Конструктивные элементы кабелей автоматики и телемеханики

Цель работы: изучить назначение, конструктивные особенности кабелей для сигнализации и блокировки, силовых и контрольных кабелей.

1.1. Основные сведения

Кабели, провода и шнуры являются электрическими изделиями, пред­назначенными для передачи электрической энергии, электрических или световых сигналов информации.

Кабель – это электрическое изделие, состоящее из одной или несколь- ких изолированных жил (проводников), заключенных в металлическую или неметаллическую оболочку, поверх которой может быть расположен защит-ный покров.

Провод состоит из одной неизолированной жилы, изготовленной из одной или нескольких скрученных проволок или из одной или более изолированных жил, которые могут быть заключены в легкую неметаллическую оболочку с обмоткой и оплеткой или только с оплеткой волокнистыми материалами и проволокой.

Шнур – это провод с изолированными жилами повышенной гибкости; предназначен, как правило, для соединения неподвижных устройств с подвижными или подвижных между собой.

Кабели, провода и шнуры содержат токопроводящие жилы или оп­ти-ческие волокна, изоляцию, экран, оболочку и наружные покровы.

Кабельные линии и сети автоматики и телемеханики подразделяются на линии и сети автоблокировки, электрической централизации.

Кабельные сети автоблокировки включают в себя станционную и перегонную сети, к ним относятся также кабельные вставки высоковольтно-сиг-нальной линии.

Кабели по передаваемому напряжению делятся на сигнально-блокиро-вочные, предназначенные для работы с номинальным переменным напря-жением 380 В и с постоянным 700 В; контрольные кабели, рассчитанные на переменные напряжения до 660 В и постоянное до 1000 В. Силовые кабели предназначены для передачи и распределения электрической энергии от 660 В переменного напряжения до 500 кВ постоянного.

Токопроводящие жилы кабелей (обычно круглой формы) должны иметь высокую электрическую проводимость, гибкость и достаточную механическую прочность. Наиболее распространенными материалами для изготовления кабельных жил являются медь и алюминий.

Медь, как правило, применяется отожженная, мягкая, марки ММ с удельным сопротивлением 0,01754 Ом·мм²/м и температурным коэффициентом соп-ротивления постоянному току 0,004. Прочность на разрыв – 260 Н/мм² с относительным удлинением 25 % (для жил диаметром 1 – 1,5 мм), удельный вес – 8,89 г/см³.

Алюминий имеет удельное сопротивление 0,0295 Ом·мм²/м, т. е. в 1,65 ра-за больше, чем у меди. Температурный коэффициент – 0,0042, удельный вес – 2,72 г/см³.

Жилы кабелей для сигнализации и блокировки – медные круглые однопроволочные диаметром 0,8; 0,9 и 1 мм.

Жилы силовых и контрольных кабелей могут быть медными или алюминиевыми, одно- или многопроволочными, круглой или фасонной формы сечением от 1 до 500 мм² для медных жил и от 2,5 до 500 мм² – для алюминиевых.

Форма одно- и многопроволочных жил зависит от материала жилы и ее сечения, вида изоляции кабеля (например, пропитанная бумажная, резиновая, пластмассовая).

Материал, применяемый для изоляции кабельных жил, должен иметь высокие и стабильные во времени электрические характеристики, должен быть гибким, механически прочным и не требовать сложной технологической обработки. В электрическом отношении свойства изоляции определяются следующими параметрами: электрической прочностью U, при которой происходит пробой изоляции; удельным электрическим сопротивлением изоляции p, характеризующим ток утечки в диэлектрике; диэлектрической проницаемостью ε, характеризующей степень смещения (поляризации) зарядов в диэлектрике при воздействии на него электрического поля; тангенсом угла диэлектрических потерь (или величиной диэлектрических потерь) tg δ, характеризующим потери энергии в диэлектрике.

Наилучшим диэлектриком является воздух, его характеристики имеют следующие значения: диэлектрическая проницаемость ε = ε₀; удельное электрическое сопротивление p → ∞ и тангенс угла диэлектрических потерь tg δ → 0. Однако создать изоляцию только из воздуха практичес­ки невозможно. Поэтому кабельная изоляция, как правило, является комбинированной и содержит как воздух, так и твердый диэлектрик, причем количество твердого диэлектрика должно быть минимальным и должно определяться требованиями устойчи-вости изоляции и жесткости ее конструкции. Изоляция должна предохранять токопроводящие жилы от соприкосновения между собой и строго фиксировать взаимное расположение жил в группе по всей длине кабеля.

Изоляция жил кабелей для сигнализации и блокировки – полиэтиленовая, контрольных – сплошная резиновая, полиэтиленовая или поливинилхлоридная, силовых – бумажная пропитанная, резиновая и пластмассовая.

Для изоляции кабельных жил применяют бумагу из сульфатной цел­люлозы: для местных кабельных линий используют бумагу толщиной 0,05 мм, а для магистральных – 0,08; 0,12 и 0,17 мм. Бумагу окрашивают в разные цвета (красный, синий, зеленый), чтобы различать жилы кабеля при монтаже. Бумага может быть также натурального цвета.

Полиэтилен характеризуется хорошими изоляционными свойствами. Получают его полимеризацией сжиженного этилена при высоких температуре и давлении. Полиэтилен имеет высокую эластичность, прочность, малую влагопоглощаемость, небольшую плотность, не тонет в воде. Кроме того, у полиэтилена малый коэффициент диэлектрической проницаемости, незначительный угол диэлектрических потерь и высокое удельное сопротивление, причем две последние характеристики с повышением частоты тока изменяются очень мало. Параметры полиэтилена стабильны в широком диапазоне температуры (от –45 до +100 °С).

Поливинилхлорид (ПВХ) устойчив к действию химических реагентов, имеет высокую влагостойкость, однако легко разлагается при нагревании, характеризуется низкой теплостойкостью и подвержен интенсивному старению под действием тепла и света. При низкой температуре ПВХ теряет прочность, при высокой  резко ухудшает свои диэлектрические свойства. Положительным свойством поливинилхлорида является его негорючесть.

Для изоляции применяется кабельная бумага, пропитанная нестекающим маслоканифольным составом. У силовых кабелей с обедненнопропитанной бумажной изоляцией кабельная бумага освобождена от избытка пропиточного состава (пропиточный состав заполняет только микроструктуру бумажной изоляции). При выполнении изоляции жила обматывается лентами кабельной бумаги в несколько слоев. Резина на жилы силовых кабелей накладывается сплошным слоем.

Скрутку жил применяют для уменьшения взаимных электромагнитных влияний, она также снижает влияние внешних электромагнитных полей на кабельные цепи, облегчает взаимное перемещение жил при изгибах кабеля и обеспечивает ему более устойчивую и круглую форму. Жилы в многожильных кабелях скручивают концентрическими повивами (слоями), смежные повивы – в противоположных направлениях. С применением системы простой правильной повивной скрутки (рис. 1.1) изготавливаются кабели для сигнализации и блокировки без парной скрутки жил, контрольные и силовые кабели и др.

Рис. 1.1. Кабель с простой правильной повивной скруткой в разрезе

Защитные оболочки и покровы кабелей пре-дохраняют изоляцию жил от влаги и защищают кабель от механических воздействий в процессе его транспортировки, прокладки и эксплуатации. На сердечник спирально или продольно нак-ладываются бумажные, пластмассовые или резиновые ленты или пластмассовые оболочки, образуя поясную изоляцию, которая скрепляет сердечник и сохраняет его форму, предохраняет жилы с изоляцией от механических и тепловых повреждений при изготовлении кабельного изделия.

В зависимости от материала изоляции жил и оболочек и особенностей конструкции кабельного изделия для образования поясной изоляции применяются полиэтиленовые, поливинилхлоридные, полиамидные или равноценные им пластмассовые ленты или пленки, а также кабельная бумага, прорезиненная ткань и изоляция из поливинилхлоридного пластиката, не распространяющего горение.

Поясная изоляция может быть образована из двух разнородных лент или лент и изоляции из поливинилхлоридного пластиката и полиэтилена.

Экраны предназначены для защиты цепей в кабелях, проводах и шнурах автоматики и телемеханики от внешних и внутренних (взаимных) электромагнитных влияний. В силовых высоковольтных кабелях экраны служат для выравнивания электрического поля. Алюминиевые и свинцовые оболочки кабелей для сигнализации и блокировки выполняют функции экрана.

В контрольных экранированных кабелях экран устраивается нало­жением на сердечник поверх поясной изоляции медной ленты толщиной 0,06 мм или алюминиевой фольги толщиной 0,15 мм, или гофрированной алюминиевой ленты.

В силовых кабелях с пропитанной бумажной и с бумажной изоляцией, пропитанной нестекающим составом, на напряжение 6 – 10 кВ на поясную изоляцию и в кабелях на напряжение 20 и 35 кВ на жилы и поверх изоляции наложен экран из полупроводящей бумаги.

Оболочка кабеля – это непрерывная металлическая или неметаллическая трубка, расположенная поверх сердечника с поясной изоляцией (экраном) для защиты его от механических воздействий, света, проникновения влаги, хими-ческих веществ, электромагнитных влияний и других внешних факторов.

В кабелях автоматики и телемеханики металлопластмассовая (алюмополиэтиленовая) оболочка состоит из полиэтиленовой трубки, внутренняя поверхность которой покрыта слоем алюминиевой фольги.

Защитные кабельные покровы служат для предохранения кабелей от механических повреждений и коррозии. Защитный покров состоит из подушки, брони и наружного покрытия. Подушка накладывается на оболочку для предохранения ее от коррозии и механических повреждений лентами или проволоками брони. Кабельная броня, состоящая из металлических лент или одного или нескольких повивов проволок, препятствует повреждению кабеля от внешних механических и электрических воздействий. Наружное покрытие, расположенное поверх брони, защищает ее от коррозии и внешних механических факторов.

Различное конструктивное исполнение кабелей допускает отсутствие подушки, брони, наружного покрова или сразу двух элементов защитного покрова.

Для противокоррозионной защиты поверх бронепокрова накладывают слой битума или битумного состава и пропитанной антигнилостными вещест-вами кабельной пряжи (джута).