Кабели силовые с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 6 кВ: конструкция, экранирование и применение

Кабели на напряжение 6 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ, XLPE) являются основным решением для создания распределительных сетей среднего напряжения. Их ключевой особенностью, обеспечивающей безопасную и надежную работу, является система экранирования. Экранированный кабель 6 кВ представляет собой сложную инженерную конструкцию, где каждый элемент выполняет строго определенную функцию для обеспечения электрической прочности, механической надежности и защиты от внешних воздействий.

Конструкция экранированного кабеля 6 кВ

Полная конструкция кабеля формируется последовательным наложением слоев. Основные элементы, начиная от центра:

• Токопроводящая жила: Изготавливается из медной или алюминиевой проволоки, может быть однопроволочной (класс 1) или многопроволочной (класс 2, 5, 6). Сечение жилы выбирается исходя из тока нагрузки и условий прокладки. Для меди стандартный диапазон сечений: 16, 25, 35, 50, 70, 95, 120, 150, 185, 240, 300 мм² и более.
• Экран по жиле (полупроводящей слой): Наносится поверх токопроводящей жилы в виде экструдированного слоя из полупроводящего сшитого полиэтилена или полупроводящей ленты. Его функция – выравнивание электрического поля и устранение микроскопических воздушных включений на границе жила/изоляция, что предотвращает возникновение частичных разрядов – основной причины старения изоляции.
• Основная изоляция: Выполняется из сшитого полиэтилена (XLPE). Толщина изоляции нормирована стандартами (например, ГОСТ 31996-2012, МЭК 60502-2). Для кабелей на 6 кВ (фазное напряжение 3.6/6 кВ) типичная толщина составляет 3,4 мм. СПЭ обладает высокой электрической прочностью, термостойкостью (длительно допустимая температура жилы +90°C) и стойкостью к тепловым деформациям.
• Экран по изоляции (полупроводящей слой): Аналогичен экрану по жиле. Наносится поверх основной изоляции. Вместе с экраном по жиле создает коаксиальную конструкцию, ограничивающую электрическое поле внутри кабеля и делающую его радиальным и однородным.
• Металлический экран (заземляющий экран): Ключевой элемент экранированного кабеля. Выполняется в виде медной ленты, наложенной продольно или в виде оплетки из медных проволок. Основные функции:
  • Защита от электромагнитных помех (ЭМП): экран является путем для циркуляции токов, наведенных внешними полями, и предотвращает их проникновение вовне и внутрь.
  • Обеспечение симметрии электрического поля: выравнивает потенциал по всей поверхности изоляции.
  • Путь для тока короткого замыкания: должен выдерживать ток КЗ заданной величины и времени (обычно 1 секунда) без повреждения.
  • Защита от перенапряжений: является элементом системы заземления.
• Поясная изоляция: Слой из полимерной пленки или бумаги, накладываемый поверх металлического экрана для его механической и химической защиты от внешней оболочки.
• Внешняя оболочка: Изготавливается из поливинилхлоридного (ПВХ) пластиката, полиэтилена (PE) или безгалогеновых негорючих композиций (LSZH). Защищает все внутренние элементы от механических повреждений, влаги, химических веществ и УФ-излучения. Цвет оболочки, как правило, черный.

Типы и исполнения экранов

Металлический экран может иметь различную конструкцию, определяющую гибкость кабеля, стойкость к токам КЗ и стоимость.

Сравнительная таблица типов металлических экранов для кабелей 6 кВ

Тип экрана	Конструкция	Преимущества	Недостатки	Типовое применение
Экран из медных проволок	Оплетка из множества тонких медных проволок, наложенная поверх экрана по изоляции. Часто дополняется одной или несколькими дренажными проволоками большего сечения.	Высокая гибкость, хорошее сопротивление изгибу, надежный контакт при монтаже муфт.	Более высокая стоимость, сложность производства, меньшая стойкость к механическим продавливаниям.	Кабели для подвижного присоединения, трассы со сложной геометрией, часто перемонтируемые линии.
Экран из медной ленты	Одна или две медные ленты, наложенные с перекрытием (обычно 15-25%) в продольном направлении. Толщина ленты 0,05-0,15 мм.	Более низкая стоимость, лучшая механическая защита изоляции, простота производства.	Меньшая гибкость, риск разрыва ленты при резких изгибах или вибрации.	Стационарная прокладка в земле (траншеях), лотках, тоннелях, по стенам.
Комбинированный экран	Сочетание медной ленты и поверх нее оплетки из медных проволок (иногда омедненных стальных проволок для брони).	Максимальная стойкость к токам КЗ, высокая механическая прочность, эффективное экранирование.	Наибольшая стоимость, большой вес и внешний диаметр, сниженная гибкость.	Ответственные объекты (АЭС, метро, ТЭЦ), участки с высоким уровнем ЭМП, зоны с повышенными требованиями к безопасности при КЗ.

Нормативные требования и стандарты

Производство и испытание кабелей 6 кВ регламентируется национальными и международными стандартами. В России основным документом является ГОСТ 31996-2012 «Кабели силовые с пластмассовой изоляцией на номинальное напряжение 0,66; 1 и 3 кВ» (распространяется и на кабели до 35 кВ включительно). Ключевые требования для кабелей на 6 кВ:

• Испытательное переменное напряжение частотой 50 Гц после изготовления: 15 кВ в течение 5 минут.
• Импульсное испытательное напряжение (грозоимпульс 1,2/50 мкс): 60 кВ.
• Допустимая температура жилы: длительно +90°C, в режиме перегрузки +130°C, в режиме короткого замыкания (+250°C для СПЭ).
• Сопротивление изоляции: не менее 100 МОм·км при +20°C.
• Требования к экрану: должно быть обеспечено заземление с двух концов. Сечение медного экрана должно быть достаточным для пропускания тока односекундного КЗ, значение которого оговаривается в ТУ или рассчитывается.

Международные аналоги: МЭК 60502-2 (IEC 60502-2), HD 620 S2 (гармонизированный европейский стандарт).

Области применения и особенности монтажа

Экранированные кабели 6 кВ применяются для передачи и распределения электрической энергии в сетях с изолированной, компенсированной или эффективно заземленной нейтралью.

• Распределительные сети городов и поселков: Прокладка в земле (в траншеях с песчаной подушкой, в блоках, трубах) и кабельных коллекторах.
• Промышленные предприятия: Питание мощных электродвигателей, трансформаторов, распределительных устройств. Прокладка по эстакадам, в лотках, кабельных этажах.
• Объекты инфраструктуры: Аэропорты, вокзалы, метрополитен, больницы, центры обработки данных.
• Добывающая промышленность: Шахты, карьеры, нефтегазовые комплексы (в соответствующем исполнении – бронированные, маслостойкие).

Критически важные правила монтажа:

• Заземление экранов должно выполняться с обоих концов кабельной линии. Это обеспечивает циркуляцию токов нулевой последовательности при КЗ на землю и эффективное экранирование. В исключительных случаях, при больших длинах и для снижения токов в экране, может применяться заземление с одного конца или поперечное соединение экранов, но это требует детального расчета.
• При прокладке в земле обязательно использование сигнальной ленты, а в зонах с риском механических повреждений – защитных плит или кирпича.
• Минимальный радиус изгиба при прокладке нормирован и составляет, как правило, 15-20 наружных диаметров кабеля для одножильных кабелей с экраном из проволок и больше для кабелей с ленточным экраном.
• Для оконцевания и соединения используются специальные муфты (концевые и соединительные) на 6 кВ, обеспечивающие плавный контроль электрического поля с помощью изолирующих колпачков или гелевых наполнителей и надежный контакт с металлическим экраном.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Почему экран кабеля 6 кВ необходимо заземлять с двух концов?

Двухстороннее заземление металлического экрана создает для токов нулевой последовательности, возникающих при однофазных замыканиях на землю, замкнутый контур. Это обеспечивает корректную работу релейной защиты, основанной на измерении этих токов. Кроме того, при одностороннем заземлении на не заземленном конце может возникнуть опасный потенциал относительно земли, особенно при переходных процессах. Также двухстороннее заземление максимально эффективно подавляет внешние электромагнитные помехи.

2. В чем разница между экранированным и бронированным кабелем?

Это разные функциональные элементы. Экран (медный) предназначен для электромагнитных целей: выравнивание поля, защита от помех, путь для тока КЗ. Броня (стальные оцинкованные ленты или проволоки) предназначена для механической защиты кабеля от растягивающих усилий, ударов, грызунов. Броня поверх экрана и оболочки. Кабель 6 кВ может быть: только экранированным (например, ПвП), экранированным и бронированным (ПвБШв), или, в редких случаях для особых условий, бронированным без медного экрана (но с полупроводящими слоями).

3. Как выбрать сечение экрана (медных проволок или ленты)?

Сечение экрана нормируется стандартами и техническими условиями на кабель. Минимальное сечение обычно составляет 16 мм² для кабелей с сечением жилы до 50 мм² и 25 мм² для жил большего сечения. Однако при заказе на конкретный объект требуется проверочный расчет на стойкость к току короткого замыкания. Расчет ведется по формуле, учитывающей величину и время протекания тока КЗ, начальную и конечную температуры экрана. Производители кабеля предоставляют соответствующие данные по допустимым токам КЗ для своих изделий.

4. Можно ли прокладывать одножильные экранированные кабели 6 кВ в стальных трубах?

Прокладка в стальных трубах возможна и часто применяется для локальной защиты, но требует особого внимания. Переменное магнитное поле от тока в жиле наводит в стальной трубе (которая является замкнутым магнитопроводом) вихревые токи, что приводит к значительным дополнительным потерям мощности и нагреву как кабеля, так и трубы. Для снижения этого эффекта необходимо:

• Использовать для каждой фазы отдельную немагнитную трубу (алюминиевую, пластиковую) или
• Прокладывать все три одножильных кабеля одной линии в одной общей стальной трубе большого диаметра (при этом магнитные поля фаз компенсируются).

Наиболее корректным решением является применение бронированных кабелей с общей броней для трех жил (например, АПвБШв), где броня из стальных лент не образует замкнутого магнитного контура вокруг каждой жилы.

5. Что такое «кабель с изолированным экраном» и где он применяется?

Это кабель, у которого поверх металлического экрана наложен дополнительный слой изоляции (обычно ПВХ или PE). Такая конструкция позволяет заземлять экран только в одной точке, исключая циркуляцию токов по экрану при нормальном режиме (токи нулевой последовательности все равно замыкаются через землю). Основное применение – протяженные кабельные линии (более 1-2 км), где циркулирующие по экрану токи (наведенные рабочим током фаз) могут вызывать значительные потери и нагрев. Изолированный экран требует установки специальных ограничителей напряжения на незаземленных концах для защиты от перенапряжений.

Заключение

Экранированные кабели 6 кВ представляют собой технологически зрелое и надежное решение для сетей среднего напряжения. Правильный выбор типа экрана (ленточный, проволочный, комбинированный), его сечения, а также неукоснительное соблюдение правил монтажа, особенно в части заземления и допустимых радиусов изгиба, являются залогом долговечной и безопасной эксплуатации кабельной линии. Понимание физических принципов работы экранирования и знание нормативной базы позволяют проектировщикам и монтажникам оптимизировать решения для конкретных условий, будь то плотная городская застройка, промышленный цех или ответственный объект энергетической инфраструктуры.