Кабели силовые 20 кВ

Кабели силовые на напряжение 20 кВ: конструкция, типы, применение и нормативная база

Силовые кабели на напряжение 20 кВ представляют собой ключевой элемент распределительных сетей среднего напряжения, связывающий подстанции 35-110/10(6) кВ с центрами питания городских районов, промышленных предприятий и крупных объектов. Рабочее напряжение 20 кВ (номинальное между фазами) соответствует классу напряжения 20 кВ по ГОСТ и широко используется в современных сетях как эффективная альтернатива устаревающему классу 6-10 кВ, позволяющая увеличить пропускную способность и снизить потери электроэнергии. Конструкция кабеля должна обеспечивать надежную и долговременную работу в условиях воздействия электрического поля высокой напряженности, механических нагрузок, внешних воздействий среды и возможных коротких замыканий.

Конструктивные элементы кабеля 20 кВ

Современный силовой кабель на 20 кВ представляет собой сложную многослойную систему. Основные элементы, начиная от центра:

• Токопроводящая жила: Изготавливается из алюминия (А) или меди (М). Сечение жилы выбирается по условию нагрева и экономической плотности тока (от 50 до 1000 мм² и более). Жилы могут быть однопроволочными (секторной или круглой формы) для сечений до 240-300 мм² или многопроволочными (круглыми) для больших сечений. Использование секторных жил позволяет оптимизировать диаметр кабеля.
• Экран по жиле (для кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена): Полупроводящей экструдированный слой, накладываемый непосредственно на жилу. Выравнивает электрическое поле, устраняя микронеровности поверхности жилы и предотвращая локальные концентрации напряженности.
• Изоляция: Основной барьер, определяющий электрическую прочность. В современных кабелях применяется два основных типа:
  • Сшитый полиэтилен (XLPE): Наиболее распространенный материал. Обладает высокой диэлектрической прочностью, стойкостью к нагреву (допустимая температура жилы +90°C в длительном режиме, до +250°C при КЗ), отличными механическими свойствами. Сшивка молекул (вулканизация) придает материалу стабильность при высоких температурах.
  • Бумажная пропитанная изоляция (МБП, БПИ): Используется в кабелях с вязкой пропиткой или маслонаполненных. Состоит из лент кабельной бумаги, пропитанных вязким составом. Требует герметичной оболочки для удержания пропитки. Допустимая температура жилы ниже (+70°C в длительном режиме).
• Экран по изоляции: Второй обязательный слой для кабелей с полимерной изоляцией. Также выполняется из полупроводящего материала. Вместе с экраном по жиле формирует коаксиальную систему, ограничивающую электрическое поле внутри изоляции. В кабелях с БПИ роль экрана выполняют проводящие бумажные ленты (экранирующие пояса).
• Поясная изоляция (в кабелях с БПИ): Дополнительный слой бумажных лент, накладываемый поверх скрученных изолированных жил.
• Заполнитель: Промежутки между скрученными изолированными жилами заполняются жгутами из ПВХ, полиэтилена или невулканизированной резины для придания кабелю круглой формы.
• Разделительный слой: Как правило, пояс из полимерных лент или обмотка, накладываемая поверх скрутки.
• Экран (броня) из медных проволок/лент: В кабелях на 20 кВ является обязательным элементом, выполняющим две функции: проведение тока нулевой последовательности (токов утечки, емкостных токов) в нормальном режиме и токов короткого замыкания в аварийном. Может выполняться в виде медной ленты, наложенной спирально, или оплетки из медных проволок. Для трехжильных кабелей сечение этого экрана нормируется (например, 25 или 35 мм²).
• Защитная оболочка: Внешний слой, защищающий внутренние элементы от влаги, химических веществ и механических повреждений. Наиболее распространены оболочки из поливинилхлоридного пластиката (ПВХ) для общей прокладки и полиэтилена (PE, HDPE) для повышенной стойкости к влаге и агрессивным средам. Для кабелей с БПИ обязательна герметичная оболочка из свинца (С), алюминия (А) или гофрированной алюминиевой ленты.
• Броня (для кабелей, требующих повышенной механической защиты): Выполняется из стальных оцинкованных лент (Бл) или проволок (Бн). Поверх брони накладывается защитный покров (например, битумный состав и обмотка из полимерных нитей) для защиты от коррозии.
• Наружный покров: Защитный шланг из ПВХ или полиэтилена, накладываемый поверх брони.

Основные типы кабелей 20 кВ и их маркировка

Тип кабеля определяется материалом жилы, изоляции, оболочки и наличием защитных покровов. Маркировка осуществляется буквами согласно ГОСТ и ТУ.

Таблица 1. Основные марки кабелей на напряжение 20 кВ и их расшифровка

Марка кабеля	Материал жилы	Материал изоляции	Материал оболочки / особенности	Типичная область применения
АПвП	Алюминий (А)	Сшитый полиэтилен (Пв)	Полиэтиленовая оболочка (П), небронированный	Прокладка в кабельных сооружениях, туннелях, каналах, где исключены механические повреждения.
АПвПу	Алюминий (А)	Сшитый полиэтилен (Пв)	Усиленная полиэтиленовая оболочка (Пу)	Прокладка в земле (траншеях) при отсутствии механических нагрузок, кроме растяжения.
АПвБбШп	Алюминий (А)	Сшитый полиэтилен (Пв)	Броня из стальных лент (Бб), защитный шланг из полиэтилена (Шп)	Прокладка в земле (траншеях) с возможностью механических воздействий. Наиболее распространенная марка для подземной прокладки.
ПвБбШп	Медь (отсутствие буквы «А»)	Сшитый полиэтилен (Пв)	Броня из стальных лент (Бб), защитный шланг из полиэтилена (Шп)	Аналогично АПвБбШп, но для объектов с повышенными требованиями к токовой нагрузке или при необходимости минимизации сечения.
ЦАСБл	Алюминий (А)	Бумажная пропитанная (Ц)	Свинцовая оболочка (С), броня из стальных лент (Бл)	Старая, но надежная конструкция для прокладки в земле, воде, агрессивных грунтах. Требует соблюдения перепадов уровней.
ААБл	Алюминий (А)	Бумажная пропитанная (А)	Алюминиевая оболочка (А), броня из стальных лент (Бл)	Альтернатива ЦАСБл с более легкой и стойкой к вибрации алюминиевой оболочкой.

Ключевые технические характеристики и выбор сечения

Выбор кабеля 20 кВ осуществляется на основе технико-экономического расчета, учитывающего следующие параметры:

• Допустимый длительный ток нагрузки (I_доп): Максимальный ток, который кабель может проводить в продолжительном режиме без превышения допустимой температуры жилы. Зависит от сечения, материала жилы, способа прокладки (в земле, воздухе, каналах), температуры окружающей среды и количества работающих рядом кабелей.
• Ток короткого замыкания (I_к.з.): Кабель должен выдерживать термическое воздействие тока КЗ в течение времени срабатывания защиты (обычно 0,5-1,0 с). Проверяется по условию: S ≥ I_к.з.
• √t / K, где S – сечение жилы (мм²), t – время отключения (с), K – коэффициент, зависящий от материала жилы (для меди ~141, для алюминия ~93).
• Потери напряжения (ΔU): Не должны превышать нормированных значений (обычно ±5% от номинального) в конце линии. Рассчитывается по формуле с учетом активного и индуктивного сопротивлений кабеля, длины и коэффициента мощности нагрузки.
• Емкостной ток (I_c): Для кабельных линий 20 кВ емкостные токи значительны (порядка нескольких ампер на километр). Их величина учитывается при выборе уставок защит от замыканий на землю и необходимости установки дугогасящих реакторов в сетях с изолированной нейтралью.

Таблица 2. Примерные значения допустимых токов нагрузки для трехжильных кабелей 20 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена (XLPE), проложенных в земле (глубина 0,7 м, температура грунта +15°C, тепловое сопротивление 1,0 К·м/Вт)

Сечение жилы, мм²	Алюминиевая жила (АПвБбШп), А	Медная жила (ПвБбШп), А
3×50	175	220
3×95	240	300
3×150	295	365
3×240	365	450
3×400	460	570

Примечание: Точные значения необходимо брать из актуальных справочников или расчетных программ, учитывая все поправочные коэффициенты.

Особенности монтажа и эксплуатации

Монтаж кабелей 20 кВ требует соблюдения строгих правил для обеспечения долговечности и надежности.

• Прокладка в земле (траншеях): Глубина прокладки не менее 0,7 м до верха кабеля. На дно траншеи устраивается песчаная подушка (10 см). Кабель укладывается «змейкой» для компенсации температурных деформаций. Сверху засыпается слоем песка, затем укладывается сигнальная лента и производится обратная засыпка грунтом. При пересечении с коммуникациями или дорогами кабель защищается футлярами (трубами). Расстояние между параллельно проложенными кабелями должно быть не менее 100 мм для обеспечения теплоотвода.
• Прокладка в кабельных сооружениях: Кабели крепятся на лотках, в коробах или по конструкциям. Небронированные кабели (АПвП) должны прокладываться в лотках или трубах. Необходимо соблюдать требования пожарной безопасности: использование кабелей с индексом «нг(А)-LS» (не распространяющие горение, с пониженным дымовыделением и газовыделением).
• Монтаж муфт и концевых заделок: Критически важная операция. Для кабелей с изоляцией XLPE применяются термоусаживаемые или холодноусаживаемые муфты. Поверхность изоляции и экрана должна быть тщательно зачищена и обезжирена. Необходимо обеспечить герметичность соединения и качественный электрический контакт экранов. Для кабелей с БПИ используются свинцовые или эпоксидные муфты.
• Испытания после монтажа: Перед вводом в эксплуатацию кабельная линия подвергается высоковольтным испытаниям постоянным напряжением. Для кабелей 20 кВ испытательное напряжение составляет 65-70 кВ (для XLPE) в течение 10 минут. Также измеряется сопротивление изоляции мегаомметром на 2500 В.

Нормативная документация

Проектирование, производство, монтаж и эксплуатация кабелей 20 кВ регламентируются следующими основными документами:

• ГОСТ 31996-2012 «Кабели силовые с пластмассовой изоляцией на номинальное напряжение 0,66; 1 и 3 кВ» (распространяется и на кабели до 35 кВ включительно).
• ГОСТ 18410-73 «Кабели силовые с бумажной пропитанной изоляцией».
• СП 76.13330.2016 «Электротехнические устройства» (актуализированная редакция СНиП 3.05.06-85).
• ПУЭ 7-е издание (Главы 2.3, 2.5).
• ПТЭЭП «Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей».
• РД 153-34.0-20.527-98 «Руководство по испытаниям электрооборудования и аппаратов электроустановок Потребителей».

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

В чем основное отличие кабелей с изоляцией XLPE от кабелей с бумажно-пропитанной изоляцией (БПИ) для напряжения 20 кВ?

Кабели с изоляцией XLPE имеют более высокую допустимую температуру жилы (+90°C против +70°C), меньший вес и радиус изгиба, не требуют ограничений по перепадам уровней при прокладке, так как не содержат текучей пропитки. Они проще в монтаже и обслуживании. Кабели с БПИ, как правило, дешевле на больших сечениях, обладают большей стойкостью к длительному воздействию воды при повреждении оболочки, но требуют сложных концевых заделок и герметичных муфт.

Как правильно выбрать сечение кабеля 20 кВ для питания трансформаторной подстанции 2х1000 кВА?

Расчет ведется по допустимому току нагрузки. Полная мощность подстанции: S = 2 1000 = 2000 кВА. Расчетный ток: I = S / (√3 U) = 2 000 000 / (1.732

• 20000) ≈ 57.7 А. С учетом возможной перегрузки трансформаторов и развития сети выбирается кабель с I_доп не менее 70-80 А. По таблице 2 подходит кабель с алюминиевой жилой 3х50 мм² (I_доп=175 А) или даже 3х35 мм² (если он есть в сортаменте). Однако обязательна проверка по потерям напряжения (особенно при длине линии более 1-2 км) и по току короткого замыкания.

Обязательно ли использовать кабель с медным экраном/броней?

Да, для кабелей на напряжение 20 кВ это требование ПУЭ. Медный экран (в виде оплетки, ленты или проволок) необходим для проведения токов утечки и, главное, токов короткого замыкания на землю. Его минимальное сечение нормируется (например, 16, 25 или 35 мм² в зависимости от сечения основной жилы) и должно быть указано в проекте. Стальная броня не является проводником для этих целей и служит только для механической защиты.

Можно ли прокладывать кабель АПвБбШп 20 кВ в воздухе (по фасаду, эстакаде)?

Да, можно. Однако при этом изменяются условия теплоотвода. Допустимый ток нагрузки для прокладки на воздухе будет отличаться от значений для прокладки в земле (может быть как выше, так и ниже в зависимости от солнечной радиации и расположения). Необходимо применять справочные данные именно для прокладки на воздухе. Также важно обеспечить защиту от прямых солнечных лучей (например, прокладка в коробах) и надежное крепление.

Как часто и какими методами необходимо проводить диагностику проложенных кабельных линий 20 кВ?

Согласно нормам, кабельные линии должны проходить периодический контроль и испытания. Измерение сопротивления изоляции мегаомметром проводится не реже 1 раза в 3 года. Испытание повышенным постоянным напряжением (65-70 кВ) проводится после монтажа и ремонта, а в дальнейшем – по графику, но обычно не реже 1 раза в 5 лет. Современными методами диагностики состояния изоляции XLPE являются измерения частичных разрядов (ЧР) и тангенса угла диэлектрических потерь (tg δ), которые позволяют оценить старение изоляции и выявить дефекты на ранней стадии.