7-10. Самый прочный кабель
Кабель, по которому передается электрическая энергия, состоит из медной или алюминиевой жилы, окруженной слоем изоляции. Чаще всего для изоляции силовых кабелей применяют бумагу, которая наматывается вокруг жилы во много слоев и пропитывается маслом или каким-нибудь вязким составом из масла и смол (такой состав называют иногда изоляционным компаундом). Поверх бумажной изоляции напрессовывают свинцовую оболочку, которая не пропускает сырости внутрь кабеля. О таком кабеле уже говорилось в главе «Строительные материалы». Свинцовая оболочка кабеля обвивается броней из стальной ленты или проволоки. Броня защищает кабель от повреждений при прокладке. Она необходима для механической прочности кабеля. Но не об этой механической прочности пойдет здесь речь.
Для передачи энергии важна прежде всего электрическая прочность, т. е. то электрическое напряжение, которое может выдержать кабель.
Электрическая прочность зависит от качества изоляции и от того, как к этой изоляции приложено электрическое напряжение.
Хорошая изоляция может выдерживать несколько десятков киловольт на миллиметр толщины. Если электрическое напряжение, приложенное к толстому слою изоляции, одинаково во всех участках этого слоя, то электрическая прочность такого слоя изоляции равна прочности 1 мм, умноженной на толщину слоя в миллиметрах.
Но распределение электрического напряжения в слое изоляции часто бывает неравномерным, и тогда прочность всего слоя определяется его самым напряженным участком.
В кабеле плотность электрических зарядов на внешней поверхности токонесущей жилы всегда больше плотности зарядов на внутренней поверхности свинцовой оболочки. Поэтому наибольшее напряжение на изоляцию будет приходиться именно у поверхности жилы. Величина этого напряжения зависит и от радиуса жилы, и от толщины слоя изоляции между жилой и оболочкой.
Рис. 7-6. Допустимое напряжение на кабеле в зависимости от диаметра его внутренней жилы при неизменном заданном диаметре внешней оболочки кабеля.
Если взять свинцовую оболочку с каким-то определенным внутренним диаметром и изменять внутри нее диаметр токонесущей жилы, а следовательно, толщину слоя изоляции, то электрическое напряжение, приходящееся на изоляцию, будет изменяться по закону, представленному на рис. 7-6.
Когда диаметр внутренней жилы кабеля велик, то слой изоляции между жилой и оболочкой тонок и электрическое напряжение, действующее на изоляцию, велико. Кабель с толстой жилой имеет невысокую электрическую прочность.
Если диаметр внутренней жилы кабеля уменьшать, то толщина изоляции увеличивается и прочность кабеля сначала возрастает. Но при очень тонкой жиле напряженность электрического поля у ее поверхности велика и прочность кабеля в этом случае опять-таки незначительна. Существует толщина жилы, при которой прочность кабеля наибольшая.
Можно составить уравнение, которое бы связывало напряжение на изоляции у поверхности жилы с диаметром этой жилы. Решение этого уравнения на максимум и минимум дает значение диаметра жилы для самого прочного кабеля.
В кабеле с наибольшей электрической прочностью отношение диаметра оболочки к диаметру жилы выражается бесконечным рядом
Это число — основание натуральных логарифмов, его обозначают буквой е. Жила «самого прочного» кабеля должна быть тоньше его оболочки в е раз, или приближенно составлять 38% от оболочки.
И во многих конструкциях высоковольтных силовых кабелей выдерживается это соотношение между размерами жилы и оболочки.
