Кабель

У этого термина существуют и другие значения, см. Кабель (значения).

Ка́бель (вероятно, через нем. Kabel или нидерл. kabel из фр. câble, от лат. capulum «аркан») — один из видов линий передачи, устройство для передачи электромагнитной энергии или сигналов от одного объекта к другому^[1]. Для передачи сигналов в длинных пневматических линиях используют кабель пневматический^[2][3]. Исторически кабелем называли сплетенный из проволоки канат. Для обозначения телеграфных, телефонных и силовых кабелей использовали термин кабель электрический^[4]. Кабели наряду с проводами относятся к кабельным изделиям. Особенностью кабельных изделий, отличающих их от других изделий для передачи электрической энергии и электрических сигналов, является гибкость^[5]. Кабели отличаются от проводов тем, что могут быть предназначены для прокладки под водой и в земле^[6]:84. Наличие оболочки для отнесения изделия кабелю не обязательно. Первый кабель для прокладки в море (1850 год) не имел оболочки, изоляция жил была устойчива к влаге и для защиты использовалась броня^[6]:103.

Силовой кабель с медными жилами

Кабели связи

Радиочастотный коаксиальный кабель с полувоздушной изоляцией

Для электрических кабелей связи электромагнитная энергия высокочастотных колебаний сосредотачивается в основном в изоляции, носителем являются не жилы, а окружающая их среда. Жилы кабеля связи лишь задают направление движения энергии^[7]. Коаксиальные и многожильные экранированные кабели могут рассматриваться как волновод. Многопроводные линии передачи — квазистатические волноводы без ограничения по минимальной частоте переноса.^[8] От металлических волноводов кабели с металлическими жилами (проводниками) отличаются меньшей поверхностью, по которой протекают электрические токи, в результате потери в кабелях больше чем волноводах того же внешнего размера.^[9] Волоконно-оптические кабели содержат диэлектрические волноводы.^[10]

Для линий передачи, используемых в радиоэлектронике, требуется чтобы они минимально излучали электромагнитные волны при минимальных тепловых потерях при передаче. Линии передачи могут быть закрытыми или открытыми.^[11]:227

Коаксиальные линии связи могут выполняться как жесткими, так и гибкими — в виде кабелей.^[12]

Кабели связи можно разделить на слаботочные и радиочастотные. Радиочастотные кабели малой мощности передают сигнал до 0,5 кВт; средней — от 0,5 до 5 кВт; большой — свыше 5 кВт.^[13]

В УКВ диапазоне используются двухпроводные линии, которые состоят из двух круглых параллельных проводников, расстояние между которыми мало по сравнению с длиной передаваемой волны. Двухпроводные линии могут выполняться в виде укрепленных на изоляторах проводов или в виде кабеля, в которых оба проводника помещены в изоляцию.^[14] Двухпроводные линии практически не излучают электромагнитные волны, если расстояние между жилами много меньше длины волны. Однако это расстояние должно быть достаточным, чтобы пробивное напряжение было меньше допустимого для передаваемой мощности.^[11]:227

История

Коммерческое производство телеграфных кабелей началось в Англии в 1851 году. Технология производства телеграфных кабелей развилась на базе канатного производства. До создания специализированных кабельных производств кабели изготовлялись в том числе на канатных фабриках. Из техники производства кабеля слабого тока развилось производство силового кабеля. Старейший в Германии кабельный завод Carlswerk был построен в 1874 году^[15]:5.

В 1878 году инженер-технолог М. М. Подобедов организовал в России на Васильевском острове Санкт-Петербурга первые кустарные мастерские для выработки проводников с шёлковой и хлопчатобумажной изоляцией, на которых работало несколько человек. Там же им было создано небольшое предприятие «Русское производство изолированных проводников электричества Подобедовых, Лебурде и Ко», преобразованное в 1888 году в завод «Русское производство проводов электричества» М. М. Подобедова. 25 октября 1879 года Вернеру фон Сименсу (фирма «Сименс и Гальске») было выдано свидетельство на производство работ в построенном им заводе по изготовлению изолированной проволоки и телеграфных проводов в Васильевской части Санкт-Петербурга (впоследствии завод «Севкабель»)^[16].

Конструкция

Конструкция состоит из одного или нескольких изолированных друг от друга проводников (жил), или оптических волокон, заключённых в оболочку^[17]. Кроме жил и изоляции кабель может содержать экран, сердечник, заполнитель, стальную или проволочную броню, металлическую оболочку, внешнюю оболочку. Каждый конструктивный элемент нужен для работоспособности кабеля в определённых условиях среды.^{[источник не указан 4139 дней]}

Существуют также кабели, совмещающие в себе функции передачи и излучения радиосигналов (излучающий кабель), либо преобразования электрической энергии в тепло на большой протяжённости (греющий кабель).

Телефонный кабель пучковой скрутки

Оптический кабель

Группы однородной кабельной продукции включают кабели:

• кабели силовые для стационарной прокладки на напряжение до 35 кВ включительно;
• кабели силовые для стационарной прокладки на напряжение 110 кВ и выше;
• кабели силовые для нестационарной прокладки;
• кабели связи симметричные;
• кабели связи коаксиальные;
• кабели связи телефонные;
• кабели связи телефонные распределительные;
• кабели радиочастотные;
• кабели управления;
• кабели контрольные;
• кабели оптические;
• кабели греющие (саморегулируемые, самоограничивающиеся, кабели с постоянной мощностью параллельного типа, кабели последовательного типа с полимерной изоляцией, кабели с минеральной изоляцией);
• прочие кабельные изделия (судовые, шланговые и т. д.)^[18];
• термоэлектродные кабели и провода — для подключения термопар.

Также кабели разделяют по:

• типу и наличию изоляции;
• типу и наличию экрана;
• по количеству жил;
• по материалу жил;
• по гибкости:
  • для подвижного соединения;
  • для неподвижного соединения.

Стандарт ISO/IEC 11801 детально описывает классификацию кабелей.

Подробнее см. Маркировка кабеля

Токопроводящие жилы

Телефонный кабель повивной скрутки

Воздушная линия электропередачи переходит в кабельную

Жилы в кабелях изготавливаются из следующих материалов:

• для передачи электрической энергии и сигналов: медь, алюминий, сталь, серебро, золото, сплавы различных металлов, сверхпроводящие материалы;
• для передачи оптических сигналов: стекло, пластмассы;
• для рассеивания тепла: нихром, константан.

Токопроводящие жилы силовых кабелей нормируют по площади поперечного сечения^[19]. Внутренний проводник радиочастотных и коаксиальных кабелей связи, жилы симметричных кабелей связи, жилы кабелей для сигнализации и блокировки нормируются по их диаметру^[20].

В случаях, когда кабели необходимо герметизировать (например, для судовых кабелей), промежутки между проволоками многопроволочных жил заполняют герметизирующим составом^[21].

Диаметр однопроволочных медных жил симметричных высокочастотных, станционных, телефонных (для соединительных и абонентских линий сетей местной телефонной связи) кабелей должен соответствовать ряду: 0,32; 0,4; 0,5; 0,64; 0,7; 0,9; 1,2 мм; для многопроволочных жил — диаметр медных проволок (0,1…0,52) мм, число проволок от 7 до 19^[22].

Материал оболочки

Оболочка кабеля предназначена для защиты проводников и изоляторов от внешних воздействий, прежде всего от влаги, которая приводит к нарушению изоляции электрических кабелей, а также помутнению оптических волокон.

Оболочка кабеля может состоять из одного и более герметизирующих и армирующих слоёв, в качестве этих слоёв могут применяться различные материалы: ткань, пластмассы, металл, резина и проч. Кабели для передачи электрических сигналов могут быть снабжены экраном из металлической сетки, листового металла (фольги) или полимерной плёнки с тонким металлическим покрытием.

Поливинилхлоридные (ПВХ) пластикаты

Поливинилхлоридные пластикаты, применяемые в кабельных изделиях, делятся на три основные группы:

• изоляционные — имеют высокие электрические характеристики;
• шланговые — применяемые для защиты элементов кабельных изделий;
• полупроводящие — используемые для изготовления экранов^[23].

Твёрдый поливинилхлорид имеет высокое содержание хлора (около 57 %) и воспламеняется с трудом. Один килограмм твёрдого поливинилхлорида выделяет 350 литров газообразного хлороводорода, который при растворении может дать более 2 литров концентрированной (25 %) соляной кислоты.

Для изоляции кабелей применяется мягкий поливинилхлорид или кабельный пластикат. Этот материал содержит 50 % различных добавлений (пластификаторов и др.), которые сильно изменяют горючие свойства полимера. Пластификаторы начинают улетучиваться уже при температуре 200 °C и загораются. Содержание хлора уменьшается примерно до 35 %, и его не хватает, чтобы препятствовать распространению огня. Однако при сильном выделении хлороводорода твёрдый поливинилхлорид, удалённый от очага, не загорается, и пожар гаснет.

Благодаря перепаду температур, тяге, создаваемой в кабельных шахтах, газы, содержащие хлороводород, уносятся от очага пожара, проникают в щитовые и аппаратные помещения и оседают на оборудовании^[24].

В начале 1980-х годов требования к пожарной безопасности кабелей сводились в основном к нераспространению горения по длине кабельных изделий, проложенных одиночно или в пучках. Для этого применяли оболочки кабельных изделий, изготовленных из пластикатов марок О-40, ГОСТ 5960—72 (кабели ВВГ, АВВГ)^[25]; при испытании пластиката образец длиной 130 мм, шириной 10 мм и толщиной 2 мм вносится в пламя газовой или спиртовой горелки с выдерживанием его в пламени под углом 45° до воспламенения, после этого образец достаётся из пламени и должен потухнуть за время не более 30 секунд^[26], и НГП 30-32 (НГП 40-32) (ТУ 1328-86)^[27].

ГОСТ 5960—72^[25] был разработан и введён в действие с 1 января 1974 года, имеет 9 изменений. С 1991 года работы по внесению в него технических изменений были прекращены. Дальнейшие разработки и модификации существующих марок ПВХ пластикатов оформлялись в виде технических условий^[28]. С 1 июля 2010 года отменяется действие на территории РФ стандартов ГОСТ 6323—79^[29] и ГОСТ 16442—80^[26] и вводятся в действие ГОСТ Р 53768—2010^[30] и ГОСТ Р 53769—2010^[31][32]. С 1 января 2014 года отменяется действие на территории РФ стандартов ГОСТ Р 53768—2010 и ГОСТ Р 53769—2010 и вводятся в действие ГОСТ 31947—2012^[33] и ГОСТ 31996—2012^[34][35].

Пропитанная бумажная изоляция

Кабельная бумага по ГОСТ 23436—83^[36] для изоляции силовых кабелей на напряжение до 35 кВ марок К и КМП изготавливается из небеленой сульфатной целлюлозы, марки КМ — из небелёной сульфатной целлюлозы для многослойной кабельной бумаги. Кабельная бумага по ГОСТ 645—89^[37] для изоляции кабелей на напряжение от 110 до 500 кВ изготавливается из специальной сульфатной небелёной целлюлозы, бумага марок КВМ (многослойная) и КВМС (многослойная стабилизированная) выпускается машинной гладкости, а бумага марки КВМСУ (многослойная стабилизированная уплотнённая) — каландрированной^[38].

Полиэтиленовая изоляция

Современные кабели производятся с изоляцией из сшитого полиэтилена и используются в сетях различного класса напряжения (до 500 кВ). Применение сшитого полиэтилена обеспечивает высокие диэлектрические свойства изоляции, высокие механические свойства, более высокие по сравнению с бумажно-масляной изоляцией термические режимы, надёжность и долговечность кабелей. Применяются термоусаживаемые кабельные муфты для эффективного соединения^[39].

Распространение пожара в Останкинской телебашне в направлении сверху вниз было обусловлено стекающим расплавом полиэтиленовой оболочки фидеров. В лабораторных условиях скорость распространения пламени составляла 0,25—0,50 м/мин; при пожаре на телебашне из-за высокой объёмной температуры скорость распространения выросла в 2—4 раза, при этом падающие вниз горевшие капли полиэтилена создавали вторичные очаги пожара.

Из-за высокой температуры в очаге пожара и высокой теплопроводности жил меди огнезащита антенных фидеров оказалась неэффективна. В качестве огнезащиты использовалась краска для полиэтиленовой оболочки фидеров и изоляция поверхности стекловолоконной тканью. Огнезащитная конструкция обвисала и опадала при интенсивном горении полиэтилена изнутри. Кроме активного горения фидеров, имевших горючие внешние полиэтиленовые оболочки, вклад внесло также горение других кабелей, которые не были защищены огнезащитными составами^[40].

Маслонаполненный кабель

Маслонаполненный кабель — это кабель с избыточным давлением, создаваемым маслом, входящим в состав бумажной пропитанной изоляции, и предусмотренной компенсацией температурных изменений объёма масла.

Маслонаполненный кабель в трубопроводе — это маслонаполненный кабель с отдельно экранированными жилами, заключёнными в трубопровод, служащий оболочкой^[5].

Развитие пожаров в кабельных помещениях с кабелями в маслонаполненных трубах при равных условиях газообмена происходит более интенсивно, чем по кабелям воздушной прокладки. Вызвано это тем, что масло в трубах находится при температуре 35—40 °C под избыточным давлением и при разгерметизации трубы растекается, увеличивая площадь горения^[41].

В России выпускались кабели на напряжение 110—500 кВ с необходимой арматурой. С 2005 года сняты с производства, и в настоящее время существующие линии заменяются высоковольтными кабелями с изоляцией из сшитого полиэтилена.

Пожарная безопасность кабелей

Опасность коротких замыканий

Физическая модель загорания в металлическом коробе с крышкой:

• происходит короткое замыкание в одном из кабелей, выделяется значительное количества тепла, кабель нагревается до температуры 900—1000 °C и загорается;
• прогреваются близлежащие кабели до температур пиролиза 280—900 °C, это приводит к выделению теплоты и вовлечения в процесс горения близлежащих кабелей по мере их прогрева;
• выделяющиеся при пиролизе газы разогревают верхнюю крышку короба, и она под действием термических напряжений деформируется и смещается, давая доступ кислороду^[42].

Распространение горения кабельными линиями и электропроводками

Многие кабели распространяли горение при групповой или одиночной прокладке, имея оболочки из обычного ПВХ-пластиката (АВВГ, ВВГ, КВВГ и т. п.) или даже из полиэтилена (ТПП)^[43]. Кабели ВВГ и НРГ при их количестве в пучке пять или более в большинстве случаев распространяют горение при вертикальном расположении^[44].

Низшая теплота сгорания изоляции кабелей, распространяющих горение, составляет от 16,9 до 19,2 МДж/кг, а для НГ и огнестойких от 22,5 до 25,2 и 32 МДж/кг, соответственно^[45].

Эксплуатация на электростанциях и других энерговооружённых предприятиях кабелей, которые удовлетворяют только требованиям по нераспространению горения для одиночного кабеля, была сопряжена со значительным числом пожаров, приводящих к большому ущербу. В 1984—1986 годах во ВНИИ кабельной промышленности были разработаны кабельные изделия массового применения, которые не распространяют горение при групповой прокладке. Первоначально такие кабели и провода применялись на атомных электростанциях, однако затем эти кабельные изделия были использованы и в других областях промышленности. В обозначения марок кабелей такого типа введён индекс «нг»^[46]. Согласно статистике, с 1990 по 2008 год на АЭС горения кабелей типа «нг» не происходило^[45].

Выделение токсичных веществ при горении

В химическом составе оболочек кабелей с маркировкой «нг» присутствуют элементы галогенового ряда. Кабель имеет повышенную устойчивость к распространению горения и возгоранию от коротких замыканий. Однако горение его в условиях пожара, когда он сам подвергается воздействию пламени, может привести к повышению уровня токсичности продуктов горения. Поэтому их применение в метрополитенах Западной Европы было запрещено в конце 1970-х годов^[47].

Для решения проблем, связанных с выделением ${\displaystyle {\ce {HCl}}}$ и задымлением, был создан класс кабельных материалов, не содержащих галогены, то есть не выделяющих коррозионно-активных газов и имеющих существенно более низкий уровень выделения дыма — так называемых композиций. Безгалогенные кабельные композиции разрабатываются из необходимости увеличения их кислородного индекса до величин порядка 35…40. Это достигается за счет введения в исходный полимер антипиренов-гидроокисей. В промышленных масштабах используются гидроокиси алюминия Al(OH)3 и магния Mg(OH)2 синтетического и природного происхождения. Механизм антипиренного действия гидроокисей заключается в поглощении большого количества тепла за счет выделения воды при повышении температуры. Базовыми полимерами для промышленных безгалогенных композиций являются, в основном, сополимеры этилена: этиленвинилацетат (EVA), этилен-акрилатные полимеры (EMA, EEA, EBA), металлоценовые этилен-октен сополимеры (mULDPE) и этилен-пропиленовые сополимеры (EPR/EPDM)^[48].

Испытания огнепреграждающих конструкций в кабельном канале

Устойчивость к нагреву

Подробнее см. Нагревостойкость и огнестойкость кабеля

Нагревостойкость диэлектрика — способность диэлектрика выдерживать воздействие повышенной температуры в течение времени, сравнимого со сроком нормальной эксплуатации, без недопустимого ухудшения его свойств. Синонимами являются термины: температуростойкость, термостойкость, термическая устойчивость, термостабильность^[49].

Огнестойкость — параметр, характеризующий работоспособность кабельного изделия, то есть способность кабельного изделия продолжать выполнять заданные функции при воздействии и после воздействия источником пламени в течение заданного периода времени^[50].

См. также

• Структурированная кабельная система
• Кабелерез
• Американский калибр проводов