К

Кабели силовые с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ) на напряжение до 35 кВ: конструкция, типы, применение и монтаж

Кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ, англ. XLPE) представляют собой современный класс кабельной продукции, предназначенный для передачи и распределения электрической энергии в стационарных установках на переменное напряжение 1, 6, 10, 20 и 35 кВ частотой 50 Гц. Они пришли на смену кабелям с бумажно-пропитанной изоляцией и в большинстве сегментов вытесняют кабели с изоляцией из ПВХ и этиленпропиленовой резины (ЭПР) благодаря комплексу эксплуатационных преимуществ.

Технология производства и сущность «сшивки»

Основой кабеля является изоляция из сшитого полиэтилена. Исходный материал – полиэтилен высокой плотности (ПЭВП) – подвергается процессу «сшивки» (вулканизации), в ходе которого линейные молекулы полимера под воздействием химических добавок (пероксидов) или потока электронов (радиационный способ) соединяются между собой поперечными связями. Это формирует трехмерную сетчатую структуру. В результате кардинально меняются свойства материала:

• Повышается теплостойкость: с 70-75°C (для ПЭВП) до 90°C для длительно допустимой температуры жилы и до 250°C в режиме короткого замыкания.
• Увеличивается стойкость к механическим нагрузкам и растрескиванию.
• Повышается стойкость к воздействию химических реагентов.
• Снижается вероятность миграции примесей и образования водных деревьев (при использовании специальных композиций).

Конструкция силового кабеля с изоляцией из СПЭ

Конструкция кабеля является многослойной, каждый слой выполняет строго определенную функцию.

1. Токопроводящая жила

Изготавливается из медной или алюминиевой проволоки. Может быть однопроволочной (секторной или круглой) для сечений до 240 мм² или многопроволочной (круглой или секторной) для больших сечений. Класс гибкости – 1 или 2 по ГОСТ 22483. Жилы могут быть как однополюсными (для одножильных кабелей), так и многополюсными (собранными в сердечник для трех-, четырех- и пятижильных кабелей).

2. Внутренний полупроводящий экран (экран на жиле)

Представляет собой слой сажистого полиэтилена, накладываемый экструзией поверх токопроводящей жилы. Его функция – выравнивание электрического поля, устранение микроскопических воздушных включений между жилой и изоляцией и предотвращение возникновения частичных разрядов (коронных разрядов), разрушающих изоляцию.

3. Изоляция из сшитого полиэтилена (СПЭ)

Основной диэлектрический слой. Толщина нормируется стандартами (ГОСТ, МЭК, ТУ) в зависимости от номинального напряжения кабеля. Должен быть однородным, без примесей и пустот. Для кабелей среднего напряжения (6-35 кВ) используется полиэтилен, стойкий к образованию водных деревьев (TR, Water Treeing Resistant).

4. Внешний полупроводящий экран (экран на изоляции)

Аналогичен внутреннему экрану. Накладывается поверх изоляции. Вместе с внутренним экраном создает идеально коаксиальную конструкцию, ограничивая электрическое поле строго внутри изоляционного слоя.

5. Металлический экран

Выполняет несколько ключевых функций: защита от внешних электромагнитных помех, замыкание на землю токов короткого замыкания (для чего должен иметь достаточное сечение), обеспечение симметрии электрического поля вокруг жил. Существует три основных типа:

• Экран из медных проволок: накладывается поверх внешнего полупроводящего экрана. Может быть дополнен медной лентой.
• Экран из медной гофрированной ленты: обеспечивает герметичность и защиту от влаги, часто используется в кабелях с алюминиевой оболочкой.
• Экран из алюминиевой ленты (фольги): применяется в основном в кабелях низкого напряжения (до 1 кВ) или как дополнительный экран.

6. Поясная изоляция (разделительный слой)

Изготавливается из полимерной ленты или экструдированного полиэтилена. Защищает металлический экран от контакта с внешней оболочкой.

7. Защитная оболочка

Внешний защитный слой из поливинилхлорида (ПВХ), полиэтилена (ПЭ) или безгалогенных композиций (LS, LH, ZH). Защищает кабель от механических повреждений, влаги, химических веществ и УФ-излучения. Цвет оболочки, как правило, черный, но может быть и другим согласно заказу.

Классификация и маркировка кабелей СПЭ

Кабели классифицируются по множеству признаков. Маркировка согласно ГОСТ 31565-2012 и ТУ включает в себя серию характеристик.

Пример маркировки: АПвВнг(А)-LS 1х240/35-1

• А – материал жилы (алюминий). Отсутствие буквы – медь.
• Пв – изоляция из сшитого полиэтилена.
• В – оболочка из ПВХ.
• нг(А) – не распространяющий горение по категории А (наибольшая стойкость при групповой прокладке).
• LS – Low Smoke, пониженное дымо- и газовыделение.
• 1х240/35 – одножильный кабель с сечением жилы 240 мм² на напряжение 35 кВ.
• -1 – класс жесткости жилы (однопроволочная).

Другие распространенные обозначения:

• ПвП – изоляция СПЭ, оболочка из полиэтилена.
• ПвПу – то же, но с усиленной оболочкой (для прокладки в земле без труб).
• -нг(А)-FRLS – огнестойкий кабель с низким дымовыделением (сохраняет работоспособность в условиях пожара заданное время).
• Г – гибкий (многопроволочная жила повышенной гибкости).

Сравнительная таблица характеристик кабелей СПЭ и кабелей с бумажной изоляцией

Параметр	Кабель СПЭ (XLPE)	Кабель с бумажно-пропитанной изоляцией
Макс. рабочая температура жилы	+90°C	+70°C (до 10 кВ), +65°C (20-35 кВ)
Токовая нагрузка	Выше на 20-30% при одинаковом сечении	Ниже
Допустимый нагрев при КЗ	+250°C	+200°C
Монтаж при низких температурах	До -20°C (без подогрева)	Требует подогрева уже при 0°C
Установка на вертикальных трассах	Без ограничений	Ограничения из-за стекания пропитки
Требования к трассе	Меньшие ограничения по разности уровней	Строгие ограничения
Обслуживание	Практически не требуется	Требует контроля уровня пропитки
Влияние влаги	Высокая стойкость (при целостности оболочки)	Критично, приводит к разрушению изоляции
Экологичность	Выше, нет масляной пропитки	Ниже, риск утечки пропитки

Области применения

• Распределительные сети 6-35 кВ: Основная сфера – воздушные (СИП) и кабельные линии электропередачи, вводы на территории промышленных предприятий, городов, поселков.
• Питание мощных потребителей: Трансформаторы, двигатели, генераторы на электростанциях и подстанциях.
• Промышленные предприятия: Прокладка в кабельных каналах, туннелях, по эстакадам, в цехах с агрессивной средой (при выборе соответствующей оболочки).
• Объекты инфраструктуры: Аэропорты, вокзалы, метрополитен, торговые центры (с обязательным применением исполнений «нг-LS» или «нг-FRLS»).
• Судостроение и offshore: Специальные кабели с повышенной стойкостью к влаге, маслам и вибрации.

Особенности монтажа и соединения

Монтаж кабелей СПЭ имеет специфические отличия от работы с кабелями старого типа.

1. Подготовка и разделка кабеля.

Требуется аккуратная ступенчатая разделка концов с использованием специального инструмента. Критически важно не оставлять заусенцев на полупроводящих экранах и не повредить основную изоляцию. Остатки внешнего полупроводящего экрана должны быть полностью удалены с изоляции для предотвращения поверхностных разрядов.

2. Монтаж концевых муфт и соединительных муфт.

Для кабелей СПЭ применяются муфты холодной усадки (на основе эластомеров, растягиваемых на спиральном держателе) или горячей усадки (из термоусаживаемых материалов). Технология включает:

• Очистку и обезжиривание изоляции.
• Точное наложение полупроводящих, изолирующих и экранирующих слоев согласно инструкции производителя муфты.
• Герметизацию места ввода кабеля и соединения жил.
• Для концевых муфт – обязательное заземление металлического экрана кабеля.

3. Заземление.

Металлические экраны кабелей на обоих концах должны быть надежно заземлены. В трехжильных кабелях экраны обычно соединяются и заземляются с двух сторон. В одножильных кабелях для предотвращения возникновения циркулирующих токов применяется схема «перекрестного» заземления (заземление только в одной точке, а на другом конце устанавливаются защитные ограничители напряжения или изолирующие муфты).

4. Испытания после монтажа.

Перед вводом в эксплуатацию кабельные линии подвергаются высоковольтным испытаниям постоянным напряжением (по ГОСТ 55186-2012, РД 153-34.0-20.518-2001). Для кабеля 10 кВ, например, испытательное напряжение составляет 40 кВ в течение 15 минут. Это выявляет возможные повреждения изоляции, допущенные при монтаже.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

В чем главное преимущество кабеля СПЭ перед кабелем с бумажной изоляцией?

Главное преимущество – более высокая допустимая рабочая температура (90°C против 70°C), что при прочих равных условиях позволяет пропускать больший ток или использовать кабель меньшего сечения. Второе ключевое преимущество – простота монтажа и отсутствие ограничений по трассе (перепады уровней, вертикальная прокладка).

Почему для кабелей СПЭ так важны полупроводящие экраны?

Полупроводящие экраны, плотно прилегающие к изоляции, формируют плавное радиальное электрическое поле, исключая концентрацию напряженности на неровностях жилы и на внешней поверхности изоляции. Без них неизбежны локальные перенапряжения и частичные разряды, приводящие к ускоренному старению и пробою изоляции.

Можно ли прокладывать кабель СПЭ непосредственно в земле (в траншее) без защиты?

Да, но только при использовании кабелей в оболочке из полиэтилена (марки ПвП, ПвПу) или с усиленной броней (например, с гофрированной стальной лентой – ПвБбШв). Кабели в ПВХ оболочке для прямой прокладки в земле не рекомендуются из-за более низкой стойкости ПВХ к механическим воздействиям и влаге в долгосрочной перспективе.

Что означает аббревиатура «FRLS» в маркировке?

FR – Fire Resistance (огнестойкость). Кабель сохраняет работоспособность в условиях пламени и высоких температур в течение заданного времени (обычно 60, 90, 120 или 180 минут). LS – Low Smoke (пониженное дымовыделение). Таким образом, кабель «нг(A)-FRLS» не распространяет горение при групповой прокладке, обладает пониженным дымовыделением и сохраняет целостность цепи при пожаре.

Как правильно выбрать сечение одножильного кабеля 10 кВ для тока 300 А?

Выбор сечения – комплексная задача, учитывающая не только длительно допустимый ток, но и условия прокладки (температура земли, удельное тепловое сопротивление грунта, близость других кабелей), потери напряжения, ток короткого замыкания. Для предварительной оценки можно использовать таблицы ПУЭ (Глава 1.3). Для меди при прокладке в земле (одиночный кабель) сечением, близким к 300 А, будет примерно 95-120 мм². Однако обязателен точный расчет по методике, указанной в ПУЭ и ГОСТ Р 50571.5.52-2011, с привлечением проектировщиков.

Что такое «водные деревья» и как с ними борются?

Водные деревья (water treeing) – это микроскопические древовидные каналы, образующиеся в полиэтиленовой изоляции под длительным воздействием электрического поля и влаги. Они постепенно снижают электрическую прочность изоляции. Борьба с ними ведется на уровне технологии производства: использование специальных полимерных композиций (XLPE TR), сверхчистого сырья, трехслойной совместной экструзии изоляции и экранов для исключения воздушных зазоров.

Каков срок службы кабеля СПЭ?

Заявленный производителями срок службы качественного кабеля СПЭ, соответствующий ГОСТ, при соблюдении условий эксплуатации (токовая нагрузка, температура, отсутствие механических повреждений) составляет не менее 30-40 лет. Фактический срок может быть больше и определяется условиями монтажа и эксплуатации.