Кабели 20 кВ

Кабели на напряжение 20 кВ: конструкция, типы, применение и нормирование

Кабели на напряжение 20 кВ относятся к классу среднего напряжения и являются ключевым элементом в распределительных сетях, системах электроснабжения промышленных предприятий, а также при подключении крупных объектов инфраструктуры. Рабочее напряжение 20 кВ (номинальное междуфазное) соответствует классу напряжения 20 кВ по ГОСТ и 24 кВ по международным стандартам IEC (с учетом коэффициента 1.2). Данные кабели предназначены для передачи и распределения электрической энергии в стационарных установках при переменном напряжении частотой 50 Гц.

Конструкция кабелей 20 кВ

Конструкция силового кабеля на 20 кВ является многослойной, каждый элемент выполняет строго определенную функцию по обеспечению электробезопасности, механической прочности и долговечности.

• Токопроводящая жила: Изготавливается из алюминия (А) или меди (М). Сечение жилы выбирается исходя из условий токовой нагрузки и может быть от 35 до 800 мм² и более. Жилы могут быть однопроволочными (секторными или круглыми) для малых сечений или многопроволочными для улучшения гибкости на больших сечениях.
• Экран по жиле (для кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена): Полупроводящей слой, накладываемый экструзией поверх токопроводящей жилы. Выравнивает электрическое поле, устраняя микроскопические неровности поверхности жилы, и предотвращает локальные концентрации напряженности поля.
• Изоляция: Основной барьер, определяющий класс напряжения. В современных кабелях 20 кВ применяются два основных типа изоляции:
  • Сшитый полиэтилен (XLPE): Наиболее распространенный материал. Обладает высокой электрической прочностью, стойкостью к тепловым перегрузкам (допустимая температура жилы до 90°C в длительном режиме и до 250°C при КЗ), отличными диэлектрическими характеристиками и малой массой.
  • Бумажная пропитанная изоляция (МБ/ЦСБ): Используется в кабелях с вязкой пропиткой (МБ) или с пропиткой вязким нестекающим составом (ЦСБ). Требует герметичной оболочки для удержания пропитки. Допустимая температура жилы обычно до 70-80°C. Несмотря на архаичность, такие кабели до сих пор эксплуатируются в сетях.
• Экран по изоляции: Полупроводящей слой, накладываемый поверх изоляции. Вместе с экраном по жиле формирует цилиндрический конденсатор, обеспечивая радиальное распределение электрического поля. Выполнен из того же материала, что и экран по жиле.
• Поясная изоляция: В кабелях с бумажной изоляцией – дополнительные слои кабельной бумаги, наложенные поверх изолированных жил.
• Металлический экран (заземляющий): Выполняет несколько критически важных функций: защищает от внешних электромагнитных помех, является заземляющим проводником для токов утечки, обеспечивает симметричность электрического поля вокруг жилы, а также служит элементом системы защиты при коротком замыкании (пропускает ток КЗ). Выполняется в виде медной или алюминиевой ленты, гофрированной трубки, проволочных оплеток или их комбинаций.
• Заполнитель и разделительный слой: Пространство между изолированными жилами и металлическим экраном заполняется эластичными материалами (например, ПЭТ-ленты, термопластичные заполнители) для придания кабелю круглой формы и механической стабильности. Под броней может накладываться битумированный слой или ПЭТ-лента.
• Броня: Защищает кабель от механических повреждений (растяжения, удары, грызуны). Выполняется из стальных оцинкованных лент (Бл) или проволок (Бп). В кабелях XLPE броня, как правило, накладывается поверх внутренней оболочки.
• Наружная оболочка: Внешний защитный слой из поливинилхлоридного пластиката (ПВХ) или полиэтилена (ПЭ). Обеспечивает защиту от влаги, агрессивных сред, ультрафиолета и механических воздействий. Цвет оболочки, как правило, черный.

Основные типы кабелей 20 кВ и их маркировка

Тип кабеля определяется материалом жилы, изоляции, видом экрана и брони, что отражается в его маркировке по ГОСТ и ТУ.

Таблица 1. Основные типы кабелей на 20 кВ и их расшифровка

Марка кабеля	Расшифровка марки	Краткое описание и сфера применения
АПвПу, АПвПуг	А – алюминиевая жила, П – изоляция из сшитого полиэтилена, в – внутренний экран (полупроводящей), Пу – усиленная защитная оболочка из полиэтилена, г – герметизация продольная (гидрофобный заполнитель).	Безароматный кабель для прокладки в земле (траншеях), туннелях, каналах. Наличие «г» указывает на защиту от продольного распространения влаги.
ПвП, ПвПу	П – медная жила (отсутствие «А»), в – изоляция XLPE, П – экран (полупроводящей), Пу – полиэтиленовая оболочка.	Медный аналог для ответственных участков сетей с высокими токовыми нагрузками, в условиях повышенных требований к надежности.
АПвВнг(А)-LS, ПвВнг(А)-LS	В – оболочка из ПВХ, нг(А) – нераспространяющий горение по категории А, LS – с пониженным дымовыделением и газовыделением (Low Smoke).	Кабель для групповой прокладки в кабельных сооружениях (эстакады, галереи, тоннели, коллекторы), где предъявляются строгие противопожарные требования.
АСБл, АСБ2л	А – алюминиевая жила, С – свинцовая оболочка, Б – броня из стальных лент, л – подушка под броней и защитный покров поверх брони.	Кабель с бумажной пропитанной изоляцией и свинцовой герметичной оболочкой. Для прокладки в земле (траншеях) с низкой коррозионной активностью. Цифра 2 указывает на двойную броню.
АПвБбШп, ПвБбШп	Б – броня из стальных лент, б – без подушки, Шп – защитный шланг из полиэтилена.	Бронированный кабель для прокладки в земле (в т.ч. с высокой коррозионной активностью), в агрессивных средах. Полиэтиленовый шланг поверх брони обеспечивает дополнительную защиту.

Ключевые технические характеристики и выбор сечения

Выбор кабеля 20 кВ осуществляется на основе расчета по следующим критериям:

• Допустимый длительный ток нагрузки (I_доп): Максимальный ток, который кабель может проводить в продолжительном режиме без превышения допустимой температуры жилы. Зависит от сечения, материала жилы, способа прокладки и температуры окружающей среды.
• Потери напряжения (ΔU): Должны укладываться в нормативные пределы (обычно не более 5-6% от номинального).
• Термическая стойкость к токам короткого замыкания (I_{терм.кз}): Проверяется, чтобы выделяемое при КЗ тепло не привело к перегреву жилы сверх допустимой температуры (250°C для XLPE).
• Экономическая плотность тока (j_эк): При выборе сечения для сетей с длительным режимом работы.

Таблица 2. Примерные значения допустимых токов нагрузки для кабелей 20 кВ с изоляцией XLPE (одиночная прокладка в земле, температура грунта +25°C, глубина прокладки 0.7 м)

Сечение жилы, мм²	Медь, Iдоп, А	Алюминий, Iдоп, А
3×50	245	190
3×95	350	275
3×150	435	340
3×240	560	435
3×400	730	565

Примечание: Данные носят справочный характер. Точные значения определяются по ПУЭ, ГОСТ Р 52796-2007 или расчетным программам с учетом всех поправочных коэффициентов.

Особенности монтажа и соединения

Монтаж кабелей 20 кВ требует специальной подготовки персонала и соблюдения строгих технологических регламентов.

• Прокладка: Допустимые радиусы изгиба регламентированы (обычно не менее 15-20 наружных диаметров кабеля). При прокладке в земле необходима песчаная подушка, защита от механических повреждений (кирпич, сигнальная лента). Расстояние между параллельно проложенными кабелями нормируется для обеспечения теплоотвода.
• Соединение и оконцевание: Требуют применения специальных кабельных муфт – соединительных (С) и концевых (К). Для кабелей с изоляцией XLPE используются термоусаживаемые или холодноусаживаемые муфты. Критически важна чистота, отсутствие влаги и точное соблюдение технологических карт. Концевые муфты (наружной или внутренней установки) обеспечивают переход с кабеля на воздушную линию или на шины распределительного устройства.
• Испытания: После монтажа кабельные линии 20 кВ подвергаются высоковольтным испытаниям выпрямленным напряжением (по нормам ПУЭ, гл. 1.8) для проверки состояния изоляции. Стандартное испытательное напряжение для кабелей 20 кВ составляет 65 кВ в течение 10 минут.

Нормативная база и стандарты

• ГОСТ Р 53769-2010 (МЭК 60502-1:2004): Кабели силовые с пластмассовой изоляцией на номинальное напряжение 1 кВ до 30 кВ включительно. Основополагающий стандарт для кабелей с изоляцией XLPE.
• Правила устройства электроустановок (ПУЭ), 7-е издание: Главы 1.3, 1.8, 2.3, 7.3 регламентируют выбор, прокладку, защиту и испытание кабельных линий.
• СО 153-34.20.504-2003: Типовая инструкция по эксплуатации кабельных линий 110 кВ и ниже.
• ГОСТ 18410-73: Кабели с бумажной пропитанной изоляцией.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

В чем принципиальная разница между кабелями АПвПу и АПвВнг?

Основное отличие – в материале наружной оболочки и ее свойствах. АПвПу имеет оболочку из полиэтилена (Пу), которая обладает высокой стойкостью к влаге и агрессивным средам, но горит. АПвВнг имеет оболочку из ПВХ пониженной горючести (Внг), что позволяет прокладывать его группами в помещениях и коллекторах без риска распространения пламени. Выбор зависит от условий прокладки.

Как правильно выбрать сечение кабеля 20 кВ для ТП 2х1000 кВА?

Для трансформаторной подстанции 2х1000 кВА необходимо:

1. Определить максимальный рабочий ток на одной линии (при равномерной загрузке): I = Sтр / (√3 U) = 1000 / (1.732 20) ≈ 28.9 А.
2. Выбрать сечение по допустимому току нагрузки. Даже минимальное сечение 35-50 мм² по току подходит с большим запасом.
3. Проверить сечение по термической стойкости к току КЗ от источника питания.
4. Проверить потери напряжения (для длинных линий).
5. Учесть требования нормативных документов. На практике для таких мощностей часто применяют сечение 3х70 или 3х95 мм², исходя из требований к механической прочности жилы и резервированию.

Можно ли соединять кабели с разной изоляцией (бумажная и XLPE)?

Да, это технически возможно с использованием специальных переходных муфт. Однако такое соединение требует высокой квалификации монтажников, так как необходимо обеспечить герметизацию и предотвращение стекания пропитки из бумажно-масляной части кабеля. Такие соединения являются слабым звеном линии и требуют повышенного внимания при эксплуатации.

Что означает маркировка «г» в конце марки кабеля (например, АПвПуг)?

Буква «г» указывает на наличие герметизации для защиты от продольного распространения влаги. В кабелях с изоляцией XLPE это обычно достигается заполнением межжильного пространства и пространства под оболочкой гидрофобным компаундом или наложением влагобарьерных лент. Это критически важно для кабелей, прокладываемых в грунтах с высоким уровнем грунтовых вод или в условиях возможного частичного затопления трассы.

Как часто и какими методами проводятся диагностика и испытания кабельных линий 20 кВ?

Периодичность и методы регламентированы ПУЭ и СО 153-34.20.504-2003.

• Профилактические испытания: Проводятся выпрямленным напряжением 65 кВ в течение 10 минут 1 раз в 3 года для кабелей с изоляцией XLPE и 1 раз в 2 года для кабелей с бумажной изоляцией.
• Диагностика: Включает в себя измерение сопротивления изоляции мегомметром на 2500 В, измерение сопротивления петли «фаза-ноль» (для сетей с заземленной нейтралью), а также современные методы: рефлектометрия (поиск повреждений, определение длины), анализ частичных разрядов (неразрушающий контроль состояния изоляции), измерение тангенса угла диэлектрических потерь (tg δ) для оценки старения бумажно-масляной изоляции.

Почему при прокладке в земле рекомендуется использовать кабели с броней?

Броня (стальные оцинкованные ленты или проволоки) защищает кабель от:

• Механических повреждений при раскопках (удар лопатой, экскаватором).
• Нагрузок, возникающих из-за просадок грунта.
• Повреждений грызунами (крысы, слепыши).
• Растягивающих усилий на неровной трассе.

Использование бронированных кабелей (АПвБбШп, АСБл) значительно повышает надежность и срок службы линии при прокладке непосредственно в грунте.