Силовые кабели среднего и высокого напряжения

Силовые кабели среднего (СН) и высокого напряжения (ВН) представляют собой сложные инженерные конструкции, предназначенные для передачи больших мощностей на значительные расстояния в условиях, где использование воздушных линий электропередачи (ЛЭП) невозможно или нецелесообразно. Они являются ключевым элементом городской инфраструктуры, промышленных предприятий и магистральных энергетических связей.

1. Классификация и области применения

Классификация по номинальному напряжению (междуфазному):

• Среднее напряжение (СН): от 6 кВ до 35 кВ
• Высокое напряжение (ВН): от 110 кВ до 220 кВ
• Сверхвысокое напряжение (СВН): от 330 кВ и выше

Основные области применения:

• Городские распределительные сети: Подземная и кабельная прокладка от распределительных подстанций (РП) к трансформаторным подстанциям (ТП) и крупным потребителям.
• Промышленные предприятия: Питание мощных электродвигателей, печей, производственных линий.
• Магистральные соединения: Передача энергии между подстанциями, подводные переходы, пересечения сложных географических объектов.
• Объекты инфраструктуры: Аэропорты, вокзалы, метрополитен, больницы.

2. Конструкция кабеля: Многослойная защита

Конструкция кабеля СН и ВН — это сложный «бутерброд» из специальных материалов, каждый из которых выполняет критически важную функцию.

1. Токопроводящая жила

• Материал: Медь (высокая проводимость, стойкость к коррозии) или Алюминий (легче, дешевле).
• Строение: Как правило, сегментная (секторная) форма для компактности в многожильных кабелях или круглая. Многопроволочная для обеспечения гибкости.

2. Внутренний полупроводящий экран

• Назначение: Ключевой элемент для кабелей на 6 кВ и выше. Выравнивает электрическое поле вокруг жилы, предотвращая локальные перенапряжения и пробой изоляции. Без него у жилы с шероховатой поверхностью напряженность поля была бы неравномерной.
• Материал: Полупроводящей сшитый полиэтилен или специальная полупроводящая лента.

3. Изоляция
Это сердце кабеля, определяющее его рабочее напряжение и долговечность.

• Сшитый полиэтилен (СПЭ/XLPE):
  • Современный стандарт. Полиэтилен подвергается «сшивке» молекул под высоким давлением и температурой.
  • Преимущества:
    • Высокая термостойкость (допустимая температура жилы до +90°C).
    • Отличные диэлектрические свойства.
    • Высокая стойкость к току короткого замыкания (до +250°C).
    • Меньший вес и диаметр по сравнению с бумажной изоляцией.
    • Простота монтажа и соединения.
• Бумажная пропитанная изоляция (Маслонаполненные кабели):
  • Классическая технология, еще встречается.
  • Конструкция: Рулонная бумажная лента, пропитанная вязким минеральным маслом.
  • Недостатки: Сложность монтажа, необходимость в системах подпитки маслом, ограничения по прокладке на вертикальных участках, экологические риски.

4. Внешний полупроводящий экран

• Назначение: Аналогично внутреннему экрану — выравнивает электрическое поле с внешней стороны изоляции.

5. Экран (металлическая оболочка)

• Назначение:
  • Защита от внешних электромагнитных помех.
  • Создание симметричного электрического поля.
  • Замыкание тока короткого замыкания на землю.
  • Защита от механических повреждений (частично).
• Материал: Медная или алюминиевая лента, гофрированная медная оболочка или медные проволоки.

6. Защитные покровы

• Поясная изоляция: Подушка под броней.
• Броня: Защита от механических повреждений, растяжения, грызунов.
  • Стальные оцинкованные ленты (Б): Защита от сдавливания.
  • Стальные оцинкованные проволоки (К): Защита от растяжения (для подводных кабелей, крутых склонов).
• Наружная оболочка: Защита брони от коррозии и всего кабеля от влаги, химикатов, УФ-излучения. Материал — ПВХ (поливинилхлорид) или ПЭ (полиэтилен).

3. Основные марки кабелей

С изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ):

• ПвП: С изоляцией из сшитого полиэтилена, в полиэтиленовой оболочке.
• ПвПу: То же, но с усиленной защитой (броня).
• ПвБбШв: С изоляцией из сшитого полиэтилена, с броней из стальных лент, в ПВХ шланге.
• АПвПу: Алюминиевая жила, с изоляцией из сшитого полиэтилена, с усиленной защитой.

С бумажной пропитанной изоляцией (устаревающие):

• СБ: С бумажной изоляцией, в свинцовой оболочке, с броней.
• АСБ: Алюминиевая жила, с бумажной изоляцией, в свинцовой оболочке, с броней.
• МНС: Маслонаполненный кабель низкого давления.

4. Ключевые технические характеристики

• Номинальное напряжение (U₀/U):
  • U₀ — напряжение между жилой и землей.
  • U — напряжение между жилами.
  • Пример: 6/10 кВ, 64/110 кВ.
• Допустимый длительный ток нагрузки: Определяет максимальный ток, который кабель может передавать без перегрева.
• Ток короткого замыкания: Максимальный ток, который кабель может выдержать в течение нескольких секунд.
• Емкость и индуктивность: Влияют на параметры передаваемой энергии и должны учитываться в расчетах релейной защиты.

5. Особенности монтажа и соединения

Монтаж кабелей СН и ВН — это высокотехнологичный процесс, требующий специального оборудования и квалификации.

1. Прокладка:
   • В земле (траншеях): Требует песчаной подушки, защиты сигнальной лентой и кирпичом.
   • В кабельных сооружениях: Туннели, коллекторы, эстакады, этажи.
   • Бестраншейные методы: Горизонтальное бурение (ГНБ).
2. Соединение и оконцевание:
   • Соединительные муфты: Для соединения двух отрезков кабеля. Восстанавливают целостность всех слоев: электрического поля, изоляции, экрана, брони.
   • Концевые муфты (концевики): Для подключения кабеля к оборудованию (ячейке КРУ, трансформатору). Обеспечивают плавный вывод электрического поля и герметичный ввод.
   • Технологии: Используются термоусаживаемые или холодноусаживаемые муфты. Процесс требует безупречной чистоты и точного соблюдения технологии.
3. Испытания после монтажа:
   • Измерение сопротивления изоляции (мегаомметром).
   • Испытание повышенным напряжением постоянного тока.
   • Измерение коэффициента абсорбции и тангенса угла диэлектрических потерь (tg δ) для оценки состояния изоляции.

6. Тенденции и будущее

• Повышение рабочих напряжений: Разработка кабелей на 500 кВ и выше для магистральных подземных переходов.
• Снижение потерь: Использование сверхпроводящих кабелей, работающих при криогенных температурах.
• Диагностика в реальном времени: Встраивание в конструкцию волоконно-оптических датчиков для мониторинга температуры, деформации и частичных разрядов по всей длине кабеля (системы DTS/DAS).
• Экологичность: Разработка биоразлагаемых изоляционных материалов и отказ от материалов, выделяющих токсичные газы при горении.

Заключение

Силовые кабели среднего и высокого напряжения — это высокотехнологичная продукция, от надежности которой зависит устойчивость всей энергосистемы. Переход на изоляцию из сшитого полиэтилена (СПЭ) стал ключевым технологическим прорывом, обеспечившим повышение надежности, упрощение монтажа и снижение эксплуатационных затрат.

Правильный выбор кабеля, основанный на точном расчете параметров сети, и качественный монтаж с использованием сертифицированных материалов и технологий являются залогом долговечной и безаварийной работы кабельной линии на протяжении десятилетий.