Объяснение силовых кабелей: типы электрических кабелей и изоляции проводов

Что такое Силовые кабели ?

Силовые кабели — это изолированные электрические проводники, предназначенные для передачи электрической энергии от источника к нагрузке — независимо от того, является ли эта нагрузка зданием, машиной, частью инфраструктуры или потребительским устройством. Каждый силовой кабель одновременно выполняет две функции: проводит ток с минимальными резистивными потерями и безопасно удерживает этот ток внутри изолированной и защищенной конструкции, предотвращающей контакт с людьми, оборудованием или окружающей средой.

На самом базовом уровне силовой кабель состоит из дирижер и изоляционный слой . На практике большинство кабелей, используемых в промышленности, торговле и инфраструктуре, значительно более сложны: они включают в себя несколько проводников, полупроводниковые экраны, металлические экраны, армирующие слои и внешние оболочки, каждый из которых служит определенной механической или электрической цели. Конструкция кабеля определяется напряжением, которое он должен выдерживать, током, который он должен выдерживать, условиями установки, в которых он будет работать, а также механическими нагрузками, с которыми он будет сталкиваться в течение срока службы.

Силовые кабели классифицируются по номинальному напряжению на три большие категории: низкое напряжение (НН) кабели напряжением до 1 кВ, используемые для электропроводки зданий, подключения приборов и распределения в легкой промышленности; среднее напряжение (МВ) кабели напряжением от 1 кВ до 36 кВ, используемые в промышленных электрораспределительных и фидерных сетях; и высокое напряжение (ВН) кабели напряжением выше 36 кВ, используемые в сетях электропередачи и крупной энергетической инфраструктуре. Каждый класс напряжения имеет свои собственные стандарты размеров проводников, требования к толщине изоляции и нормы монтажа, которые регулируют его проектирование и использование.

Материалы проводников почти повсеместно либо медь или алюминий . Медь обеспечивает превосходную проводимость (приблизительно 58 МС/м по сравнению с 35 МС/м алюминия), более высокую прочность на разрыв и лучшую устойчивость к коррозии в точках соединения, что делает ее предпочтительным проводником для большинства стационарных проводов и гибких кабелей. Алюминий значительно легче и имеет более низкую стоимость на единицу проводимости, поэтому он доминирует в воздушных линиях электропередачи и подземных распределительных кабелях большого сечения, где вес и стоимость материала являются основными факторами.

Типы электрических кабелей

Электрические кабели — это не отдельная категория продуктов, а обширное семейство конструкций, каждая из которых оптимизирована для определенного сочетания класса напряжения, метода установки, воздействия окружающей среды и механических требований. Ниже описаны наиболее важные типы кабелей для распределения электроэнергии и проводки в зданиях.

Небронированные кабели из ПВХ или сшитого полиэтилена (NYY/N2XY)

Небронированные кабели низкого напряжения с изоляцией из ПВХ или сшитого полиэтилена и внешней оболочкой из ПВХ являются наиболее широко используемым типом кабеля в строительных системах, легкой промышленной проводке и для прямой прокладки в кабелепроводах. Обозначение NYY (изоляция из ПВХ, оболочка из ПВХ) и обозначение N2XY (изоляция из сшитого полиэтилена, оболочка из ПВХ) соответствуют соглашениям об именах IEC, используемым в Европе и на большинстве международных рынков. Эти кабели доступны в одножильных и многожильных конфигурациях с сечением жил от 1,5 мм² до 300 мм² и более. Варианты с изоляцией из сшитого полиэтилена выдерживают более высокие номинальные токи, чем эквиваленты из ПВХ при том же размере проводника. , благодаря превосходным термическим характеристикам изоляции из сшитого полиэтилена.

Бронированные кабели (SWA и AWA)

Бронированные кабели имеют слой механической защиты между изоляцией и внешней оболочкой. Бронированный из стальной проволоки (SWA) В кабелях используется слой оцинкованной стальной проволоки, намотанной спирально вокруг изолированного сердечника, что обеспечивает устойчивость к раздавливанию, нападению грызунов и случайным ударам. SWA является стандартным выбором для прямого захоронения без кабелепровода, подземного распределения и поверхностного монтажа в промышленных условиях, подверженных механическим повреждениям. Бронированный из алюминиевой проволоки (AWA) В кабелях используются алюминиевые проволоки вместо стальных, что снижает вес и устраняет риск гальванической коррозии в кабелях с алюминиевыми жилами, что делает их предпочтительными для подземных одножильных кабелей, где стальная броня может создать неприемлемые потери на вихревые токи в системах переменного тока.

Кабели с минеральной изоляцией (кабель MICC/MI)

В кабелях с минеральной изоляцией в качестве изоляционного материала используется прессованный порошок оксида магния (MgO), помещенный между медными проводниками и бесшовной внешней оболочкой из меди или нержавеющей стали. В результате получается кабель с исключительная огнестойкость — MgO негорюч, а металлическая оболочка не горит и не выделяет токсичных паров при любых условиях пожара. Кабели с минеральной изоляцией сохраняют целостность цепи при температурах, превышающих 1000°C, и во многих строительных нормах и правилах используются для цепей пожарной сигнализации, аварийного освещения, систем дымоудаления и другой проводки, обеспечивающей безопасность жизни. Их ограничениями являются более высокая стоимость, ограниченная гибкость и восприимчивость к проникновению влаги на обрезанные концы, что требует герметичных соединений.

Гибкие и висячие кабели

В гибких кабелях используются тонкоскрученные проводники, состоящие из десятков или сотен отдельных тонких проволок, скрученных вместе, для достижения радиуса изгиба и устойчивости к гибким циклам, необходимых для подвижных соединений: шнуров приборов, портативных инструментов, удлинителей и машинных проводов. Класс скрутки определяет гибкость: проводники класса 5 (тонкожильные) и класса 6 (сверхтонкожильные) согласно IEC 60228 используются для часто сгибаемых проводов, а класс 2 (многожильные) является стандартным для фиксированной проводки. Гибкая изоляция и оболочка кабеля разработаны для устойчивости к истиранию, маслам и многократному изгибу, а не оптимизированы исключительно для тепловых характеристик.

Кабели из сшитого полиэтилена среднего и высокого напряжения

При напряжении выше 1 кВ конструкция кабеля существенно усложняется. Кабели среднего и высокого напряжения требуют дирижер screens and insulation screens — тонкие слои полупроводникового материала, наносимые непосредственно на проводник и на внешнюю поверхность изоляции — для сглаживания концентраций электрического поля на поверхности проводника и на границе раздела изоляция-оболочка. Без этих экранов неоднородная геометрия многожильных проводников создала бы локальное усиление поля, достаточное для того, чтобы со временем вызвать ухудшение изоляции. Сшитый полиэтилен является доминирующим изоляционным материалом для кабелей среднего и высокого напряжения во всем мире, за последние 30 лет он в значительной степени вытеснил кабели с бумажно-масляной изоляцией (PILC) благодаря своей превосходной влагостойкости, меньшему весу и способности работать при более высоких температурах проводника (90 ° C при постоянной температуре против 70 ° C для ПВХ).

Кабели передачи данных и сигнальные кабели с силовыми проводниками (гибридные кабели)

Гибридные кабели объединяют силовые проводники и проводники сигналов или данных в одной оболочке, что снижает сложность установки в приложениях, где питание и связь должны достигать одной и той же конечной точки — промышленное оборудование, системы видеонаблюдения, автоматизация зданий и мониторинг возобновляемых источников энергии. Силовые и сигнальные элементы физически разделены и часто индивидуально экранированы внутри кабеля, чтобы предотвратить электромагнитные помехи от силовых проводников, повреждающие сигнальные цепи.

Виды изоляции проводов

Изоляция провода — это слой материала, окружающий проводник, который предотвращает выход тока по намеченному пути. Изоляция должна выдерживать электрическое воздействие рабочего напряжения, термическое напряжение, вызванное температурой проводника под нагрузкой, а также любые механические или химические нагрузки, создаваемые средой установки. Выбор изоляционного материала является одним из наиболее важных решений при выборе кабеля: от него зависит номинальная рабочая температура, допустимая нагрузка по току, химическая стойкость, огнестойкость и срок службы.

ПВХ (поливинилхлорид)

ПВХ является наиболее широко используемым материалом для изоляции и оболочки кабелей во всем мире, на него приходится большая часть производства кабелей низкого напряжения по объему. Его доминирование обусловлено выгодным сочетанием свойств при низкой стоимости: адекватной диэлектрической прочностью, хорошей устойчивостью к влаге и многим химикатам, разумной механической прочности и простоте обработки на стандартном экструзионном оборудовании. Стандартная изоляция из ПВХ рассчитана на длительную температуру проводника 70°С , со специальными составами, доступными для применения при температуре 90°С и 105°C.

Основным ограничением ПВХ является его огнестойкость. При горении ПВХ выделяется газообразный хлористый водород и другие токсичные галогенированные соединения, а кабели из ПВХ в условиях пожара выделяют густой черный дым. Вот почему использование ПВХ все чаще ограничивается или запрещается в зданиях с высокой посещаемостью, замкнутых пространствах, туннелях и инфраструктуре общественного транспорта — особенно в Европе, где требования с низким дымовыделением и отсутствием галогенов (LSZH) вытеснили ПВХ во многих категориях спецификаций.

Сшитый полиэтилен (сшитый полиэтилен)

Сшитый полиэтилен производится путем сшивания полимерных цепей полиэтилена, превращая термопластичный материал в термореактивный. Сшивка создает трехмерную полимерную сетку, которая не плавится и не течет при повышенных температурах — в отличие от стандартного полиэтилена или ПВХ, которые постепенно размягчаются при повышении температуры. В результате получается изоляционный материал, рассчитанный на постоянную температуру проводника 90°C (силовые кабели) и температура короткого замыкания до 250°C по сравнению с пределом длительной температуры ПВХ 70°C и 160°C при коротком замыкании.

Более высокий температурный класс сшитого полиэтилена напрямую увеличивает допустимую токовую нагрузку кабеля при заданном размере проводника: кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена площадью 95 мм² пропускает примерно на 15–20 % больше тока, чем провод того же сечения с изоляцией из ПВХ в эквивалентных условиях установки. Сшитый полиэтилен также обладает превосходными диэлектрическими свойствами, что делает его предпочтительной изоляцией для всех кабелей среднего и высокого напряжения. Его ограничения включают более высокие затраты на материал и обработку по сравнению с ПВХ, а также тот факт, что сшивка необратима — обрезки и лом кабеля из сшитого полиэтилена не могут быть переработаны путем переплавки.

LSZH / LS0H (с низким дымовыделением, без галогенов)

Составы для изоляции и оболочки LSZH изготавливаются из безгалогенных термопластичных или термореактивных полимеров — обычно на основе смесей полиолефинов, наполненных тригидратом алюминия (ATH) или гидроксидом магния в качестве антипиренов. При воздействии огня материалы LSZH выделяют минимальное количество дыма и не выделяют газов галогеновой кислоты. Это резко улучшает живучесть и условия эвакуации в закрытых помещениях: Хлорид водорода в результате горения кабелей из ПВХ является основной причиной потери трудоспособности при пожарах в зданиях. , независимо от самих тепла и пламени.

Кабели LSZH обязательно используются в туннелях, аэропортах, железнодорожных станциях, центрах обработки данных, военно-морских судах и многолюдных зданиях на большинстве развитых рынков. Компромиссом по сравнению с ПВХ является более высокая стоимость и, в некоторых составах, меньшая гибкость при низких температурах, что актуально для установок в холодном климате или в условиях охлаждения.

EPR (Этиленпропиленовый каучук)

EPR — это изоляционный материал из синтетического каучука, обладающий превосходной гибкостью в широком диапазоне температур (обычно от -40°C до 90°C в непрерывном режиме), исключительной стойкостью к озону, УФ-излучению и атмосферным воздействиям, а также хорошими диэлектрическими свойствами. Кабели из EPR сохраняют гибкость в холодных условиях, когда ПВХ и сшитый полиэтилен значительно затвердевают, что делает EPR предпочтительной изоляцией для кабелей для горнодобывающей промышленности, морского и морского применения, сварочных кабелей и любой прокладки, требующей многократного изгибания на открытом воздухе или в суровых условиях. EPR также используется в качестве изоляции в кабелях среднего напряжения, поскольку его гибкость упрощает установку на перегруженных кабельных трассах.

Силиконовая резина

Изоляция из силиконовой резины работает в исключительном диапазоне температур — обычно от −60°С до 180°С непрерывно, некоторые марки рассчитаны на температуру до 200°C и выше. Он остается гибким при криогенных температурах, когда большинство других изоляционных материалов становятся хрупкими, и сохраняет свои электрические свойства при температурах, которые могут привести к разрушению ПВХ или этиленпропиленового каучука. Кабели с силиконовой изоляцией используются в печной проводке, нагревательных элементах, в аэрокосмической и оборонной технике, а также в высокотемпературном промышленном оборудовании. Силикон имеет относительно низкую механическую прочность по сравнению с более твердыми изоляционными материалами и требует осторожного обращения во избежание истирания поверхности, но при высоких температурах он часто является единственным жизнеспособным вариантом изоляции.

ПТФЭ (политетрафторэтилен)

ПТФЭ обеспечивает самую высокую химическую стойкость среди всех распространенных материалов для изоляции проводов — он практически инертен по отношению ко всем кислотам, основаниям и растворителям при температуре до 260 °C. Провода с изоляцией из ПТФЭ используются в лабораторных приборах, химическом оборудовании, аэрокосмической проводке и в любых приложениях, где воздействие агрессивных химикатов или экстремальных температур может разрушить другие изоляционные материалы. ПТФЭ дорог и сложен в обработке, что ограничивает его использование специализированными приложениями, где его уникальное сочетание свойств не может быть воспроизведено более дешевыми альтернативами.

Оксид магния (минеральная изоляция)

Как описано выше в разделе о типах кабелей, прессованный порошок MgO служит изоляционной средой в кабелях с минеральной изоляцией. Это единственная широко используемая действительно негорючая изоляция кабеля — она не горит, не выделяет газы и не разрушается в условиях пожара, который разрушил бы любой другой тип изоляции. Его применение является специализированным, но критически важным там, где целостность цепей в условиях пожара является требованием безопасности жизни.

Как условия установки определяют выбор кабеля и изоляции

Ни один тип кабеля или изоляционный материал не являются универсально оптимальными — правильная спецификация всегда определяется сочетанием электрических требований и физической среды, которую кабель должен выдерживать в течение своего срока службы.

• Прямое захоронение без проводника требуются бронированные кабели (SWA или AWA) с прочной внешней оболочкой, устойчивой к почвенной влаге, почвенным химикатам и случайным механическим воздействиям. Изоляция из сшитого полиэтилена предпочтительнее ПВХ из-за ее влагостойкости и более высокой допустимой силы тока.
• Закрытые здания и общественные места Все чаще требуются кабели LSZH в соответствии с правилами пожарной безопасности, особенно на путях эвакуации, в технических помещениях и зонах над подвесными потолками, где кабели проложены в большом количестве.
• Открытые трассы на открытом воздухе требуются устойчивые к УФ-излучению оболочки (черный полиэтилен или устойчивый к УФ-излучению ПВХ), а для кабелей, подверженных риску механического повреждения, броня или защита кабелепровода.
• Высокотемпературная среда — рядом с печами, двигателями или выхлопными системами — требуются кабели, рассчитанные на температуру окружающей среды плюс повышение температуры проводника под нагрузкой. Изоляция из силикона или этиленпропиленового каучука обычно используется там, где температура окружающей среды превышает 70°C.
• Химическое воздействие — на фармацевтических, нефтехимических или пищевых предприятиях — может потребоваться изоляция из ПТФЭ или оболочки из специального состава, устойчивые к определенным присутствующим химическим веществам, поскольку стандартный ПВХ или сшитый полиэтилен могут набухать, трескаться или терять диэлектрическую целостность при воздействии определенных растворителей и масел.

Понимание взаимосвязей между средой установки, конструкцией кабеля и изоляционным материалом является основой правильной спецификации кабеля. Выбор кабеля, рассчитанного на неправильную среду, является одной из наиболее частых причин преждевременного выхода кабеля из строя. — а в системах распределения электроэнергии отказ кабеля означает незапланированный простой, дорогостоящую замену на недоступных маршрутах и потенциальные инциденты, связанные с безопасностью.