Знание отрасли

Как класс напряжения определяет конструкцию силового кабеля изнутри наружу

Классификация по напряжению является единственным наиболее важным параметром проектирования для силовой кабель , и он определяет строительные решения на каждом уровне — проводнике, изоляции, экранировании и оболочке. Силовые кабели условно делятся на низковольтные (НН до 1 кВ), среднего напряжения (СН от 1 кВ до 35 кВ) и высокого напряжения (ВН выше 35 кВ). Каждое повышение класса напряжения предъявляет требования к конструкции, которые выходят далеко за рамки простого увеличения толщины изоляционной стенки.

На уровне низкого напряжения основная функция изоляции заключается в предотвращении контакта с проводниками под напряжением и выдерживании небольших градиентов электрического поля. Стенки с изоляцией из ПВХ и сшитого полиэтилена толщиной 0,7–1,0 мм достаточны для кабелей номиналом 0,6/1 кВ. Распределение электрического поля при этом напряжении относительно однородно, и нет необходимости в слоях, выравнивающих поле. Однако кабели среднего напряжения работают в условиях напряженности электрического поля, когда концентрация поля на неровностях поверхности проводника — краях жил, окислении поверхности, микроскопических выступах — может вызвать частичный разряд, который со временем разрушает изоляцию. Вот почему для кабелей среднего напряжения требуется экран проводника: слой полупроводникового компаунда, нанесенный непосредственно на проводник, который сглаживает электрическое поле, создавая непрерывную однородную эквипотенциальную поверхность изоляции. Соответствующий изоляционный экран на внешней поверхности изоляции выполняет ту же функцию на границе раздела изоляция-экран.

Изоляционный экран в кабелях среднего напряжения должен быть приклеенным (несъемным) или полуприклеенным (съемным) в зависимости от метода заделки. Несъемные экраны требуют режущих инструментов и тщательной работы на концах кабеля, чтобы избежать порезов на поверхности изоляции; Съемные экраны позволяют аккуратно удалить полупроводниковый слой, но создают определенный интерфейс, который необходимо контролировать, чтобы предотвратить попадание влаги на границу экрана и изоляции. При напряжении выше 15 кВ металлический экран над изоляционным экраном должен проводить полный емкостный зарядный ток кабеля, который становится значительным на длинных участках кабеля — фактор, который определяет поперечное сечение проводника экрана независимо от требований к току повреждения.

Сравнение изоляции из сшитого полиэтилена и этиленпропиленового каучука в силовых кабелях среднего напряжения

Для среднего напряжения силовой кабель Таким образом, выбор между изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ) и этиленпропиленовой резины (ЭПР) является одним из наиболее важных решений по выбору материала, и он часто делается только на основе цены, что постоянно приводит к несоответствию характеристик в сложных условиях. Каждый материал имеет совершенно другой профиль производительности, который соответствует конкретным условиям применения.

Наиболее существенной с практической точки зрения разницей между этими двумя материалами является устойчивость к воде. Водяные деревья представляют собой каналы дендритной деградации, которые распространяются через изоляцию на основе полиэтилена в присутствии влаги и напряжения электрического поля переменного тока. Стандартный сшитый полиэтилен подвержен образованию водяных деревьев в течение периода эксплуатации 10–20 лет при установке в мокром грунте или при прямом захоронении. Соединения из сшитого полиэтилена с защитой от дерева (TR-XLPE) с добавками, препятствующими образованию дерева, доступны и широко используются в распределительных кабелях, но они увеличивают стоимость и требуют от производителя поиска и квалификации конкретных составов соединений. EPR, являясь резиновой смесью с принципиально иной молекулярной структурой и характеристиками влагопроницаемости, по своей природе устойчив к образованию водяного дерева без дополнительных добавок. Для кабелей, проложенных в земле, в затопленных кабелепроводах или на подводных лодках, влагостойкость EPR делает его технически правильным выбором независимо от дополнительных затрат.

Более низкая диэлектрическая проницаемость сшитого полиэтилена дает ему преимущество в эффективности передачи по сравнению с длинными кабелями при среднем и высоком напряжении, поскольку емкостный зарядный ток, который протекает даже при отсутствии подключенной нагрузки, пропорционален диэлектрической проницаемости. В кабельных системах, где зарядный ток составляет значительную часть тепловой устойчивости кабеля (обычно кабели длиной более 10–15 км при напряжении 33 кВ), более низкое значение εr сшитого полиэтилена напрямую преобразуется в полезную несущую способность.

Выбор брони для силовых кабелей: сравнение стальной проволоки, стальной ленты и алюминиевой проволоки

Механическая защита с помощью брони требуется всякий раз, когда силовой кабель должен выдерживать напряжения при монтаже — растяжение, сжатие при засыпке, воздействие землеройной техники или давление от кабелей, опирающихся на опорные конструкции на больших пролетах. Выбор типа брони влияет не только на механические характеристики, но и на электрические характеристики кабеля при переменном токе, вес и коррозионную стойкость, причем такие аспекты, которые часто упускаются из виду на этапе спецификации.

Броня из стальной проволоки (SWA)

Броня из стальной проволоки состоит из отдельных проволок из оцинкованной или нержавеющей стали, спирально наложенных на подстилающий слой под внешней оболочкой. SWA обеспечивает самую высокую прочность на разрыв среди всех типов брони, что делает ее правильным выбором для кабелей, подвергающихся значительным осевым растягивающим усилиям во время установки, например, кабелей, протягиваемых через кабелепровод на большие расстояния, или подводных кабелей, подвергающихся установочному натяжению. Количество и диаметр проволоки выбираются для достижения целевой разрывной нагрузки; для силовых кабелей большой мощности достижимы разрывные нагрузки SWA 50–200 кН. Однако броня из стальной проволоки на одножильных силовых кабелях переменного тока создает значительный механизм магнитных потерь: броня образует замкнутую магнитную цепь вокруг проводника с током, а индуцированные токи в бронепроводах выделяют тепло. В одножильных кабелях потери SWA могут достигать 30–50% потерь в проводнике, что существенно снижает эффективную токовую нагрузку. По этой причине в одножильных кабелях переменного тока с поперечным сечением проводников более 70 мм² следует использовать броню из алюминиевой проволоки (AWA) вместо стальной.

Стальная ленточная броня (STA)

В стальной ленточной броне используются две перекрывающиеся стальные ленты, нанесенные в противоположных направлениях, чтобы обеспечить сопротивление радиальному сжатию и защиту от сдавливающих сил. STA легче, чем SWA, и более экономична, но обеспечивает минимальную прочность на разрыв — она не рассчитана на установку натяжением и расстегнется при осевой нагрузке. STA подходит для прокладки кабелей, проложенных непосредственно в устойчивом грунте, где основной задачей является механическая защита от случайных ударов и атак грызунов, но не ожидается значительного натяжения. Конструкция «лента на ленте» также обеспечивает менее равномерное покрытие, чем проволочная броня, оставляя спиральные зазоры между слоями ленты, куда может проникнуть сосредоточенная ударная сила.

Алюминиевая проволочная броня (AWA)

Броня из алюминиевой проволоки механически эквивалентна SWA по характеристикам растяжения (с немного большим диаметром проволоки, чтобы компенсировать более низкую прочность алюминия на разрыв), но устраняет проблему магнитных потерь в одножильных кабелях переменного тока. Поскольку алюминий немагнитен, AWA не образует магнитную цепь вокруг проводника и не создает значительных потерь наведенного тока. AWA также значительно легче, чем SWA — плотность алюминия составляет примерно одну треть от плотности стали, что снижает вес установки и усилия по протягиванию кабеля в крупных установках. Компромиссом является коррозионная стойкость в химически агрессивных почвенных средах: алюминиевая броня требует прочной подкладки и защиты верхней оболочки в кислых почвах или зонах с электрохимической активностью, где гальваническая коррозия между алюминиевой броней и любыми контактирующими стальными конструкциями может вызвать ускоренную деградацию брони.

Номинальный ток короткого замыкания: что это значит и как он рассчитывается для силовых кабелей

Каждый силовой кабель имеет два различных номинальных тока, оба из которых должны соблюдаться при любой установке: номинальный ток длительного действия (токовая нагрузка) для нормальной работы и номинальный ток короткого замыкания для условий неисправности. Номинал короткого замыкания часто отсутствует в упрощенных процессах выбора кабеля, однако кабель, который не может выдержать предполагаемый ток короткого замыкания в точке его установки, может перегореть и вызвать пожар, повреждение оборудования и опасность для персонала в случае первого повреждения.

Номинальный ток короткого замыкания рассчитывается на основе предположения об адиабатическом нагреве: в течение короткого времени повреждения (обычно от 0,1 до 3 секунд до того, как защитные устройства устранят повреждение), по существу, вся энергия повреждения нагревает проводник, поскольку для значимой передачи тепла к изоляции или окружающей среде недостаточно времени. Уравнение адиабатического повышения температуры связывает допустимый ток короткого замыкания (I), поперечное сечение проводника (S), длительность повреждения (t) и константы материала проводника:

Допустимая пиковая температура проводника во время повреждения ограничивается изоляционным материалом: из сшитого полиэтилена и этиленпропиленового каучука максимальная температура проводника короткого замыкания составляет 250°C (от начальной температуры при максимальной продолжительной работе до 90°C), а для кабелей с ПВХ-изоляцией - до 160°C или 140°C в зависимости от поперечного сечения проводника. Эти пределы существуют, потому что их превышение приводит к необратимому повреждению изоляции — плавлению, карбонизации или потере механической целостности — даже если сам проводник выживет. Стандарты IEC 60364-5-54 и IEC 60949 определяют конкретные константы для медных и алюминиевых проводников с различными системами изоляции.

Важным и часто упускаемым из виду аспектом стойкости к короткому замыканию является то, что ее необходимо проверять по максимальному предполагаемому току повреждения в точке установки кабеля, а не в точке питания. Предполагаемый ток короткого замыкания уменьшается по мере удаления от источника из-за импеданса промежуточных кабелей и трансформаторов. Кабель на расстоянии 200 метров от трансформатора будет испытывать меньший ток короткого замыкания, чем кабель на клеммах трансформатора, что позволяет использовать меньшее поперечное сечение для удовлетворения требований по короткому замыканию в более удаленном месте. Выполнение этого расчета для каждого сегмента кабеля вместо применения единого консервативного значения по всей системе может значительно снизить требования к поперечному сечению проводника и общую стоимость установки.

Безгалогенные огнестойкие силовые кабели: где они необходимы и что на самом деле проверяют стандарты

Спецификации безгалогенных огнестойких кабелей (HFFR) или безгалогенных кабелей с низким дымовыделением (LSHF/LS0H) становятся все более распространенными в строительных и инфраструктурных проектах, но эти спецификации часто применяются без полного понимания того, что измеряют тесты, лежащие в основе этого обозначения, и что они не измеряют.

Стандартные кабели с ПВХ-изоляцией при горении выделяют газообразный хлористый водород (HCl), поскольку хлор в ПВХ-составе вступает в реакцию с продуктами сгорания. HCl вызывает коррозию и повреждает электронное оборудование даже в концентрациях, значительно ниже токсичных для человека. В закрытых помещениях — туннелях, кораблях, центрах обработки данных, подземных транспортных системах — HCl, выделяемая из горящих кабелей, может разрушить электронные системы по всему пространству и сделать окружающую среду коррозионной на несколько месяцев после пожара. Соединения HFFR заменяют ПВХ материалами на основе полиолефинов, содержащими огнезащитные наполнители из гидроксидов металлов (обычно тригидрат алюминия или гидроксид магния), которые при нагревании выделяют водяной пар и охлаждают зону горения без образования кислых газов.

Ключевые стандарты, регулирующие характеристики кабелей HFFR, включают:

• МЭК 60332-1 (распространение пламени по одному кабелю): Проверяет, гаснет ли одиночный кабель при подаче определенного пламени в течение 60 секунд. Это минимальный порог, который могут пройти практически все кабели с любым огнезащитным составом. Прохождение этого теста не означает работоспособности в реальной установке с сгруппированными кабелями.
• МЭК 60332-3 (Распространение пламени по групповому кабелю — Категории A, B, C, D): Тестирует пучок кабелей, установленный на лестничном лотке, под определенным пламенем в течение 20 минут. Категория А представляет собой самый высокий установленный объем кабеля (7 литров на метр) и является самой требовательной. Соответствие категории A IEC 60332-3 является значимым показателем эффективности распространения пламени в реальных установках кабельных лотков.
• IEC 60754-1 и -2 (содержание галогенов): Тестирует выбросы кислых газов и pH дымовых газов. Кабель, соответствующий стандарту IEC 60754-2, имеет pH выше 4,3 и проводимость ниже 10 мкСм/мм при испытании на горение, что подтверждает низкое содержание галогенов. Это тест, который отличает HFFR от стандартных огнестойких кабелей из ПВХ.
• IEC 61034 (плотность дыма): Измеряет коэффициент пропускания света через дым от горящего образца кабеля в испытательной камере размерами 3×3×3 м. Минимальный коэффициент пропускания 60 % является пороговым значением для обозначения низкого уровня задымленности, что соответствует видимости при эвакуации при пожаре в здании.

Важным нюансом является то, что «огнестойкость» и «безгалогенность» — это независимые свойства, которые могут совмещаться, а могут и не совмещаться в данном кабеле. Кабель может быть безгалогенным, но не обладать особой огнестойкостью (чистый полиолефин без огнезащитных наполнителей) или огнестойким, но не содержать галогенов (стандартный огнестойкий ПВХ). Указание LSHF или HFFR требует одновременного использования обоих свойств, и документ о закупке должен ссылаться на конкретные стандарты испытаний IEC, которые необходимо пройти, а не полагаться только на маркировку, поскольку эти термины не определены единообразно на всех рынках.

Проектирование силового кабеля по индивидуальному заказу: преобразование требований применения в строительные спецификации

Закупка силового кабеля по индивидуальному заказу начинается с определения требований, которое выходит далеко за рамки указания номинального напряжения и поперечного сечения проводника. Правильно выбранный нестандартный силовой кабель охватывает шесть взаимозависимых групп параметров, каждая из которых ограничивает пространство проектирования, доступное производителю:

• Электрические параметры: Напряжение системы (U0/U), максимальный длительный ток при предполагаемых условиях установки (не токовая нагрузка на открытом воздухе), предполагаемый ток короткого замыкания и время устранения неисправности, а также любые ограничения качества электроэнергии, такие как содержание гармоник, влияющее на выбор нейтрали.
• Условия механической установки: Метод установки (прямое захоронение, кабелепровод, кабельный лоток, воздушная, подводная лодка), натяжение во время установки, минимальный радиус изгиба, будет ли кабель испытывать непрерывное движение после установки, а также любые ограничения по весу или диаметру, налагаемые коэффициентами заполнения кабелепровода или ограничениями нагрузки на кабельный лоток.
• Воздействие окружающей среды: Диапазон температур окружающей среды, влажность и воздействие воды, продолжительность и интенсивность воздействия УФ-излучения, химический контакт (перечислите конкретные вещества), удельное сопротивление почвы для подземных кабелей (которое влияет как на требования по токовой нагрузке, так и на защиту от коррозии), а также необходимость защиты от нападения грызунов.
• Требования к пожарной безопасности: Требуется ли установка ограничения распространения пламени (категория IEC 60332), целостности цепи в условиях пожара (IEC 60331 — для кабелей, которые должны продолжать функционировать во время пожара, например, аварийные источники питания), ограничения кислого газа (IEC 60754) или ограничения плотности дыма (IEC 61034).
• Нормативные и сертификационные требования: Каким национальным или региональным стандартам должен соответствовать кабель (IEC, BS, UL, CSA, GB/T) и требуется ли сертификация третьей стороны от признанного испытательного центра для конкретной заказанной конструкции, а не для аналогичного эталонного кабеля.
• Ожидаемый срок службы: Расчетный срок службы в 20, 30 или 40 лет влияет на выбор изоляционного материала (скорость термического старения из сшитого полиэтилена по сравнению с EPR) и уровень испытаний на ускоренное старение, необходимых для проверки конструкции. Кабели для инфраструктурных применений часто рассчитаны на 40-летний срок службы, что требует данных о родословной изоляционного материала, демонстрирующих долговременную термическую стабильность.

Когда определены все шесть групп параметров, производитель может разработать конструкцию, которая удовлетворяет каждому ограничению, не переусердствуя при проектировании какого-либо отдельного элемента. Завышение спецификации в одной области и занижение спецификации в другой является распространенной ошибкой при закупке кабеля на заказ: покупатель, который указывает броню для максимальной прочности на разрыв, но не учитывает среду химического воздействия, может получить кабель со стальной броней, который в течение трех лет подвергается коррозии в кислой промышленной почве, несмотря на соответствие всем заявленным спецификациям.

Методы соединения экранов в силовых кабелях среднего напряжения и их влияние на потери и безопасность

Металлический экран или оболочка силового кабеля среднего напряжения служит двум целям: он обеспечивает обратный путь для емкостного зарядного тока и тока повреждения, а также ограничивает электрическое поле вне кабеля почти до нуля, защищая персонал и прилегающее оборудование. Способ крепления экрана на кабельных наконечниках и соединениях (метод крепления экрана) оказывает большое и часто недооцениваемое влияние на тепловыделение кабельной системы, токовую нагрузку и безопасность персонала.

В одноточечной системе экран кабеля подключается к земле только на одном конце, оставляя противоположный конец плавающим (или подключенным к земле через устройство защиты от перенапряжения). Это предотвращает протекание циркулирующих токов через экран — основного источника экранных потерь в системах с жестким соединением — и может увеличить пропускную способность кабеля на 10–30 % по сравнению со сплошным соединением, поскольку потери I²R в экране устраняются. Недостаток заключается в том, что напряжение вдоль экрана от заземленного конца к незаземленному концу при нормальной нагрузке возрастает. Это «наведенное напряжение оболочки» увеличивается с увеличением длины кабеля, тока нагрузки и расстояния между фазами, и его необходимо рассчитать, чтобы убедиться, что оно остается в безопасных пределах для персонала, который может коснуться незаземленного конца экрана во время работы под напряжением. В длинных кабельных системах наведенное напряжение на открытом конце может достигать сотен вольт при полной нагрузке, что требует тщательного управления доступностью конца экрана и использования ограничителей перенапряжения для предотвращения перенапряжения во время коммутационных переходных процессов или в условиях неисправности.

Поперечное соединение используется в длинных кабельных системах, разделенных на три примерно равные второстепенные секции. Экраны трех фаз кабеля переставлены на каждом соединении второстепенных секций — экран фазы A соединяется с экраном фазы B, фаза B — с фазой C, фаза C — с фазой A — так что в трех второстепенных секциях каждый экран воспринимает одну треть вклада напряжения прямой последовательности от каждой фазы. Если секции равны по длине, индуцированные напряжения в трех сегментах экрана почти полностью компенсируются, что приводит к почти нулевому циркулирующему току экрана и близкому к нулю индуцированному напряжению на концах основной секции. Перекрестное соединение сочетает в себе преимущество одноточечного соединения с низкими потерями и преимуществом низкого постоянного напряжения твердого соединения, что делает его предпочтительным методом для кабельных цепей длиной более 500 метров при напряжении 11 кВ и выше. Он требует более высокой сложности монтажа — шесть соединений экрана на каждом стыке вместо одного — и тщательного выравнивания длины секций при проектировании.