соединения
Монтаж одножильных кабелей 20 кВ имеет критически важные особенности, связанные с наличием индуцированных токов в металлических элементах (броне, экране).
Сравнение с аналогами и выбор
Кабель ПвПу является одним из представителей семейства кабелей с СПЭ-изоляцией. Сравним его с ключевыми аналогами.
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
1. Почему для одножильного кабеля 20 кВ так важна перестановка экранов?
В трехфазной линии, состоящей из трех одножильных кабелей, расположенных рядом, вокруг каждого кабеля возникает переменное магнитное поле от тока фазы. Это поле наводит в металлических экранах и броне соседних кабелей ЭДС, которая при заземлении обоих концов создает циркулирующий ток. Этот ток приводит к дополнительным потерям мощности и перегреву кабеля, снижая его пропускную способность на 20-40%. Перекрестное соединение экранов (транспозиция) позволяет сбалансировать магнитные поля и минимизировать эти токи.
2. Можно ли прокладывать кабель ПвПу в воде?
Кабель ПвПу не предназначен для длительной прокладки непосредственно в воде. Хотя изоляция СПЭ и оболочка ПВХ сами по себе влагостойки, конструкция кабеля не является герметизированной. При длительном нахождении под водой влага может мигрировать по заполнителю и достичь токопроводящей жилы, что приведет к выходу кабеля из строя. Для прокладки в водоемах или в условиях постоянной высокой влажности грунта следует применять кабели с алюмополимерной или свинцовой герметизирующей оболочкой (например, ПвПуг).
3. Как определить необходимое сечение жилы для проекта?
Выбор сечения является результатом комплексного расчета, включающего:
Базовые данные берутся из таблиц ПУЭ (Глава 1.3), но для ответственных проектов рекомендуется выполнять детальный теплотехнический расчет с использованием специализированного ПО.
4. В чем разница между кабелями на 10 кВ и 20 кВ? Можно ли использовать кабель 10 кВ в сети 20 кВ?
Ключевое отличие – толщина основного слоя изоляции из сшитого полиэтилена. Для кабеля на 20 кВ она примерно на 30-40% больше, чем для кабеля на 10 кВ (например, 5.5 мм против 8.0 мм для сечения 240 мм²). Использование кабеля, рассчитанного на 10 кВ, в сети 20 кВ категорически запрещено. Электрическая прочность его изоляции будет недостаточной, что приведет к пробою и аварии в кратчайшие сроки. Номинальное напряжение кабеля всегда должно быть равно или превышать напряжение сети.
5. Как маркируются концы кабеля при монтаже?
Одножильные кабели для трехфазной системы маркируются пофазно. Стандартная цветовая маркировка оболочки или установка маркеров: Фаза A – желтый цвет, Фаза B – зеленый цвет, Фаза C – красный цвет. На концевых муфтах также устанавливаются несъемные таблички с указанием номера линии, сечения, напряжения и назначения кабеля.
6. Каков срок службы кабеля ПвПу 20 кВ?
Номинальный срок службы, заявленный производителями и установленный стандартами, составляет не менее 30 лет. Фактический срок эксплуатации может превышать 40-50 лет при соблюдении условий прокладки, эксплуатации (непревышение температуры, отсутствие перегрузок) и при качественном выполнении монтажа соединительных и концевых муфт, которые часто являются самым слабым звеном системы.
Заключение
Кабель ПвПу 1-х жильный 20 кВ представляет собой современное, технологичное решение для создания надежных кабельных линий среднего напряжения. Его конструкция, сочетающая преимущества изоляции из сшитого полиэтилена (высокая электрическая прочность, стойкость к тепловым перегрузкам) и усиленной брони из плоских проволок (механическая защита), делает его оптимальным выбором для прокладки в сложных грунтовых условиях. Правильный выбор сечения, учет особенностей монтажа одножильных кабелей (перестановка экранов, заземление) и квалифицированное выполнение соединений являются обязательными условиями для долговечной и безаварийной работы линии на протяжении всего срока службы.