Co to jest kabel zasilający? Wyjaśnienie różnych typów kabli zasilających

Co to jest Kabel zasilający — Definicja i konstrukcja rdzenia

A kabel zasilający to zespół jednego lub większej liczby izolowanych przewodów elektrycznych zamkniętych w ochronnym płaszczu zewnętrznym, przeznaczony do przesyłania energii elektrycznej ze źródła do obciążenia. W przeciwieństwie do kabli sygnałowych lub do transmisji danych, które przenoszą niskie napięcia i prądy do przesyłania informacji, kable zasilające są zaprojektowane specjalnie tak, aby wytrzymać obciążalność prądową, naprężenia napięciowe i warunki termiczne związane z dystrybucją energii elektrycznej i zasilaniem sprzętu.

Podstawowa konstrukcja kabla zasilającego składa się z trzech warstw funkcjonalnych. The dyrygent — zwykle linka lub lita miedź lub aluminium — zapewnia ścieżkę prądową o niskiej rezystancji. The izolacja warstwa otaczająca przewodnik wytrzymuje napięcie robocze, zapobiegając upływowi prądu do sąsiednich przewodów lub otaczających konstrukcji. The kurtka zewnętrzna lub osłona chroni elementy wewnętrzne przed uszkodzeniami mechanicznymi, wilgocią, chemikaliami, promieniowaniem UV i innymi czynnikami środowiskowymi istotnymi dla środowiska instalacji.

Pomiędzy izolacją a płaszczem wiele konstrukcji kabli elektroenergetycznych zawiera dodatkowe warstwy: metalowe ekrany lub ekrany dla kabli średniego i wysokiego napięcia kontrolują rozkład pola elektrycznego wokół przewodnika; warstwy pancerne z drutu stalowego lub taśmy zapewniają ochronę mechaniczną w przypadku bezpośredniego zakopywania lub ciężkich zastosowań przemysłowych; i materiały wypełniające utrzymują okrągły przekrój kabla i zapobiegają wewnętrznej migracji wilgoci. Specyficzna kombinacja tych warstw określa napięcie znamionowe, obciążalność prądową, metodę instalacji i środowisko serwisowe kabla, dlatego przed określeniem specyfikacji lub zakupem ma znaczenie zrozumienie różnych typów kabli zasilających.

Różne typy kabli zasilających według klasy napięcia

Najbardziej podstawowa klasyfikacja rodzaje kabli zasilających zależy od napięcia znamionowego, ponieważ napięcie określa wymaganą grubość izolacji, konstrukcję ekranu i wymagania instalacyjne. Trzy główne klasy napięcia stosowane w normach międzynarodowych to:

• Kable niskiego napięcia (NN) — do 1 kV: Stosowany do okablowania budynków, połączeń urządzeń, okablowania paneli przemysłowych i końcowych obwodów dystrybucyjnych. Konstrukcja jest stosunkowo prosta: izolowane przewody, często z płaszczem zewnętrznym z PVC lub LSOH, bez metalowych ekranów. Typowe oznaczenia to NYY, YJV (Chiny), N2XY (IEC) i THHN/THWN (Ameryka Północna). Przekroje przewodów wahają się od 1,5 mm² dla obwodów oświetleniowych do 400 mm² lub więcej dla głównych obwodów dystrybucyjnych.
• Kable średniego napięcia (SN) — 1 kV do 35 kV: Stosowany w sieciach dystrybucji mediów, zasilaczach zakładów przemysłowych, systemach gromadzenia energii w farmach wiatrowych i słonecznych oraz w podziemnej dystrybucji miejskiej. Kable SN wymagają ekranów przewodzących, ekranów izolacyjnych i metalowych osłon lub ekranów z drutu, aby kontrolować pole elektryczne i zapobiegać wyładowaniom częściowym. Izolacja XLPE (usieciowany polietylen) w dużej mierze zastąpiła izolację papierowo-olejową w nowych instalacjach średniego napięcia ze względu na niższy ciężar instalacji, brak ryzyka wycieku oleju i łatwiejsze łączenie.
• Kable wysokiego napięcia (WN) i bardzo wysokiego napięcia (EHV) – powyżej 35 kV: Stosowany do masowego przesyłu energii, połączeń podmorskich i kabli podziemnych w gęstych obszarach miejskich, gdzie linie napowietrzne są niepraktyczne. Przy tych poziomach napięcia konstrukcja staje się znacznie bardziej złożona i wymaga precyzyjnie wytłaczanej izolacji o wyjątkowo niskiej zawartości pustych przestrzeni, osłon z ołowiu lub falistego aluminium w celu wykluczenia wilgoci oraz dokładnej kontroli gładkości powierzchni przewodnika i ekranu izolacyjnego, aby uniknąć wzmocnienia pola elektrycznego w miejscach defektów. Kable w izolacji XLPE działają obecnie w usługach komercyjnych pod napięciem do 525 kV.

Różne typy kabli zasilających według materiału izolacyjnego

Materiał izolacyjny to druga główna oś, wzdłuż której różnią się rodzaje kabli zasilających, ponieważ determinuje on temperaturę znamionową, odporność chemiczną, elastyczność, odporność na ogień i długotrwałe starzenie się. Dominującymi obecnie systemami izolacji są:

• PVC (polichlorek winylu): Najpowszechniej stosowana izolacja kabli nn na świecie. Ekonomiczny, łatwy w obróbce i dostępny w szerokiej gamie formuł złożonych dla różnych wymagań temperaturowych i elastyczności. Standardowa izolacja PVC jest przystosowana do temperatury przewodu 70°C; gatunki żaroodporne osiągają temperaturę 90°C. Głównymi ograniczeniami są słaba wydajność w niskich temperaturach (staje się kruchy poniżej -15°C do -20°C), wydzielanie się żrącego gazowego chlorowodoru podczas spalania i stosunkowo wysokie straty dielektryczne przy podwyższonych napięciach – dlatego PVC nie jest używany powyżej 6 kV.
• XLPE (polietylen usieciowany): Obecnie standardowa izolacja dla kabli SN, WN i EHV, coraz częściej stosowana również w kablach NN. Sieciowanie przekształca termoplastyczny polietylen w materiał termoutwardzalny, który zachowuje swoje właściwości w podwyższonych temperaturach — kable XLPE są zwykle przystosowane do pracy w temperaturze ciągłej 90°C i 250°C w warunkach zwarcia, czyli znacznie wyższej niż PVC. XLPE oferuje również niższe straty dielektryczne, lepszą odporność na wilgoć i lepsze długotrwałe starzenie w porównaniu z PVC. Kompromisem są wyższe koszty materiałów i bardziej wymagający proces wytłaczania.
• EPR (kauczuk etylenowo-propylenowy): Izolacja z termoutwardzalnej gumy oferująca doskonałą elastyczność w szerokim zakresie temperatur (-50°C do 90°C), doskonałą odporność na ozon i promieniowanie UV oraz bardzo dobrą wydajność w wilgotnych warunkach. EPR jest preferowaną izolacją dla kabli morskich, morskich i górniczych, gdzie występują wielokrotne zginanie, wilgotne środowiska i ekstremalne temperatury. Wyższy koszt i nieco wyższe straty dielektryczne w porównaniu z XLPE ograniczają jego zastosowanie w statycznych instalacjach kabli użytkowych.
• LSOH / LSZH (halogen o niskiej emisji dymu): Nie pojedynczy materiał, ale klasa związków — izolacje i osłony na bazie poliolefiny opracowane tak, aby podczas spalania wytwarzały minimalną ilość dymu i nie wydzielały gazów zawierających halogen. Obowiązkowe lub zdecydowanie preferowane w przestrzeniach zamkniętych, w tym w tunelach, systemach metra, platformach wiertniczych, centrach danych i budynkach użyteczności publicznej, gdzie ewakuacja w przypadku pożaru zależy od utrzymania widoczności i powietrza do oddychania. Związki LSOH stosuje się zarówno do izolacji, jak i płaszcza zewnętrznego w kablach niskiego napięcia w tych środowiskach.
• Izolacja mineralna (kable MICC): Przewodniki miedziane otoczone sprasowanym proszkiem tlenku magnezu w bezszwowej rurce miedzianej. Kable w izolacji mineralnej są z natury ognioodporne — nadal działają w temperaturach do 1000°C — co czyni je wymaganym typem kabla w obwodach wrażliwych na ogień, w tym w oświetleniu awaryjnym, systemach sygnalizacji pożaru i zasilaniu pomp tryskaczowych w wielu krajowych przepisach budowlanych.

Wybór odpowiedniego kabla zasilającego: metoda instalacji i czynniki środowiskowe

Oprócz klasy napięcia i materiału izolacji środowisko instalacji określa, jakie dodatkowe cechy kabla są wymagane. Ten sam przekrój przewodu i typ izolacji mogą być odpowiednie lub całkowicie nieodpowiednie, w zależności od sposobu i miejsca instalacji kabla.

Bezpośredni pochówek w glebie wymaga albo kabla opancerzonego (pancerza z drutu stalowego lub pancerza z taśmy stalowej), aby był odporny na uszkodzenia mechaniczne spowodowane ruchem gruntu i wykopami, albo instalacji w kanale zapewniającym ochronę mechaniczną. Kable do układania w ziemi wymagają również osłon zewnętrznych odpornych na promieniowanie UV, jeśli jakakolwiek część trasy znajduje się nad ziemią, oraz konstrukcji odpornej na wilgoć, aby zapobiec przedostawaniu się wody przez dziesięciolecia użytkowania.

Trasy kablowe i instalacje na wolnym powietrzu w zakładach przemysłowych priorytetowo traktują trudnopalność oraz łatwość kontroli i wymiany. Kable wielożyłowe z powłoką zewnętrzną LSOH lub FR-PVC w systemach drabinek kablowych są standardem. Tam, gdzie kable biegną równolegle na korytkach, współczynniki obniżające wartość prądu są zazwyczaj 0,7–0,85 wartości znamionowych pojedynczego kabla w zależności od grupowania — należy zastosować, aby uwzględnić wzajemne nagrzewanie się sąsiadujących kabli.

Kable elastyczne i wleczone do maszyn mobilnych, dźwigów i sprzętu przenośnego wymagają przewodów drobnożyłowych (klasa 5 lub klasa 6 zgodnie z IEC 60228) oraz bardzo elastycznej izolacji i osłony z gumy lub TPE, która wytrzymuje wielokrotne zginanie bez pęknięć zmęczeniowych. Kable te są przystosowane do określonego minimalnego promienia zgięcia i skończonej liczby cykli zginania — określenie kabla do instalacji stacjonarnej w zastosowaniu elastycznym jest jednym z najczęstszych i wynikających z tego błędów w wyborze w elektrotechnice przemysłowej.

Kable podmorskie i morskie łączą jednocześnie wiele wymagań ochronnych: odporność na ciśnienie na głębokości, odporność chemiczną na wodę morską, mechaniczną ochronę przed oporem kotwicy i sprzętem wędkarskim, a w przypadku długich podmorskich kabli prądu przemiennego, staranne pojemnościowe zarządzanie prądem ładowania. Podmorskie kable wysokiego napięcia prądu stałego (HVDC) stały się standardem w przypadku długich połączeń eksportowych morskich farm wiatrowych właśnie dlatego, że transmisja prądu stałego eliminuje straty prądu ładowania, które sprawiają, że długie podmorskie kable prądu przemiennego są niepraktyczne w przypadku długości przekraczającej około 80–100 km.