Nowoczesne rozwiązania konstrukcyjne kabli elektroenergetycznych i sygnalizacyjnych nn (do 0,6/1 kV)

Wzrastające wymagania pewności zasilania w energię elektryczną powodują, że na terenach zurbanizowanych coraz większe zastosowanie mają kable elektroenergetyczne. Obecnie nowoczesne kable elektroenergetyczne produkowane są prawie wyłącznie w syntetycznej izolacji wytłaczanej.

materiały izolacyjne i powłokowe
Podstawowym materiałem izolacyjnym kabli niskiego napięcia jest poliwinit (PVC), który obecnie coraz częściej zastępowany jest polietylenem usieciowanym (XLPE). Szersze zastosowanie w kablach energetycznych znajduje również guma silikonowa (Si), która stosowana jest szczególnie tam, gdzie wymagane jest utrzymanie funkcji w czasie pożaru.

Poliwinit pomimo dobrych własności mechanicznych i stosunkowo niskich kosztów wytwarzania krytykowany jest z względu na zawartość chlorowców, które w czasie pożaru kabli wydzielają duże ilości trujących gazów zwanych halogenkami. Drugą negatywną cechą poliwinitu jest wydzielanie w czasie pożaru ogromnych ilości czarnego dymu utrudniającego akcję gaśniczą. Brytyjskie badania palności kabli wykazały, że spalenie jednego metra kabla o izolacji i powłoce poliwinitowej średnicy jednego cala w ciągu pięciu minut wypełnia czarnym, trującym, nieprzezroczystym dymem pomieszczenie o objętości 10 000 m3. Dlatego coraz większe zastosowanie w produkcji kabli znajdują tworzywa bezhalogenowe, niezawierające związków chloru, bromu i fluoru. W krajach wysoko rozwiniętych w większości konstrukcji poliwinit zastępowany jest tworzywami bezhalogenowymi – najczęściej polietylenem sieciowanym. W tabeli 1. przedstawiono porównanie parametrów materiałów izolacyjnych najczęściej wykorzystywanych do produkcji kabli energetycznych. Dla zobrazowania wpływu rodzaju izolacji na własności kabli w tabeli 2. przedstawiono porównanie cech charakteryzujących kable elektroenergetyczne w izolacji poliwinitowej z cechami kabli o izolacji z polietylenu usieciowanego.

kierunki rozwoju kabli elektroenergetycznych
Podstawowym celem rozwoju konstrukcji kabli elektroenergetycznych jest uzyskanie najwyższej niezawodności. Drugim celem jest zwiększenie obciążalności. Prowadzone są także prace i badania nad zwiększeniem odporności kabli na narażenia mechaniczne. Następny kierunek to uzyskanie całkowitej odporności na działanie wilgoci. Prowadzi się także prace mające na celu ograniczenie palności kabli i to zarówno w zakresie rozprzestrzeniania się ognia, jak i obciążalności ogniowej. Wymienione działania prowadzone są przy zapewnieniu ekonomicznego kosztu wytwarzania kabli. Aspekt ekonomiczny jest bardzo ważny i to zarówno w czasie produkcji kabli, jak i w czasie doboru typu kabla i budowy linii kablowej. W ostatecznym rachunku całkowite koszty budowy linii kablowej wpływają na cenę energii elektrycznej, za którą płaci końcowy odbiorca energii.

Okres życia obecnie produkowanych kabli określany jest na ponad 30–35 lat. Prowadzone są prace nad opracowaniem kabli o przedłużonym okresie życia – do 60 lat. Postęp w tworzywach izolacyjnych i powłokowych pozwolił na opracowanie niezawodnych konstrukcji kabli tak, że dzisiaj budując linie kablową powinniśmy zakopać kable i zapomnieć o nich przez 35 lat.

W kosztach produkcji kabli największy udział mają koszty żył przewodzących. Udział tych kosztów często przekracza 70–85% kosztów produkcji kabla. Ogólną ekonomikę przewodników elektrycznych określają prawa Kelvina odkryte już w pierwszych latach elektrotechniki. Można je określić za pomocą poniższych równoważnych definicji:

• najbardziej ekonomicznym przewodnikiem jest ten, którego roczna amortyzacja i oprocentowanie równe jest rocznej wartości strat energii spowodowanej opornością przewodnika,
• najbardziej ekonomicznym przewodnikiem jest ten, dla którego koszty poniesione są równe wycenionej wartości strat energii.

Ostatecznie trzeba pamiętać, że koszt przesyłu energii zależy nie tylko od przewodnika, ale także kosztu budowy linii przesyłowej. Niemniej jednak, ponieważ dominującą rolę w doborze przewodnika odgrywają straty energii, ogólna ekonomika przesyłu energii elektrycznej silnie zależy od ekonomiki przewodników. Ten fakt jest odpowiedzialny za zmiany relacji ekonomicznej pomiędzy przewodnikami miedzianymi i aluminiowymi. Przy większych
przekrojach żył należy zawsze policzyć ekonomiczność stosowania aluminium, szczególnie przy bardzo wysokich cenach miedzi notowanych na Londyńskiej Giełdzie Metali. Największą wadą aluminium w zastosowaniach elektrotechnicznych jest zjawisko pełzania (zjawisko rosnącego z czasem odkształcenia plastycznego w temperaturze otoczenia). Należy jednak pamiętać, że zastąpienie jednej tony aluminium w kablu wymaga zużycia 2 ton miedzi. W tabeli 3. porównano własności przewodników.