Цепи ANSI

Цепи ANSI: стандарты, классификация и применение в электротехнической и кабельной продукции

Термин «цепи ANSI» относится к классификации электрических цепей, установленной Американским национальным институтом стандартов (American National Standards Institute, ANSI). В контексте кабельной и электротехнической продукции это, прежде всего, связано со стандартом ANSI/NEMA WC 70 (также известным как ICEA S-95-658/NEMA WC 70) для силовых кабелей, изолированных сшитым полиэтиленом (XLPE), и другими смежными стандартами, которые определяют требования к конструкции, испытаниям и применению кабелей в зависимости от условий их эксплуатации. Ключевым аспектом является классификация по уровням напряжения, которая напрямую влияет на конструкцию изоляции, экранирования и бронирования кабеля.

Система классификации напряжений ANSI

ANSI стандарт C84.1 устанавливает номинальные напряжения для энергосистем, а для кабельной продукции производные от него классификации определяют электрические требования к изоляции. Основные классы напряжения для кабелей среднего и высокого напряжения, изолированных сшитым полиэтиленом или этиленпропиленовой резиной (EPR), следующие:

• 100% уровень (ANSI Class 1): Кабели, предназначенные для систем, где в случае замыкания на землю работа осуществляется с изолированной или компенсированной нейтралью, и замыкание может быть устранено в течение 1 минуты. Такие кабели рассчитаны на длительную работу при фазном напряжении относительно земли.
• 133% уровень (ANSI Class 2): Кабели для систем с эффективно заземленной нейтралью, где в случае однофазного замыкания на землю система может продолжать работу в аварийном режиме в течение ограниченного времени (обычно до нескольких часов). Изоляция должна выдерживать повышенное напряжение между жилой и заземленным экраном в таких условиях.
• 173% уровень (ANSI Class 3): Кабели для систем, где возможно длительное (неограниченное) время работы в режиме однофазного замыкания на землю. Требуют наиболее высокой электрической прочности изоляции относительно земли.

Эта классификация определяет величину испытательного напряжения, которое кабель должен выдерживать в процессе приемо-сдаточных и типовых испытаний. Например, кабель на напряжение 15 кВ класса 133% будет иметь иные требования к толщине изоляции и испытательным напряжениям, чем кабель того же фазного напряжения, но класса 100%.

Конструкция кабелей, соответствующих стандартам ANSI

Кабели, изготовленные по стандартам ANSI (прежде всего ANSI/NEMA WC 70/ICEA S-95-658), имеют четко регламентированную конструкцию. Основные элементы включают:

• Токопроводящая жила: Из меди или алюминия, секторной или круглой формы, компактная или нет, в соответствии с ASTM B (для меди) или ASTM B (для алюминия).
• Экран жилы (Conductor Shield): Обязательный полупроводящий слой из сшитого полиэтилена или EPR-компаунда, накладываемый экструзией непосредственно на жилу. Обеспечивает плавное электрическое поле, устраняя микрополости и концентраторы напряжения.
• Изоляция (Insulation): Сшитый полиэтилен (XLPE) или этиленпропиленовая резина (EPR) определенной толщины, зависящей от номинального напряжения и класса ANSI. Толщина регламентирована стандартами.
• Экран изоляции (Insulation Shield): Состоит из двух элементов: внутреннего полупроводящего слоя (экструдированный, аналогичный экрану жилы) и внешнего токопроводящего слоя. Внешний слой может быть выполнен в виде медной ленты, оплетки из медных проволок или их комбинации. Он служит для замыкания capacitive current и в качестве пути для тока короткого замыкания.
• Броня и защитные покровы: В зависимости от условий прокладки (в земле, в кабельных каналах, на воздухе) кабель может иметь броню из гофрированной стальной ленты (CSA), гладкой или гофрированной алюминиевой ленты, или проволочную броню. Сверху броня покрывается антикоррозийным защитным покровом из полиэтилена (PE) или поливинилхлорида (PVC).

Сравнение кабелей ANSI и IEC

Для глобального понимания важно проводить различие между кабелями, изготовленными по стандартам ANSI (Северная Америка) и IEC (Международная электротехническая комиссия, распространены в Европе, Азии, включая Россию). Ключевые отличия представлены в таблице.

Сравнительная таблица: Кабели ANSI vs. IEC (на примере среднего напряжения)

Критерий	Стандарт ANSI/NEMA WC 70 / ICEA S-95-658	Стандарт IEC 60502-2 / ГОСТ 31996-2012 (аналог)
Система классификации	Классы 100%, 133%, 173% (основано на условиях работы системы заземления).	Категории A, B, C (основано на времени действия токов КЗ и времени устранения замыкания). U0/U (Um).
Испытательное напряжение	Значительно выше (например, для 35 кВ ~ 65-105 кВ переменного тока). Акцент на стойкость к длительным перенапряжениям.	Ниже (например, для 20 кВ ~ 50 кВ переменного тока). Акцент на испытание в «нормальных» условиях.
Конструкция экрана	Обязательное наличие как полупроводящего, так и токопроводящего (медного) слоя. Медный экран имеет строго нормированное сечение для тока КЗ.	Для кабелей на U0/U до 18/30 кВ допускается экран в виде медной ленты без нормирования сечения по току КЗ. Для высших напряжений — проволочный/ленточный экран.
Толщина изоляции	Как правило, больше при сопоставимом номинальном фазном напряжении.	Меньше, что связано с менее жесткими требованиями к испытательным напряжениям.
Маркировка	Указывается номинальное напряжение в кВ (например, 15 кВ, 25 кВ, 35 кВ) и класс (133%).	Указывается U0/U (Um) в кВ (например, 8.7/15(17.5) кВ).

Области применения кабелей ANSI

Кабели, соответствующие стандартам ANSI, применяются преимущественно в энергосистемах Северной и Южной Америки, а также на объектах, построенных по американским нормам (нефтегазовые платформы, предприятия с американским капиталом). Их основное применение:

• Распределительные сети среднего напряжения (от 5 кВ до 46 кВ) с эффективно заземленной нейтралью.
• Промышленные предприятия, где требуется высокая надежность и стойкость к токам короткого замыкания.
• Подстанции и генерирующие станции.
• Установки с высокой вероятностью возникновения и длительного существования замыканий на землю.

Ключевые стандарты и спецификации

• ANSI C84.1: American National Standard for Electric Power Systems and Equipment—Voltage Ratings (60 Hz).
• ANSI/NEMA WC 70 / ICEA S-95-658: Standard for Power Cables Rated 2000 Volts or Less for the Distribution of Electrical Energy.
• ANSI/ICEA S-97-682: Standard for Utility Shielded Power Cables Rated 5,000 — 46,000 V.
• IEEE 404: Standard for Extruded & Laminated Dielectric Shielded Cable Joints Rated 2.5 kV to 500 kV.
• AEIC CS8: Specification for Extruded Dielectric Power Cables Rated 5 Through 46 kV (более жесткие требования, чем базовые стандарты ICEA, часто используется заказчиками).

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем кабель класса 133% отличается от кабеля класса 100% на одно и то же фазное напряжение, например, 15 кВ?

Кабель класса 133% имеет большую толщину изоляции из XLPE или EPR и, как следствие, более высокие значения испытательных напряжений (как приемо-сдаточных, так и типовых). Это связано с необходимостью выдерживать повышенное (до 133% от фазного) напряжение на здоровых фазах относительно земли в течение длительного времени при однофазном замыкании в системе с эффективно заземленной нейтралью. Кабель класса 100% на такое не рассчитан.

Можно ли проложить кабель, соответствующий стандарту IEC, в сети, спроектированной по нормам ANSI?

Как правило, нет, без проведения дополнительных расчетов и согласований. Кабель IEC, вероятно, не пройдет приемо-сдаточные испытания на более высокое напряжение, требуемое стандартами ANSI. Его конструкция (сечение экрана, толщина изоляции) может не обеспечить требуемую стойкость к токам КЗ и длительным перенапряжениям, что создает риск отказа. Такая замена требует глубокого инженерного анализа.

Что означает маркировка «15 kV 133% EPR» на кабеле?

Это означает, что кабель рассчитан на номинальное межфазное напряжение 15 кВ в трехфазной системе. Он соответствует классу 133% по ANSI, то есть предназначен для работы в системе с эффективно заземленной нейтралью. Материал изоляции — этиленпропиленовая резина (EPR).

Как выбрать сечение медного экрана (screen wire) для кабеля ANSI?

Сечение медного экрана (проволочного или ленточного) нормируется стандартами ANSI/ICEA и выбирается исходя из ожидаемого тока однофазного короткого замыкания в точке установки кабеля и его длительности (обычно 1-3 секунды). Стандарты предоставляют таблицы или формулы для расчета минимального сечения. Например, для тока КЗ 20 кА в течение 2 секунд потребуется экран сечением не менее 50 мм² по меди.

В чем практическое преимущество более толстой изоляции по ANSI?

Более толстая изоляция обеспечивает больший запас электрической прочности, повышенную стойкость к частичным разрядам, импульсным перенапряжениям (например, от грозы или коммутаций) и механическим повреждениям при монтаже. Это увеличивает срок службы кабеля и надежность системы в целом, особенно в сетях со сложными режимами работы.

Существуют ли аналоги стандартов ANSI в странах СНГ?

Прямых аналогов, полностью копирующих философию классов 100%/133%/173%, в ГОСТ или межгосударственных стандартах нет. Ближайшим по назначению является ГОСТ 31996-2012 «Кабели силовые с пластмассовой изоляцией на номинальное напряжение 1, 3 и 6 кВ…», который гармонизирован с МЭК 60502. Однако для проектов, требующих соблюдения норм ANSI, необходимо использовать продукцию, сертифицированную именно по американским стандартам.