Материалы для жил силовых кабелей
Основными элементами силовых кабелей, которые имеются в любой электроустановке и предназначены для передачи электрической энергии, являются токопроводящие жилы, изоляция, оболочка и защитные покровы. (В некоторых типах есть еще экран, заполнители и защитное заземление.)
Главное различие между силовыми кабелями разного типа состоит в применении в их конструкции разных материалов для изготовления жил и изоляции, а также в типе оболочки.
Кабельные жилы могут быть многопроволочными или однопроволочными, а также различаться по форме: они бывают сегментные, секторные, круглые и т.п.
В этой статье мы обсудим, какие материалы используются для кабельных жил.
Основные материалы для изготовления жил кабелей — это алюминий и медь. Сравним их.
(Стоит сказать, что изготавливаются жилы для кабелей и из стали, а также биметаллические. Однако, в силу плохой проводимости, они очень редко используются на практике, поэтому о них мы ниже говорить не будем.)
В изготовлении силовых кабелей первое место среди материалов занимает электротехническая медь, которую получают в процессе электролитического рафинирования. Данный процесс недешев, однако именно он дает наиболее качественный проводник. Из шести классов токопроводящих жил, на которые согласно ГОСТу подразделяется данная продукция, лишь медь подходит для применения в изделиях всех классов, в том числе в кабелях повышенной гибкости.
Алюминий занимает второе место среди используемых материалов в сфере производства проводов и кабелей. Но так как цены на медь с 2008 года выросли в четыре раза (да и до этого медь была намного дороже алюминия), значение алюминиевой катанки все увеличивается. Свойствами алюминия (низкой стойкостью на излом) обусловлено то, что жилы из него не используют в гибких кабелях, а только для стационарной прокладки.
Провода из меди могут выдерживать больше изгибов в одном и том же месте, чем алюминиевые (восемьдесят против двенадцати). Но если речь идет о, например, квартирной проводке, спокойно лежащей внутри стены, то стойкость к изгибам, разумеется, теряет значение.
Жилы из меди сечением до 12 мм 2 делают однопроволочными, 25—95 мм 2 могут быть много- или однопроволочными, а с 120 до 800 мм 2 уже только многопроволочными.
Алюминий более мягок, а потому однопроволочные жилы из алюминия могут быть толще. Для алюминиевых жил те же самые цифры выглядят следующим образом: меньше 35 мм 2 — одно-, 50—240 мм 2 — одно- или много-, и от 300 до 800 мм 2 — исключительно многопроволочные.
С точки зрения устойчивости к окислению ситуация в целом одинакова, окисление алюминия, о котором говорят его противники, происходит лишь на поверхности, тогда как внутри жила сохраняет превосходные электропроводящие свойства. Примерно та же ситуация с медью – окисление идет поверхностно, но у меди еще и гораздо медленнее.
Алюминиевые жилы чаще применяют в промышленности (сварочной и металлургической), тогда как медные в основном являются материалом для электротехники и прокладки кабелей в жилых зданиях. Кроме того, для алюминиевого кабеля характерен гальванический эффект, который ведет к электрокоррозии и снижает эффективность провода. Поэтому, несмотря на дороговизну медного кабеля, в особенно ответственных конструкциях применяют именно его.
При выборе медного кабеля стоит быть аккуратным. Если в жилах силового кабеля используются неочищенная или вторичная медь, это резко снижает не только стоимость производства такого кабеля, но и его качество. Однако ни микрометр, ни весы не помогут вскрыть этот недостаток — здесь понадобится омметр – сопротивление кабеля из неочищенной меди выше эталонного сопротивление чистой медной жилы.
Итак, какие нужно сделать выводы? Алюминиевый кабель намного дешевле медного, но уступает ему почти по всем остальным параметрам. Соответственно, перед тем как выбрать алюминий, нужно тщательно взвесить, не повлияет ли какой-либо из его недостатков на использование. Только если вы абсолютно уверены, что кабель не придется часто перекладывать или прокладывать в труднодоступных местах, не придется сильно перегибать, от него не потребуется работать под высокими напряжениями и не потребуется работать в течение долгого времени (десятилетий), то можно взять именно алюминий. Во всех остальных случаях (а также если есть сомнения) рекомендуем медь.
ИЗОЛЯЦИЯ КАБЕЛЯ. МАТЕРИАЛЫ ИЗОЛЯЦИИ
Изоляция — это специальный материал, которым покрываются жилы кабеля, чтобы уменьшить проток электроэнергии. Обычно жилы покрываются одним или несколькими диэлектрическими, то есть предотвращающими замыкание и возгорание кабеля, материалами. В этом и состоит главное назначение изоляции.
Хорошую изоляцию обычно можно определить по нескольким признакам:
1. Электрическая и механическая прочность. Минимальное значение электрополя, при котором наступает пробой изоляции.
2. Высокое удельное электрическое сопротивление. Кабель должен хорошо препятствовать прохождению электрического тока.
3. Высокий показатель пробивного напряжение. Минимальное напряжение, при котором происходит пробой диэлектрика.
4. Маленькая диэлектрическая проницаемость.
5. Соответствие своему сроку службы.
МАТЕРИАЛЫ ИЗОЛЯЦИИ
1. Поливинилхлорид (ПВХ, ПВХ пластикат)
Самый популярный вид покрытия изоляции. Прокладывать его лучше в помещении, так как ПВХ не устойчив к холоду и к ультрафиолету. Если приходится использовать поливинилхлорид на улице, лучше заложить его внутрь трубы или какого-либо защитного материала.
Особенности поливинилхлорида
Хорошая пропускная способность, низкий показатель потерь, устойчивость к возгоранию и к механическим воздействиям, экологичность.
Стоимость поливинилхлорида
2. Полиэтилен(ПЭ), сшитый полиэтилен(СПЭ)
За счет диэлектрической способности широко применяется для изоляции высоковольных кабелей. Встречается как обычный, так и сшитый полиэтилен(СПЭ). СПЭ отличается от ПЭ тем, что при температуре плавления до 140 градусов Цельсия он сохраняет свои механические и электрические свойства, так как изначально сшивается с помощью реактивов или радиации, что также делает его еще и более плотным.
Особенности полиэтилена
Используется в широком температурном диапазоне, устойчивый к повреждениям и трещинам, к различным химическим веществам, легкий в использовании для монтажной работы, экологичный.
Стоимость полиэтилена
3. Резина
Главным преимуществом данного материала является пластичность. Гибкость кабеля с резиновой изоляцией позволяет использовать его при монтаже электрических сетей в условиях изгибов и растяжений, а также для соединения подвижных элементов с электросетью.
Существуют 2 вида резиновой изоляции: каучуковая и кремнийорганическая. Вторая отличается от первой лучшей термостойкостью, а также высокой сопротивляемостью нагреву. Благодаря этому, кремнийорганическая резина является достаточно популярной для изоляции устойчивых к различным температурным режимам кабелей.
Особенности изоляции из резины
Очень гибкая, светонеустойчивая, хорошо поглощает влагу, термостойкая.
Стоимость резиновой изоляции
4. Бумага
Кабели с бумажной изоляцией прокладывают на трассах и в местах с крутым углом наклона. Материал состоит из сульфатной целлюлозы и укладывается несколькими слоями. Такая изоляция может долго прослужить, если не подвергать ее жестким механическим повреждениям. Бумагу можно пропитать диэлектриком, воском или маслом, для использования в сетях с высоким напряжением (до 35 кВ).
Особенности бумажной изоляции
Мягкий материал, обладает хорошими электрическими характеристиками.
Стоимость
5. Стеклослюдинитовый изолятор
Назван так в честь натурального минерала, входящего в состав изоляции — стеклослюдинита. Наносится на ПВХ-изоляцию.
Особенность стеклослюдинитового изолятора
Обладает повышенной стойкостью к нагреванию, стойкий к внешним воздействиям, рассчитан на ток до 6 кВ.
Стоимость
6. Фторопласт
Очень надежный и самый сильный диэлектрик, поэтому используется в агрессивных условиях, в высоковольных греющих кабелях. Помимо этого, используется в банях или саунах, при прокладке теплого пола, в местах с высокими температурами.
Особенности изоляции из фторопласта
Надежность, устойчивость к внешнему воздействию, в т.ч. химическому, и высоким температурам, более мощный при передаче энергии, чем СПЭ и ПВХ-кабели.
Стоимость изоляции из фторопласта
7. Минералы
В кабелях с минеральной изоляцией отлично сочетаются механическая прочность и термоустойчивость, они нашли свое применение почти во всех областях, и особенно в случаях, когда допустимый нагрев превышает границу греющих кабелей с ПЭ-изоляцией.
Изоляция из минералов обладает абсолютной негорючестью и используется в основном в экстремальных зонах при температуре до 1000 градусов по Цельсию.
Особенности минеральной изоляции
Прочность, устойчивость к раздавливанию, термоустойчивость, устойчивость к агрессивным условиям среды, устойчивость к коррозии.
Стоимость изоляции из минералов
8. Полиолефины
Хотя данная изоляция обладает высокой степенью негорючести, при возгорании она не выделяет галогенов, которые могут быть опасны для людей, поэтому кабели с полиолефинной изоляцией нашли свое применение в местах с большим скоплением людей.
Особенности изоляции из полиолефинов
Не содержит галогены(HF — Halogen Free), обладает повышенной негорючестью.
Производство кабеля этапы. Технология
Технология производства кабеля состоит из таких этапов:
- Волочение. При помощи метода волочения токопроводящий материал – алюминий или медь – скручивают в жилу
- Термообработка. Чтобы снять наклеп металла и устранить его последствия, используется термообработка.
- Скрутка. Отдельные проволоки скручиваются в одну жилу. Она называется «стреньгой». Для этого проволока с разных барабанов подается в крутильную машину.
- Дальше полиэтилен в гранулах или другой материал для изоляции нагревают до состояния жидкости. Жилы окунают в смесь в специальном экструдере
- Проходит проверка – не пропускает ли изолятор ток, какая степень проводимости, толщина проводов и т.д
- Готовый провод скручивают при помощи специального оборудования в катушку
- Дальше, в зависимости от того, какой именно кабель вам нужен, при помощи крутильной машины жилы скручивают между собой
- Последний этап – бронирование свинцом или сталью, и наматывание в катушки
Подробнее о каждом этапе:
1.Волочение проволоки
это процесс обработки металла давлением, характеризующийся постепенным однократным или многократным протягивания последнего через специальный волочильный инструмент, предназначенный для поэтапного уменьшения поперечного сечения исходной заготовки.
Упрочнение металла, возникающее вследствие пластической деформации при волочении, называется наклепом, а структура волоченного металла в виде вытянутых по направлению волочения зерен — текстурой.
Степень влияния деформации при волочении на физико-механические свойства протягиваемого металла во многом зависит от свойств металла, величины этой деформации и других причин, но можно выделить общие тенденции этого явления: повышаются прочностные характеристики (предел прочности, предел текучести, твердость); снижаются (неравномерно) пластические свойства (относительное сужение, относительное удлинение, число перегибов и скручиваний); плотность металла незначительно повышается (0,5-1,0 %); антикоррозионная стойкость несколько снижается; возрастает электрическое сопротивление (у аустенитной стали рост составляет до 30 %); изменяются магнитные свойства металла.
В ходе пластической деформации при волочении структура металла претерпевает значительные изменения — зерна перлита вытягиваются по направлению волочения, возрастает число дефектов структуры (дислокаций, вакансий, межузельных атомов), что приводит к увеличению прочности, твердости и снижению пластичности. Эти явления называются наклепом при волочении. Дальнейшая деформация приводит к образованию микротрещин, которые растут и при превышении определенной степени обжатия приводят к обрывам проволоки.
Виды волочения:
Горячее волочение — волочение в условиях зарекристаллизационных температур (до 900 °С) применяется для тех металлов и сплавов, которые при обычных температурах из-за низкой пластичности не могут быть подвергнуты волочению: вольфрам, молибден, некоторые сплавы титана и алюминия. Нагрев проволоки непосредственно в технологическом потоке с волочением производится, как правило, электроконтактным или индукционным методами.
Тепловое волочение — волочение в условиях температур до- или околорекристаллизованного порядка до 500 °С (быстрорежущая сталь).
Низкотемпературное волочение — волочение в интервале температур от — 60 °С до — 180 °С представляет интерес для производства проволоки из высоколегированных сталей с аустенитовой и аустенитно-ферритной структурой, так как способствует повышению стабильности аустенита, повышению пластичности и улучшению механических свойств протянутого металла.
2.Термообработка
Чтобы снять наклеп металла и устранить его последствия, используется термообработка. Это может быть нормализация, отпуск, отжиг или патентирование. Каждый из этих процессов имеет свои особенности. При обработке медной проволоки используется отжиг. Для этого ее нагревают до 500–700 °С и охлаждают на воздухе. Более точная температура и время отжига устанавливаются в зависимости от сечения и свойств проволоки. Эта процедура выполняется в паровых или вакуумных печах, позволяющих избежать окисления меди. Как правило, для экономии времени отжиг выполняется «на проход», то есть проволока постоянно движется через печь с определенной скоростью.
3. Скрутка.
Для создания гибкой многопроволочной жилы будущего провода, отдельные проволоки (пасьма) с нескольких катушек одновременно подаются в крутильную машину, где из них скручивается токопроводящая жила — стренга, служащая основой для будущего провода. Скрутка может быть разной: пучковой, шнуровой, правильной, а также может иметь то или иное направление (правое или левое).
В зависимости от требуемых гибкости, прочности на растяжение, и других характеристик будущего провода, выбирают тип скрутки. Объединенные скручиванием в стренгу, жилы наматываются опять же на катушку. Как вы уже поняли, стренга — это многопроволочный провод, готовый для наложения на него изоляции.
4.Изолирование кабелей. Экструдер
В процессе производства кабелей и проводов с пластмассовой и резиновой изоляцией широкое распространение получили экструдеры (червячные прессы), которые позволяют осуществлять непрерывный процесс наложения изоляции оболочки и выпускать кабельную продукцию практически неограниченной длины. Процесс такого непрерывного производства изоляции или оболочки называют экструзией или выдавливанием, а сами прессы — экструдерами.
Наиболее широко путем экструзии перерабатываются такие термопластичные высокомолекулярные соединения, как полиэтилен, полипропилен, полиамиды, поливинилхлоридные пластикаты некоторые виды фторопластов, а также различные резиновые смеси.
Одним из основных преимуществ переработки полимеров в экструдерах является непрерывность процесса, а это в свою очередь открывает широкие возможности для совмещения процесса изолирования (или наложения оболочки) с другими операциями при изготовлении кабелей и проводов (например, волочением и отжигом токопроводящей жилы, контролем изолированной жилы, скруткой изолированных жил в группы или кабель и т. п.). Кроме того, непрерывный процесс производства кабелей и проводов открывает широкие возможности для автоматизации производственных процессов, что способствует более эффективному и качественному их осуществлению.
5. Проверка кабеля
Измерение рабочего сопротивления диэлектрика
Текущее сопротивление изоляционного слоя токопроводящих частей допускается измерять только на обесточенных жилах. Как и другие методы испытаний кабельных линий, этот предполагает использование мегаомметра.
Замеры проводятся в следующем порядке:
Электрики прибывают на место, перед началом работ проверяют состояние брони, кабельных воронок, заземлений.
Один конец КЛ подключают к мобильному заземлителю, на втором — разводят жилы на дистанцию порядка 150–250 миллиметров. Если обеспечить безопасное расстояние невозможно, методы проверки кабельных линий допускают изоляцию концов колпачками-заглушками.
Убеждаются, что КЛ полностью отключена от электротока.
Очищают изолирующие обмотки от пыли, частичек грязи, прочих инородных предметов.
При помощи генератора подают на токоведущие части ток с повышенными характеристиками: частотой, напряжением. Методы испытания кабеля могут включать нагрузку только переменным или переменным и постоянным током.
Измерительный прибор подключается к жилам отдельно идущими проводами с сопротивлением диэлектрического слоя от 100 МОм. Измерения проводят, поочерёдно перенося омметр с одной жилы на другую. Прочие токоведущие части при этом изолируют мобильными заземлителями.
Сверяют полученные рабочие значения с минимальными допустимыми.
По завершении работы подготавливают техотчёт.
Аналогичны методы проверки проводов и кабелей, лежащих под напряжением не более 1000 вольт, но в этом случае замеры выполняют попарно между двумя разведёнными жилами:
- «Фаза-фаза».
- «Фаза-ноль».
- «Фаза-защита».
- «Защита-ноль».
Минимальное допустимое сопротивление изоляционного слоя КЛ до 1000 вольт — 0,5 МОм. Параметры для высоковольтных КЛ, как и способы проверки кабеля, должны быть рекомендованы производителем или установлены надзорным органом.
7.Крутильный станок
Данное оборудование для производства кабеля объединяет отдельные элементы изготавливаемой продукции, такие как изолированные жилы, проволока, стренги, в устойчивую и четкую форму. Принято различать следующие виды крутильных станков: сигарные, клетьевые, вилочные, с жесткой структурой, арочные, одинарной и общей крутки. Отличие каждого вида заключается в применяемых катушках, в шаге скрутки, количестве используемых жил, в управлении натяжением.
8.Станок бронирования
Данное оборудование используется для обмотки кабеля различными материалами, предназначенными защищать его от разнообразных повреждений и воздействий окружающей среды. В качестве бронированного материала может выступать стальная или гофрированная оцинкованная лента, металлическая проволока либо другой материал.
Жилы проводов. Материалы и характеристики
В ГОСТе 15845-80, которым устанавливаются межгосударственные стандарты на кабельные изделия, дается и определение провода. Согласно ему, электрический провод является кабельным (а значит электрическим) изделием, которое используется для передачи электроэнергии. Его конструкция предполагает наличие одной или нескольких скрученных проволок (без внешней изоляции) в качестве проводника электротока. Или одной или более изолированных жил, выполняющих ту же функцию, которые сверху покрываются легкой неметаллической оболочкой и/или оплеткой из волокнистого материала. Такая оболочка (оплетка) провода не предполагает его прокладку в земле или воде.
Таким образом, провод может состоять из одной или более токопроводящих жил, само название которых уже говорит об их предназначении — это пропуск (или прохождение) электротока. Само же определение токопроводящей жилы (ТПЖ) приводится в том же ГОСТе лишь во втором разделе, где она определяется, как элемент кабельного изделия, назначение которого — прохождение электротока. Жилы (как проводники тока) бывают одно- и многопроволочные, правильной и неправильной, простой и сложной, пучковой и некоторых иных видов скрутки. Кроме того они могут быть круглыми, фасонными, прямоугольными, секторными (сегментными), спиральными, овальными и других форм в сечении. На практике находят применение также полые, плетеные, спиральные, уплотненные (обжатые), расщепленные и иные виды жил различного предназначения.
Изолированные жилы, т.е. жилы-проводники в изоляции, также достаточно многообразны по выполняемой ими функции. Выделяют экранированные, основные, нулевые, счетные (отличается от других цветом изоляции) и направляющие жилы.
Виды изоляции жил и проводов
Как известно, провода применяются в самых разных отраслях экономики, в промышленных и бытовых проборах и оборудовании, в авто-, мото- и авиастроении и т. д. В зависимости от назначения проводов их (или их жилы) покрывают различными видами изоляции, которых существует достаточно много. Изоляцию разделяют по следующим параметрам:
• по виду — сплошной, двухслойной, многослойной, пропитанной электроизоляционной жидкостью, полувоздушной (сочетание диэлектрического материала с воздухом) и др.;
• по материалу изготовления — резиновой, пластмассовой, эмалевой, минеральной, бумажной, пленочной (ПВХ), волокнистой, асбестовой и т. д.
Из чего изготавливают жилы
С 1 января 2004 г. производители кабельной продукции (проводов, кабелей и шнуров в т. ч.) обязаны изготавливать токопроводящие жилы к ним в соответствии с межгосударственным стандартом, определенным ГОСТом 22483-2012. В частности, в разделе 4 этого документа говорится, что при изготовлении ТПЖ можно использовать лишь один из следующих материалов:
• отожженную медь, покрытую металлом или без такого покрытия;
• алюминий или алюминиевые сплавы.
Далее приводятся различные технические требования к ТПЖ, как, например, пределы прочности жил различного вида (или проволок их составляющих) при разрыве, и т.д.
Опуская некоторую, необходимую лишь специалистам информацию, заметим, что для экономически целесообразного и эффективного использования проводов и кабелей с ТПЖ в качестве проводников тока, жилы должны быть изготовлены из материала, который:
• имеет низкое (небольшое) электрическое сопротивление;
• свободно пропускает ток;
• не теряет своих характеристик в разных температурных режимах (включая перепады температуры) и климатических условиях;
• стойкий к коррозии;
• выдерживает предвиденные заранее механические нагрузки.
Однако эти требования к материалу ТПЖ (понятно, что это металл) являются лишь технически обоснованными.
А вот экономическая целесообразность выбора металла для ТПЖ в случае, конечно, их широкомасштабного производства требует, чтобы:
• имелся доступ к местам добычи сырья для его производства или закупки этого сырья (либо самого металла) за рубежом (что не желательно, но необходимо для отдельных стран);
• стоимость производства (цена закупки) была умеренной (быстро окупаемой);
• металл был технологичен, т. е. легко подвергался обработке.
Приведенным требованиям как раз и отвечают медь и алюминий, определенные ГОСТом в качестве материала для ТПЖ. Конечно, на практике в зависимости от предназначения жил используются различные добавки к этим металлам с целью улучшения их прочностных характеристик, пластичности, электропроводимости и т.д.
Классификация жил
О различных видах жил по скрутке, сечению, изоляции и т. д. уже говорилось вначале статьи. ГОСТом же, определяющим материал изготовления ТПЖ, эти жилы подразделены также на 6 классов в зависимости от того, для каких кабельных изделий они предназначены и какова их гибкость.
Согласно этой классификации одно- и многопроволочные ТПЖ 1-2 класса используются в кабелях и проводах, которые прокладываются стационарно, т. е. в наиболее массовых кабельных изделиях — линиях электропередач. К остальным 3–6 классу относятся гибкие многопроволочные ТПЖ, расположенные по классам мере повышения их гибкости, которые используются в гибких кабельных изделиях. Однако при необходимости можно легко купить провода и силовые кабели с такими жилами и их стационарно.