Электрические провода и кабели

Кабель - (от лат. сарulum — аркан) — конструкция из одного или нескольких изолированных друг от друга проводников (жил), или оптических волокон, заключённых в оболочку. Кроме жил и изоляции кабель может содержать экран, сердечник, заполнитель, стальную или проволочную броню, металлическую оболочку, внешнюю оболочку. Каждый конструктивный элемент нужен для работоспособности кабеля в определённых условиях среды. Также конструктивные элементы кабеля отличают его от электрического провода.
Существуют также кабели, совмещающие в себе функции передачи и излучения радиосигналов (излучающий кабель), либо преобразования электрической энергии в тепло на большой протяжённости (греющий кабель).

История электрических кабелей

В 1812 г. П. Л. Шиллинг в Петербурге произвел взрыв мины с помощью провода, изолированного каучуковыми лентами и проложенного по дну Невы. Это был первый в мире подводный кабель.

В 1847 г. был построен пресс для наложения на кабели бесшовной гуттаперчевой изоляции. Гутгаперча — это затвердевший сок (смола) некоторых тропических деревьев. Она очень своеобразный материал. В воздухе гуттаперча легко окисляется и теряет свои свойства, в воде же оказывается весьма стойкой. Кабели с гуттаперчевой изоляцией хороши для подводных прокладок.

В 1851 г. по дну морского пролива Па де Кале между английским городом Дувром и французским Кале был проложен кабель с гуттаперчевой изоляцией. По этому кабелю была впервые осуществлена телеграфная связь между Англией и Францией. В 1856 г. была начата прокладка телеграфного кабеля через Атлантический океан между Европой и Америкой. Несколько раз кабель обрывался. Но в конце концов в 1866 г. первый трансатлантический кабель начал работать.

В 1878 году инженер-технолог М. М. Подобедов организовал в России на Васильевском острове Санкт-Петербурга первые кустарные мастерские для выработки проводников с шёлковой и хлопчатобумажной изоляцией, на которых работало несколько человек. Там же им было создано небольшое предприятие «Русское производство изолированных проводников электричества Подобедовых, Лебурде и Ко», преобразованное в 1888 году в завод «Русское производство проводов электричества» М. М. Подобедова. 25 октября 1879 года Вернеру фон Сименсу (фирма «Сименс и Гальске») было выдано свидетельство на производство работ в построенном им заводе по изготовлению изолированной проволоки и телеграфных проводов в Васильевской части Санкт-Петербурга (впоследствии завод «Севкабель»).

Первые подземные кабечи сильного тока появляются позже кабелей связи. В конце XIX века началось сооружение первых электрических станций общего пользования, и тогда выявилась необходимость подземного распределения электрической энергии в больших городех. А. Н. Лодыгин в Петербурге в своих первых опытах по электрическому освещению применял медные проводники, изолированные гуттаперчей. Несколько лет спустя в 1880 г. была проложена первая подземная силовая сеть в Берлине. Она состояла из семи медных проводников сечением в 4 мм2, изолированных гуттаперчей. Проводники были проложены в железных трубах. Нагрузка каждой из жил равнялась 7 а при напряжении 220 в постоянного тока.

В 1882 г. в Нью-Йорке преложили подземную сеть постоянного тока, состоявшую из медных штанг, изолированных проасфальтированным джутом и проложенных в железных трубках длиною около 6 м. Затем труоы заполнялись еще асфальтовым составом.

Подробнее об истории создания и совершенствования электрических кабелей читайте на странице История электрического кабеля".

Классификация кабелей

Группы однородной кабельной продукции включают кабели:

Стандарт ISO 11801 2002 детально описывает классификацию кабелей.

Подробнее по этой теме см. Маркировка кабеля.

Токопроводящие жилы

Жилы в кабелях изготавливаются из следующих материалов:

Токопроводящие жилы силовых кабелей нормируют по сечению. По диаметру нормируются:

В случаях, когда кабели необходимо герметизировать (например, для судовых кабелей), промежутки между проволоками многопроволочных жил заполняют герметизирующим составом.

Диаметр однопроволочных медных жил симметричных высокочастотных, станционных, телефонных (для соединительных и абонентских линий сетей местной телефонной связи) кабелей должен соответствовать ряду: 0,32; 0,4; 0,5; 0,64; 0,7; 0,9; 1,2 мм; для многопроволочных жил — диаметр медных проволок (0,1…0,52) мм, число проволок от 7 до 19.

Материал оболочки

Оболочка кабеля предназначена для защиты проводников и изоляторов от внешних воздействий, прежде всего от влаги, которая приводит к нарушению изоляции электрических кабелей, а также помутнению оптических волокон.

Оболочка кабеля может состоять из одного и более герметизирующих и армирующих слоёв, в качестве этих слоёв могут применяться различные материалы: ткань, пластмассы, металл, резина и проч. Кабели для передачи электрических сигналов могут быть снабжены экраном из металлической сетки, листового металла (фольги) или полимерной плёнки с тонким металлическим покрытием.

Поливинилхлоридные (ПВХ) пластикаты

Поливинилхлоридные пластикаты, применяемые в кабельных изделиях, делятся на три основные группы:

изоляционные — имеют высокие электрические характеристики; шланговые — применяемые для защиты элементов кабельных изделий; полупроводящие — используемые для изготовления экранов[7]. Твёрдый поливинилхлорид имеет высокое содержание хлора (около 57 %) и воспламеняется с трудом. Один килограмм твёрдого поливинилхлорида выделяет 350 литров газообразного хлороводорода, который при растворении может дать более 2 литров концентрированной (25 %) соляной кислоты.

Для изоляции кабелей применяется мягкий поливинилхлорид или кабельный пластикат. Этот материал содержит 50 % различных добавлений (пластификаторов и др.), которые сильно изменяют горючие свойства полимера. Пластификаторы начинают улетучиваться уже при температуре 200 °C и загораются. Содержание хлора уменьшается примерно до 35 %, и его не хватает, чтобы препятствовать распространению огня. Однако при сильном выделении хлороводорода твёрдый поливинилхлорид, удалённый от очага, не загорается, и пожар гаснет.

Благодаря перепаду температур, тяге, создаваемой в кабельных шахтах, газы, содержащие хлороводород, уносятся от очага пожара, проникают в щитовые и аппаратные помещения и оседают на оборудовании.

В начале 1980-х годов требования к пожарной безопасности кабелей сводились в основном к нераспространению горения по длине кабельных изделий, проложенных одиночно или в пучках. Для этого применяли оболочки кабельных изделий, изготовленных из пластикатов марок О-40, ГОСТ 5960-72 (кабели ВВГ, АВВГ); при испытании пластиката образец длиной 130 мм, шириной 10 мм и толщиной 2 мм вносится в пламя газовой или спиртовой горелки с выдерживанием его в пламени под углом 45° до воспламенения, после этого образец достаётся из пламени и должен потухнуть за время не более 30 секунд[10], и НГП 30-32 (НГП 40-32) (ТУ 1328-86).

Проводились экспериментальные исследования, моделирующие прокладку кабеля в пожароопасном помещении. Кабели АВВГ 3х25+1х16 прокладывались горизонтально на лотках и покрывались слоем опилок. При укладке в три ряда и 14 кабелей в ряду кабельная трасса выгорала полностью по всей длине. При этом были зафиксированы скорости: на нижнем ряду 0,00154 м/с, на среднем 0,00167 м/с, на верхнем 0,00170 м/с.

ГОСТ 5960-72 «Пластикат поливинилхлоридный для изоляции и защитных оболочек проводов и кабелей» был разработан и введён в действие с 1 января 1974 года, имеет 9 изменений. С 1991 года работы по внесению технических изменений в ГОСТ 5960-72 были прекращены. Дальнейшие разработки и модификации существующих марок ПВХ пластикатов оформлялись в виде технических условий. С 1 июля 2010 отменяется действие на территории РФ стандартов ГОСТ 6323-79 «Провода с поливинилхлоридной изоляцией для электрических установок. ТУ» и ГОСТ 16442-80 «Кабели силовые с пластмассовой изоляцией. ТУ» и вводятся в действие ГОСТ Р 53768-2010 «Провода и кабели для электрических установок на номинальное напряжение 450/750 В включительно. ОТУ» и ГОСТ Р 53769-2010 «Кабели силовые с пластмассовой изоляцией на номинальное напряжение 0,66; 1 и 3 кВ. ОТУ». С 1 января 2014 отменяется действие на территории РФ стандартов ГОСТ Р 53768-2010 «Провода и кабели для электрических установок на номинальное напряжение 450/750 В включительно. ОТУ» и ГОСТ Р 53769-2010 «Кабели силовые с пластмассовой изоляцией на номинальное напряжение 0,66; 1 и 3 кВ. ОТУ» и вводятся в действие ГОСТ 31947-2012 «Провода и кабели для электрических установок на номинальное напряжение до 450/750 В включительно. ОТУ» и ГОСТ 31996-2012 «Кабели силовые с пластмассовой изоляцией на номинальное напряжение 0,66; 1 и 3 кВ. ОТУ».

Пропитанная бумажная изоляция

Кабельная бумага по ГОСТ 23436-83 для изоляции силовых кабелей на напряжение до 35 кВ марок К и КМП изготавливается из небеленой сульфатной целлюлозы, марки КМ — из небелёной сульфатной целлюлозы для многослойной кабельной бумаги. Кабельная бумага по ГОСТ 645-79 для изоляции кабелей на напряжение от 110 до 500 кВ изготавливается из специальной сульфатной небелёной целлюлозы, бумага марок КВМ (многослойная) и КВМС (многослойная стабилизированная) выпускается машинной гладкости, а бумага марки КВМСУ (многослойная стабилизированная уплотнённая) — каландрированной.

Полиэтиленовая изоляция

Современные кабели производятся с изоляцией из сшитого полиэтилена и используются в сетях различного класса напряжения (до 500 кВ). Применение сшитого полиэтилена обеспечивает высокие диэлектрические свойства изоляции, высокие механические свойства, более высокие по сравнению с бумажно-масляной изоляцией термические режимы, надёжность и долговечность кабелей.

Распространение пожара в Останкинской телебашне в направлении сверху вниз было обусловлено стекающим расплавом полиэтиленовой оболочки фидеров. В лабораторных условиях скорость распространения пламени составляла 0,25-0,50 м/мин; при пожаре на телебашне, из-за высокой объёмной температуры, скорость распространения выросла в 2-4 раза, при этом падающие вниз горевшие капли полиэтилена создавали вторичные очаги пожара.

Из-за высокой температуры в очаге пожара и высокой теплопроводности жил меди огнезащита антенных фидеров оказалась не эффективна. В качестве огнезащиты использовалась краска для полиэтиленовой оболочки фидеров и изоляция поверхности стекловолоконной тканью. Огнезащитная конструкция обвисала и опадала при интенсивном горении полиэтилена изнутри. Кроме активного горения фидеров, имевших горючие внешние полиэтиленовые оболочки, вклад внесло также горение других кабелей, которые не были защищены огнезащитными составами.

Маслонаполненный кабель

Развитие пожаров в кабельных помещениях с кабелями в маслонаполненных трубах при равных условиях газообмена происходит более интенсивно, чем по кабелям воздушной прокладки. Вызвано это тем, что масло в трубах находится при температуре 35-40 °C под избыточным давлением и при разгерметизации трубы растекается, увеличивая площадь горения.

В России выпускались кабели на напряжение 110—500 кВ с необходимой арматурой. С 2005 года сняты с производства, и в настоящее время существующие линии заменяются высоковольтными кабелями с изоляцией из сшитого полиэтилена.

Пожарная безопасность кабелей. Опасность коротких замыканий

Физическая модель загорания в металлическом коробе с крышкой:

Опасность длительных перегрузок

При воздействии тока перегрузки происходит разогрев токопроводящей жилы, изоляции, оболочки кабеля. При достижении предельной температуры начинаются химические реакции термического разложения и газификации материала изоляции и оболочки кабеля. Образующиеся при этом продукты термического разложения нагреваются и смешиваются с воздухом, происходит термическое окисление. При достижении критических значений концентрации продуктов термического разложения в воздухе и температуры газовой смеси происходит воспламенение.

Распространение горения кабельными линиями и электропроводками

Многие кабели распространяли горение при групповой или одиночной прокладке, имея оболочки из обычного ПВХ-пластиката (АВВГ, ВВГ, КВВГ и т. п.) или даже из полиэтилена (ТПП). Кабели ВВГ и НРГ при их количестве в пучке пять или более в большинстве случаев распространяют горение при вертикальном расположении.

Низшая теплота сгорания изоляции кабелей, распространяющих горение, составляет от 16,9 до 19,2 МДж/кг, а для НГ и огнестойких от 22,5 до 25,2 и 32 МДж/кг, соответственно.

Распространение горения по кабельным линиям и электропроводкам зависит от отношения теплоты сгорания к объёму пучка кабелей и/или проводов (объем включает в себя воздушные зазоры между кабелями и проводами).

Эксплуатация на электростанциях и других энерговооружённых предприятиях кабелей, которые удовлетворяют только требованиям по нераспространению горения для одиночного кабеля, была сопряжена со значительным числом пожаров, приводящих к большому ущербу. В 1984—1986 годах во ВНИИ кабельной промышленности были разработаны кабельные изделия массового применения, которые не распространяют горение при групповой прокладке. Первоначально такие кабели и провода применялись на атомных электростанциях, однако затем эти кабельные изделия были использованы и в других областях промышленности. В обозначения марок кабелей такого типа введён индекс «нг». Согласно статистике, с 1990 по 2008 год на АЭС горения кабелей типа «нг» не происходило.

Выделение токсичных веществ при горении

В химическом составе оболочек кабелей с маркировкой «нг» присутствуют элементы галогенового ряда. Кабель имеет повышенную устойчивость к распространению горения и возгоранию от коротких замыканий. Однако горение его в условиях пожара, когда он сам подвергается воздействию пламени, может привести к повышению уровня токсичности продуктов горения. Поэтому их применение в метрополитенах Западной Европы было запрещено в конце 1970-х годов.

Для решения проблем, связанных с выделением HCl и задымлением, был создан класс кабельных материалов, не содержащих галогены, то есть не выделяющих коррозионно-активных газов и имеющих существенно более низкий уровень выделения дыма — так называемых композиций. Безгалогенные кабельные композиции разрабатываются из необходимости увеличения их кислородного индекса до величин порядка 35…40. Это достигается за счет введения в исходный полимер антипиренов-гидроокисей. В промышленных масштабах используются гидроокиси алюминия Al(OH)3 и магния Mg(OH)2 синтетического и природного происхождения. Механизм антипиренного действия гидроокисей заключается в поглощении большого количества тепла за счет выделения воды при повышении температуры. Базовыми полимерами для промышленных безгалогенных композиций являются, в основном, сополимеры этилена: этиленвинилацетат (EVA), этилен-акрилатные полимеры (EMA, EEA, EBA), металлоценовые этилен-октен сополимеры (mULDPE) и этилен-пропиленовые сополимеры (EPR/EPDM).

Устойчивость к нагреву

Разделка оконцовок кабелей

Оконцовки кабельной продукции, как правило, нуждаются в подготовке перед монтажом. Процесс подготовки кабеля к подключению называют разделкой кабеля. Чаще всего подразумевается удаление изоляции на требуемую длину, монтаж разъемов или кабельных наконечников, маркировка проводов, электро- и гидроизоляция оконцовок.

Опрессовка применяется при оконцевании и соединении алюминиевых (медных) жил кабелей, в основу которой положен принцип местного вдавливания трубчатой части металлического наконечника (по ГОСТ 9581-68 или ГОСТ 7368-70) или соединительной гильзы в жилу кабеля. При этом происходит уплотнение проволок жилы и образуется надёжный электрический контакт. Применяемый инструмент — кримпер. Допускаемой для опрессовки сечение жил кабелей от 4 до 240 мм². Перед опрессовкой секторных жил они могут быть предварительно сформованы (округлены). Указания по области применения опрессовки приведены в «Инструкции по оконцеванию и соединению алюминиевых и медных жил изолированных кабелей» МН139-67 ММСС СССС и в дополнениях к ней.

пайка многопроволочных медных жил припоем ПОС-30 методом повива с применением флюса (канифоль, паяльный жир, стеарин) и последующим наплавлением припоя непосредственно в форму или наконечник; пайка алюминиевых жил производится с предварительным облуживанием жил припоем А; термитная сварка (для соединения и оконцевания алюминиевых жил с сечением от 16 до 800 мм²), которая осуществляется при помощи термитных патронов за счёт выделяемого при их сгорании тепла. Сечение жилы кабеля напряжением до 35 кВ, оконцовываемого при помощи термитной сварки от 300 до 800 мм².

Защита от попадания влаги

Попадание в кабель влаги вредит как электрическим (из-за уменьшения сопротивления изоляции, вплоть до пробоя, коррозии токопроводящих жил), так и оптическим (за счёт помутнения оптического волокна) кабелям. Чтобы защитить кабели связи от влаги, используется гидрофобный заполнитель, а также компрессорно-сигнальные установки, подающие в кабель осушенный воздух повышенного давления. Концы кабеля после обрезки необходимо закапировать. Также для обнаружения повреждений кабеля, связанных с нарушением герметичности его оболочки, в кабель может подаваться индикаторный газ, место утечки которого можно с высокой точностью обнаружить с помощью течеискателей.

Литература

Знаете ли Вы, в чем ложность понятия "физический вакуум"?

Физический вакуум - понятие релятивистской квантовой физики, под ним там понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. Физическим вакуумом релятивистские теоретики называют полностью лишённое вещества пространство, заполненное неизмеряемым, а значит, лишь воображаемым полем. Такое состояние по мнению релятивистов не является абсолютной пустотой, но пространством, заполненным некими фантомными (виртуальными) частицами. Релятивистская квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости Гейзенберга, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные, то есть кажущиеся (кому кажущиеся?), частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. Виртуальные частицы физического вакуума, а следовательно, он сам, по определению не имеют системы отсчета, так как в противном случае нарушался бы принцип относительности Эйнштейна, на котором основывается теория относительности (то есть стала бы возможной абсолютная система измерения с отсчетом от частиц физического вакуума, что в свою очередь однозначно опровергло бы принцип относительности, на котором постороена СТО). Таким образом, физический вакуум и его частицы не есть элементы физического мира, но лишь элементы теории относительности, которые существуют не в реальном мире, но лишь в релятивистских формулах, нарушая при этом принцип причинности (возникают и исчезают беспричинно), принцип объективности (виртуальные частицы можно считать в зависимсоти от желания теоретика либо существующими, либо не существующими), принцип фактической измеримости (не наблюдаемы, не имеют своей ИСО).

Когда тот или иной физик использует понятие "физический вакуум", он либо не понимает абсурдности этого термина, либо лукавит, являясь скрытым или явным приверженцем релятивистской идеологии.
Понять абсурдность этого понятия легче всего обратившись к истокам его возникновения. Рождено оно было Полем Дираком в 1930-х, когда стало ясно, что отрицание эфира в чистом виде, как это делал великий математик, но посредственный физик Анри Пуанкаре, уже нельзя. Слишком много фактов противоречит этому.
Для защиты релятивизма Поль Дирак ввел афизическое и алогичное понятие отрицательной энергии, а затем и существование "моря" двух компенсирующих друг друга энергий в вакууме - положительной и отрицательной, а также "моря" компенсирующих друг друга частиц - виртуальных (то есть кажущихся) электронов и позитронов в вакууме.
Однако такая постановка является внутренне противоречивой (виртуальные частицы ненаблюдаемы и их по произволу можно считать в одном случае отсутствующими, а в другом - присутствующими) и противоречащей релятивизму (то есть отрицанию эфира, так как при наличии таких частиц в вакууме релятивизм уже просто невозможен). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.