Izolowane kable zasilające XLPE: parametry znamionowe, instalacja i testowanie

Chemia kryjąca się za wyższością termiczną

Wykonanie Izolacja XLPE ma swoje źródło w jego strukturze molekularnej. W przeciwieństwie do termoplastycznego polietylenu, który mięknie i płynie w podwyższonych temperaturach, XLPE podlega procesowi sieciowania, który łączy poszczególne łańcuchy polimeru w trójwymiarową sieć. Ta transformacja przekształca materiał, który topi się w temperaturze około 105°C w tworzywo termoutwardzalne, które utrzymuje integralność mechaniczną i wytrzymałość dielektryczną znacznie przekraczającą znamionową ciągłą granicę 90°C.

Samo sieciowanie osiąga się jedną z trzech metod przemysłowych. W procesie szczepienia silanem wilgoć utwardza ​​izolację w temperaturze otoczenia, w wyniku czego powstaje czysty dielektryk pozbawiony pustych przestrzeni, odpowiedni do kabli średniego napięcia do 35 kV. Proces nadtlenkowy, stosowany w wysokociśnieniowej rurze do ciągłej wulkanizacji, rozkłada nadtlenek dikumylu w podwyższonej temperaturze i ciśnieniu w celu zainicjowania sieciowania i pozostaje dominującą metodą w przypadku kabli przesyłowych wysokiego i bardzo wysokiego napięcia. Mniej powszechna metoda napromieniania wykorzystuje bombardowanie wiązką elektronów w zastosowaniach cienkościennych. Każda technika zapewnia tę samą docelową zawartość żelu: minimum 70% frakcji żelowej mierzone metodą ekstrakcji gorącym ksylenem, zapewniające gęstość sieci wymaganą dla odporności na pełzanie pod utrzymującym się ciśnieniem mechanicznym w podwyższonych temperaturach.

Konstrukcja przewodników i inżynieria ekranów

Żaden dielektryk XLPE nie działa w izolacji. Połączenia między przewodnikiem a izolacją oraz między izolacją a metalowym ekranem w decydujący sposób decydują o zachowaniu się kabla w przypadku wyładowań niezupełnych i ostatecznym okresie użytkowania. Interfejsy te są zarządzane przez ekrany półprzewodnikowe, często określane po prostu jako ekrany przewodzące i izolacyjne, wytłaczane jednocześnie z izolacją XLPE w procesie wytłaczania trójgłowicowego.

Prawidłowo nałożony ekran przewodnika wypełnia szczeliny przewodu skręconego i tworzy idealnie gładką, cylindryczną powierzchnię ekwipotencjalną do wnętrza warstwy XLPE. Jakikolwiek występ lub pusta przestrzeń na tej granicy koncentruje naprężenia elektryczne, inicjując wyładowanie częściowe, które powoduje erozję izolacji od wewnątrz na zewnątrz. Sam materiał ekranujący jest związkiem polietylenowym obciążonym sadzą i ma typową rezystywność objętościową poniżej 500 omów-metrów w temperaturze 90°C. Na zewnątrz izolacji ekran izolacyjny pełni funkcję odwrotną, zapobiegając powstawaniu szczelin powietrznych pomiędzy powierzchnią XLPE a metalową taśmą lub osłoną drutu. W nowoczesnych, potrójnie wytłaczanych kablach o napięciu znamionowym 15 kV i wyższym, wszystkie trzy warstwy — ekran przewodu, izolacja XLPE i ekran izolacyjny — są nakładane w jednym przejściu przez matrycę poprzeczną, a następnie sieciowane razem. Ta współwytłaczana konstrukcja eliminuje dyskretne granice warstw, które w przeszłości powodowały uszkodzenia spowodowane rozwarstwianiem w wyniku rozszerzalności cieplnej przy cyklicznych obciążeniach.

Wytrzymałość prądowa i zwarciowa termiczna

Zalety XLPE w zakresie temperatur roboczych są dobrze znane, ale ich odporność termiczna zwarciowa jest równie ważna i często pomijana podczas specyfikacji. Gdy przepływa prąd zwarciowy, temperatura przewodu wzrasta w ciągu milisekund. XLPE toleruje temperaturę przewodu zwarciowego wynoszącą 250°C , podczas gdy standardowa izolacja PCV jest ograniczona do 160°C dla tego samego zdarzenia przejściowego. Ten wyższy pułap termiczny umożliwia mniejszy przekrój poprzeczny przewodu, aby przetrwać daną wielkość prądu zwarciowego i czas usuwania, co ma bezpośredni wpływ na koszty zakupu miedzi lub aluminium.

Poniższa tabela porównuje maksymalną dopuszczalną gęstość prądu zwarciowego dla przewodów miedzianych w izolacji XLPE i PVC przy czasie usuwania zwarcia wynoszącym jedną sekundę, wykazując uzyskany margines inżynieryjny.

Wyższa wartość zwarciowa wynosi ok 143 amperów na milimetr kwadratowy dla przewodów miedzianych w rozmiarze XLPE w porównaniu do 115 A/mm² dla PVC, oznacza, że kabel XLPE może wytrzymać o 24% większy prąd zwarciowy przy tym samym rozmiarze przewodu i czasie oczyszczania bez degradacji izolacji. W praktyce często pozwala to projektantowi wybrać przewód o jeden standardowy rozmiar mniejszy, zachowując przy tym pełną zgodność z normą IEC 60949.

Drzewo wodne i uzasadnienie konstrukcji z płaszczem

Dominującym mechanizmem starzenia się kabli średniego napięcia XLPE w wilgotnym środowisku jest zadrzewianie wodne. Zjawisko to występuje, gdy wilgoć wnika w izolację w obecności pola elektrycznego, tworząc mikroskopijne, drzewiaste kanały z chemicznie zdegradowanego polimeru. W ciągu siedmiu do piętnastu lat te drzewa wodne rosną od punktów koncentracji naprężeń, aż osiągną wystarczającą grubość izolacji, aby spowodować przebicie dielektryka przy napięciu roboczym.

Dwa sprawdzone środki zaradcze definiują obecnie najlepszą praktykę w przypadku kabli XLPE przeznaczonych do układania w ziemi bezpośrednio lub w mokrych sklepieniach. Pierwszą z nich jest zazwyczaj wytłaczana, bezszwowa metaliczna bariera dla wilgoci taśma miedziana ze szwem zgrzewanym i karbowanym lub z nałożoną w sposób ciągły osłoną ołowianą , połączony z zewnętrznym płaszczem polietylenowym. Bariera ta fizycznie blokuje promieniowe wnikanie wody do ekranu izolacyjnego i warstw izolacyjnych. Drugim jest zastosowanie związków XLPE opóźniających powstawanie drzew wodnych, które zawierają polarne dodatki, które chemicznie unieruchamiają cząsteczki wody w amorficznych obszarach polimeru, zmniejszając tempo wzrostu drzew wodnych o rząd wielkości. W przypadku każdego kabla o napięciu znamionowym 15 kV i wyższym instalowanym we studzience kanalizacyjnej poddawanej okresowemu zanurzeniu, stosowanie zarówno metalowej promieniowej bariery przed wilgocią, jak i XLPE odpornego na działanie drzew nie jest już opcją premium; jest to minimalna konstrukcja niezbędna do osiągnięcia czterdziestoletniego okresu użytkowania.

Kontrola naprężenia końcowego i ciśnienie międzyfazowe

Statystyki awarii systemów kablowych XLPE konsekwentnie wskazują na zakończenia i złącza jako słabe ogniwo, a nie na sam kabel. Problemem jest nagłe przerwanie ekranu izolacyjnego, które powoduje powstanie ekstremalnego stycznego naprężenia elektrycznego na krawędzi cięcia ekranu. Bez kontrolowanego sortowania naprężenie to może osiągnąć 50 kV na cal lub więcej przy znamionowym napięciu faza-ziemia dla kabla 15 kV, inicjując śledzenie powierzchni, które powoduje zwęglenie i zniszczenie zakończenia.

Rozwiązaniem jest element kontroli naprężeń zintegrowany z końcówką. Zakończenia wysokiego napięcia zazwyczaj wykorzystują geometryczny stożek naprężenia wykonany z przewodzącej i izolującej gumy, który przekształca linie pola ekwipotencjalnego w delikatny gradient na powierzchni XLPE. Rozłączne złącza średniego napięcia spełniają tę samą funkcję dzięki formowanej wtryskowo obudowie z elastomeru, w której zastosowano kontrolowane promieniowe pasowanie wciskowe 15% do 25% nad izolacją kabla. To pasowanie wciskowe utrzymuje ciśnienie międzyfazowe we wszystkich cyklach termicznych, utrzymując wewnętrzne powierzchnie elektryczne w ścisłym kontakcie i wykluczając powietrze z krytycznego złącza trójpunktowego, w którym spotykają się przewodnik, izolacja i otoczenie. Każdy instalator, który pominie smar silikonowy określony dla korpusu złącza lub który nie sfazuje ekranu izolacyjnego przyciętego pod określonym kątem, spowoduje powstanie pustej przestrzeni, która zamieni się w miejsce wyładowania niezupełnego, a ostatecznie w zwarcie linia-uziemienie.

Protokoły testów terenowych i rozruchu

Kompletny obwód kabla XLPE wymaga testu rozruchowego, który wykaże, że izolacja nie została uszkodzona podczas ciągnięcia i zakończenia, a jednocześnie nie powoduje starzenia ani osłabienia kabla dźwiękowego. Dotychczasowe podejście do testowania wysokiego potencjału DC zostało ostatecznie zdyskredytowane w przypadku wytłaczanego XLPE. Testowanie prądu stałego wprowadza ładunek kosmiczny do masy izolacji; po odłączeniu napięcia testowego i ponownym zasileniu kabla prądem przemiennym, ten uwięziony ładunek kosmiczny nakłada się na kształt fali prądu przemiennego i może spowodować awarię, której kabel nie doświadczyłby podczas pracy.

Przyjętym nowoczesnym protokołem uruchamiania nowego kabla XLPE jest: Test wytrzymywania bardzo niskiej częstotliwości (VLF) przy 0,1 Hz , zwykle stosowane przez 30 do 60 minut przy poziomie napięcia od 2,0 do 3,0 razy większym od napięcia roboczego między fazą a ziemią. W przypadku kabla 15 kV o napięciu znamionowym międzyfazowym 8,7 kV napięcie probiercze jest zwykle ustalane na poziomie Szczyt 22 kV . Dołączenie do testu wytrzymałości pomiaru tangens delta na wielu poziomach napięcia zapewnia ilościową podstawę strat dielektrycznych, którą można porównać z przyszłymi testami diagnostycznymi w celu śledzenia starzenia się izolacji. Nowy kabel XLPE w dobrym stanie powinien wykazywać brązową deltę poniżej 0,2 × 10⁻³ z minimalnym odchyleniem delta-tan-delta w krokach napięcia. Wartości przekraczające ten próg przed oddaniem kabla do użytku sugerują zanieczyszczenie, wnikanie wilgoci lub słabą jakość wytłaczania, co wymaga sprawdzenia przed odbiorem obwodu od instalatora.