Струмопровідні жили
Струмопровідні жили це основний елемент конструкції силового кабелю, призначений для проходження електричного струму. Кабелі мають основні та допоміжні жили. До основних, тобто. призначеним для виконання основної функції кабельного виробу, відносяться фазні струмопровідні жили та нульові жили, до допоміжних – жили заземлення.
Фазні жили використовуються для передачі електричної енергіївід джерела до електроприймача.
Нульові жили – призначені для приєднання до нейтралі джерела та проходження різниці струмів фаз при нерівномірному навантаженні фаз. Нульові жили виконують функцію нульового провідника (N).
Жили заземлення – призначені для з'єднання металевих частин електротехнічного пристрою, що не знаходяться під робочою напругою, до якого підключений кабель, з контуром захисного заземлення, з метою підвищення рівня електробезпеки. Жили заземлення виконують функцію нульового захисного провідника (РЕ).
Нульові жили та жили заземлення можуть виготовлятися меншого перерізу, ніж фазні.
Таблиця – Номінальні перерізи жил багатожильних кабелів із пластмасовою ізоляцією (ГОСТ 31996-2012).
Струмопровідні жили силових кабелів виготовляють зазвичай з алюмінію або міді, однодротяними або багатодротовими, згідно з ГОСТ 22483-2012 [завантажити/переглянути]. За формою перерізу жили виконують круглими або фасонними (зазвичай секторними або сегментними, бувають прямокутні).
 |  |
|
| а | б | в |
Малюнок. Перетин жил кабелів: а – круглого перерізу; б – сегментний переріз; в – секторний переріз.
Для кабелів з паперовою (ГОСТ 18410-73 [завантажити/переглянути]) та пластмасовою (ГОСТ 31996-2012 [завантажити/переглянути], ГОСТ 16442-80 [завантажити/переглянути]) ізоляцією кругла форма жил застосовується у одножильних кабелів всіх перерізів багатожильних кабелів перерізом до 16 мм 2 включно, а також багатожильних кабелів всіх перерізів, що мають окремі оболонки. Струмопровідні жили багатожильних кабелів з поясною паперовою або пластмасовою ізоляцією перетином 25мм 2 і більше виготовляються секторної або сегментної форми.
Кабелі з гумовою ізоляцією виготовляються тільки з круглою формою жил (ГОСТ 433-73).
Таблиця – Область застосування різних форм струмопровідних жил силових кабелів до 1 кВ
Від матеріалу та конструкції жил кабелю залежать його багато важливих характеристик. Мідні струмопровідні жили кабелю мають менший електричним опором, ніж алюмінієві, отже, втрати потужності в таких кабелях (при однаковому перерізі та значенні струму) будуть нижчими, а пропускна здатність за струмом вища (при однаковому перерізі). Крім того, мідні жили мають кращі механічні властивості в порівнянні з алюмінієвими, теж можна сказати і про багатодротяні жили в порівнянні з однодротяними. Такі жили (мідні та багатодротяні) краще сприймають згинальні та розтягувальні зусилля, що впливають на кабель у процесі експлуатації. Однак кабель з мідними жилами дорожчий і має більшу масу, ніж кабель з алюмінієвими жилами.
Таблиця - Порівняння характеристик силових кабелів з мідними та алюмінієвими жилами *
* - характеристики кабелів взяті з каталогу ЗАТ «Завод «Южкабель»;
** - ціни вказані орієнтовно за даними інтернет-джерел 2016 року.
Ізоляція
Ізоляція кабелю забезпечує необхідну електричну міцність струмопровідних жил по відношенню один до одного та до заземленої оболонки (землі). У кабелях застосовується найчастіше паперова, пластмасова та гумова ізоляція.
Ізоляція, накладена на жилу кабелю, називається ізоляцією жили (іноді називають фазною ізоляцією). Ізоляція, накладена поверх ізольованих скручених або паралельно покладених жил багатожильного кабелю, називається поясною.
Малюнок. Кабель марки АПвВГ з ізоляцією жив із вулканізованого поліетилену та поясною ізоляцією із ПВХ пластикату: 1 – струмопровідна жила; 2 – ізоляція жили; 3 – поясна ізоляція; 4 – зовнішня оболонка.
Від типу ізоляції кабелю залежить його багато експлуатаційних характеристик. Наприклад, паперова просочена ізоляція має високі ізолюючі властивості, але вже при температурі нижче нуля втрачає свою еластичність, стає крихкою і може легко пошкодитись при монтажі кабелю. Крім того, кабелі з паперовою ізоляцією мають обмеження по різниці рівнів на трасі прокладки, це пов'язано з можливим стіканням просочувального складу і осушенням ділянок ізоляції. Ізоляція виконана з зшитого поліетилену має високу стійкість до теплових навантажень, тому кабелі з такою ізоляцією мають більш високу пропускну здатність струму. Гумова ізоляція має гарну еластичність, тому вона зазвичай застосовується в гнучких кабелях, для живлення пересувних механізмів та переносного електроінструменту.
Таблиця - Порівняння характеристик силових кабелів з різними типами ізоляції
Оболонка
Кабельна оболонка - безперервна металева або неметалічна трубка, розташована поверх сердечника (сердечник - сукупність ізольованих жил, можливо, з поясною ізоляцією та екраном) і призначена для захисту його від вологи та інших зовнішніх впливів (кислот, газів тощо). Найчастіше у силових кабелів оболонка виготовляється алюмінієвою, свинцевою, пластмасовою чи гумовою. Алюмінієва та свинцева оболонки (ГОСТ 24641-81 [завантажити/переглянути]) зустрічаються найчастіше у кабелів із паперовою ізоляцією (ГОСТ 18410-73 [завантажити/переглянути]), пластмасові оболонки – у кабелів із пластмасовою ізоляцією (ГОСТ 319 /Переглянути]), гумові оболонки - у кабелів з гумовою ізоляцією (ГОСТ 433-73 [завантажити/переглянути]).
Малюнок. Кабель марки ААШв алюмінієвою оболонкою: 1 - струмопровідна жила; 2 – ізоляція жили; 3 – поясна ізоляція; 4 -оболонка; 5 – захисний покрив.
Алюмінієву оболонку силових кабелів на напругу до 1 кВ допускається використовувати як нульову жилу в чотирипровідних мережах змінного струмуз глухозаземленою нейтраллю (за винятком установок з вибухонебезпечним середовищем та установок, у яких струм у нульовому дроті за нормальних умов становить понад 75 % струму у фазній жилі). Свинцеві оболонки броньованих кабелів прокладених у землі використовують як природні заземлювачі. Алюмінієві оболонки кабелів використовувати як заземлювач не допускається.+
Алюмінієва оболонка в порівнянні зі свинцевою має більш високе допустиме механічне навантаження, вібростійкість, проте більш схильна до руйнування від корозії.
Екрани
Екрани застосовують у кабелях напругою вище 1 кВ для захисту зовнішніх ланцюгів від впливу електромагнітних полів струмів, що проходять кабелем, та для забезпечення симетрії електричного полядовкола жив кабелю. Найчастіше екрани виконують із мідних стрічок та мідного дроту.
Малюнок. Одножильний кабель марки АПвЕАкП з екраном з мідних дротів та мідної стрічки: 1 – струмопровідна жила; 2 – напівпровідний шар; 3 – ізоляція; 4 – напівпровідний шар; 5 – шар кабельної обмотки; 6 – екран; 7 – шар кабельної обмотки; 8 – подушка; 9 – броня; 10 – зовнішня оболонка.
У одножильних кабелів екран накладають поверх ізоляції жил, а багатожильних кабелів загальний екран – поверх всіх ізольованих жил кабелю чи свій екран – поверх кожної ізольованої жили окремо.
Малюнок. Кабель марки ПвЕоВ із загальним мідним екраном поверх всіх жил: 1 – струмопровідна жила; 2 – напівпровідний шар; 3 – ізоляція; 4 – напівпровідний шар; 5 – заповнювач; 6 – шар кабельної обмотки; 7 – екран; 8 – шар кабельної обмотки; 9 – зовнішня оболонка.
Малюнок. Кабель марки АПвЕП з екраном поверх кожної жили окремо: 1 – струмопровідна жила; 2 – напівпровідний шар; 3 – ізоляція; 4 – напівпровідний шар; 5 – шар кабельної обмотки; 6 – екран; 7 – заповнювач; 8 – зовнішня оболонка.
Заповнювачі
Заповнювачі необхідні для усунення вільних проміжків між конструктивними елементами кабелю з метою герметизації, надання необхідної форми та механічної стійкості конструкції кабелю. Як заповнювачі застосовують джгути з паперових стрічок або кабельної пряжі, з пластмаси або гуми.
Малюнок. Кабель марки ПВЕОП з міжжильним заповнювачем з поліетиленових джгутів: 1 - струмопровідна жила; 2 – напівпровідний шар; 3 – ізоляція; 4 – напівпровідний шар; 5 – заповнювач; 6 – шар кабельної обмотки; 7 – екран; 8 – шар кабельної обмотки; 9 – зовнішня оболонка.
Захисні покриви
Захисний кабельний покрив – елемент, накладений на ізоляцію, оболонку або екран кабельного виробу, призначений для додаткового захисту від зовнішніх впливів (корозії, механічних пошкоджень тощо).
До захисних покривів належать такі елементи конструкції кабелю: кабельна броня, кабельна подушка, зовнішній кабельний покрив.
Подушка– внутрішня частина захисного покриву, накладена під бронею з метою запобігання елементу (наприклад, оболонки), що знаходиться під нею, від корозії та механічних пошкоджень стрічками або дротом броні. Подушка виконується з шарів просоченої кабельної пряжі, полівінілхлоридних, поліамідних та інших рівноцінних стрічок, паперу кріплення, бітумного складу або бітуму.
Броняє частиною захисного покриву (або захисний покрив в цілому) у вигляді металевих стрічок або одного або декількох повивів металевого дроту. Вона призначена для захисту від зовнішніх механічних та електричних впливів. Броня найчастіше виготовляється сталевим, але застосовують також і алюмінієву броню.
Малюнок. Кабель марки ПВЕБП з бронею із двох сталевих оцинкованих стрічок: 1 – струмопровідна жила; 2 – напівпровідний шар; 3 – ізоляція; 4 – напівпровідний шар; 5 – шар кабельної обмотки; 6 – екран; 7 – подушка; 8 – броня; 9 – зовнішня оболонка.
Малюнок. Кабель марки ПвЕАкП з бронею з алюмінієвого дроту: 1 - струмопровідна жила; 2 – напівпровідний шар; 3 – ізоляція; 4 – напівпровідний шар; 5 – шар кабельної обмотки; 6 – екран; 7 – шар кабельної обмотки; 8 – подушка; 8 – броня; 10 – зовнішня оболонка.
Броня із плоских металевих стрічок захищає кабелі тільки від механічних пошкоджень. Броня з металевих дротів також приймає також і зусилля, що розтягують. Ці зусилля виникають у кабелях: при їх вертикальній прокладці на велику висоту або при прокладанні по крутонахильних трасах, при прокладанні кабелів у насипних, болотистих і пучинистих ґрунтах, а також у воді.
Зовнішній кабельний покривє зовнішньою частиною захисного кабельного покриву, який накладається поверх броні для захисту від корозії та механічних впливів. Зовнішній покрив виготовляють: із бітуму; із шару кабельної або скляної пряжі, просоченої бітумним складом; а також із ПВХ пластикату або поліетилену.
У деяких конструкціях кабелів як захисний покрив або його зовнішній частині використовується захисний шланг, який являє собою випресовану трубку з пластмаси або гуми, розташовану поверх металевої оболонки або броні кабельного виробу.
Малюнок. Кабель марки АВБбШв із захисним шлангом із ПВХ пластикату: 1 – струмопровідна жила; 2 – ізоляція жили; 3 – поясна ізоляція; 4 – броня; 5 – шар бітуму; 6 – захисний шланг.
Номінальні напруги, струми, частоти та перерізи проводів та жил кабелів
Таблиця 1. Номінальна напруга систем електропостачання
| Номінальні напруги приймачів та мережі, кВ | Номінальна міжфазна напруга на затискачах, кВ |
||
| Генераторів | Трансформатори |
||
| Первинні обмотки | Вторинні обмотки |
||
| Примітки: 1. Напруги, вказані в дужках, для мереж, що знову проектуються, не рекомендуються. 2. Знаком * відзначені напруги трансформаторів, що приєднуються безпосередньо до шин генераторної напруги електричних станцій або висновків генераторів. |
|||
Номінальні струми
1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3,15; 4; 5; 6,3; 8; 10; 12,5; 16; 20; 25; 31,5; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250; 315; 400; 500; 630; 800; 1000; 1250; 1600; 2000; 2500; 3150; 4000; 5000; 6300; 8000; 10 000: 12500; 16000; 20 000; 25 000; 31500; 37500; 40 000; 50 000; 63 000; 75 000; 80 000; 100000; 125 000; 160 000; 200 000; 250 000 А.
Примітки: 1. З перерахованих значень струмів до 1000 А доцільними є: 1; 1,6; 2,5; 4; 6,3 А, а також десяткові кратні та долеві значення цих струмів.
2. Для ТГ допускається застосовувати на додаток до зазначених значень такі значення струмів: 15; 30; 60; 75; 120 А, а також десяткові кратні значення цих струмів.
Номінальні частоти
Значення Г10 систем електропостачання, джерел, перетворювачів та ЕП змінного струму:
а) джерел: 50; 400; 1000; 10000 Гц;
б) перетворювачів та ЕП: 50; 400; 1000; 2000; 4000; 10000 Гц;
в) додатково допускаються: 100; 150; 200; 250; 300 Гц – для електричних інструментів: електричних приводів центрифуг; сепараторів та деревообробних верстатів; 600; 800; 1200; 2400 Гц - для безредукторних високошвидкісних електроприводів металообробних верстатів та безредукторних електрошпинделів; 500; 2400; 8000 Гц для електротермічного встаткування.
Номінальні перерізи жил кабелів та проводів
Переріз струмопровідних мідних та алюмінієвих жил кабелів, проводів та шнурів класу 2 для стаціонарної прокладки:...
0,5; 0,75; 1; 1,2; 1,5; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6; 8; 10; 16; 25; 35; 50; 70; 95; 120; 150; 185; 240; 300; 400; 500; 625; 800; 1000; 1200; 1600; 2000 мм2.
Перетину 0,5 та 0,75 мм2 – тільки для мідних жил.
Вибір напруги для електроустановок:
750 кВ – утворення великих об'єднаних енергосистем; міжсистемні зв'язки; видача потужності найбільшими ЕС.
500 кВ – освіта об'єднаних енергосистем, міжсистемні зв'язки; видача потужності великими ЕС; електропостачання великих енергоємних підприємств чи районів.
220-330 кВ - розподіл потужностей усередині великих енергосистем, електропостачання віддалених та великих споживачів.
110-150 кВ - розподіл потужностей всередині енергосистем та ПЕМ; електропостачання віддалених сільських споживачів, розподіл потужностей усередині великих міст.
20-35 кВ – електропостачання промпідприємств середньої потужності, міст та сільських споживачів.
6-10 кВ - електропостачання промислових та сільських споживачів; розподіл потужності усередині великих підприємств.
660 В - розподіл потужностей на підприємствах з великою питомою густиною електричних навантажень, концентрацією потужностей та з великою кількістю електродвигунів 200-600 кВт. Доцільно поєднання 660 з первинним Ц 10 кВ.
380/220 В - живлення силових та освітлювальних електричних приймачів, а також коли застосування 660 В недоцільно.
Не вище 40 В - у приміщеннях з підвищеною небезпекою та особливо небезпечних для стаціонарного місцевого освітлення та ручних переносних ламп.
12 В - за особливо несприятливих умов щодо небезпеки ураження електричним струмом - у металевих резервуарах, для живлення ручних переносних ламп.
Для великих міст та промислових комплексів рекомендується система: 110/10/0,4 кВ, а за високої концентрації навантажень: 330-220-110/0,4 кВ. Розвиток мереж 35 кВ у таких районах має бути обмеженим. У сільській місцевості в районах із концентрованими навантаженнями поряд із системою 110/35/10/0,4 кВ рекомендується система 110/10/0,4 кВ.
Номінальні стандартні напруженняу стаціонарних електроустановках
Всі електротехнічні споруди в Росії будують із застосуванням стандартних номінальних напруг, наведених у табл. 2, 3, 4.
Таблиця 2. Номінальна напруга до 100Упостійногота змінного струму
Таблиця 3. Номінальна напруга від 100 до 1000Упостійного,трифазного та однофазного струму
| Номінальну напругумереж та приймачів електричної енергії, В | Номінальна напруга, |
|||||||
| генераторів | трансформаторів |
|||||||
| постійного струму | трифазного струму (міжфазне) | трифазного струму (міжфазне) | однофазного струму |
|||||
| первинні обмотки | первинні обмотки | вторинні обмотки |
||||||
| *Номінальна напруга мереж та приймачів однофазного струму 220, 380 В. |
||||||||
Таблиця 4 . Номінальна напруга понад 1000 В трифазного струму
| Номінальна напруга мереж та приймачів енергії, кВ | Номінальна міжфазна напруга, кВ |
||||||
| генераторів | трансформаторів | генераторів | трансформаторів |
||||
| первинні обмотки | вторинні обмотки | первинні обмотки | вторинні обмотки |
||||
Таблиця 5. Відгалуження обмоток трансформаторів з РПН на обмотці ВН
Таблиця 6. Залежність величини струму від потужності (при трифазійному струмі)
| Потужність, кВ*А | Струм при напрузі, |
||
При проектуванні систем електропостачання споживачів обов'язково має розглядатися питання вибору перерізу струмопровідного кабелю.
Це питання освячено у розділі 1.3 Правил Пристрої Електроустановок 7 редакція (ПУЕ).
Переріз усіх ізольованих та неізольованих провідників вибирається за трьома умовами:
1) за умовою допустимого нагріву;
2) за економічним критерієм;
3) за умовами допустимості коронування провідника.
Перевірка за умовою допустимого нагріву
Протікаючи по струмопровідній жилі кабелю, електричний струм викликає її нагрівання, що кількісно характеризується законом Джоуля Ленца. Нагрів залежить від величини електричного струму та активної складової опору провідника.
Опір кабелю своєю чергою визначається площею перерізу, властивостями матеріалу та її протяжністю. Відповідно, що більше перетин, то менше буде опір і навпаки.
Перетин струмопровідних жил кабелів вибираються так, щоб забезпечувати допустиме нагрівання провідника для всіх режимів роботи електричної мережі.
Електричний струм визначається за такими формулами:
I=P*Kі/Ucosφ– для однофазної мережі;
I=P/√3Ucosφ– для трифазної мережі,
де P- Це сумарна величина підключеного навантаження;
U- Це рівень напруги мережі;
Ki- Коефіцієнт одночасності, що характеризує ймовірність одночасного включення в мережу повної величини навантаження (зазвичай приймається 0,75);
cosφ- Коефіцієнт потужності, що характеризує частку активного навантаження у вузлі.
При отриманні значення електричного струму слід розпочати вибір перерізу кабельної жили, виходячи з її характеристик і величини розрахункового струму. Для кожного кабелю в залежності від виду його ізоляції, місця прокладки та кількості струмопровідних жил є власні таблиці перерізів.
Необхідно приділити увагу режимам роботи електроприймачів, що постачаються, так як при повторно-короткочасних і короткочасних режимах роботи, а так само при перевищенні певних значень перерізів (мідь – 6 мм; алюміній – 10 мм) струм повинен бути помножений на поправочний коефіцієнт (0,875/√Tпв де Tпв - відношення тривалості включення до тривалості всього циклу). Аналогічно справа з температурою, для неї є свої поправочні коефіцієнти.
Таблиці для вибору перерізу залежно від виду ізоляції, розрахункового електричного струму провідника та поправочних коефіцієнтів наведено у розділі 1.3 ПУЕ 7.
Вибір провідників економічного критерію
Очевидно, що збільшення перерізу провідника веде до збільшення надійності електропостачання, але неминуче призводить до збільшення витрати матеріалу, отже, і його вартості.
Тому всі перерізи мають вибиратися з погляду допустимості витрат. Перевірка здійснюється за такою формулою:
S=I/Jек,
де I- Це струм, що протікає по провіднику в годину, що відповідає максимуму навантаження;
Jек– нормоване значення економічної щільності струму, яке вибирається зі стандартного ряду.
Отриманий у цьому розрахунку переріз має бути округлений до найближчого більшого значення. Розрахунок проводиться тільки для робочого струму, його збільшення в ремонтних та післяаварійних схемах не враховується. Також варто врахувати, що у випадку, коли максимум навантаження відзначається під час нічного провалу графіка споживання енергосистеми, економічна щільність збільшується на 40%, що пов'язано зі значною дешевизною електроенергії в даний період доби. Окремого розгляду піддаються провідники з великою кількістю відгалужень, сільських ліній та ліній живлять велику кількість однотипних електроприймачів.
Перевірка провідника за умовами корони та радіоперешкод
Всі провідники, напруга яких перевищує 35кВ, повинні перевірятися на коронування, а також можливість утворення радіоперешкод при коронуванні. Характеристикою перевірки є напруженість електричного поля у провідника. Вона має перевищувати 0,9 від величини початкової напруженості.
У висновку слід зазначити, що при прокладанні одного кабелю через ділянки з різними температурними показниками та іншими характеристиками ґрунту слід спиратися на найгірші умови. За винятком тих випадків, коли для цих ділянок застосовуються кабелі різних перерізів та способів прокладання та ізоляції.
Ця стаття має суворо ознайомлювальний характер і буде корисна учням перших курсів, інженерам на початку кар'єри та людям, зацікавленим у отриманні додаткових знань. Для фахівців, чия діяльність пов'язана з безпосереднім проектуванням електричних мереж, краще звернутися до першоджерела.
Подібні матеріали.