Силовая кабельная линия - это линия для передачи электрической энергии, состоящая из одного или нескольких параллельных кабелей с соединительными. стопорными и концевыми муфтами (заделками) и крепежными деталями. В силовых кабельных линиях наиболее широко используются кабели с бумажной и пластмассовой изоляцией. Тип изоляции силовых кабелей и их конструкция влияют не только на технологию монтажа, но и на условия эксплуатации силовых кабельных линий. В особенности это касается кабелей с пластмассовой изоляцией. Так в результате изменяющихся при эксплуатации нагрузок и дополнительного нагрева, обусловленного перегрузками и токами короткого замыкания, в изоляции кабелей возникает давление от увеличивающегося при нагреве полиэтилена (поливинилхлорида), которое может растягивать экраны и оболочки кабелей, вызывая их остаточные деформацию. При последующем охлаждении вследствие усадки в изоляции образуются газовые или вакуумные включения, являющиеся очагами ионизации. В связи с этим будут изменяться ионизационные характеристики кабелей. Сравнительные данные по величине температурного коэффициента объемного расширения различных материалов, используемых в конструкциях силовых кабелей приведенные в таблице 1.

Таблица 1. Температурные коэффициенты объемного расширения материалов, применяемых в конструкции силовых кабелей

При этом следует отметить, что наибольшая величина температурного коэффициента объемного расширения имеет место при температурах 75-125°С. соответствующего нагреву изоляции при кратковременных перегрузках и токах короткого замыкания.

Бумажная пропитанная изоляция жил кабелей имеет высокие электрические характеристики. продолжительные срок службы и сравнительно высокую температуру нагрева. Кабели с бумажной изоляцией лучше сохраняют свои электрические характеристики в процессе эксплуатации при возникавших частых перегрузах и связанных с этим дополнительных нагревах.

Для обеспечения длительной и безаварийной работы кабельных линий необходимо, чтобы температура жил и изоляции кабеля в процессе эксплуатации не превышала допустимых пределов.

Длительно допустимая температура токопроводящих жил и допустимый их нагрев при токах короткого замыкания определяются материалом изоляции кабеля. Максимально допустимые температуры жил силовых кабелей для различного материала изоляции жил приведены в табл. 2.

Таблица 2. Максимально допустимые температуры жил силовых кабелей

Примечание: Допустимый нагрев жил кабелей из поливинилхлоридного пластиката и полиэтилена в аварийном режиме должен быть не более 80°С, из вулканизирующегося полиэтилена - 130°С.

Продолжительность работы кабелей в аварийном режиме не должна превышать 8 ч в сутки и 1000 час. за срок службы. Кабельные линии напряжением 6-10 кВ, несущие нагрузки меньше номинальных, могут кратковременно перегружаться при условиях, приведенных в табл. 3.

Таблица 3. Допустимые перегрузки по отношению к номинальному току кабельных линий напряжением 6-10 кВ

Примечание: Для кабельных линий, находящихся в эксплуатации более 15 лет, перегрузки должны быть понижены на 10%. Перегрузка кабельных линий на напряжение 20 ÷35 кВ не допускается.

Любая силовая кабельная линия помимо своего основного элемента - кабеля, содержит соединительные и концевые муфты (заделки), которые оказывают значительное влияние на надежность всей кабельной линии.

В настоящее время при монтаже, как концевых муфт (заделок) так и соединительных муфт широкое применение находят термоусаживаемые изделия из радиационно-модифицированного полиэтилена. Радиационное облучение полиэтилена приводит к получению качественно нового электроизоляционного материала, обладающего уникальными комплексами свойств. Так, его нагревостойкость возрастает с 80 °С до 300°С при кратковременной работе и до 150 °С при длительной. Этот материал отличается высокими физико-механическими свойствами: термостабильностью, хладостойкостью, стойкостью к агрессивным химическим средам, растворителями, бензину, маслам. На ряду со значительной эластичностью он обладает высокими диэлектрическими свойствами, сохраняющимися при весьма низких температурах. Термоусаживаемые муфты и заделки монтируют как на кабелях с пластмассовой, так и кабелях с бумажной пропитанной изоляцией.

Проложенный кабель подвергается воздействию агрессивных компонентов среды, которые обычно являются разбавленными в той или иной степени химическими соединителями. Материалы, из которых изготовлены оболочка и броня кабелей, имеют разную коррозийную стойкость.

Свинец устойчив в растворах, содержащих серную, сернистую, фосфорную, хромовую и фторно-водородную кислоты. В соляной кислоте свинец устойчив при ее концентрации до 10%.

Наличие хлористых и сульфатных солей в воде или почве вызывает резкое торможение коррозии свинца. поэтому свинец устойчив в солончаковых почвах морской воде.

Азотно-кислотные соли (нитраты) вызывают сильную коррозию свинца. Это весьма существенно, так как нитраты образуются в почве в процессе микробиологического распада и вносятся в нее в виде удобрений. Почвы по степени возрастания их агрессивности по отношению к свинцовым оболочкам можно распределить следующим образом:

• солончаковые;
• известковые;
• песчаные;
• черноземные;
• глинистые;
• торфяные.

Углекислота и фенол значительно усиливает коррозию свинца. Свинец устойчив в щелочах.

Алюминий устойчив в органических кислотах и неустойчив в соляной, фосфорной, муравьиной кислотах. а также в щелочах. Сильно агрессивное действие на алюминий оказывают соли, при гидролизе которых образуются кислоты или щелочи. Из нейтральных солей (рН=7) наибольшей активностью обладают соли, содержащие хлор, так как образующиеся хлориды разрушают защитную пленку алюминия, поэтому наиболее агрессивными для алюминиевых оболочек являются солончаковые почвы. Морская во да, главным образом из-за наличия в ней ионов хлора, также является для алюминия сильно агрессивной средой. В растворах сульфатов, нитратов и хромов алюминий достаточно устойчив. Коррозия алюминия значительно усиливается при контакте с более электроположительным металлом, например свинцом, что, имеет место при установке соединительных муфт, если не принято специальных мер.

При монтаже свинцовой соединительной муфты на кабеле с алюминиевой оболочкой образуется контактная гальваническая пара свинец-алюминий, в которой алюминий является анодом, что может вызвать разрушение алюминиевой оболочки через несколько месяцев после монтажа муфты. При этом повреждение оболочки происходит на расстоянии 10-15 см от шейки муфты, т.е. на том месте, где с оболочки при монтаже снимаются защитные покровы. Для устранения вредного действия подобных гальванических пар муфту и оголенные участки алюминиевой оболочки покрывают кабельным составом марки МБ-70(60), разогретом до 130 °С, и сверху накладывают липкую поливинилхлоридную ленту в два слоя с 50%-ным перекрытием. Поверх липкой ленты накладывают слой просмоленной ленты с последующим покрытием ее битумным покровным лаком марки БТ-577.

Поливинилхлоридный пластикат негорюч, обладает высокой стойкостью против действия большинства кислот, щелочей и органических растворителей. Однако его разрушают концентрированные серная и азотная кислоты, ацетон и некоторые другие органические соединения. Под воздействием повышенной температуры и солнечной радиации поливинилхлоридный пластикат теряет свою пластичность и морозостойкость.

Полиэтилен обладает химической стойкостью к кислотам, щелочам, растворам солей и органическим растворителям. Однако полиэтилен под воздействием ультрафиолетовых лучей становится хрупким и теряет свою прочность.

Резина, применяемая для оболочек кабелей, хорошо противостоит действию масел, гидравлических и тормозных жидкостей, ультрафиолетовых лучей, а также микроорганизмов. Разрушающие действуют на резину растворы кислот и щелочей при повышенных температурах.

Броня, изготавливаемая из низко углеродной стали, обычно разрушается намного раньше, чем начинает коррозировать оболочка. Броня сильно коррозирует в кислотах и весьма устойчива в щелочах. Разрушающее действуют на нее сульфатвосстанавливаю щие бактерии, выделяющие сероводород и сульфиды.

Покровы из кабельной пряжи и битума практически не защищают оболочку от контакта с внешней средой и довольно быстро разрушаются в почвенных условиях.

Электрохимическая защита кабелей от коррозии осуществляется путем катодной поляризации их металлических оболочек, а в некоторых случаях и брони, т.е. накладыванием на последние отрицательного потенциала. В зависимости от способа электрической защиты катодная поляризация достигается присоединением к оболочкам кабелей катодной станции, дренажной и протекторной защиты. При выборе способа защиты учитывается основной фактор, вызывающий коррозию в данных конкретных условиях.

Марка силового кабеля характеризует основные конструктивные элементы и область применения кабельной продукции.

Буквенные обозначения конструктивных элементов кабеля приведены в табл. 4.

Таблица 4. Буквенные обозначения конструктивных элементов кабеля

Примечание:

1. Буквы в обозначении кабеля располагаются в соответствии с конструкцией кабеля, т.е. начиная от материала жилы и заканчивая наружным кабельным покровом.
2. Если в конце буквенной части марки кабеля стоит буква "П", написанная через черточку, то это означает, что кабель имеет по сечению плоскую форму, а не круглую.
3. Обозначение контрольного кабеля отличается от обозначения силового кабеля только тем, что после материала жилы кабеля ставится буква "К".

После букв стоят числа, указывающие число основных изолированных жил и их сечение (через знак умножения), а также номинальное напряжение (через тире). Число и сечение жил у кабелей с нулевой жилой или заземляющей жилой обозначается суммой чисел.

Наиболее широкое применение находят кабели следующих стандартных сечений жил: 1,2; 1,5; 2,0;2,5; 3; 4; 5; 6; 8; 10; 16; 25; 35; 50; 70; 95; 120; 150; 185; 240 мм.

Температура нагрева жил кабеля, на котором монтируется заделка типа КВВ, при длительной нагрузке не должна превышать 65 С. Заделки этого типа обладают высокой химической стойкостью, за исключением концентрированной соляной кислоты, хлороуглево-дородов и других материалов, разрушающе действующих на поли-винилхлорид.
Температура нагрева жил кабеля, а следовательно, и ток ограничиваются допустимой температурой для изоляции кабеля и зависят от материала изоляции хшл кабеля. Сечение кабеля выбирается по таблицам ПУЭ, которые учитывают температуру жилы кабеля.
Температуру нагрева жил кабеля контролируют термометром (термопарой), установленным на оболочке кабеля.
Тепловой перепад Д для кабелей 16 - 240 мм2 в зависимости от тока нагрузки. Проверка температуры нагрева жил кабелей производится измерением температур их металлических оболочек.
Тепловой перепад Д (для кабелей 16 - 240 мм2 в зависимости от тока нагрузки. Проверка температуры нагрева жил кабелей производится измерением температур их металлических оболочек. Для измерений рекомендуется применять терморезисторы или термопары и лишь в крайнем случае термометры.
Условные обозначения подземных сооружений. Непосредственно измерить температуру нагрева жил кабеля весьма сложно, поэтому контроль за нагревом кабелей в процессе их эксплуатации ведут измерением температуры нагрева оболочки кабеля.
В табл. 1 - 65 приведены допустимые превышения температуры нагрева жил кабелей при коротком замыкании. При этом принято, что до момента короткого замыкания температура жил кабеля не превышала допустимой температуры по нагреву в длительном режиме.
Для повышения долговечности кабелей данного типа необходимо установить температуру нагрева жил кабелей не более 90 С.
Такие кабели после воздействия тока короткого замыкания должны быть осмотрены, концевые заделки при необходимости отремонтированы, а также должны быть проведены испытания повышенным напряжением. При температуре нагрева жил кабелей выше указанных значений, кабели считаются непригодными к дальнейшей эксплуатации и подлежат немедленной замене.
Допустимые длительные токовые нагрузки на кабели напряжением до 35 ко включительно с изоляцией из пропитанной кабельной бумаги в свинцовой, алюминиевой или слоистой полихлорвя-ниловой оболочке приняты в соответствии с допустимы-мя температурами нагрева жил кабелей по ГОСТ.
Прокладка кабелей внутри коробов должна осуществляться в соответствии с требованиями ПУЭ, предъявляемыми к прокладке кабелей в кабельных каналах. При этом расстояние от конструкций до передней стенки короба не нормируется. Температура нагрева жил кабелей должна быть не более указанной в § 1 - 3 - 9 ПУЭ.
Потери в кабеле складываются из потерь в жилах, изоляции и в оболочке. Потери в изоляции и оболочке могут быть ничтожно малыми или значительными. Поток тепла, вызванный потерями во всех элементах кабеля, идет в радиальном направлении от центра кабеля наружу через тепловое сопротивление различных элементов и вызывает общий перегрев кабеля. Этот перегрев с учетом основной температуры почвы и обусловливает температуру на жиле кабеля. Температура нагрева жилы кабеля не должна превышать предела, установленного для данной изоляции.

При выборе кабеля учитывается масса самых разных параметров, начиная от сечения жил и заканчивая материалом изоляции. Почему важно знать такие подробности, как материал оболочки? Ведь его основная функция - защищать от поражения электрическим током. Если изоляция справляется с этой задачей, то нужно больше внимания уделить более важным характеристикам кабеля. К сожалению, подобную ошибку делают многие, на самом деле допустимая температура нагрева кабеля и материал изоляции необыкновенно связаны между собой. Каждый тип защитной оболочки рассчитан на определенную температуру, если она превышает определенные значения, то ускоряется процесс старения изоляции. Это серьезным образом влияет на срок эксплуатации кабеля, а не редко и подключенного с его помощью оборудования. Допустимая температура нагрева кабеля это тот параметр, от которого зависит не только нагрузочная способность кабеля, но и надежность его работы. Допустимая температура нагрева кабеля с изоляцией разного типаВсе виды материалов, используемых в качестве изоляции токопроводящих жил, имеют свои физические характеристики. Они обладают разной плотностью, теплоемкостью, теплопроводностью. В итоге это влияет на их способность выдерживать нагрев, так вулканизирующий полиэтилен может сохранять свои эксплуатационные характеристики вплоть до 90ºС. С другой стороны резиновая изоляция способна выдержать существенно меньшую температурную нагрузку - всего 65ºС. Допустимая температура нагрева кабеля с ПВХ - 70 градусов и это один из наиболее оптимальных показателей. Одним из наиболее важных показателей является допустимая температура нагрева кабеля с . Этот вид кабеля используется чрезвычайно широко и предназначен для работы с разным напряжением. Именно поэтому следует внимательно относиться в данной характеристике, она меняется следующим образом:

• для напряжения 1-2 кВ максимально допустимая температура для кабелей с обедненной и вязкой пропиткой составляет 80ºС;
• для напряжения 6 кВ изоляция с вязкой пропиткой выдерживает 65ºС, с обедненной пропиткой 75ºС;
• для напряжения 10 кВ допустимая температура 60ºС;
• для напряжения 20 кВ допустимая температура 55ºС;
• для напряжения 35 кВ допустимая температура 50ºС.

Все это требует повышенного внимания к длительной максимальной нагрузке кабеля, условиям эксплуатации. Еще одним из востребованных сегодня в электротехнической промышленности материала для изоляции является сшитый полиэтилен. Он имеет сложную структуру, обеспечивающую уникальные эксплуатационные характеристики. Допустимая температура нагрева кабеля и изоляцией из сшитого полиэтилена составляет 70ºС. Одним из лидеров по данному параметру является силиконовая резина, способная выдерживать 180ºС. К чему может привести перегрев кабеляПревышение допустимой температуры нагрева кабеля приводит к тому, что свойства изоляции кардинально меняются. Она начинает покрываться трещинами, осыпаться, в результате возникает риск короткого замыкания. Срок службы кабеля с каждым превышенным градусом серьезно сокращается. Это требует более частого ремонта, затрат, поэтому лучше изначально использовать тот кабель, который предназначен для решения определенных задач. Но и этого не достаточно, необходимо регулярно контролировать температуру оболочки, особенно в тех места, где можно предположить наличие перегрева. Это могут быть места рядом с теплопроводами или создаются неблагоприятные условия для охлаждения.

Номограмма построена на основании уравнения (7.1), выражающего зависимость температуры жилы непосредственно после от температуры жилы до КЗ, режима КЗ, конструктивных и теплофизических параметров жилы:

где Он – температура жилы до КЗ, °С, вычисляется по формуле (7.3);

a – величина, обратная температурному коэффициенту электрического сопротивления при 0°С, равная 228 °С;

где b – постоянная, характеризующая теплофизические характеристики материала жилы, равная для алюминия 45,65 кА;

Втер – тепловой импульс от тока КЗ, кА2·с – формула (2.45);

s – сечение жилы, мм2.

На номограмме по горизонтальной оси отложены значения температуры жилы до (н), а по вертикальной – значения температуры после (?к) для значений коэффициента k, характеризующего связь между тепловым импульсом, сечением жилы и теплофизическими характеристиками материала жилы.

Значение начальной температуры жилы до определяется по формуле:
n

где 0 – фактическая температура окружающей среды во время КЗ, °С;

дд – значение расчетной длительной допустимой температуры жилы, °С, равная для кабелей с пропитанной бумажной изоляцией на 1 кВ – 80°С, 6 кВ – 65°С и 10 кВ – 60°С, для кабелей с пластмассовой изоля

цией – 70°С и для кабелей с изоляцией из вулканизированного полиэтилена – 90°С;

окр – значение расчетной температуры окружающей среды (воздуха) 25°С;

Iраб – значение тока перед (рабочий двигателя), А, определяется через номинальный электродвигателя Iдн и коэффициент загрузки кзгр по формуле:

где номинальный Iдн вычислен по формуле:

Iдоп – длительно допустимый кабеля с учетом поправки на число рядом проложенных кабелей и на температуру окружающей среды, А, определяется по формуле:

где длительно допустимые токи Iдд для кабелей различных сечений принимаются по табл.7.2, 7.3 .

Для кабелей, проложенных в воздухе внутри и вне зданий, при любом их числе к’ = 1. Значение к» можно определить по формуле:

где температуры дд, 0, окр имеют тот же смысл, что и в формуле вычисления начальной температуры нагрева жил кабеля (7.3).

В режиме АПВ и АВР значения начальной температуры принимаются равными значению температуры после первого воздействия тока КЗ.

Таблица 7.2. Значения длительно допустимых токов Iдд для трехжильных кабелей с медными и алюминиевыми жилами с бумажной пропитанной изоляцией, прокладываемых в воздухе

2. Нагрузки для трехжильных кабелей 1 кВ действительны и для четырехжильных кабелей с нулевой жилой меньшего сечения.

3.Нагрузки для четырехжильных кабелей с жилами равного сечения определяются умножением нагрузок для трехжильных кабелей на коэффициент 0,93.

Таблица 7.3. Значения длительно допустимых токов Iдд для кабелей на 1 кВ с резиновой и пластмассовой изоляцией, с медными и алюминиевыми жилами, прокладываемых в воздухе

Примечания: 1. Нагрузки для кабелей с алюминиевыми жилами указаны в знаменателе.

2. Нагрузки для определяются умножением нагрузок, приведенных в таблице, на коэффициент 0,95.

3. Нагрузки для определяются умножением нагрузок, приведенных в таблице, на коэффициент 1,16.

4. Нагрузки для четырехжильных кабелей с жилами равного сечения определяются умножением нагрузок для трехжильных кабелей на коэффициент 0,882.

Предельно допустимая температура нагрева кабеля имеет большое значение, так как от нее зависят нагрузочная способность, срок службы и надежность работы кабеля.

Каждый вид изоляции кабеля рассчитан на определенную длительно допустимую температуру, при которой старение изоляции проходит медленно. Превышение температуры нагрева кабеля выше допустимой ускоряет процесс старения изоляции и сокращает срок службы кабеля.

При нагревании кабеля наиболее быстрому старению подвергается бумажная изоляция, механическая прочность и эластичность которой при этом понижаются. Длительно допустимые температуры для силовых кабелей стационарной прокладки приведены в табл. 17.

Таблица 17.
Длительно допустимая температура нагрева жил кабелей

При включении кабеля под нагрузку вначале нагреваются его жилы, а затем изоляция и оболочка. Опытными измерениями установлено, что перепад температуры между жилой и оболочкой кабеля напряжением 6 кВ примерно 15 °С, а для кабелей 10 кВ - 20 °С. Поэтому в практических условиях обычно ограничиваются измерением температуры оболочки, учитывая, что температура жилы кабеля выше на 15-20 °С.

Температуру нагрева жил можно определить и расчетным путем по формуле

где t о6 - температура на оболочке кабеля, °С; I - длительная максимальная нагрузка кабеля, А; п - число жил кабеля; ρ - удельное сопротивление меди или алюминия при температуре, близкой к температуре жилы, Ом.мм 2 /м; S K - сумма тепловых сопротивлений изоляции и защитных покровов кабеля, Ом (определяется по справочнику); q - сечение жилы кабеля, мм 2 .

Контроль за нагревом кабелей в процессе эксплуатации осуществляется измерением температуры свинцовой или алюминиевой оболочки, или брони в тех местах кабельной трассы, где предположительно кабельная линия может иметь перегрев против допустимых температур. Такими местами могут быть прокладки вблизи теплопроводов, в среде с большим тепловым сопротивлением (шлак, трубы и т. п.), где создаются неблагоприятные условия для охлаждения кабельной линии.

Измерение температуры на поверхности кабелей, проложенных в земле, рекомендуется производить термопарами. Для установки термопар на трассе кабеля отрывают котлован размером 900х900 мм с углублением 150-200 мм в одной из стенок котлована по оси кабеля. После удаления наружного покрова, очистки брони от коррозии создают надежный контакт (легкоплавким припоем или фольгой) с проводом термопары.

Рис. 113. Измерение температуры на поверхности работающего кабеля:
1 - кабель, 2 - здание, 3 - щитки термопар, 4 - металлическая труба, 5 - теплопровод

Измерительные провода выводят через газовую трубу и подключают к специальным ящикам, после чего котлован засыпают землей. Схема измерения температуры на поверхности кабеля приведена на рис. 113. Измерение температуры на поверхности контролируемых кабелей с одновременным измерением токовых нагрузок производят в течение суток через 2-3 ч. Если в результате измерений окажется, что температура жилы кабеля на отдельных участках превышает допустимую, необходимо или снизить токовую нагрузку на кабель, или принять меры к улучшению условий его охлаждения. В некоторых случаях целесообразно заменить перегревающийся участок линии кабелем большого сечения. Измерение температуры кабелей, проложенных открыто в кабельных сооружениях, можно производить обычным лабораторным термометром, укрепляя его на оболочках кабеля. Необходимо вести тщательный контроль за температурой окружающего воздуха и работой вентиляции в кабельных сооружениях. Контроль за нагревом кабелей производят по мере необходимости.