Izolowane kable zasilające XLPE: wartości znamionowe i testy

Wartości napięcia i poziomy izolacji

Kable zasilające w izolacji XLPE are manufactured to defined voltage classes that specify the phase-to-phase and phase-to-ground withstand capabilities. The most common medium-voltage designations under IEC 60502-2 are 6/10 kV, 8.7/15 kV, 12/20 kV, and 18/30 kV, where the first figure represents the rated phase-to-ground voltage and the second the rated phase-to-phase voltage. A cable designated 8.7/15 kV must withstand a power-frequency test voltage of 30,5 kV przez pięć minut podczas fabrycznych testów odbiorczych, sprawdzających integralność wytłoczonej warstwy izolacyjnej.

Wybór prawidłowego napięcia znamionowego wymaga dopasowania kabla do maksymalnego ciągłego napięcia roboczego systemu i oczekiwanego czasu trwania zwarcia doziemnego. W przypadku systemu 12 kV, w którym zwarcia doziemne są usuwane w ciągu jednej sekundy, kabel 6/10 kV może być za mały, jeśli uwzględni się przejściowe przepięcia. Grubość izolacji skaluje się w zależności od klasy napięcia: typowe cechy izolowanego kabla zasilającego XLPE 15 kV Izolacja XLPE o grubości 4,5 mm , podczas gdy kabel 35 kV zwiększa to do około 8,4 mm . Ta dodatkowa grubość wpływa bezpośrednio na całkowitą średnicę kabla, sztywność zginania i obliczenia naprężenia ciągnącego wymagane podczas instalacji.

Obciążalność prądowa i współczynniki obniżania wartości znamionowych

Obciążalność kabli zasilających w izolacji XLPE nie jest pojedynczą stałą liczbą. Zmienia się w zależności od metody instalacji, temperatury otoczenia, rezystywności cieplnej gleby i bliskości sąsiednich obwodów. Może przenosić 3-żyłowy miedziany kabel XLPE o przekroju 240 mm², przystosowany do bezpośredniego zakopania w ziemi 480 A przy temperaturze przewodu 90°C w izolacji, ale liczba ta znacznie spada, gdy kabel jest zainstalowany w szeregu kanałów z czterema innymi obciążonymi obwodami i opornością cieplną gruntu wynoszącą 1,2 K·m/W zamiast zakładanej 1,0 K·m/W.

Poniższa tabela przedstawia typowe współczynniki obniżania wartości znamionowych stosowane do kabli elektroenergetycznych w izolacji XLPE instalowanych w różnych konfiguracjach, w oparciu o wytyczne IEC 60364-5-52.

Skumulowany efekt wielu czynników obniżających parametry znamionowe jest multiplikatywny. Efektywna obciążalność kabla w czteroobwodowym zestawie kanałów o podwyższonej temperaturze gruntu może zostać zmniejszona do 270 A lub mniej , zaledwie połowę jego oceny na wolnym powietrzu. Materiały zasypki termiczne o niskiej oporności, takie jak piasek związany cementem lub specjalnie zaprojektowane zaprawy otaczające brzeg kanału, stają się niezbędnymi środkami łagodzącymi w celu odzyskania utraconej wydajności bez zwiększania przekroju poprzecznego przewodu.

Tolerancje instalacyjne i limity ciągnięcia

Instalacja w terenie kabli elektroenergetycznych w izolacji XLPE wymaga ścisłego przestrzegania minimalnych promieni zginania i maksymalnych naprężeń rozciągających. Minimalny promień zgięcia jednożyłowego kabla XLPE podczas instalacji wynosi zazwyczaj 15-krotność całkowitej średnicy kabla , zwiększając się do 12 razy w przypadku kabli trzyżyłowych. Przekroczenie tego promienia powoduje nieodwracalne uszkodzenie struktury izolacji XLPE: promień wewnętrzny ściska się, podczas gdy promień zewnętrzny rozciąga się, potencjalnie tworząc mikropustki, które pod napięciem roboczym przekształcają się w miejsca wyładowań niezupełnych.

Ograniczniki napięcia naciągu chronią przewód i izolację przed uszkodzeniami mechanicznymi podczas układania kabla. Maksymalne napięcie rozciągające dla kabla XLPE z żyłą miedzianą nie powinno przekraczać 50 N na milimetr kwadratowy przekroju przewodu . W przypadku przewodu miedzianego o przekroju 300 mm² oznacza to 15 000 N dopuszczalnej siły uciągu. Naprężenie to należy obliczyć na całej planowanej drodze ciągnięcia, uwzględniając zwiększone tarcie na każdym zakręcie przewodu. Smary do kabli kompatybilne z materiałem płaszcza XLPE, zazwyczaj bentonit lub żel na bazie polimeru, zmniejszają współczynnik tarcia do około 0,25 do 0,35 , znacznie obniżając wymaganą siłę uciągu. Należy również sprawdzić nacisk ściany bocznej, w miejscu, w którym kabel opiera się o wewnętrzną część zagięcia przewodu, przy typowym limicie 1500 N na metr promienia gięcia do kabli XLPE, aby zapobiec odkształceniu izolacji.

Praktyki dotyczące rozwiązywania umów i łączenia się

Punkty, w których kable zasilające w izolacji XLPE łączą się z rozdzielnicą lub łączą się z innymi odcinkami kabli, reprezentują najwyższe statystycznie miejsca awarii w dowolnej sieci. Prawidłowo wykonane zakończenie odtwarza kontrolę naprężeń elektrycznych, jaką zapewniał fabrycznie zastosowany ekran izolacyjny. Punkt odcięcia ekranu tworzy obszar wysokiego naprężenia elektrycznego, a rura kontrolująca naprężenie lub geometryczny stożek naprężenia muszą płynnie stopniować ten potencjał od napięcia przewodnika do potencjału uziemienia na całej długości zakończenia.

Końcówki termokurczliwe do kabli XLPE 15 kV wymagają metodycznego przygotowania: zdejmuje się płaszcz zewnętrzny w celu odsłonięcia ekranu metalicznego, ekran przycina się na wymagany wymiar, ekran izolacyjny odrywa się w celu odsłonięcia czystego XLPE, a powierzchnię izolacji przeszlifowuje się na gładko za pomocą ścierniwa zalecanego przez producenta zakończeń. Wszelkie ślady pozostawione na powierzchni XLPE po nieostrożnym przecięciu nożem podczas usuwania sita stają się punktem inicjacji wyładowania częściowego. Zwykle masa uszczelniająca lub rurka kontrolująca naprężenie musi zachodzić na krawędź ekranu na odległość określoną przez producenta 15 mm do 25 mm , aby zapewnić płynne załamanie linii pola elektrycznego bez śledzenia powierzchni. Po zamontowaniu końcówkę zakończeniową należy zacisnąć sześciokątną matrycą dostosowaną do klasy przewodu i przekroju poprzecznego, stosując wystarczające ściskanie, aby uzyskać gazoszczelne spoiny na zimno pomiędzy tulejką końcówki a żyłami miedzianymi.

Testy w terenie i uruchomienie

Testowanie kabli zasilających w izolacji XLPE po instalacji, ale przed podaniem zasilania, jest ostateczną bramką, która pozwala wykryć wady wykonania, uszkodzenia transportowe i błędy w zakończeniu. Akceptowanym testem uruchomienia nowych obwodów XLPE średniego napięcia jest: Przebieg sinusoidalny o bardzo niskiej częstotliwości przy 0,1 Hz , stosowane przez okres od 30 do 60 minut. W przypadku kabla 15 kV o napięciu znamionowym międzyfazowym 8,7 kV napięcie probiercze VLF jest zwykle ustawione na 2,0 do 3,0 U₀ , co odpowiada w przybliżeniu wartości szczytowej od 18 kV do 26 kV.

Testowanie wysokiego potencjału prądem stałym, niegdyś standardowa praktyka, zostało porzucone w przypadku kabli zasilających w izolacji XLPE, ponieważ powoduje to osadzanie się ładunku przestrzennego w izolacji, co może spowodować awarię w działaniu po ponownym podłączeniu kabla do prądu przemiennego. Test VLF w połączeniu z pomiarem tan delta na wielu poziomach napięcia stanowi bazę diagnostyczną. Nowy, zdrowy kabel XLPE powinien wykazywać wartość tan delta poniżej 0,2 × 10⁻³ przy minimalnych różnicach pomiędzy stopniami napięcia. Każdy kabel wykazujący tan delta przekraczający ten próg lub skokowy wzrost pomiędzy kolejnymi poziomami napięcia wskazuje na zanieczyszczenie, wnikanie wilgoci lub wady wytłaczania, które wymagają zbadania i potencjalnej wymiany kabla przed oddaniem obwodu do użytku.

Długoterminowe monitorowanie starzenia i stanu

Izolacja XLPE ulega degradacji w wyniku dwóch głównych mechanizmów: starzenia termicznego w wyniku długotrwałej pracy w temperaturze granicznej 90°C lub w jej pobliżu oraz wzrostu drzew wodnych w obecności wilgoci i naprężeń elektrycznych. Nowoczesne związki XLPE zawierają dodatki opóźniające powstawanie drzewa wodnego, ale kable wyprodukowane przed powszechnym przyjęciem tych formuł w latach 90. XX wieku pozostają podatne na zagrożenia. Programy monitorowania stanu wykorzystują mapowanie wyładowań niezupełnych i spektroskopię dielektryczną w celu identyfikacji starzejących się kabli zasilających w izolacji XLPE, zanim ulegną awarii.

Pomiar wyładowań niezupełnych, wykonywany za pomocą sprzęgaczy pojemnościowych na zakończeniach lub przekładników prądowych wysokiej częstotliwości wokół przyłącza uziemienia kabla, wykrywa wyładowania o pozornej wielkości ładunku tak niskich jak 5 do 10 pikokulombów . Kabel wykazujący napięcie początkowe wyładowania niezupełnego poniżej 1,3 napięcia roboczego zbliża się do stanu, w którym prawdopodobna jest awaria w ciągu najbliższego roku do trzech lat. W przypadku obwodów krytycznych systemy monitorowania wyładowań niezupełnych online, zainstalowane na stałe na zakończeniach rozdzielnicy, zapewniają ciągły nadzór nad stanem kabla zasilającego w izolacji XLPE, wyzwalając alarmy w przypadku zmiany wielkości lub częstotliwości wyładowań. Dane te pozwalają zarządzającym aktywami planować planowane przestoje w celu wymiany kabli, zamiast reagować na awaryjną usterkę, która zakłóca produkcję lub świadczenie usług.