Кабель подземный

Классификация подземных кабелей

Подземные кабели классифицируются по ряду ключевых параметров: назначение, род тока, номинальное напряжение, материал жил и изоляции, конструктивное исполнение.

1. По роду тока и номинальному напряжению:

• Кабели низкого напряжения (НН): До 1000 В. Применяются для распределения электроэнергии в жилых, коммерческих и промышленных зданиях, подключения уличного освещения.
• Кабели среднего напряжения (СН): От 6 кВ до 35 кВ. Используются в городских распределительных сетях, для питания крупных объектов, подключения трансформаторных подстанций.
• Кабели высокого напряжения (ВН): От 110 кВ и выше. Формируют магистральные линии электропередачи, связывают мощные электростанции и распределительные узлы.

2. По материалу токопроводящих жил:

• Медь: Обладает высокой электропроводностью, стойкостью к окислению, пластичностью. Недостатки — высокая стоимость и больший вес по сравнению с алюминием. Рекомендованы для ответственных объектов с высокими токовыми нагрузками.
• Алюминий: Имеет меньшую электропроводность и механическую прочность по сравнению с медью, склонен к ползучести и окислению. Преимущества — меньший вес и стоимость. Широко применяется в магистральных сетях.

3. По материалу изоляции:

• Сшитый полиэтилен (XLPE): Наиболее современный и распространенный материал. Обладает высокими диэлектрическими и механическими свойствами, термостойкостью (допустимая температура жилы до 90°C в нормальном режиме). Не подвержен водной эрозии.
• Поливинилхлорид (ПВХ): Применяется в основном для кабелей НН. Достоинства — гибкость, невысокая стоимость, устойчивость к химикатам. Недостатки — ограниченная термостойкость (до 70°C), выделение коррозионно-активных и токсичных газов при горении.
• Этиленпропиленовая каучуковая резина (EPR): Отличается исключительной гибкостью и стойкостью к повторным изгибам. Допускает нагрев жилы до 90°C. Часто используется для кабелей специального назначения, в том числе в шахтах, на судах.
• Бумажная изоляция, пропитанная вязким или нестекающим составом (МН): Классическая технология для кабелей СН и ВН. Требует полной герметизации от влаги. Преимущество — высокая электрическая прочность и надежность. Недостатки — сложность монтажа (необходимость концевых муфт с восстановлением изоляции), горючесть пропиточного состава.

4. По типу броневой защиты:

• Ленточная броня: Выполняется из стальных гофрированных или плоских лент. Защищает от механических повреждений при протягивании и от давления грунта после укладки.
• Проволочная броня: Выполняется из стальных оцинкованных проволок круглого или плоского сечения. Обеспечивает защиту от растягивающих усилий, что критично для кабелей, прокладываемых в грунтах с неустойчивой структурой или по дну водоемов.

Конструкция подземного кабеля

Конструкция кабеля является многослойной, где каждый элемент выполняет строго определенную функцию.

1. Токопроводящая жила: Изготавливается из меди или алюминия. Может быть однопроволочной (жесткой) для стационарной прокладки или многопроволочной (гибкой) для трасс со сложной геометрией.
2. Фазная изоляция: Наносится непосредственно на жилу. Материал (XLPE, EPR, ПВХ) определяет основные электрические характеристики кабеля.
3. Поясная изоляция: Общий слой изоляции, охватывающий все скрученные изолированные жилы. Выравнивает электрическое поле в многожильных кабелях.
4. Экран по изоляции (только для кабелей на 6 кВ и выше):
* Полупроводящей слой: Наносится поверх фазной изоляции. Выравнивает электрическое поле, устраняя микрополости между изоляцией и экраном.
* Экран (металлическая оболочка): Выполняется из медных или алюминиевых лент, проволок или гофрированных труб. Предназначен для создания симметричного радиального электрического поля, отвода capacitive currents и обеспечения безопасности при повреждении (замыкание на экран приводит к срабатыванию защиты).
5. Заполнитель: Пространство между изолированными жилами заполняется жгутами из ПЭТ-ленты, мелованной бумаги или резиновой смеси для придания кабелю круглой формы и механической стабильности.
6. Поясная оболочка (внутренняя): Герметичная оболочка, обычно из полиэтилена (PE) или поливинилхлорида (PVC), защищающая изоляцию и экраны от влаги и механических воздействий.
7. Броневой покров: Стальные ленты или оцинкованные проволоки, наложенные поверх подушки под броню. Защищает от внешних механических повреждений.
8. Защитный шланг (наружная оболочка): Внешний слой из ПЭ или PVC, защищающий броню от коррозии. Часто обладает стойкостью к ультрафиолету, маслу, агрессивным химическим веществам.

Таблица 1: Сравнительные характеристики изоляционных материалов для кабелей СН

Параметр	Сшитый полиэтилен (XLPE)	Бумажная пропитанная изоляция (МН)	Этиленпропиленовая резина (EPR)
Макс. рабочая t° жилы	90°C	80°C	90°C
Стойкость к токам КЗ	Высокая	Высокая	Очень высокая
Допустимая влажность	Не требует абсолютной герметизации	Требует абсолютной герметизации	Не требует абсолютной герметизации
Монтаж	Проще, меньшая длина концевых муфт	Сложнее, требуется спецоборудование для муфт	Проще, высокая гибкость
Влияние на окруж. среду	Не опасен	Пропиточный состав может загрязнять почву	Не опасен
Относительная стоимость	Средняя	Высокая	Высокая

Методы прокладки кабеля в грунте

Выбор метода прокладки зависит от условий трассы, количества кабелей, требований к надежности и экономических факторов.

1. Прокладка в траншее: Наиболее распространенный и экономичный метод.

• Подготовка траншеи: Глубина траншеи обычно составляет 0,7-1,0 м для кабелей до 35 кВ и до 1,5 м для кабелей 110 кВ и выше. Ширина зависит от количества кабелей: для одного кабеля — 200-300 мм, для каждого последующего добавляется 100-200 мм. Дно траншеи очищается от камней и строительного мусора.
• Устройство постели: На дно траншеи укладывается песчаная или мягкая грунтовая подушка толщиной 100-150 мм.
• Укладка кабеля: Кабель укладывается волнообразно («змейкой») без натяжения для компенсации температурных деформаций. Радиус изгиба регламентирован ПУЭ (например, не менее 15-25 наружных диаметров для силовых кабелей с пластмассовой изоляцией).
• Защита: После укладки кабель засыпается мягким грунтом или песком слоем 100-200 мм, на который укладывается сигнально-защитная лента из пластика или кирпич. Это предупреждает механические повреждения при последующих земляных работах.
• Окончательная засыпка: Траншея засыпается вынутым грунтом с послойным трамбованием.

2. Прокладка в блоках (кабельная канализация): Применяется в условиях городской застройки, при пересечении дорог, железнодорожных путей, на территориях с большим количеством подземных коммуникаций.

• Конструкция: Блок состоит из асбестоцементных, керамических или полиэтиленовых труб (каналов), соединяемых в единую систему с помощью колодцев.
• Преимущества: Возможность замены и добавления кабелей без вскрытия грунта, защита от внешних повреждений, лучшее охлаждение.
• Недостатки: Высокая стоимость строительства, снижение допустимого тока нагрузки из-за ухудшения теплоотвода.

3. Бестраншейная прокладка (ГНБ — Горизонтальное направленное бурение): Технология для прокладки под препятствиями (автомагистрали, реки, здания).

• Процесс: Бурится пилотная скважина с помощью буровой головки с телеметрией. Затем скважина расширяется до требуемого диаметра, и в нее затягивается кабель в защитной полиэтиленовой трубе (футляре).
• Преимущества: Минимальное воздействие на инфраструктуру и ландшафт, высокая скорость работ.
• Недостатки: Высокая стоимость оборудования, необходимость точной инженерной подготовки.

Расчет и выбор сечения кабеля

Сечение токопроводящей жилы выбирается по совокупности условий.

1. По допустимому длительному току нагрузки: Основное условие. Ток нагрузки не должен превышать допустимый ток для данного способа прокладки, учитывая термическую стойкость изоляции.

• Поправочные коэффициенты:
  • K1 — коэффициент на число работающих кабелей, проложенных в одной траншее. Учитывает взаимный нагрев.
  • K2 — коэффициент на температуру грунта. Базовой считается температура +15°C или +25°C (зависит от региона).
  • K3 — коэффициент на тепловое сопротивление грунта. Зависит от удельного теплового сопротивления грунта (для нормального грунта — 1,2 К·м/Вт, для сухого песка — 3,0 К·м/Вт и выше).

Таблица 2: Пример выбора сечения медного кабеля 10 кВ с изоляцией XLPE, проложенного в земле (температура грунта +15°C, тепловое сопротивление 1,2 К·м/Вт)

Сечение, мм²	Один кабель в траншее, А	Два кабеля в траншее (расстояние 0,25 м), А
50	245	220
95	330	300
150	405	365
240	495	445
400	610	545

2. По потере напряжения: Актуально для протяженных линий НН. Падение напряжения не должно превышать установленных норм (например, ±5% от номинального).
3. По термической стойкости к токам короткого замыкания (КЗ): Проверяется, что выделяемое при КЗ тепло не приведет к перегреву жилы сверх допустимой температуры (для меди ~250°C).
4. По экономической плотности тока: Для линий с большим временем использования максимальной нагрузки выбирается сечение, при котором приведенные затраты являются минимальными.

Соединение и монтаж муфт

Кабельные муфты — критически важные элементы, обеспечивающие надежность всей линии.

1. Типы муфт:

• Соединительные муфты: Для соединения двух отрезков кабеля. Должны воспроизводить электрические и механические характеристики кабеля.
• Концевые муфты (концезаделки): Для подключения кабеля к оборудованию (шинопроводу, трансформатору, распределительному устройству). Бывают наружной и внутренней установки.
• Стопорные муфты: Используются в кабелях с масляной изоляцией для ограничения перемещения пропиточного состава на участках с большим перепадом уровней.

2. Технологии монтажа:

• Эпоксидные заливочные муфты: Классическая технология. Изолированные концы жил помещаются в металлический или пластиковый корпус, который заполняется эпоксидным компаундом.
• Муфты с термоусаживаемыми компонентами: Наиболее распространенная современная технология. Используются трубки, перчатки и манжеты из материала, который при нагреве газовой горелкой или термофеном необратимо усаживается в 2-4 раза, плотно облегая соединение. Материал содержит специальный клей, обеспечивающий герметизацию.
• Муфты с холодной усадкой: Компоненты из эластомера, предварительно растянутые на пластиковом сердечнике. При монтаже сердечник вытягивается, и компонент усаживается на кабель без применения нагрева. Преимущество — безопасность и простота монтажа.
• Прессуемые соединители: Для механического и электрического соединения жил используются гильзы, которые обжимаются специальным гидравлическим или механическим инструментом.

Контроль и диагностика кабельных линий

Регулярный контроль позволяет выявить дефекты на ранней стадии и предотвратить аварию.

1. Испытание повышенным напряжением выпрямленного тока: Проводится после монтажа и ремонта. Кабель подвергается напряжению, в 2-5 раз превышающему номинальное, в течение 5-15 минут. Цель — выявление грубых дефектов изоляции.
2. Измерение сопротивления изоляции: Производится мегомметром на 2500 В. Оценивается общее состояние изоляции, выявляется увлажненность.
3. Диагностика частичных разрядов (ЧР): Локальные пробои в газовых включениях внутри изоляции — предвестник пробоя. Метод позволяет локализовать и оценить интенсивность ЧР.
4. Измерение тангенса диэлектрических потерь (tg δ): Параметр, характеризующий старение изоляции кабелей с бумажной и пластмассовой изоляцией. Рост tg δ указывает на ухудшение диэлектрических свойств.
5. Тепловизионный контроль: Проводится с поверхности земли в зоне прокладки кабеля для выявления локальных перегревов, вызванных повреждением или перегрузкой.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Какой кабель надежнее для прокладки в земле: с изоляцией XLPE или ПВХ?
Для силовых линий напряжением 1 кВ и выше однозначно надежнее кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена (XLPE). Он обладает более высокой термостойкостью (90°C против 70°C), стойкостью к влаге и лучшими диэлектрическими характеристиками. ПВХ изоляция приемлема для второстепенных линий НН, но ее использование в новых проектах следует ограничивать.

2. Почему для кабелей выше 6 кВ обязателен экран?
Экран (металлическая оболочка) выполняет несколько функций: выравнивает электрическое поле, делая его радиально-симметричным; обеспечивает путь для замыкания при пробое изоляции, что приводит к мгновенному срабатыванию защиты; защищает от внешних электромагнитных помех и ограничивает их излучение от кабеля.

3. Как определить необходимое сечение кабеля для конкретной нагрузки?
Необходимо выполнить комплексный расчет:

1. Рассчитать рабочий ток нагрузки (I = P / (√3 * U * cosφ)).
2. Выбрать из таблиц ПУЭ или каталога производителя ближайшее большее сечение, учитывая способ прокладки и поправочные коэффициенты (на температуру грунта, количество кабелей в траншее).
3. Проверить сечение по потере напряжения (для линий НН длиной более 50 м).
4. Проверить сечение на термическую стойкость к току КЗ (особенно вблизи подстанций).

4. Каковы основные причины выхода из строя подземных кабелей?

• Механические повреждения: При земляных работах (до 60% отказов).
• Коррозия оболочек и брони: В агрессивных грунтах, при блуждающих токах.
• Старение изоляции: Под воздействием тепловых циклов и электрического поля.
• Дефекты монтажа муфт: Некачественная заделка, нарушение герметичности.
• Перегрузки: Длительное превышение допустимого тока, ведущее к термическому старению изоляции.
• Водная эрозия: Проникновение влаги в дефекты изоляции с последующим ее тепловым разрушением.

5. Можно ли прокладывать кабели разных напряжений в одной траншее?
Да, согласно ПУЭ (Глава 2.3), это разрешено, но с ограничениями. Силовые кабели до 35 кВ допускается прокладывать в одной траншее с кабелями до 1 кВ. При этом расстояние в свету между ними должно быть не менее 100 мм (для лучшего охлаждения и уменьшения влияния при КЗ). Кабели выше 35 кВ рекомендуется прокладывать в отдельных траншеях. Кабели связи и управления должны быть отделены от силовых кабелей земляной перемычкой или перегородкой.

6. Что такое нестекающая пропитка в кабелях с бумажной изоляцией и в чем ее преимущество?
Это специальный пропиточный состав на основе церезина и масла, который при рабочей температуре кабеля не стекает. Преимущество перед вязкой пропиткой — возможность прокладки на трассах с большими перепадами высот (до 100 м и более). Для кабелей с вязкой пропиткой такой перепад ограничен 10-15 метрами, так как иначе состав стекает в нижнюю точку, что приводит к осушению изоляции в верхней части и повышению давления в нижней.

7. Нужно ли использовать геодезическую ленту при прокладке одного кабеля?
Да, использование сигнально-защитной ленты (ЛСЗП) является обязательным требованием ПУЭ (п. 2.3.83) для кабелей до 35 кВ, проложенных на глубине 0,5-0,8 м. Лента укладывается на 250 мм выше внешней оболочки кабеля. Она служит для предупреждения персонала при производстве земляных работ о наличии кабеля и обеспечивает дополнительную механическую защиту от случайных повреждений лопатой.