Силовые кабели предназначаются для передачи и распределения электроэнергии по району и для подводки ее к токоприемникам.
Хотя кабельные более дорогие в процессе прокладки, чем воздушные линии, они все чаще используются в качестве приоритетного решения. Сегодня высоковольтные кабели в основном эксплуатируются на уровнях напряжения 380 кВ, 110 кВ, 35кВ, 20 кВ, 10 кВ и 400 В.
В то время как сегодня производятся почти только кабели с пластиковой изоляцией и оболочкой из сшитого полиэтилена, классический высоковольтный кабель представляет собой так называемый бумажный свинцовый кабель.
Кабели из сшитого полиэтилена начали широко прокладывать еще до 1980-х годов, хотя в некоторых странах этот процесс начался позже. Одна особенно примечательная особенность этого уровня напряжения - огромное разнообразие альтернативных типов полимерных кабелей.
Силовые кабели с бумажной изоляцией (слева) по сравнению с кабелем из сшитого полиэтилена
Кабели силовые с пропитанной бумажной изоляцией
Свинцовые кабели с бумажной изоляцией имеют практически одинаковую базовую структуру для уровней напряжения от 400 В до 35 кВ. Они использовались для передачи энергии с момента появления систем первого электроснабжения в конце XIX века.
Бронированный силовой кабель в свинцовой оболочке начала XX века
Для рабочего напряжения до 35 кВ включительно такие кабели изготавливались с изоляцией из пропитанной масло-канифольным составом кабельной бумаги в свинцовой оболочке и броне в зависимости от условий прокладки.
Кабели и провода, прокладываемые на кораблях, применяемые в добывающей и обрабатывающей промышленности и в сельском хозяйстве, делались преимущественно с резиновой или пластмассовой изоляцией в гибком шланге из резины или полихлорвинила.
По числу жил различают силовые кабели: одно-, двух-, трех- и четырехжильные. Токопроводящие жилы могут быть одно и многопроволочные, а по форме — круглые, секторные, сегментные и овальные.
Как уже было сказано выше, трехжильный освинцованный кабель на напряжение до 6 кВ появился в конце XIX века. Сначала это был кабель с круглыми медными жилами, толстым слоем бумажно-пропитанной изоляции на жилах и такой же толщины общим (поясным) слоем изоляции поверх скрученных вместе изолированных жил, т. е. под свинцовой оболочкой.
Пример свинцового кабеля на рекламе Kabelwerke Brugg с 1927 года
Прокладка кабеля напряжением 30 кВ в Германии в 1928 году
Развитие силового кабеля шло по линии повышения рабочего напряжения кабеля и надежности его работы, однако, не за счет дальнейшего увеличения толщины изолирующего слоя, а за счет повышения качества и улучшения использования изолирующего материала в кабеле.
Улучшение экономических показателей кабеля, т. е. в первую очередь снижение его стоимости, определялось экономией основных материалов за счет лучшего их использования и улучшения технологического процесса (сокращение производственного цикла, снижение отходов и брака в производстве).
В двадцатых годах XX века круглые жилы в многожильных силовых кабелях были заменены жилами сегментной и секторной формы, так как уровень кабельного производства настолько повысился к этому времени, что появилась возможность изготовлять надежные в эксплуатации силовые кабели с жилами некруглой формы до 10 кВ включительно.
Основным типом силового кабеля с бумажной пропитанной изоляцией является кабель с секторными жилами.
Этот кабель имеет слой изоляции на каждой жиле (фазовая изоляция) и общий слой изоляции поверх трех скрученных вместе изолированных жил (поясная изоляция). Такой кабель называется кабелем с поясной изоляцией или по виду электрического поля в нем — кабелем с нерадиальным полем, а по типу пропитки — кабелем с вязкой пропиткой.
Для обозначения кабеля этого типа употребляются условные обозначения (марки) в зависимости от рода брони и наружного покрова, например:
- СГ— кабель без брони и каких-либо покровов поверх свинца,
- СА — поверх свинцовой оболочки наложен слой асфальта,
- СБ — поверх свинца наложена броня из двух стальных лент и покров из пропитанной битумом кабельной пряжи (джута),
- СБГ — то же, что и в предыдущей конструкции, но без джутового покрова поверх брони,
- ОП и СK — кабель с броней из плоских или круглых проволок.
Первая буква марки указывает на наличие оболочки, а последняя — на род защитных покровов.
С целью экономии свинца за счет уменьшения диаметра в многожильных силовых кабелях (двух-, трех- и четырехжильных) токопроводящие жилы кабеля делают не круглой, а секторной или сегментной формы.
Трехжильный кабель с секторными жилами имеет примерно на 15% меньший диаметр, чем кабель с круглыми жилами такого же сечения. Экономия на свинце, полученная в результате введения секторных жил, в трехжильных кабелях в среднем может быть оценена в 20%.
Жилы трехфазного кабеля могут иметь форму овала, приближающегося к эллипсу. Преимущество такой формы жилы состоит в том, что овальная жила не имеет таких острых углов, как секторная жила.
Применение жилы овальной формы в кабелях высокого напряжения 35 кВ может обеспечить до некоторой степени компенсацию тепловых изменений пропитывающего состава в изолирующем слое кабеля и тем самым повысить качество кабеля.
Основными изолирующими материалами, из которых на кабельном заводе изготовляется изолирующий слой силового кабеля, являются кабельная бумага и прочитывающий состав.
Пропитка бумажного слоя кабеля производится с целью замены воздуха в бумаге и между слоями бумажных лент более прочным в электрическом отношение минеральным маслом или каким-либо другим пропитывающим составом.
Роль бумаги состоит не только в том, что она удерживает пропитывающий состав. Наличие бумаги в изолирующем слое кабеля дает возможность получить изолирующий слой, пробивная прочность которого примерно в 3 раза превышает пробивную прочность пропитывающего состава.
Кабельная бумага, применяемая для изготовления изолирующего слоя силовых кабелей, должна обладать определенными механическими свойствами, обеспечивающими плотное наложение бумажных лент на жилу кабеля, физическими свойствами, необходимыми для правильного проведения процесса пропитки, и не должна содержать примесей, понижающих электрические свойства бумаги после пропитки.
Конструкция кабеля 20 и 35 кВ с поясной изоляцией не может обеспечить достаточной надежности в эксплуатации главным образом из-за наличия тангенциальных составляющих градиента в изоляции кабеля, вызванных нерадиальностью электрического поля.
На это напряжение применяется конструкция с тремя скрученными вместе освинцованными жилами в общей ленточной броне, условно обозначаемая маркой ОСБ. Эта конструкция впервые была предложена в 1923 г. С А. Яковлевым и С М. Брагиным.
Высоковольтный кабель на напряжение выше 20 кВ всегда изготовливался по типу одножильного кабеля, т. е. с радиальным электрическим полем, так как в этом случае надежность работы кабеля при высоком, напряжении имеет особо важное значение.
Для 110 и 220 кВ преимущественно применялись кабели маслонаполненного типа главной особенностью которых является то, что бумажная изоляция этого кабеля пропитывается маловязким минеральным маслом, которое может легко перемещаться вдоль кабеля по центральной полой жиле под влиянием создаваемого в кабеле избыточного давления.
При изменении температуры кабеля легкоподвижное масло позволяет компенсировать с помощью подпитывающей аппаратуры температурные изменения объема в изолирующем слое, которые в кабеле с вязкой пропиткой приводят к образованию пустот и пробою.
Наличие полой жилы дает возможность высушить и про питать кабель в производстве так, что в нем практически не остается никаких пузырьков и включений газа.
По изготовлении кабель наматывается на барабан и присоединяется к специальному бачку с маслом, находящемуся под некоторым положительным давлением. Благодаря такому устройству в кабеле не образуются газовые включения даже при значительных изменениях температуры.
Современный кабель ОСБ-35 3х120 на напряжение 35 кВ
Кабельные муфты
Чтобы кабели можно было соединить с другим оборудованием или друг с другом, предусмотрены кабельные наконечники и соединительные муфты.
Поскольку кабели изготавливаются ограниченной длины, необходима соединительная арматура - так называемые кабельные муфты. Задача кабельной муфты - соединить два конца кабеля друг с другом.
Демонстрационный образец кабельной муфты на 30 кВ из музея в Лейпциге, который в открытом состоянии показывает, как устроено такое кабельное соединение:
Прямое соединение алюминиевого проводника сваривается и обрабатывается алюминиевым напильником. В случае медных проводников так называемые паяльные втулки помещаются на жилы кабеля и припаиваются.
Оголенные металлические жилы вручную оборачивают масляной бумагой шириной от 10 до 30 мм до тех пор, пока толщина изоляции не будет в 2,5 раза больше толщины изоляции кабеля.
Перед намоткой кабельный компаунд и бумагу необходимо нагреть до 130 градусов для того что бы выкипела влага. Для этого использовались открытые печи на древесном угле. Конечно, это было возможно только на открытом воздухе.
Чтобы влага не проникала в гильзы, используется заводская внутренняя гильза из свинца или оцинкованной стали для соединения свинцовых оболочек и их плотной пайки.
Незадолго до окончания процесса пайки в отверстие заливается кабельный компаунд, чтобы избежать образования воздушных карманов.
При проведении процесса пропитки силового кабеля должны быть приняты все меры к тому, чтобы испарить до пропитки оставшуюся в изолирующем слое влагу и наиболее полно пропитать весь изолирующий слой кабеля, сведя до минимума воздушные включения, которые могут образоваться в изолирующем слое во время пропитки.
Пропитывающий состав должен подвергаться периодической очистке от механических примесей, вакуумной обработке для удаления влаги, приобретенной в процессе пропитки кабеля, и дегазации для удаления растворенного в нем газа (воздуха).
Прежде чем так называемая «свинцовая внутренняя втулка» будет заключена в литой стальной корпус и заполнена изоляцией из смолы, необходимо выполнить металлические соединения между арматурой из стальной полосы и свинцовой оболочкой.
После охлаждения не менее 3 часов установленная розетка может использоваться в течение очень долгого времени (30 лет и более).
Подробнее про устройтсво и технологию монтажа кабельных муфт для силовых кабелей смотрите здесь: Соединительные муфты для силовых кабелей