Основные электрические характеристики проводов и кабелей

Неправильный выбор провода или кабеля может привести к короткому замыканию, возгоранию и даже пожару. Правильные характеристики обеспечивают безопасную эксплуатацию электрической сети.

Подбор проводов и кабелей с учетом их сопротивления и допустимой токовой нагрузки гарантирует эффективную передачу электроэнергии без ненужных потерь.

Существуют стандарты и нормы, регулирующие использование проводов и кабелей в зависимости от условий эксплуатации. Правильно подобранные материалы и размеры проводов обеспечивают их долговечность и надежность в течение всего срока службы.

К основным электрическим характеристикам проводов и кабелей относятся характеристики, измеряемые при постоянном напряжении, а именно:

• омическое сопротивление токопроводящих жил,

• сопротивление изоляции,

• емкость.

Омическое сопротивление отражает способность проводника сопротивляться прохождению электрического тока и зависит от материала жилы, ее длины и сечения. Сопротивление изоляции характеризует качество изолирующего слоя и определяет уровень утечек тока через изоляцию. Емкость кабеля связана с материалом и геометрией изоляции и оказывает влияние на передачу сигналов и электрические потери.

Эти характеристики являются базовыми для оценки состояния и качества проводов и кабелей, а также для обеспечения их надежной и безопасной работы в электрических сетях и системах связи.

Омическое сопротивление

Омическое сопротивление токопроводящих жил проводов и кабелей выражается в омах и относится обычно к единице длины (м или км) провода или кабеля. Омическое сопротивление, отнесенное к единице длины и сечения, называется удельным сопротивлением и выражается в ом·см.

В технических условиях на провода и кабели удельное сопротивление выражается в омах, отнесенных к единице длины в 1 м и сечению провода в 1 мм².

Удельное сопротивление медных жил проводов и кабелей вычисляется, исходя из величины удельного сопротивления меди в изделиях. Для проволоки неотожженной (марки МТ) диаметром до 0,99 мм — 0,0182, диаметром свыше 1 мм — 0,018 - 0,0179, для проволоки отожженной (марки ММ) всех диаметров — 0,01754 ом·мм²/м.

Удельное омическое сопротивление алюминиевой проволоки не должно превышать 0,0295 ом·мм²/м при 20° С всех марок и диаметров.

Следует отметить, что удельное сопротивление металлов зависит от температуры: оно увеличивается с ростом температуры. Так, удельное сопротивление меди при 20°С составляет примерно 0,0175 Ом·мм²/м, а у алюминия — около 0,028–0,029 Ом·мм²/м. Это означает, что при одинаковом сечении алюминиевый проводник будет иметь более высокое сопротивление, что приводит к большим потерям электроэнергии и выделению тепла в линии. Для компенсации этого алюминиевые жилы обычно делают толще — примерно на 60-70% по сечению, чем медные.

Сопротивление изоляции

Сопротивление изоляции является одной из наиболее распространенных характеристик проводов и кабелей. В ранний период развития кабельной техники сопротивление изоляции считалось определяющей характеристикой в отношении пробивной прочности и надежности эксплуатации кабельных изделий.

В то время на изолирующий материал смотрели как на очень плохой проводник и, очевидно, с этой точки зрения считали, что чем больше сопротивление изоляции, тем больше этот материал отличается от проводника, следовательно, тем лучше он будет изолировать проводник.

Нормы на сопротивление изоляции проводов и кабелей и до сих пор являются основными в ряде случаев, например для проводов, подключаемых к измерительным приборам или схемам с малым током утечки. Очевидно, что в этом случае необходимо требовать высокого сопротивления изоляции так же, как для всех проводов и кабелей связи и т. д.

Для силовых кабелей, передающих относительно большое количество электрической энергии, утечка как потеря энергии практически не имеет никакого значения, если она не снижает электрической прочности и надежности работы кабеля, поэтому сопротивление изоляции для силовых кабелей с бумажной пропитанной изоляцией не так важно, как для других видов кабелей и проводов, передающих относительное малое количество электрической энергии.

Исходя из этих соображений, для силовых кабелей с бумажной пропитанной изоляцией обычно определяют только нижний предел сопротивления изоляции, отнесенный к длине в 1 км, например не ниже 50 МОм для кабелей на напряжение 1 и 3 кВ и не ниже 100 МОм для кабелей на напряжение 6 — 35 кв при 20°С.

Сопротивление изоляции не является величиной постоянной — оно сильно зависит не только от качества материалов и совершенства технологического процесса, но, кроме того, от температуры и длительности приложения напряжения при испытании.

Для достижения большей определенности при измерении сопротивления изоляции особое внимание следует обращать на температуру измеряемого объекта и длительность действия напряжения (электризации).

В неоднородных диэлектриках, в особенности при наличии в них влаги, под влиянием приложенного к ним постоянного напряжения появляется остаточный заряд.

Во избежание получения неправильных результатов необходимо перед измерениями провести длительную разрядку кабеля, соединив жилы кабеля с землей и со свинцовой оболочкой.

Для приведения результатов измерений к постоянной температуре, например 20° С, применяется пересчет полученных значений по формулам, коэффициенты в которых определяются заранее в зависимости от материала изолирующего слоя и конструкции кабеля.

Зависимость сопротивления изоляции от длительности приложения напряжения определяется изменением тока, проходящего через изолирующий слой при постоянном приложении к диэлектрику напряжения. С возрастанием длительности приложения напряжения (электризации) ток уменьшается.

Наибольшую роль играет сопротивление изоляции в кабелях связи, ибо там оно определяет качество передачи  сигналов по кабелю и является одной из основных характеристик. Для основных кабелей этого типа сопротивление изоляции составляет от 1000 до 5000 МОм и понижается до 100 МОм.

Емкость

Емкость является так же одной из основных характеристик кабелей и проводов, в особенности применяемых для связи и сигнализации.

Величина емкости определяется качеством материала изолирующего слоя и геометрическими размерами кабеля. В кабелях связи, где стремятся получить пониженные значения емкости, емкость кабеля определяется еще и объемом воздуха в кабеле (воздушно-бумажная изоляция).

Измерение емкости сегодня применяется для контроля полноты пропитки кабеля и его геометрических размеров, что важно для сохранения электрических характеристик и надежности. В трехжильных кабелях высокого напряжения емкость является комбинацией частичных емкостей между жилами.

Для расчета зарядного тока кабеля при приложении переменного высокого напряжения и для вычисления токов короткого замыкания необходимо точно знать величину емкости кабеля.

Емкость в большинстве случаев измеряется при переменном напряжении, однако для упрощения и ускорения измерений иногда применяется определение емкости постоянным током. При этом важно учитывать, что при измерении постоянным напряжением емкость, определяемая баллистическим гальванометром по разряду после заряда, будет зависеть от длительности заряда кабеля. Обычно длительность приложения напряжения при измерении емкости проводов и кабелей принимается равной 0,5 или 1 минуте.

Емкость оказывает значительное влияние на качество передачи сигнала по кабелю: высокая емкость приводит к затуханию и искажению сигнала, что особенно критично в системах связи и сигнализации. Для снижения емкости применяют материалы с малой диэлектрической проницаемостью и конструктивные решения, увеличивающие расстояние между проводниками или уменьшающие площадь изоляционного слоя.

Также емкость кабеля влияет на электрические параметры при переменном токе, включая зарядный ток и токи короткого замыкания, а для длинных кабелей высокая емкость может приводить к дополнительным потерям и снижению общей эффективности передачи энергии или сигналов.

Перечень характеристик проводов и кабелей, которые измеряют при переменном напряжении

При переменном напряжении измеряются следующие характеристики проводов и кабелей:

• угол диэлектрических потерь или вернее тангенс этого угла и приращение угла потерь в пределах от 30% номинального рабочего напряжения кабеля до напряжения при измерении;

• зависимость угла диэлектрических потерь от напряжения (ионизационная кривая);

• зависимость угла диэлектрических потерь от температуры (температурный ход);

• электрическая прочность;

• зависимость электрической прочности от длительности приложения напряжения.

В соответствии с требованиями технических условий некоторые из этих характеристик измеряются на всех выпущенных заводом барабанах с кабелем (текущие испытания), другие — только на небольших образцах или длинах, отбираемых от партии барабанов с кабелем по определенной норме (типовые испытания).

К текущим испытаниям силовых кабелей высокого напряжения относятся: измерение угла диэлектрических потерь и его изменения с напряжением (ионизационная кривая и приращение угла потерь).

К типовым испытаниям относятся температурный ход и зависимость пробивной прочности кабеля от длительности приложения напряжения. Получило также распространение испытание импульсной прочности изоляции кабеля.

Кроме того, распространено испытание импульсной прочности изоляции кабеля, которое позволяет оценить устойчивость изоляции к кратковременным высоковольтным воздействиям.

Данные измерения позволяют контролировать качество изоляции, выявлять дефекты и обеспечивать надежность и безопасность эксплуатации проводов и кабелей в электрических сетях и системах связи.

Андрей Повный