Трехфазный кабель

Трехфазный кабель: Конструкция, параметры и применение

1. Сущность трехфазной системы и роль кабеля

Трехфазная система электроснабжения – это совокупность трех электрических цепей, в которых действуют переменные ЭДС одинаковой частоты, сдвинутые по фазе относительно друг друга на 120 электрических градусов. Трехфазный кабель является ключевым элементом такой системы, предназначенным для передачи электрической энергии от источника (генератора, трансформаторной подстанции) к потребителю (промышленному предприятию, многоквартирному дому, объекту инфраструктуры).

Основные преимущества трехфазной системы перед однофазной:

• Экономичность передачи энергии на большие расстояния при меньшем сечении проводников.
• Возможность получения вращающего магнитного поля, что является основой для работы трехфазных асинхронных электродвигателей.
• Высокая стабильность и надежность системы.

2. Конструкция трехфазных кабелей

Конструкция кабеля зависит от номинального напряжения, условий прокладки и эксплуатации.

2.1. Основные элементы конструкции:

• Токопроводящие жилы: Изготавливаются из алюминия (А) или меди (М). Медь имеет более высокую проводимость и механическую прочность, но дороже и тяжелее. Алюминий дешевле и легче, но склонен к окислению и обладает ползучестью, что требует специальных мер при монтаже (например, использование переходных медно-алюминиевых гильз).
• Материал изоляции жил:
  • ПВХ (Поливинилхлорид): Обозначение «В». Недорогой, гибкий, не распространяет горение. Применяется в кабелях на напряжение до 1 кВ. Недостатки: выделение хлористого водорода при горении, низкая стойкость к морозу.
  • Сшитый полиэтилен (XLPE): Обозначение «Пв». Современный материал для напряжений от 1 до 330 кВ и выше. Обладает высокой термостойкостью (допустимый нагрев до +90°C), стойкостью к токовым перегрузкам и химическим воздействиям.
  • Бумажная изоляция, пропитанная вязким или нестекающим составом: Обозначение «Ц» (маслонаполненные) и «П» (с нестекающим составом). Применяется в кабелях высокого напряжения (110 кВ и выше). Требует сложной технологии изготовления и монтажа.
• Поясная изоляция: Слой изоляции, накладываемый поверх изолированных и скрученных жил. Выравнивает электрическое поле в многожильных кабелях.
• Экран: Обязателен для кабелей на напряжение 6 кВ и выше. Выполняется из электропроводящих материалов (полупроводящая бумага, слой сшитого полиэтилена с сажей, медная лента). Предназначен для симметрирования электрического поля вокруг каждой жилы, устранения тангенциальных составляющих электрического поля и защиты от внешних электромагнитных помех.
• Защитная оболочка: Защищает внутренние элементы от механических повреждений, влаги, химических веществ и других внешних воздействий.
  • ПВХ пластикат: Обозначение «В». Распространенный материал для общего применения.
  • Полиэтилен: Обозначение «П» или «Пу». Высокая стойкость к влаге, УФ-излучению и агрессивным средам.
  • Резина: Обозначение «Р». Обеспечивает высокую гибкость и вибростойкость.
• Броня: Применяется для защиты от механических повреждений (растяжения, удары, грызуны). Выполняется из стальных оцинкованных лент (Бл) или стальных оцинкованных проволок (Бн).
• Внешний защитный шланг: Наносится поверх брони для защиты от коррозии. Обычно из ПВХ (В) или полиэтилена (П).

3. Маркировка и обозначения

Маркировка кабелей в России и странах СНГ регламентируется ГОСТ. Система обозначений буквенная.

• Материал жилы: А – алюминий. Если буквы нет – медь.
• Материал изоляции: В – ПВХ, Пв – сшитый полиэтилен, П – полиэтилен, Ц – бумажная пропитанная.
• Материал оболочки: В – ПВХ, П – полиэтилен.
• Броня: Б – броня из стальных лент, Бн – броня из стальных оцинкованных проволок, К – броня из круглых стальных оцинкованных проволок.
• Защитный покров: Шв – шланг защитный из ПВХ, Шп – шланг защитный из полиэтилена.
• Экран: Э – экран общий для всех жил, «ож» – обозначение одножильного кабеля с экраном.
• Жилы: НГ – не распространяющий горение, LS – с пониженным дымовыделением, FR – огнестойкий.

Пример расшифровки АВВГ-1 3х95+1х50:
А – алюминиевая жила, В – изоляция жил из ПВХ, В – оболочка из ПВХ, Г – гибкий (без брони). 1 – класс точности скрутки (для кабелей с секторными жилами). 3х95 – три основные жилы сечением 95 мм², 1х50 – одна нулевая жила сечением 50 мм².

4. Классификация и области применения

4.1. По номинальному напряжению:

• Кабели на напряжение до 1 кВ (низковольтные): Применяются для распределения энергии внутри зданий, питания станков, оборудования, освещения.
  • Примеры: ВВГ, АВВГ, ВВГнг-LS, NYM, NUM.
• Кабели на напряжение 6, 10, 20, 35 кВ (среднего напряжения): Используются для питания районных и городских распределительных сетей, крупных промышленных предприятий.
  • Примеры: ААБл, АПвП, АСБ, ВП, СИП-3.
• Кабели на напряжение 110 кВ и выше (высоковольтные): Применяются в магистральных линиях электропередачи, для связи электростанций и подстанций.
  • Примеры: АПвПу, МКСК, маслонаполненные кабели.

4.2. По типу нулевой жилы и жилы заземления:

• Четырехжильные (3Ф + N): Три фазные жилы и одна нулевая (нейтральная) рабочая жила.
• Пятижильные (3Ф + N + PE): Три фазные, одна нулевая рабочая (N) и одна жила защитного заземления (PE). Современный стандарт для систем TN-S и TN-C-S.

5. Ключевые параметры и выбор сечения

5.1. Расчет сечения по току и мощности

Основным критерием выбора сечения является длительно допустимый ток. Он зависит от материала жилы, типа изоляции, способа прокладки (в земле, в воздухе, пучком).

Таблица 1. Длительно допустимые токи для трехжильных кабелей с медными жилами с изоляцией из ПВХ и сшитого полиэтилена (XLPE), проложенных в воздухе (кабельный лоток)

Примечание: Значения приведены для ориентировки. Точные значения необходимо брать из ПУЭ (Правила Устройства Электроустановок) и catalogs производителей, учитывая поправочные коэффициенты.

Формула для расчета мощности:
P = √3 * U * I * cosφ, где:

• P – активная мощность, кВт;
• U – линейное напряжение, кВ (0.38 кВ, 10 кВ и т.д.);
• I – ток, А;
• cosφ – коэффициент мощности (для активной нагрузки равен 1, для двигателей ~0.8-0.85).

5.2. Расчет сечения по потере напряжения

Особенно важен для длинных линий. Допустимая потеря напряжения в нормальном режиме обычно не должна превышать 5%.

ΔU = (√3 * I * L * (R * cosφ + X * sinφ)) / U_nom, где:

• ΔU – потеря напряжения, В;
• I – расчетный ток, А;
• L – длина линии, км;
• R, X – активное и индуктивное сопротивление жилы кабеля, Ом/км;
• U_nom – номинальное напряжение, В.

5.3. Выбор по условиям короткого замыкания (КЗ)

Сечение должно быть проверено на термическую стойкость при токах КЗ. Минимальное сечение рассчитывается по формуле:
S_min = I_тер * √t_тер / C, где:

• I_тер – установившийся ток КЗ, А;
• t_тер – время действия токов КЗ (время отключения защиты), с;
• C – коэффициент, зависящий от материала жилы и изоляции (для меди ~140-150).

6. Способы прокладки трехфазных кабелей

• Открытая прокладка: По стенам, конструкциям, в лотках, коробах. Требует кабелей с негорючей изоляцией (нг-LS, FR).
• Скрытая прокладка: В штробах, трубах, под штукатуркой. Требует кабелей с полной герметизацией для предотвращения попадания влаги.
• Прокладка в земле (траншее): Требует применения бронированных кабелей (АВБбШв, СБ, ААБл). Необходима подсыпка и защита песчаной подушкой и кирпичом/сигнальной лентой.
• Прокладка в кабельных каналах (коллекторах, туннелях): Наиболее надежный, но дорогостоящий способ. Обеспечивает удобный доступ для осмотра и ремонта.

7. Соединение и оконцевание кабелей

Для соединения отрезков кабеля и подключения к оборудованию используются кабельные муфты.

• Соединительные муфты: Для создания неразрывной цепи. Должны обеспечивать электрическую непрерывность, механическую прочность и герметичность.
• Концевые муфты (концевики): Для подключения кабеля к шинам распределительных устройств, трансформаторов, двигателей. Бывают наружной (КН) и внутренней (КВ) установки.
• Стопорные муфты: Используются в кабелях с пропитанной бумажной изоляцией для предотвращения стекания пропиточного состава на наклонных трассах.

Материалы муфт: чугун, латунь, эпоксидные смолы, термоусаживаемые и холодноусаживаемые трубки.

8. Испытания и мониторинг

• Приемо-сдаточные испытания: Проводятся после монтажа перед вводом в эксплуатацию.
  • Измерение сопротивления изоляции мегомметром.
  • Испытание повышенным выпрямленным напряжением.
• Эксплуатационные испытания: Проводятся периодически в процессе эксплуатации.
• Системы постоянного мониторига (PD Monitoring): Для кабелей высокого напряжения. Позволяют в режиме реального времени отслеживать частичные разряды в изоляции, прогнозируя ее остаточный ресурс.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. В чем разница между кабелями ВВГ и ВВГнг?
Кабель ВВГ имеет изоляцию и оболочку из ПВХ пластиката, который распространяет горение при групповой прокладке. Кабель ВВГнг (не распространяющий горение) имеет изоляцию из специального ПВХ-компаунда, который не поддерживает горение при одиночной и групповой прокладке, что критически важно для пожарной безопасности.

2. Когда необходимо использовать пятижильный кабель вместо четырехжильного?
Пятижильный кабель (3Ф + N + PE) применяется в современных системах заземления TN-S и TN-C-S, где нулевой рабочий (N) и нулевой защитный (PE) проводники разделены на всем протяжении линии. Это повышает электробезопасность. Четырехжильный кабель (3Ф + PEN) используется в устаревшей системе TN-C, где функции нулевого рабочего и защитного проводников объединены в одном проводнике (PEN), что менее безопасно.

3. Как правильно выбрать сечение нулевой жилы в трехфазном кабеле?
Для трехфазных цепей с равномерной нагрузкой ток в нулевой жиле близок к нулю. Однако, при наличии нелинейных потребителей (например, частотные преобразователи, ИБП, компьютеры) возникают высшие гармоники, в частности третья, которые суммируются в нулевом проводнике. Поэтому согласно ПУЭ, сечение нулевой жилы в четырехпроводных сетях должно быть равно сечению фазных жил, если сечение последних не превышает 25 мм² по меди или 35 мм² по алюминию. Для больших сечений допускается снижение сечения нулевой жилы до 50%, но не менее указанных значений.

4. Можно ли использовать одножильные кабели для монтажа трехфазной линии?
Да, можно. Однако при прокладке в металлических лотках или трубах необходимо прокладывать все три фазы (A, B, C) и, при необходимости, нулевую и заземляющую жилы в одной трассе. Если прокладывать жилы по отдельности в стальных трубах, это приведет к значительным потерям мощности из-за возникновения вихревых токов в ферромагнитном материале трубы. Для уменьшения индуктивного сопротивления и потерь рекомендуется треугольное расположение одножильных кабелей.

5. Что такое «сшитый полиэтилен» (XLPE) и в чем его преимущества?
Сшитый полиэтилен – это полимер, молекулы которого «сшиты» между собой химическими или радиационными связями, образуя трехмерную сетку. Это резко повышает его термостойкость: если обычный ПЭ плавится при ~110°C, то XLPE сохраняет форму и свойства до ~250-300°C. Это позволяет увеличить длительно допустимую температуру жилы с +70°C (для ПВХ) до +90°C, а также повышает стойкость к токовым перегрузкам и коротким замыканиям.

6. Как маркируются фазы в трехфазном кабеле?
Маркировка выполняется цветовой или цифровой.

• Цветовая: Фаза A – желтый, Фаза B – зеленый, Фаза C – красный. Нулевая жила (N) – синий или голубой. Защитная жила (PE) – желто-зеленый полосатый.
• Цифровая: На изоляцию жил наносят цифры 1, 2, 3 (фазы), 0 (ноль).

7. Почему для прокладки в земле требуется бронированный кабель?
Броня (стальные ленты или проволоки) защищает кабель от механических повреждений: при раскопках грунта лопатой или техникой, от давления грунта, от грызунов. Без брони кабель будет быстро поврежден, что приведет к короткому замыканию и длительному перерыву в электроснабжении.

8. Какой кабель выбрать для питания мощного трехфазного двигателя (например, на 100 кВт)?
Для двигателя 100 кВт при напряжении 380В примерный ток составит ~180А. По таблице ПУЭ для этого тока подходит кабель сечением 70 мм² (медь, XLPE, в воздухе) или 95 мм² (ПВХ). Однако необходим точный расчет по току, потере напряжения и условиям пуска. Чаще всего применяется кабель ВВГнг-LS или АВВГнг, если трасса не требует брони. При прокладке в земле – АВБбШв или ВБбШв. Обязательно использование четырехжильного кабеля (3 фазы + PE).