Токопроводящие жилы изготовляют из медной проволоки марок ММ (мягкая) и MT (твердая) и алюминиевой марок AM (мягкая), АПТ (полутвердая), АТ (твердая) и АТП (повышенной твердости).
Проволоку скручивают в стренгу (часть гибкой многопроволочной жилы, скрученная из нескольких проволок) или в жилу. При правильной скрутке проволока в жиле, в стренге, а также стренги в жиле должны прилегать друг к другу, при этом не должно быть перекрещиваний проволок или стренг, расположенных в одном повиве.
В зависимости от условий прокладки алюминиевые и медные жилы изготовляют различной гибкости и делят на шесть классов. В связи с этим жилы могут быть однопроволочными или многопроволочными. Для неподвижной прокладки применяют жилы I, II и III классов, для подвижной — более гибкие жилы IV, V и VI классов.
Рис. 35. Круглая токопроводящая жила:
а — неуплотненная, б — уплотненная
Для силовых кабелей стационарной прокладки изготовляют жилы круглой (рис. 35) или фасонной (секторной или сегментной) формы (рис. 36).
Рис. 36. Уплотненная токопроводящая жила:
а — сегментная для двухжильного кабеля, б — секторная для трехжильного кабеля, в — секторная (рабочая) для четырехжильного кабеля, г — секторная (нулевая) для четырехжильного кабеля
Применение секторных и сегментных жил вместо круглых приводит к уменьшению диаметра кабеля на 20—25% и соответственно к сокращению расхода материалов на изоляцию, оболочку и защитные покровы. Экономия материалов также достигается уплотнением жил, которое выполняется на специальных вальцах. Жилы одножильных кабелей всех сечений и многожильных кабелей до 16 мм2 изготовляют круглой формы, а жилы кабелей с поясной изоляцией сечением 25 мм2 и более — секторной или сегментной формы.
Применение однопроволочных алюминиевых жил сечением до 240 мм2 уменьшает стоимость кабелей (исключается скручивание отдельных проволок), но одновременно увеличивает общую жесткость кабелей, что создает определенные трудности при их прокладке, особенно в зимнее время. В обозначение кабелей с однопроволочными жилами после цифры, указывающей сечение, добавляют буквы ож (в скобках).
В связи с дефицитом меди применение кабелей с медными жилами значительно ограничено и в каждом конкретном случае требует обоснования. Для изготовления токопроводящих жил кабеля в основном применяют алюминий. Сопротивление алюминиевого провода при одинаковом сечении в 1,65 раза больше медного, поэтому для передачи по кабелю одинаковой мощности при одном и том же напряжении сечение токопроводящей жилы следует брать больше медной. Кроме того, у алюминиевых токопроводящих жил более низкий предел текучести и большая теплоемкость по сравнению с медными.
Надежная работа кабеля в значительной мере зависит от качества изоляции.
Изоляция должна иметь такую электрическую прочность, чтобы возможность электрического пробоя ее при напряжении, на которое рассчитан кабель, была исключена.
Для изолирования жил кабелей между собой и от наружных металлических оболочек применяют бумажную, пластмассовую и резиновую изоляцию.
Бумажная пропитанная изоляция жил кабелей имеет высокие электрические характеристики, продолжительный срок службы, сравнительно высокую допустимую температуру и невысокую стоимость; благодаря этому она находит наибольшее применение. К недостаткам бумажной изоляции следует отнести ее гигроскопичность, которая обусловливает необходимость тщательного изготовления и полной герметичности оболочек и муфт кабелей.
Для силовых кабелей напряжением до 35 кВ изготовляют изоляцию марок К-080, К-120 и К-170 из однослойной кабельной бумаги на основе сульфитной целлюлозы толщиной 80, 120 и 170 мкм и четырехслойной — марок КМ-120 и КМ-170.
Жилы обматывают бумажными непропитанными лентами. Наиболее распространенным способом наложения лент является обмотка с зазором (рис. 37). Наличие зазора между лентами позволяет в некоторых пределах изгибать кабель без опасности повреждения бумажной изоляции. Во избежание ухудшения электрических характеристик изоляции зазоры между витками соседних лент, расположенных сверху (по вертикали), не должны совпадать. Однако при наложении большого количества лент не удается избежать совпадений зазоров, поэтому число совпадений нормируется.
Рис. 37. Обмотка с зазором:
а — положение бумажных лент и зазоров по периметру, б — нормальное перекрытие зазоров бумажными лентами между витками нижележащих лент
Допускается не более трех совпадений лент бумаги в изоляции жила — жила или жила — оболочка (экран) в кабелях напряжением 6 кВ, не более четырех — для кабелей 10 кВ, не более шести — для кабелей 35 кВ.
Наложение бумажной изоляции должно быть плотным, без складок и морщин, так как их наличие приводит к образованию пустот, воздушных включений, снижающих надежность кабелей. Толщина изоляционного слоя нормируется ГОСТами на силовые кабели; она зависит от номинального напряжения и сечения жил кабеля. Для увеличения электрической прочности на поясную изоляцию кабелей напряжением 6 и 10 кВ, на жилы и поверх изоляции кабелей напряжением 20 и 35 кВ накладывают экран из электропроводящей бумаги.
В многожильных кабелях верхние ленты изоляции жил имеют цифровое обозначение или отличительную расцветку.
При цифровом обозначении на верхнюю ленту первой жилы наносят цифру 1, второй — 2, третьей — 3, четвертой — 4.
При отличительной расцветке номеру 1 соответствует белый или желтый, номеру 2 — синий или зеленый, номеру 3 — красный или малиновый, номеру 4 — коричневый или черный цвет.
Изолированные жилы многожильных кабелей скручивают, заполняя промежутки между ними до получения круглой формы. На скрученные изолированные жилы накладывают поясную изоляцию бумажными лентами определенной толщины.
Бумажную изоляцию кабелей вначале сушат, а затем пропитывают маслоканифольными составами: МП-1 для кабелей напряжением 1—10 кВ и МП-2 — напряжением 20—35 кВ. Пропиткой достигают увеличения электрической прочности бумажной изоляции.
Пластмассовую изоляцию для силовых кабелей изготовляют из полиэтилена или поливинилхлорида (ПВХ).
Полиэтилен обладает хорошими механическими свойствами в широком интервале температур, стойкостью к действию кислот, щелочей, влаги и высокими электроизоляционными характеристиками. В зависимости от способа получения и применяемых добавок различают полиэтилен низкой и высокой плотности. Полиэтилен высокой плотности имеет большие по сравнению с полиэтиленом низкой плотности температуру плавления и механическую прочность. Введение в полиэтилен органических перекисей и последующая вулканизация значительно повышают его температуру плавления и стойкость к растрескиванию. Вулканизированный полиэтилен незначительно деформируется при 150°С. Для получения самозатухающего полиэтилена в него вводят специальные добавки. Для электропроводящих экранов кабелей с полиэтиленовой изоляцией в полиэтилен добавляют полиизобутилен, ацетиленовую сажу и стеариновую кислоту.
Поливинилхлорид представляет собой твердый продукт полимеризации, не распространяет горения. Для повышения эластичности и морозостойкости ПВХ в него добавляют пластификаторы для улучшения электроизоляционных характеристик — каолин, тальк, карбонат кальция, для получения цветного ПВХ — вводят окрашивающие добавки.
Под воздействием температуры, солнечной радиации, различных сред ПВХ стареет за счет улетучивания пластификатора, т. е. происходит снижение эластичности и хладостойкости.
Резиновая изоляция состоит из смеси каучука (натурального или синтетического), наполнителя, мягчителя, ускорителя вулканизации, противостарителя, красителя и др. Для изоляции кабелей применяют резину РТИ-1 (35 % каучука). К преимуществам резиновой изоляции относятся ее гибкость и практически полная негигроскопичность. К недостаткам резиновой изоляции относится ее более высокая стоимость, более низкая рабочая температура жилы (65 °С) по сравнению с другими видами изоляции, что снижает допустимую нагрузку на кабель. Кроме того, у изоляционных резин наблюдается с течением времени значительное снижение эластичности и других физико-механических свойств. Старение резиновой изоляции происходит под воздействием различных факторов (повышенная температура, наличие озона, свет и т. п.) и является в основном следствием окислительной деструкции (разрушения) содержащегося в резине каучука.
Для защиты изоляции жил от воздействия света, влаги, различных химических веществ, а также для предохранения ее от механических повреждений кабели снабжают оболочками.
Лучшими материалами для оболочек кабелей в отношении герметичности и влагонепроницаемости, гибкости и теплостойкости являются металлы (свинец, алюминий). Кабели с невлагоемкой (пластмассовой или резиновой) изоляцией не нуждаются в металлической оболочке, поэтому их обычно изготовляют в пластмассовой или резиновой оболочке. Толщина оболочки нормируется и зависит от материала, из которого она изготовлена, диаметра кабеля и условий эксплуатации.
Свинцовые оболочки изготовляют из свинца марки С-3 (содержание чистого свинца не менее 99,95 %). Свинец принадлежит к числу весьма тяжелых металлов (плотность 11340 кг/м3). Температура плавления свинца 327,4 °С. Свинец обладает малой механической прочностью и значительной текучестью, что приходится учитывать при вертикальных прокладках кабелей в голой свинцовой оболочке. С повышением температуры текучесть свинца увеличивается.
Нормальный электрохимический потенциал свинца равен — 0,13 В. Вследствие этого свинец обладает малой химической активностью и высокой коррозионной стойкостью. Значительным недостатком свинцовых оболочек является их малая стойкость против вибрационных нагрузок, особенно при повышенной температуре. Повышения вибростойкости и механической прочности оболочек достигают введением в свинец присадки из сурьмы. Свинцовые оболочки не должны иметь рисок, царапин и вмятин, выводящих их за пределы минимальных допусков по толщине.
Алюминиевые оболочки изготовляют методом их выпрессовывания из алюминия А-5 чистотой не ниже 99,97 %. Плотность алюминия составляет 2700 кг/м3, а предел прочности 39,3—49,1 МПа. Алюминиевые оболочки в 2—2,5 раза прочнее и в 4 раза легче, чем свинцовые, имеют повышенную стойкость к вибрационным нагрузкам и обладают высокими экранирующими свойствами.
К числу основных недостатков алюминиевых оболочек следует отнести большие технологические трудности наложения их на кабель и малую устойчивость против электрохимической коррозии, что объясняется высоким нормальным отрицательным потенциалом алюминия (-1,67 В).
Коррозия сводится к вытеснению из среды, с которой соприкасается алюминий, ионов водорода и переходу самого алюминия в виде ионов в раствор. Поэтому кабели с алюминиевыми оболочками защищают особо стойкими против гниения покровами, не пропускающими к оболочке влагу.
Пластмассовые оболочки изготовляют из шлангового ПВХ пластиката или полиэтилена. Шланговый пластикат отличается от изоляционного соответствующим подбором пластификаторов и стабилизаторов, обеспечивающих большую стойкость против светового старения. Для оболочек кабелей применяют ПВХ пластикат марки 0-40. Оболочки кабелей из ПВХ пластиката при температуре ниже допустимой становятся жесткими и при ударе могут разрушаться.
Достаточная механическая прочность ПВХ пластиката позволяет широко применять кабели в оболочке без защитных покровов (не распространяет горения, влаго- и маслостоек, стоек к электрической и химической коррозии). Кабели в такой оболочке просты в производстве и удобны в монтаже.
Полиэтиленовые оболочки кабелей обладают высокими физико-химическими свойствами, малой влагопроницаемостью и стойкостью против электрической и химической коррозии. Кроме того, пластмассовые оболочки сочетают легкость, гибкость и вибростойкость. Однако через пластмассу постепенно диффундируют водяные пары, что приводит к падению сопротивления изоляции кабелей. Поэтому их применяют в кабелях с негигроскопичной изоляцией из полиэтилена, ПВХ и др.
Резиновые оболочки изготовляют из маслостойкой резины РШН-2, не распространяющей горения. Резиновые оболочки обладают высокой стойкостью к растягивающим, ударным и крутящим нагрузкам. Резина РШН-2 маслостойка. В качестве наполнителей резин применяют технический углерод (сажу), который защищает ее от действия солнечной радиации.
Защитные покровы состоят из подушки, брони и наружного покрова и предназначены для защиты кабелей от механических повреждений и коррозии. В обозначение марки кабеля, не имеющего защитного покрова поверх оболочки, добавляется буква Г.
Подушка кабеля представляет собой концентрические слои волокнистых материалов и битумного состава или битума поверх оболочки. Она предназначена для предохранения оболочек кабеля от повреждения лентами или проволоками брони и защиты ее от коррозии и не имеет обозначения. Усиленную подушку с дополнительной обмоткой двумя пластмассовыми лентами, обеспечивающую защиту от коррозии и блуждающих токов, маркируют буквой л. Для повышения стойкости против коррозии подушку изготовляют с двумя слоями пластмассовых лент и маркируют цифрой и буквой — 2л.
Для повышения коррозионно- и влагостойкости подушки поверх лент из ПВХ пластиката (или другого равноценного материала) накладывают слой выпрессованного полиэтилена или ПВХ пластиката. В маркировке этот гип подушки обозначают буквами п (полиэтилен) и в (ПВХ пластикат). Защитные покровы без подушки маркируют буквой б. Минимальная толщина подушки зависит от конструкции, диаметра кабеля и составляет 1,5—3,4 мм.
Броня служит для защиты кабелей от механических повреждений. Для кабелей, не подвергающихся в процессе эксплуатации растягивающим усилиям, применяют ленточную броню. Она состоит из двух стальных лент толщиной от 0,3 до 0,8 мм (в зависимости от диаметра кабеля по оболочке) и накладывается так, чтобы верхняя лента перекрывала зазоры витками нижней ленты. Для кабелей, подвергающикся растягивающим усилиям, применяют броню из стальных оцинкованных плоских или круглых проволок. Толщина брони из стальных оцинкованных плоских проволок составляет 1,5—1,7 мм, а диаметр круглых — 4—6 мм.
Наружный покров, состоящий из слоя битумного состава или битума, пропитанной пряжи и покрытия, предохраняющего витки кабеля от слипания, в маркировке обозначения не имеют. Покров с негорючим элементом в маркировке кабеля имеет букву Н.
Покровы с выпрессованным полиэтиленовым защитным шлангом имеют обозначение Шп, а с ПВХ шлангом — Шв. Минимальная толщина наружного покрова зависит в основном от диаметра кабеля и составляет 1,9—3 мм.
