Анатомия силового кабеля: конструкция кабеля слой за слоем — от жилы до наружной оболочки

Каждый тендер требует «кабель», но никакие два тендера не требуют одинакового. Напряжение, жила, экран, броня, оболочка и стандарт каждый раз сочетаются по-разному. Чтобы проектировать быстро и правильно, полезно видеть силовой кабель таким, какой он есть: набором концентрических слоёв, каждый из которых выполняет свою функцию и зависит от слоёв под ним.

В этой статье типичный силовой кабель с экструдированной изоляцией рассматривается от центра наружу: для чего нужен каждый слой, что определяет его конструкцию и где обычно возникают ошибки.

1. Жила

Жила проводит ток нагрузки. Основные варианты — материал (медь или алюминий), класс (однопроволочная, многопроволочная или гибкая) и форма (круглая, уплотнённая, секторная или, для очень больших сечений ВН, сегментная). Сечение определяют три разных требования — длительный ток, ток короткого замыкания и потеря напряжения, — и понимание того, какое из них доминирует, подсказывает, где искать оптимизацию. Подробнее — в статье IEC 60228: объяснение.

2. Экран по жиле (СН и выше)

Начиная со среднего напряжения, полупроводящий слой поверх жилы сглаживает электрическое поле вокруг отдельных проволок. Без него пики поля на поверхности проволок вызывали бы частичные разряды и старение изоляции изнутри.

3. Изоляция

Изоляция удерживает напряжение. PVC доминирует там, где важны низкая стоимость и низкое напряжение; XLPE — выбор по умолчанию для большинства современных силовых кабелей, так как выдерживает более высокие рабочие температуры и температуры короткого замыкания; EPR добавляет гибкости; безгалогенные компаунды применяются в зданиях, тоннелях и на транспорте. На низком напряжении толщина изоляции — в основном механический вопрос. На среднем и высоком напряжении её определяет напряжённость электрического поля — именно поэтому переход на один класс напряжения выше меняет весь кабель. Подробнее — в статье PVC, XLPE, EPR или LSZH.

4. Экран по изоляции (СН и выше)

Второй полупроводящий слой поверх изоляции обеспечивает расположение изоляции между двумя гладкими эквипотенциальными поверхностями. Сцепленный или снимаемый? Звучит как мелочь, но это влияет на технологию монтажа муфт и кабельную арматуру, поэтому энергокомпании часто это оговаривают.

5. Металлический экран или оболочка

Металлический экран ограничивает электрическое поле, проводит ёмкостный ток и — главный фактор проектирования — ток замыкания на землю. Медные проволоки, медные ленты, свинцовые оболочки, металлические ламинаты и алюминиевые оболочки существуют по разным причинам: стойкость к току КЗ, радиальная водонепроницаемость, масса, стоимость. Более высокий уровень тока КЗ означает больше металла в экране, а в линиях на одножильных кабелях это может означать большие потери и меньший допустимый ток.

6. Заполнители, скрепляющие ленты и внутренняя оболочка (многожильные кабели)

Заполнители и скрепляющие ленты придают скрученным жилам круглую форму, чтобы следующий слой ложился на цилиндрическую поверхность. Внутренняя оболочка или подушка защищает жилы от брони. Эти «невидимые» слои всё равно расходуют материал и увеличивают диаметр.

7. Броня

Броня обеспечивает механическую защиту, а иногда и путь для тока замыкания на землю. Стальная проволока — стандартный выбор для многожильных кабелей, прокладываемых в земле; алюминиевая проволока применяется в одножильных кабелях переменного тока, где магнитная сталь вызывала бы большие потери; стальная лента обеспечивает стойкость к раздавливанию; оплётки подходят для гибких и судовых кабелей. Размеры брони выбирают по диаметру под ней, поэтому изменение в нижних слоях может незаметно перевести конструкцию на другой размер брони.

8. Наружная оболочка

Наружная оболочка защищает всё, что под ней, от влаги, истирания, химических веществ, солнечного света, а на некоторых рынках — от термитов и грызунов. У PVC, полиэтилена и безгалогенных компаундов своя область применения. Как и у брони, толщина оболочки обычно зависит от диаметра под ней.

Ключевой вывод: кабель — это цепочка зависимостей

1. Сечение жилы определяет диаметр жилы.
2. Напряжение (а на НН — и сечение жилы) определяет изоляцию.
3. Диаметр по изоляции определяет экран и диаметр скрутки.
4. Диаметр под бронёй определяет выбор брони.
5. Диаметр под оболочкой определяет оболочку.
6. Всё вместе даёт наружный диаметр, массу, радиус изгиба, строительную длину на барабане и спецификацию материалов.

Измените один входной параметр — большее сечение жилы, более высокое напряжение, ещё одну жилу — и смещается каждый слой выше.

Где на практике возникают ошибки

• Конструкции по принципу «скопировать и отредактировать». «Похожий» кабель копируют в электронной таблице и меняют несколько ячеек. Броня или оболочка, правильная для старого диаметра, теперь незаметно оказывается неправильной.
• Смешение правил для одножильных и многожильных кабелей, например стальная броня в одножильных линиях переменного тока.
• Игнорирование экрана в расчёте допустимого тока. Размеры экрана, определённые током КЗ, меняют потери и допустимый ток в линиях на одножильных кабелях.
• Расхождение технических паспортов и конструкций. Технический паспорт редактируют вручную, и он больше не соответствует тому, что будет выпускать завод.

Проектирование по стандарту — каждый раз

Стандарты определяют большинство этих правил. Если закодировать их один раз и применять к каждой новой конструкции, проектирование кабеля превращается из ручной, подверженной ошибкам работы в воспроизводимый процесс.

Именно это делает CablePLM. Каждый пакет стандартов кодирует правила своего стандарта как версионируемую методику расчёта. Введите напряжение, жилу, экран, оболочку и стандарт — и получите полную послойную конструкцию, спецификацию материалов, технический паспорт и допустимые токи по IEC 60287, причём каждое значение помечено как данные стандарта или оценка.

Далее: IEC 60502-1 для силовых кабелей низкого напряжения.

Хотите увидеть, как будет построен ваш собственный ассортимент кабелей? Запишитесь на демо.