Конструкция кабеля, провода. Применяемые материалы

Элементы конструкции силовых кабелей, проводов и шнуров: токопроводящие жилы, изоляция, оболочка и защитные покровы, экраны.

- Различия между кабелем, проводом и шнуром

Кабель – единственная жила или несколько изолированных жил, которые покрываются металлической или неметаллической оболочкой, кроме того, могут иметься защитные покровы (стальные либо алюминиевые ленты, или проволока).

Провод – единственная жила или несколько жил, которые изолируются, скручиваются и покрываются неметаллической оболочкой. Оболочка может заменяться лёгкими защитными покровами (оплётка из пряжи, стекловолокна).

Шнур – две либо три гибкие параллельные жилы в изоляции, которые заключаются в неметаллическую оболочку, которая может заменяться лёгкими защитными покровами.

Отсюда сделаем выводы:

шнуры всегда являются плоскими проводниками (чаще всего применяются в электропроводке), этим и отличаются от проводов;
кабель может иметь усиленные защитные покровы, а провод или шнур могут включать лёгкие покровы;
только кабель может заключаться в металлическую оболочку (свинец, алюминий).

Все проводники эксплуатируются с целью транспортировки электрической энергии с определёнными характеристиками из пункта А в пункт Б в заданных условиях эксплуатации.

- Конструктивные элементы кабелей, проводов и шнуров и их функции

Любой проводник состоит из всех либо нескольких конструктивных элементов из перечня:

токопроводящая жила;
изоляция;
экран;
поясная изоляция;
оболочка;
защитный покров.

- Предназначение или функции элементов:

токопроводящая жила – проведение электрического тока с минимально возможными потерями в виде нагрева (требования – высокая проводимость, низкая стоимость, стойкость к коррозии, гибкость без надломов);
изоляция – создание барьера для электрической энергии путём обеспечения наибольшего сопротивления (требования – выполнение роли диэлектрика как можно в большем диапазоне температур, гибкость, технологичность);
экран – нивелирование внешних электромагнитных помех (требования – простота изготовления, 100% покрытие при изгибах).
поясная изоляция – дополнительная изоляция, снижающая вероятность пробоя;
оболочка – выполнение защитных функций (противодействие механическим нагрузкам, атмосферным факторам, обеспечение герметичности);
защитный покров – схожие с оболочкой функции, но в более тяжёлых условиях эксплуатации.

Разберём подробнее каждый из описанных конструктивных элементов силового кабеля, провода либо шнура.

- Токопроводящая жила

Все жилы кабелей, проводов и шнуров общепромышленного назначения выпускаются согласно нормативному документу ГОСТ 22483-77.

Стандарт определяет электрическое сопротивление постоянному току 1 километра токопроводящей жилы, на момент приёмки кабельного изделия при температуре +20 ⁰С. При эксплуатации могут произойти незначительные изменения сопротивления.

Для выявления электрического сопротивления следует знать:

класс гибкости токопроводящей жилы (указывает производитель);
материал (медь или алюминий);
площадь сечения.

Класс гибкости токопроводящей жилы для кабельных изделий стационарной прокладки 1 либо 2. Для проводников, подразумевающих подвижность в процессе работы классы гибкости токопроводящей жилы от 3 до 6. Чем выше класс гибкости токопроводящей жилы, тем более податлива жила к изгибу. Алюминиевая жила бывает максимум 3 класса.

Медная жила бывает лужёной либо нелужёной. Лужение применяется для защиты меди от коррозии в тропическом макроклимате.

Преимущества медной жилы:

хорошая технологичность (возможно произвести монолитную и многопроволочную жилу практически любого диаметра);
высокая электропроводность (уступает только серебру);
хорошие механические характеристики.

Недостатки:

высокая стоимость;
подверженность коррозии, особенно при высоких температурах и влажности (защищается лужением или посеребрением).

Плюсы алюминиевой жилы:

низкая цена;
при контакте с воздухом образуется оксидная плёнка, которая защищает от коррозии.

Минусы:

алюминий достаточно хрупкий металл, поэтому обладает низкой технологичностью и применяется только для стационарной прокладки;
повышенное электрическое сопротивление самого металла;
оксидная плёнка приводит к высокому переходному сопротивлению.

- Изоляция кабелей, проводов

Изоляционные покровы могут изготавливаться:

из поливинилхлоридного пластиката;
из электроизоляционной резины;
из кремнийорганической резины;
из сшитого полиэтилена;
из пропитанной кабельной бумаги;
из полиэтилена;
из политетрафторэтилена.

- Поливинилхлоридный пластикат

Наиболее распространённым изоляционным материалом является поливинилхлоридный (аббревиатура ПВХ) пластикат. Варьируя состав полимера, добиваются его различных технических характеристик.

Материал имеет высокое электрическое сопротивление при комнатной температуре, но при повышении температуры до +70 ⁰С оно снижается на 3 порядка. В связи с этим свойством, рабочая температура токопроводящей жилы составляет +70 ⁰С, а это влияет на номинальную токовую нагрузку.

Специализация: наиболее распространённая изоляция общепромышленного применения, задействуется в кабелях для стационарной прокладки.

Преимущества:

низкая цена;
доступность всех компонентов для изготовления полимера;
химическая стойкость ко многим реагентам;
низкая гигроскопичность (поглощение влаги);
обеспечивает герметичность;
не распространяет пламени.

Недостатки:

потеря электрического сопротивления при повышении температуры до +70 °С и выше;
небольшой допускаемый радиус изгиба по сравнению с резиной (применяется в проводниках неподвижного присоединения).

- Резиновая изоляция

Резиновая изоляция может применяться только с шланговой резиновой оболочкой (если такая имеется). Так как резина из натурального каучука достаточно дорогостоящая, то практически вся применяемая резина в кабельной промышленности является искусственной. К каучуку добавляют:

вулканизирующие вещества (элементы позволяющие преобразовать линейные связи в каучуке в пространственные связи в изоляции, например, сера);
ускорители вулканизации (снижают расход времени);
наполнители (снижают цену материала без существенного снижения технических характеристик);
мягчители (повышают пластические свойства);
противостарители (добавляются для оболочек с целью стойкости к солнечной радиации);
красители (для придания нужного цвета).

Резина позволяет назначать меньшие радиусы изгиба кабельных изделий, поэтому совместно с многопроволочной жилой применяется в проводниках для подвижного присоединения (кабели марки КГ, КГЭШ, провод РПШ).

Специализация: применяется в общепромышленных кабелях для подвижного подсоединения потребителей.

Положительный свойства:

дешевизна искусственного каучука;
хорошая гибкость;
высокие электроизоляционные характеристики (в 6 раз превышают значение для ПВХ пластиката);
практически не впитывает водяные пары из воздуха.

Отрицательные качества:

снижение электрического сопротивления при повышении температуры до +80 °С;
подверженность солнечной радиации (светоокисление) с последующим характерным растрескиванием поверхностного слоя (при отсутствии оболочки);
требуется ввод в состав специальных веществ для получения определённой химической стойкости;
распространяет горение.

Кремнийорганическая изоляция

Кремнийорганическая изоляция обладает стойкостью к пониженным и повышенным температурам (ориентировочный эксплуатационный диапазон от -60 до +180 ⁰С). Благодаря силоксановым связям их большому числу проявляется термостойкость, а также стойкость к окислителям.

Предел прочности кремнийорганических резин при доведении температуры до +250 ⁰С понижается в 2 раза, для органических резин это значение упадёт в 8 раз. Разрушительное влияние оказывают щёлочи и кислоты. Электрическая прочность не меняется при старении в температуре +275 ⁰С в течение 135 дней и снижается всего на 10% при восьмимесячном кипячении в воде.

Учитывая описанные свойства, данный вид изоляции нашел главное применение в термостойких проводах.

Специализация: применяется для проводов, которые эксплуатируются при высоких температурах.

Плюсы:

высокие электроизоляционные свойства в широком диапазоне температур;
хорошая гибкость;
улучшенная прочность по сравнению с обычной резиной.

Минусы:

относительно высокая цена;
низкая сопротивляемость истиранию (требуются защитные покровы);
легко разрушаются под действием кислот и щелочей.

Изоляция из сшитого полиэтилена

Сшитый полиэтилен (аббревиатура СПЭ) современный материал, который помимо связи молекул в цепи, имеет связи между соседними цепями. Применяется в высоковольтных кабелях для стационарной прокладки в земле.

Производство, классификация, марки кабельных изделий, их технические характеристики, а также видеоролик по изготовлению и фотографии образцов представлены в этой статье.

Слева представлена фотография кабеля марки АПвЭВ, на которой указываются все конструктивные элементы: жила, изоляция, экран, поясная изоляция, герметичная оболочка.

Специализация: используется в высоковольтных кабелях для эксплуатации в грунте.

Преимущества:

высокая гибкость;
допускает немного больший нагрев жилы (без серьёзного понижения электрического сопротивления), чем для кабелей с бумажной изоляцией;
низкая гигроскопичность, из-за чего не требуются дорогостоящие металлические оболочки.

Недостатки:

высокая стоимость;
сложность изготовления;
зарубежное оборудование.

Бумажно-пропитанная изоляция

Бумажно-пропитанная изоляция (аббревиатура БПИ) изготавливается из лент кабельной бумаги, которая пропитывается вязким составом либо нестекающим составом (для прокладки кабелей практически без перепада высоты, до 25 метров, или с незначительным перепадом по вертикали соответственно).

Накладывается ограничение по поводу совпадения лент, которые накладываются одна на другую – не более 3 совпадений, и не более 2 совпадений при непосредственном прилегании нижней ленты к жиле либо экрану. Итоговая толщина изоляции меняется в зависимости от сечения жилы: для кабелей на напряжение до 1 кВ в пределах 1,2 - 2,4 мм; на 6 кВ около 2 мм; на 10 кВ около 2,75 мм; на 20 кВ в пределах 7 - 9 мм; на 35 кВ около 9 мм.

Основное применение – высоковольтные кабели для прокладки в грунте. Более современной разработкой для тех же целей являются высоковольтные проводники с изоляцией из сшитого полиэтилена.

Специализация: применяется в высоковольтных кабелях для прокладки в земле.

Плюсы:

низкая стоимость производства;
хорошие диэлектрические свойства;
допускает маленькие радиусы изгиба проводника.

Минусы:

может впитывать влагу, из-за чего снижаются диэлектрические характеристики (поэтому необходима оболочка);
применяемая пропитка имеет хорошую текучесть, особенно при повышении температуры (кабели практически для горизонтальной прокладки);
высокая пожароопасность;
низкая механическая прочность (требуются защитные покровы).

Полиэтиленовая изоляция

Существует два вида полиэтилена, которые применяются для кабельных изделий в композициях:

полиэтилен низкой плотности (ПЭНП);
полиэтилен высокой плотности (ПЭВП).

Производятся при высоком и низком давлении соответственно в трубчатых реакторах.
Перечислим разницу в свойствах ПЭНП и ПЭВП соответственно:

размягчение происходит при 105 ⁰С и 140 ⁰С;
влагопроницаемость хуже в 3 раза для ПЭ низкой плотности;
предел текучести до 1130 и 245 мПа.

При +20 ⁰С полимер не растворяется ни в одном растворителе. При повышении температуры до +70 ⁰С растворяется в четырёххлористом углероде, толуоле, хлороформе и ксилоле. Большинство агрессивных сред не наносит никакого вреда.

Полиизобутилен, совмещённый с полиэтиленом, стеариновой кислотой и ацетиленовой сажей применяют для создания экранов (электропроводящая композиция).

Специализация: общепромышленные кабели и провода для стационарной прокладки

Положительные качества:

высокие диэлектрические свойства (в 300 раз превышают электрическое сопротивление ПВХ пластиката);
стойкость к химическим реагентам;
низкая гигроскопичность.

Отрицательные свойства:

относительно высокая стоимость;
потеря сопротивления при повышении температуры;
слабая гибкость (применяется только в кабелях стационарной прокладки).

Политетрафторэтиленовая изоляция

Политетрафторэтилен (аббревиатура ПТФЭ) при +20 ⁰С на 90 % состоит из кристаллической фазы, оставшаяся часть – аморфное состояние (молекулы расположены в хаосе). Обладает хорошими механическими характеристиками при различных температурных условиях от -90 до +250 ⁰С. При растяжении кристаллы перестраиваются по направлению усилия.

Повышение температуры до +327 ⁰С приводит к увеличению объёма на 25 % из-за перехода части молекул в аморфную фазу. При достижении +400 ⁰С начинается разложение с образованием ядовитых газов. Прекрасно противостоит большей части химических реагентов. При рабочих температурах вступает в реакцию только с расплавленным калием, натрием и несколькими фтористыми соединениями.

Специализация: эксплуатация в широком диапазоне температур в среде с механическим нагрузками.

Преимущества:

высокое противостояние механическим воздействиям до 250°С;
низкая химическая активность.

Недостатки:

высокая стоимость;
содержит токсичные вещества.

Экран

Электромагнитные экраны применяются для выравнивания электрического поля в кабелях и проводах. В основном задействованы в высоковольтных кабелях и кабелях управления. Производятся:

из металлизированной бумаги (при бумажно-пропитанной изоляции);
из медных проволок (при изоляции их ПВХ и резины);
из электропроводящей резины (при резиновой изоляции);
из оцинкованной стальной проволоки (единовременное бронирование и экран).

Экран может быть обособленным (для каждой жилы) либо общим (защищает пучок жил).

Специализация: защита сигнала, проходящего по жиле, от электромагнитных помех.

Плюсы:

достаточная гибкость;
не требуется большого количество материала;
попутно может включать функцию механической защиты.

Минусы:

требуются дорогостоящие материалы с высокой электропроводностью.

Оболочка кабелей и проводов

Основные функции оболочки:

протекция от солнечной радиации;
защита от воды и влаги;
протекция от агрессивных веществ;
защита от механических повреждений.

Так как бумажно-пропитанная изоляция обладает высокой влагопроницаемостью, то для высоковольтных кабелей применяют алюминиевую либо свинцовую оболочку. Оболочку для кабелей с ПВХ или резиновой изоляцией изготавливают из ПВХ пластиката или шланговой резины соответственно.

Металлические оболочки

Основное применение металлических оболочек — высоковольтные кабели (например, марки ААБл, АСБ – алюминиевая и свинцовая оболочки соответственно).

Применение свинца вызвано простотой в плане обработки – податливый металл с низкой температурой плавления, кроме того, обладает хорошей гибкостью, стойкостью к агрессивным средам, легко спаивается в полевых условиях при монтаже кабельной линии. Однако при вибрационных нагрузках и воздействии тепла возникают трещины. Так как свинец имеет высокую ползучесть, то при сильных наклонах трассы могут возникать необратимые растяжения оболочки, вплоть до её разрыва. Присадки сурьмы (около 0.6%) повышают вибростойкость, присадка меди (до 0.08%) снижает ползучесть.

Алюминиевые оболочки в 2 - 2.5 раза прочнее свинцовых оболочек, имеют меньшую массу, обладают стойкостью к вибрациям. В некоторых случаях заменяют бронирование. Кроме того, оболочка может служить экраном, имея хорошую электрическую проводимость. Существенным недостатком является низкая стойкость к электрохимической и почвенной коррозии, а также высокая стоимость материала.

Специализация: высоковольтные кабели с бумажной изоляцией для прокладки в земле.

Преимущества:

высокая технологичность;
управление свойствами при внедрении различных добавок;
попутное экранирование жил.

Недостатки:

необходимость защиты от коррозии;
дорогостоящие металлы;
свинец очень пластичен, поэтому легко теряет первоначальную форму.

Оболочки из ПВХ пластиката

Для изоляционных ПВХ пластикатов, в отличие от шланговых пластикатов для оболочки, требуется защита от светового старения, высокая механическая прочность, иногда стойкость к контакту с маслами и бензином, стойкость к сильным морозам.
При нарушении нижнего предела рабочей температуры ПВХ пластикат становится жёстким и рассыпается при ударе (после восстановления нормальной температуры свойства возвращаются).
В процессе эксплуатации из-за улетучивания пластификатора снижаются характеристики полимера.
Толщина оболочки для кабелей на напряжение до 6 кВ устанавливается стандартом ГОСТ 23286-78.

Специализация: широко распространенный тип оболочки, используемый в общепромышленных проводниках для неподвижного подключения

Плюсы:

дешевизна;
стойкость к химическим веществам;
достаточная механическая прочность;
обеспечение герметичности.

Минусы:

плохая гибкость (по сравнению с резиной);
не допустимы серьёзные механические нагрузки.

Резиновые оболочки

Основные отличия шланговой резины – хорошая восприимчивость к растягивающим, крутящим и ударным нагрузкам. Существует несколько типов резиновой оболочки (разнообразие определяется факторами): для тяжёлых, средних и лёгких условий работы, обладающих стойкостью к маслу, отрицательным температурам, имеющих свойство нераспространения горения.

Вулканизирующим веществом для искусственного каучука является сера (2 - 3 %), наполнителем выступает сажа (технический углерод, причём, чем меньше его частицы, тем более высокие механические параметры резины), ускорителем вулканизации выбирают тиурам.

Классическим представителем кабеля с резиновой изоляцией и резиновой оболочкой является гибкий кабель КГ для подвижной эксплуатации.

Специализация: в проводниках для подвижного подсоединения токоприёмников.

Положительные свойства:

хорошая гибкость;
умеренная стоимость искусственного каучука;
практическая герметичность.

Отрицательные качества:

подверженность одновременному воздействию солнечного облучения и кислорода с последующим разрушением поверхности;
слабая стойкость к химическим веществам.

Защитные покровы

Защитный покров заменяет оболочку и может включать подушку, бронь и внешний покров.
Подушка применяется с целью защиты изоляции от стальных лент или проволоки, которая наматывается для бронирования проводника. Бронирование производится из стальных или алюминиевых лент либо проволоки (элемент, служащий для предохранения внутренних частей кабеля от ударов и других механических воздействий). Внешний покров должен обладать герметичностью и стойкостью к атмосферным (или внешним) факторам и по сути является оболочкой.

Подушки состоят:

из крепированной бумаги (специальная структура бумаги с высоким относительным удлинением до разрыва);
из битумного состава либо битума (склеивающее вещество);
из пластмассовых лент (применяются вместо лент крепированной бумаги).

Бронирование:

стальными лентами (накладывают два слоя с перекрытием, ленты могут защищаться от коррозии оцинкованием, работают на механические повреждения и не воспринимают растягивающие нагрузки);
проволокой (накладываются сплошным повивом против скрутки изолированных жил, чтобы не допускать раскручивания; хорошо работают на растяжение и не защищают от ударов и вибраций).

Внешние покровы:

из кабельной пряжи или стекловолокна с пропиткой битумом (могут изготавливать негорючим);
из пластмассы (полиэтилен или поливинилхлоридный пластикат, тип покрова Шв).

Защитные покровы свойственны высоковольтным кабелям с бумажно-пропитанной изоляцией, подробнее о них можно найти в соответствующем нормативном документе ГОСТ 7006-72.

Лёгкие защитные покровы применяются для проводов, для защиты изоляции от несущественных механических воздействий. Могут состоять из хлопчатобумажной пряжи, льняной нити, швейной нитки, стекловолокна.

Оплётка может обрабатываться противогнилостным составом (угнетает развитие грибов, микроорганизмов, защищает от термитов) или атмосферостойким составом. При эксплуатации в высоких температурах применяются лаковые покрытия, которые препятствуют проникновению влаги и жидкости, не реагируют с некоторыми химически активными веществами.

Для проводников с кремнийорганической изоляцией (провод РКГМ) применяется кручёное стекловолокно, которое имеет высокую механическую прочность (в сравнении с пряжей). Для защиты от распространения вредной стеклянной пыли при поломке волокна, на такие покровы наносят лак.