XLPE izolované napájecí kabely: Hodnocení, instalace a testování

Chemie za tepelnou převahou

Výkon XLPE izolace pochází z jeho molekulární struktury. Na rozdíl od termoplastického polyethylenu, který měkne a teče při zvýšených teplotách, XLPE prochází procesem zesíťování, který spojuje jednotlivé polymerní řetězce do trojrozměrné sítě. Tato transformace převádí materiál, který by se roztavil při přibližně 105 °C do termosetu, který si zachovává mechanickou integritu a dielektrickou pevnost daleko za svým jmenovitým trvalým limitem 90 °C.

Samotného zesítění je dosaženo jednou ze tří průmyslových metod. Proces silanového roubování využívá vlhkost k vytvrzení izolace při okolních teplotách, čímž vzniká čisté dielektrikum bez dutin vhodné pro kabely středního napětí až do 35 kV. Peroxidový proces, aplikovaný prostřednictvím vysokotlaké kontinuální vulkanizační trubice, rozkládá dikumylperoxid při zvýšené teplotě a tlaku, aby inicioval zesítění, a zůstává dominantní metodou pro vysokonapěťové a extra vysokonapěťové přenosové kabely. Méně běžná metoda ozařování využívá bombardování elektronovým paprskem pro tenkostěnné aplikace. Každá technika vytváří stejný cílový obsah gelu: minimálně 70% frakce gelu měřeno extrakcí horkého xylenu, zajišťující hustotu sítě požadovanou pro odolnost proti tečení při trvalém mechanickém tlaku a zvýšených teplotách.

Konstrukce vodičů a inženýrství obrazovek

Žádné dielektrikum XLPE nepracuje izolovaně. Rozhraní mezi vodičem a izolací a mezi izolací a kovovým stíněním kriticky určují chování kabelu při částečném vybíjení a konečnou životnost. Tato rozhraní jsou řízena polovodičovými síty, často označovanými jednoduše jako síta vodičů a izolace, vytlačovaná současně s izolací XLPE v procesu vytlačování se třemi hlavami.

Správně aplikované stínění vodiče vyplňuje mezery lankového vodiče a představuje dokonale hladký válcový ekvipotenciální povrch uvnitř vrstvy XLPE. Jakýkoli výstupek nebo dutina na této hranici koncentruje elektrické napětí a iniciuje částečný výboj, který narušuje izolaci zevnitř ven. Samotný materiál síta je polyethylenová sloučenina plněná uhlíkovou černí s typickým objemovým odporem pod 500 ohmmetrů při 90 °C. Na vnější straně izolace plní izolační clona inverzní funkci, která zabraňuje vzniku vzduchových mezer mezi povrchem XLPE a kovovým páskem nebo drátěným stíněním. V moderních trojitě vytlačovaných kabelech s jmenovitým napětím 15 kV a vyšším jsou všechny tři vrstvy – stínění vodiče, izolace XLPE a izolační stínění – aplikovány v jediném průchodu přes matrici s křížovou hlavou a poté jsou vzájemně zesíťovány. Tato koextrudovaná konstrukce eliminuje hranice jednotlivých vrstev, které historicky způsobovaly poruchy delaminace při tepelné roztažnosti při cyklickém zatížení.

Propustnost a tepelná odolnost proti zkratu

Výhoda XLPE při provozní teplotě je dobře známá, ale jeho tepelná odolnost proti zkratu je stejně důležitá a při specifikaci je často přehlížena. Když protéká poruchový proud, teplota vodiče vzroste v milisekundách. XLPE toleruje teplotu zkratového vodiče 250 °C , zatímco standardní PVC izolace je omezena na 160 °C pro stejnou přechodovou událost. Tento vyšší tepelný strop umožňuje menší průřez vodiče, aby přežil danou velikost poruchového proudu a dobu odstranění, s přímými dopady na náklady na nákup mědi nebo hliníku.

Níže uvedená tabulka porovnává maximální přípustnou hustotu zkratového proudu pro měděné vodiče pod izolací XLPE a PVC po dobu jedné sekundy odstranění poruchy, což dokládá získanou technickou rezervu.

Vyšší hodnota zkratu přibližně 143 ampér na čtvereční milimetr pro měděné vodiče pod XLPE oproti 115 A/mm² pro PVC znamená, že kabel XLPE vydrží o 24 % vyšší poruchový proud při stejné velikosti vodiče a době čištění bez degradace izolace. V praxi to často umožňuje konstruktérovi vybrat vodič o jednu standardní velikost menší při zachování plné shody průchodu chyb s IEC 60949.

Vodní strom a pouzdro pro plášťovou konstrukci

Dominantním mechanismem stárnutí vysokonapěťových XLPE kabelů ve vlhkém prostředí je vodní strom. K tomuto jevu dochází, když vlhkost proniká izolací v přítomnosti elektrického pole a vytváří mikroskopické kanálky ve tvaru stromu z chemicky degradovaného polymeru. Po dobu sedmi až patnácti let tyto vodní stromy rostou z bodů koncentrace napětí, dokud nepřemostí dostatečnou tloušťku izolace, aby způsobily dielektrický průraz při provozním napětí.

Dvě osvědčená protiopatření nyní definují nejlepší praxi pro kabely XLPE určené pro přímé zasypání nebo mokré klenby. První je extrudovaná, bezešvá kovová bariéra proti vlhkosti, obvykle měděná páska se svařeným a vlnitým švem nebo souvisle nanášený olověný plášť , přilepený k vnějšímu polyetylénovému plášti. Tato bariéra fyzicky blokuje radiální pronikání vody do izolační clony a izolačních vrstev. Druhým je použití XLPE sloučenin zpomalujících vodní stromy, které obsahují polární přísady, které chemicky imobilizují molekuly vody v amorfních oblastech polymeru, čímž řádově snižují rychlost růstu větraných vodních stromů. Pro jakýkoli kabel s jmenovitým napětím 15 kV a vyšším instalovaným v průlezu vystaveném pravidelnému ponořování již není specifikace kovové radiální bariéry proti vlhkosti a XLPE zpomalujícího stromy prémiovou volbou; jedná se o minimální nutnou konstrukci pro dosažení čtyřicetileté životnosti.

Řízení koncového napětí a tlak rozhraní

Statistiky poruch kabelových systémů XLPE neustále poukazují na zakončení a spoje jako na slabý článek, nikoli na kabel samotný. Problémem je náhlé přerušení izolační clony, které vytváří extrémní tangenciální elektrické napětí na hraně řezu síta. Bez kontrolovaného hodnocení může tento stres dosáhnout 50 kV na palec nebo vyšší při jmenovitém napětí mezi fází a zemí pro kabel 15 kV, což iniciuje sledování povrchu, které karbonizuje a ničí zakončení.

Nápravou je prvek kontroly napětí integrovaný do ukončení. Vysokonapěťová zakončení typicky používají geometrický napěťový kužel vyrobený z vodivého a izolačního kaučuku, který přetváří ekvipotenciální siločáry do jemného gradientu přes povrch XLPE. Středněnapěťové oddělitelné konektory plní stejnou funkci s vstřikovaným elastomerovým pouzdrem, které aplikuje řízené radiální přesah 15 % až 25 % přes izolaci kabelu. Toto interferenční uložení udržuje tlak na rozhraní ve všech tepelných cyklech, udržuje vnitřní elektrické povrchy v těsném kontaktu a vylučuje vzduch z kritického trojbodového spojení, kde se střetávají vodič, izolace a okolí. Jakýkoli instalační technik, který vynechá silikonové mazivo specifikované pro tělo konektoru, nebo který nezkosí řez izolační clony do určeného úhlu, vytvoří dutinu, která se změní v místo částečného výboje a nakonec v poruchu mezi vedením a zemí.

Protokoly pro testování v terénu a uvedení do provozu

Dokončený kabelový obvod XLPE vyžaduje test uvedení do provozu, který prokáže, že izolace nebyla poškozena během vytahování a zakončení a současně nedošlo ke stárnutí nebo oslabení zvukového kabelu. Starý přístup DC vysokopotenciálního testování byl definitivně zdiskreditován pro extrudovaný XLPE. DC testování vhání prostorový náboj do objemu izolace; když je testovací napětí odstraněno a kabel je znovu napájen střídavým proudem, tento zachycený prostorový náboj se superponuje na střídavý průběh a může způsobit poruchu, ke které by kabel v provozu nedošlo.

Přijímaný moderní protokol pro uvádění nového kabelu XLPE do provozu je a test odolnosti při velmi nízké frekvenci (VLF) při 0,1 Hz , typicky aplikovaný po dobu 30 až 60 minut při úrovni napětí 2,0 až 3,0 násobku provozního napětí mezi vedením a zemí. Pro 15 kV kabel s 8,7 kV jmenovitým proudem fáze-zem je zkušební napětí běžně nastaveno na Špička 22 kV . Doprovod testu odolnosti s měřením tan delta při více napěťových krocích poskytuje kvantitativní základní hodnotu dielektrických ztrát, kterou lze porovnat s budoucími diagnostickými testy pro sledování stárnutí izolace. Nový kabel XLPE v dobrém stavu by měl níže vykazovat tan delta 0,2 × 10⁻³ s minimální odchylkou delta-tan-delta napříč napěťovými kroky. Hodnoty překračující tento práh před uvedením kabelu do provozu naznačují kontaminaci, pronikání vlhkosti nebo špatnou kvalitu vytlačování, což vyžaduje prošetření před schválením obvodu od instalačního technika.