Кабели с изоляцией из полиэтилена

Кабели с изоляцией из полиэтилена (ПЭ) представляют собой широкий класс кабельно-проводниковой продукции, где в качестве основного диэлектрика используется полиэтилен различных модификаций. Благодаря выдающимся электроизоляционным характеристикам, они нашли свое основное применение в сетях среднего и высокого напряжения, а также в системах связи.

1. Полиэтилен как диэлектрик: Свойства и модификации

Полиэтилен — это термопластичный полимер, получаемый полимеризацией этилена. Его свойства сильно зависят от молекулярной структуры и способа производства.

Ключевые электрофизические свойства:

• Высокое объемное удельное сопротивление: ~10¹⁵ Ом·см
• Низкий тангенс угла диэлектрических потерь (tg δ): 0.0002–0.0005
• Высокая электрическая прочность: 20–70 кВ/мм
• Относительная диэлектрическая проницаемость (ε): 2.3–2.35 (одна из самых низких среди полимеров)

Основные типы полиэтилена, используемые в кабельной изоляции:

1. ПНД — Полиэтилен Низкого Давления (Высокой Плотности, HDPE)
   • Плотность: 0.94–0.97 г/см³
   • Структура: Линейная, с минимальным количеством боковых ответвлений.
   • Преимущества: Высокая механическая прочность, стойкость к растрескиванию, хорошие диэлектрические свойства.
   • Недостатки: Более жесткий, сложнее в переработке.
2. ПВД — Полиэтилен Высокого Давления (Низкой Плотности, LDPE)
   • Плотность: 0.91–0.925 г/см³
   • Структура: Сильноразветвленная.
   • Преимущества: Высокая гибкость и эластичность, отличные диэлектрические характеристики (низкие потери).
   • Недостатки: Менее прочный механически.
3. СПЭ — Сшитый Полиэтилен (XLPE)
   • Технология: Молекулы полиэтилена «сшиваются» между собой, образуя трехмерную сетчатую структуру. Это достигается химическим способом (с помощью пероксидов) или физическим (облучением).
   • Преимущества:
     • Термостойкость: Рабочая температура жилы повышается с +70°C (у ПНД/ПВД) до +90°C.
     • Стойкость к токам короткого замыкания: Выдерживает кратковременный нагрев до +250°C.
     • Повышенная механическая прочность и стойкость к растрескиванию.
   • Недостатки: Дороже в производстве, требует специального оборудования для сшивки.

2. Конструкция кабелей с ПЭ-изоляцией

Конструкция таких кабелей сложна и многослойна, что обусловлено высокими требованиями к надежности.

1. Токопроводящая жила

• Материал: Медь или алюминий.
• Форма: Круглая, секторная или сегментная (для многожильных кабелей).
• Строение: Однопроволочная или многопроволочная.

2. Внутренний полупроводящий экран

• Назначение: Выравнивание электрического поля вокруг жилы, устранение микроскопических воздушных включений между жилой и изоляцией, которые могут привести к частичным разрядам и пробою.
• Материал: Полупроводящий сшитый полиэтилен или специальный компаунд.

3. Изоляция

• Материал: ПНД, ПВД или, что чаще, СПЭ (XLPE).
• Толщина: Рассчитывается в зависимости от номинального напряжения кабеля по стандартам (например, ГОСТ, МЭК).

4. Внешний полупроводящий экран

• Назначение: Аналогично внутреннему экрану — выравнивание поля на границе «изоляция-экран».
• Материал: Полупроводящий сшитый полиэтилен.

5. Экран (металлический)

• Назначение:
  • Замыкание цепи тока утечки.
  • Защита от внешних электромагнитных помех.
  • Симметрирование электрического поля.
  • Защита при коротком замыкании.
• Конструкция: Медные или алюминиевые проволоки, наложенные поверх экранирующей ленты, или гофрированная медная лента.

6. Защитная оболочка

• Назначение: Защита от механических повреждений, влаги, химикатов и УФ-излучения.
• Материал: ПВХ (для общего применения), Полиэтилен (PE) (для уличной прокладки, обладает высокой стойкостью к влаге и УФ-стабилизаторами) или Резина (для гибких кабелей).

3. Области применения

Благодаря своим свойствам, кабели с ПЭ-изоляцией доминируют в конкретных сегментах:

1. Силовые кабели на среднее и высокое напряжение (6–500 кВ):
   • Марки: ПвП, ПвВ, АПвП, АПвВ (где «Пв» — изоляция из сшитого полиэтилена).
   • Применение: Стационарная прокладка в электрических сетях для передачи и распределения электроэнергии. Это основная ниша для СПЭ-кабелей. Они вытеснили кабели с бумажно-масляной изоляцией благодаря простоте монтажа, экологической безопасности и меньшим затратам на обслуживание.
2. Кабели связи и передачи данных:
   • Марки: Коаксиальные кабели (например, РК-75), кабели для городской и междугородной телефонной связи.
   • Причина выбора: Низкая диэлектрическая проницаемость (ε) полиэтилена обеспечивает малое затухание сигнала на высоких частотах.
3. Самонесущие изолированные провода (СИП):
   • Марки: СИП-1, СИП-2, СИП-4.
   • Применение: Воздушные линии электропередачи 0.4/1 кВ. Изоляция из светостабилизированного полиэтилена устойчива к ультрафиолету и атмосферным воздействиям.
4. Кабели для сейсморазведки и геофизических работ.

4. Преимущества и недостатки

Преимущества по сравнению с бумажно-масляной изоляцией:

• Высокие диэлектрические характеристики: Меньшие диэлектрические потери.
• Более высокая допустимая температура: Для СПЭ — +90°C против +70°C.
• Простота монтажа: Не требуют сложных концевых муфт с системой подпитки маслом, можно прокладывать на вертикальных участках без ограничений.
• Экологическая безопасность: Отсутствие масла, исключается риск утечки и загрязнения почвы.
• Меньший вес и большая гибкость.

Преимущества по сравнению с ПВХ-изоляцией:

• Лучшие электрические характеристики (более низкие потери).
• Повышенная стойкость к влаге (низкое водопоглощение).
• Лучшая морозостойкость (сохраняет эластичность при низких температурах).

Недостатки:

• Низкая термостойкость базовых марок (ПНД/ПВД): Плавится при температуре +100–120°C.
• Склонность к растрескиванию под напряжением (для базовых марок).
• Горючесть: Полиэтилен поддерживает горение. Для решения этой проблемы существуют негорючие модификации (ПЭ-нг), а также кабели в исполнении -нг-LS (с пониженным дымовыделением) для прокладки в зданиях.
• Чувствительность к солнечному свету: Требует добавления стабилизаторов или защитной оболочки.

5. Особенности монтажа и эксплуатации

1. Минимальный радиус изгиба: Строго регламентирован и, как правило, больше, чем у ПВХ-кабелей, особенно для кабелей высокого напряжения (например, 15–20 диаметров кабеля). Нарушение может привести к повреждению изоляции и экранов.
2. Требования к заделке концов: Для кабелей на напряжение выше 1 кВ необходимы специальные концевые муфты, которые обеспечивают плавный градиент электрического поля на конце кабеля и надежно герметизируют его.
3. Хранение: Барабаны с кабелем должны храниться под навесом, защищающим от прямых солнечных лучей.
4. Монтаж при низких температурах: Для кабелей в ПЭ-оболочке монтаж без предварительного подогрева обычно разрешен до -20°C.

Заключение

Кабели с изоляцией из полиэтилена, и особенно из сшитого полиэтилена (XLPE), стали технологическим стандартом для строительства надежных и эффективных кабельных линий среднего и высокого напряжения. Их превосходные диэлектрические свойства, долговечность (срок службы до 30–40 лет) и удобство монтажа обеспечили им доминирующее положение на рынке.

Выбор между ПЭ и другими материалами определяется конкретными условиями проекта:

• Для высоковольтных линий и кабелей связи — это безальтернативный вариант.
• Для низковольтной проводки в зданиях они конкурируют с кабелями ВВГ-нг-LS, но могут быть предпочтительны благодаря лучшим диэлектрическим потерям и влагостойкости, особенно в условиях агрессивных сред или для уличной прокладки.