Конструкция кабеля, провода

Элементы конструкции силовых кабелей, проводов и шнуров: токопроводящие жилы, изоляция, оболочка и защитные покровы, экраны; материалы конструктивных элементов, ссылки на подробную информацию и примеры на фотографиях

• отличия между кабелем, проводом и шнуром;
• конструкция кабельных изделий:
  • токопроводящая жила;
  • изоляция:
    • поливинилхлоридная изоляция;
    • резиновая изоляция;
    • кремнийорганическая изоляция;
    • изоляция из сшитого полиэтилена;
    • бумажно-пропитанная изоляция;
    • полиэтиленовая изоляция;
    • политетрафторэтиленовая изоляция.
  • экран;
  • оболочка:
    • металлическая оболочка;
    • поливинилхлоридная оболочка;
    • резиновая оболочка.
  • защитный покров.

Различия между кабелем, проводом и шнуром

• шнуры всегда являются плоскими проводниками (чаще всего применяют в электропроводке), в этом отличаются от проводов;
• кабель может иметь усиленные защитные покровы, а провод или шнур могут включать только лёгкие покровы;
• только кабель могут заключать в металлическую оболочку (свинец, алюминий).

Конструктивные элементы кабелей, проводов и шнуров и их функции

• токопроводящая жила;
• изоляция;
• экран;
• поясная изоляция;
• оболочка;
• защитный покров.

• токопроводящая жила – проведение электрического тока с минимально возможными потерями в виде нагрева (требования – высокая проводимость, низкая стоимость, стойкость к коррозии, гибкость без надломов).
• изоляция – создание барьера для электрической энергии путём обеспечения наибольшего сопротивления (требования – выполнение роли диэлектрика как можно в большем диапазоне температур, гибкость, технологичность).
• экран – нивелирование внешних электромагнитных помех (требования – простота изготовления, 100 % покрытие при изгибах).
• поясная изоляция – дополнительная изоляция снижающая вероятность пробоя.
• оболочка – выполнение защитных функций (противодействие механическим нагрузкам, атмосферным факторам, обеспечение герметичности).
• защитный покров – схожие с оболочкой функции, но в более тяжёлых условиях эксплуатации.

Токопроводящая жила

• класс проволоки для токопроводящей жилы от 1 до 6 (указывает производитель);
• материал (медь или алюминий);
• площадь сечения.

• хорошая технологичность (возможно произвести монолитную и многопроволочную жилу практически любого диаметра);
• высокая электропроводность (уступает только серебру);
• хорошие механические характеристики.

• высокая стоимость;
• подверженность коррозии особенно при высоких температурах и влажности (защищается лужением или посеребрением).

• низкая цена;
• при контакте с воздухом образуется оксидная плёнка, которая защищает от коррозии.

• алюминий достаточно хрупкий металл, поэтому обладает низкой технологичностью и применяется только для стационарной прокладки;
• повышенное электрическое сопротивление самого металла;
• оксидная плёнка приводит к высокому переходному сопротивлению (в месте соединения жилы с контактным выводом какого-либо аппарата).

Виды изоляции кабелей, проводов

• из поливинилхлоридного (аббревиатура ПВХ) пластиката;
• из электроизоляционной резины;
• из кремнийорганической резины;
• из сшитого полиэтилена (СПЭ);
• из пропитанной кабельной бумаги (БПИ – бумажная пропитанная изоляция);
• из полиэтилена;
• из политетрафторэтилена (ПТФЭ).

Поливинилхлоридный пластикат

Наиболее распространённым изоляционным материалом является поливинилхлоридный (аббревиатура ПВХ) пластикат. Варьируя составом полимера добиваются его различных технических характеристик.
Материал имеет высокое электрическое сопротивление при комнатной температуре, но при повышении температуры до +70 °С оно снижается на 3 порядка (в 1 000 раз). В связи с этим свойством, рабочая температура токопроводящей жилы составляет +70 °С, а это влияет на номинальную токовую нагрузку.
Слева представлена фотография кабеля ВВГнг 5х4, который изготовлен с использованием ПВХ изоляции и ПВХ оболочки (оболочка и изоляция выполнены в негорючем исполнении для групповой прокладки, индекс «нг»).
Подробнее о составляющих поливинилхлоридного пластиката, его технических характеристиках для различных рецептур в тематической статье.
 
Специализация: наиболее распространённая изоляция общепромышленного применения, задействуют в кабелях для стационарной прокладки.
 
Преимущества:

• низкая цена;
• доступность всех компонентов для изготовления полимера;
• химическая стойкость ко многим реагентам;
• низкая гигроскопичность (поглощение влаги);
• обеспечивает герметичность;
• не распространяет пламени.

• резкая потеря электрического сопротивления при повышении температуры до +70 °С и выше;
• небольшой допускаемый радиус изгиба по сравнению с резиной (применяют в проводниках неподвижного присоединения).

Резиновая изоляция

• вулканизирующие вещества (элементы позволяющие преобразовать линейные связи в каучуке в пространственные связи в изоляции, например, сера);
• ускорители вулканизации (снижают расход времени);
• наполнители (снижают цену материала без существенного снижения технических характеристик);
• мягчители (повышают пластические свойства);
• противостарители (добавляют для оболочек с целью стойкости к солнечной радиации);
• красители (для придания нужного цвета).

• дешевизна искусственного каучука;
• хорошая гибкость;
• высокие электроизоляционные характеристики (в 6 раз превышают значение для ПВХ пластиката);
• практически не впитывает водяные пары из воздуха.

• снижение электрического сопротивления при повышении температуры к +80 °С;
• подверженность солнечной радиации (светоокисление) с последующим характерным растрескиванием поверхностного слоя (при отсутствии оболочки);
• требуется ввод в состав специальных веществ для получения определённой химической стойкости;
• распространяет горение.

Кремнийорганическая изоляция

Кремнийорганическая изоляция обладает стойкостью к пониженным и повышенным температурам (ориентировочный эксплуатационный диапазон от -60 до +180 °С). Благодаря большому числу силоксановых связей проявляется термостойкость, а также стойкость к окислителям.
Предел прочности кремнийорганических резин при доведении температуры до +250 °С понижается в 2 раза, для органических резин это значение упадёт в 8 раз. Разрушительное влияние оказывают щёлочи и кислоты. Электрическая прочность не меняется при старение при температуре +275 °С в течение 135 дней и снижается всего на 10 % при восьмимесячном кипячении в воде.
Учитывая описанные свойства, нашла главное применение в термостойких проводах, фотография такого провода представлена слева, на ней представлен разбор конструкции.
 
Специализация: применяют для проводов, которые эксплуатируют при высоких температурах (электропроводка в банях, саунах, жарочных шкафах, духовках, устаревших светильниках с лампой накаливания).
 
Плюсы:

• высокие электроизоляционные свойства в широком диапазоне температур;
• хорошая гибкость;
• улучшенная прочность по сравнению с обычной резиной.

• относительно высокая цена;
• низкая сопротивляемость истиранию (требуются защитные покровы);
• легко разрушаются под действием кислот и щелочей.

Изоляция из сшитого полиэтилена

Сшитый полиэтилен (аббревиатура СПЭ) современный материал, который помимо связи молекул в цепи (в цепочке) имеет связи между соседними цепями. Применяют в высоковольтных кабелях для стационарной прокладки в земле, а также для проводов воздушных линий электропередач (СИП – самонесущих изолированных проводов).
Производство, классификация, марки кабельных изделий, их технические характеристики, а также видеоролик по изготовлению и фотографии образцов представлены в отдельной статье.
Слева представлена фотография кабеля марки АПвЭВ, на которой указаны конструктивные элементы: жила, изоляция, экран, поясная изоляция, герметичная оболочка.
 
Специализация: используют в высоковольтных кабелях для эксплуатации в грунте; в проводах воздушных ЛЭП.
 
Преимущества:

• высокая гибкость;
• допускает немного больший нагрев жилы (без серьёзного понижения электрического сопротивления), чем назначен для кабелей с бумажной изоляцией;
• низкая гигроскопичность, из-за чего не требуются дорогостоящие металлические оболочки.

• высокая стоимость;
• сложность изготовления;
• зарубежное оборудование.

Бумажно-пропитанная изоляция

• низкая стоимость производства;
• хорошие диэлектрические свойства;
• допускает маленькие радиусы изгиба проводника.

• может впитывать влагу, из-за чего снижаются диэлектрические характеристики (поэтому необходима оболочка);
• применяемая пропитка имеет хорошую текучесть, особенно при повышении температуры (поэтому регламентирована горизонтальная прокладка);
• высокая пожароопасность;
• низкая механическая прочность (требуются защитные покровы).

Полиэтиленовая изоляция

• полиэтилен низкой плотности (ПЭНП);
• полиэтилен высокой плотности (ПЭВП).

• размягчение происходит при +108 °С и +140 °С соответственно;
• механическая прочность до 1,6 и 3,1 МПа соответственно.

• высокие диэлектрические свойства (в 300 раз превышают электрическое сопротивление ПВХ пластиката);
• стойкость к химическим реагентам (колонка с заголовком PE по ссылке);
• низкая гигроскопичность.

• относительно высокая стоимость;
• потеря сопротивления при повышение температуры;
• слабая гибкость (применяют только в кабелях стационарной прокладки).

Политетрафторэтиленовая изоляция

• высокое противостояние механическим воздействиям до +250 °С;
• низкая химическая активность.

• высокая стоимость;
• содержит токсичные вещества.

Экран

• из металлизированной бумаги (при бумажно-пропитанной изоляции);
• из медных проволок (при изоляции их ПВХ и резины);
• из электропроводящей резины (при резиновой изоляции);
• из оцинкованной стальной проволоки (единовременное бронирование и экран).

• достаточная гибкость;
• нужно мало материала;
• попутно может включать функцию механической протекции.

• требуются дорогостоящие материалы с высокой электропроводностью.

Виды оболочек кабелей и проводов

• протекция от солнечной радиации;
• защита от воды и влаги;
• протекция от агрессивных веществ;
• защита от механических повреждений.

Металлические оболочки

• высокая технологичность;
• управление свойствами при внедрении различных добавок;
• попутное экранирование жил.

• необходимость защиты от коррозии;
• дорогостоящие металлы;
• свинец очень пластичен, поэтому легко теряет первоначальную форму.

Оболочки из ПВХ пластиката

Шланговый пластикат для оболочки имеет другой состав, в сравнение с изоляционным ПВХ пластикатом. Для полимера требуется защита от светового старения, высокая механическая прочность, иногда стойкость к контакту с маслами и бензином, стойкость к сильным морозам.
При нарушение нижнего предела рабочей температуры, ПВХ пластикат становиться жёстким и рассыпается при ударе (после восстановления нормальной температуры свойства возвращаются).
В процессе эксплуатации из-за улетучивания пластификатора снижаются характеристики полимера.
Толщина оболочки для кабелей на напряжение до 6 кВ устанавливается стандартом ГОСТ 23286.
Слева представлена фотография бытового провода ПВС 5х4, на которой указаны конструктивные элементы: изолированные медные многопроволочные жилы, свитые вокруг жгута из ПВХ пластиката, заключённые в шланговую поливинилхлоридную оболочку.
 
Специализация: общепромышленные проводники для неподвижного подключения, получила широкую распространённость.
 
Плюсы:

• дешевизна;
• стойкость к химическим веществам;
• достаточная механическая прочность;
• обеспечение герметичности.

• плохая гибкость (по сравнению с резиной);
• не допустимы серьёзные механические нагрузки.

Резиновые оболочки

• хорошая гибкость;
• умеренная стоимость искусственного каучука;
• практическая герметичность.

• подверженность одновременному воздействию солнечного облучения и кислорода с последующим разрушением поверхности;
• слабая стойкость к химическим веществам.

Защитные покровы

• из крепированной бумаги (специальная структура бумаги с высоким относительным удлинением до разрыва);
• из битумного состава либо битума (склеивающее вещество);
• из пластмассовых лент (применяются вместо лент крепированной бумаги).

• стальными лентами (накладывают два слоя с перекрытием, ленты могут защищать от коррозии оцинкованием, работают на механические повреждения и не воспринимают растягивающие нагрузки);
• проволокой (накладываются сплошным повивом против скрутки изолированных жил, чтобы не допускать раскручивания; хорошо работают на растяжение и не защищают от ударов и вибраций).

• из кабельной пряжи или стекловолокна с пропиткой битумом (могут изготавливать негорючим);
• из пластмассы (полиэтилен или поливинилхлоридный пластикат, тип покрова Шв).