XLPE izolované napájecí kabely: Hodnocení a testování

Jmenovité napětí a úrovně izolace

XLPE izolované napájecí kabely 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 po dobu pěti minut při přejímacích zkouškách ve výrobním závodě, při ověřování celistvosti extrudované izolační vrstvy.

Výběr správného jmenovitého napětí vyžaduje přizpůsobení kabelu maximálnímu trvalému provoznímu napětí systému a jeho očekávané době trvání zemního spojení. U systému 12 kV, kde jsou zemní poruchy odstraněny během jedné sekundy, může být kabel 6/10 kV poddimenzován, jakmile se vezme v úvahu přechodná přepětí. Tloušťka izolace závisí na napěťové třídě: typický 15 kV izolovaný napájecí kabel XLPE 4,5 mm izolace XLPE , zatímco kabel 35 kV toto zvýší na přibližně 8,4 mm . Tato dodatečná tloušťka přímo ovlivňuje celkový průměr kabelu, tuhost v ohybu a výpočty tahového napětí požadované během instalace.

Současná únosnost a snižovací faktory

Kapacita napájecích kabelů s izolací XLPE není jedno pevné číslo. Posouvá se na základě způsobu instalace, okolní teploty, tepelného odporu půdy a blízkosti sousedních obvodů. Může unést 3žilový 240 mm² měděný kabel XLPE určený pro přímé zakopání 480 A při teplotě vodiče 90°C v izolaci, ale toto číslo výrazně klesá, když je kabel instalován v potrubí se čtyřmi dalšími zatíženými obvody a tepelným odporem půdy 1,2 K·m/W spíše než předpokládaným 1,0 K·m/W.

Níže uvedená tabulka uvádí typické faktory snížení aplikované na napájecí kabely s izolací XLPE instalované v různých konfiguracích na základě směrnic IEC 60364-5-52.

Kumulativní účinek více faktorů snížení je multiplikativní. U kabelu ve čtyřokruhové sadě potrubí se zvýšenou teplotou země může být jeho efektivní kapacita snížena na 270 A nebo méně , sotva poloviční oproti volnému vysílání. Tepelné zásypové materiály s nízkým měrným odporem, jako je písek vázaný cementem nebo speciálně upravené zálivky obklopující potrubí, se stávají nezbytnými opatřeními ke zmírnění rizika pro obnovení ztracené kapacity bez zvětšování průřezu vodiče.

Tolerance instalace a meze tahu

Instalace napájecích kabelů s izolací XLPE v terénu vyžaduje přísné dodržování minimálních poloměrů ohybu a maximálního tahového napětí. Minimální poloměr ohybu pro jednožilový kabel XLPE během instalace je obvykle 15násobek celkového průměru kabelu , u třížilových kabelů se zvyšuje na 12krát. Překročení tohoto poloměru způsobuje nevratné poškození izolační struktury XLPE: vnitřní poloměr se stlačuje, zatímco vnější poloměr se natahuje, což potenciálně vytváří mikrodutiny, které se pod provozním napětím vyvinou do míst částečného výboje.

Meze tahu chrání vodič a izolaci před mechanickým poškozením při pokládání kabelu. Maximální tažné napětí pro kabel XLPE s měděným vodičem by nemělo překročit 50 N na čtvereční milimetr průřezu vodiče . Pro měděný vodič 300 mm² to znamená 15 000 N povolené tažné síly. Toto napětí musí být vypočteno podél celé plánované dráhy tažení, včetně zvýšeného tření v každém ohybu potrubí. Maziva na kabely kompatibilní s materiálem pláště XLPE, typicky gel na bázi bentonitu nebo polymeru, snižují koeficient tření na přibližně 0,25 až 0,35 podstatně snižuje potřebnou tažnou sílu. Musí se také zkontrolovat tlak na boční stěnu, kde se kabel opírá o vnitřek ohybu vedení, s typickým limitem 1 500 N na metr poloměru ohybu pro XLPE kabely, aby se zabránilo deformaci izolace.

Ukončovací a spojovací postupy

Místa, kde se napájecí kabely s izolací XLPE připojují k rozváděči nebo spojují jiné kabelové úseky, představují místa s nejvyšší statistickou poruchou v jakékoli síti. Správně provedené zakončení rekonstruuje kontrolu elektrického napětí, kterou poskytovala továrně aplikovaná izolační clona. Bod oříznutí stínění vytváří oblast vysokého elektrického napětí a trubka pro řízení napětí nebo kužel geometrického napětí musí plynule odstupňovat tento potenciál od napětí vodiče k potenciálu země podél koncové délky.

Smršťovací koncovky pro 15 kV XLPE kabely vyžadují metodickou přípravu: vnější plášť se odstraní, aby se obnažilo kovové stínění, stínění se ořízne na zadaný rozměr, izolační clona se odloupne, aby se obnažil čistý XLPE, a povrch izolace se vybrousí do hladka brusným zrnem specifikovaným výrobcem koncovky. Jakákoli rýha zanechaná na povrchu XLPE z neopatrného řezu nožem během odstraňování síta se stává bodem iniciace částečného vybití. Tmel nebo hadička pro kontrolu napětí musí obvykle přesahovat okraj obrazovky o výrobcem specifikovanou vzdálenost 15 mm až 25 mm , aby se zajistilo hladké lámání elektrických siločar bez sledování povrchu. Po instalaci musí být koncové oko zalisováno šestihrannou matricí, která odpovídá třídě a průřezu vodiče, a to použitím dostatečného stlačení, aby se dosáhlo plynotěsného studeného svaru mezi tubusem oka a měděnými prameny.

Testování v terénu a uvedení do provozu

Testování napájecích kabelů s izolací XLPE po instalaci, ale před zapnutím napájení, je poslední bránou, která zachytí vady zpracování, poškození při přepravě a chyby zakončení. Přijatý test uvedení do provozu pro nové obvody XLPE středního napětí je a velmi nízkofrekvenční sinusový průběh při 0,1 Hz aplikovaný po dobu 30 až 60 minut. Pro 15 kV kabel s 8,7 kV jmenovitým proudem fáze-zem je testovací napětí VLF obvykle nastaveno na 2,0 až 3,0 U₀ , což odpovídá přibližně 18 kV až 26 kV špičce.

Vysokopotenciální stejnosměrné testování, kdysi standardní praxe, bylo u napájecích kabelů s izolací XLPE opuštěno, protože se v izolaci ukládá prostorový náboj, který může po opětovném připojení kabelu ke střídavému proudu způsobit poruchu za provozu. Test VLF v kombinaci s měřením tan delta ve více krocích napětí poskytuje diagnostický základ. Nový, zdravý kabel XLPE by měl vykazovat hodnotu tan delta níže 0,2 × 10⁻³ s minimálními odchylkami mezi kroky napětí. Jakýkoli kabel vykazující tan delta překračující tento práh nebo skokový nárůst mezi po sobě jdoucími úrovněmi napětí indikuje kontaminaci, pronikání vlhkosti nebo vady vytlačování, které vyžadují vyšetření a potenciální výměnu kabelu před uvedením obvodu do provozu.

Dlouhodobé sledování stárnutí a kondice

Izolace XLPE degraduje prostřednictvím dvou primárních mechanismů: tepelného stárnutí při trvalém provozu na hranici 90 °C nebo v její blízkosti a růstu vodních stromů v přítomnosti vlhkosti a elektrického napětí. Moderní XLPE směsi obsahují přísady zpomalující vodní stromy, ale kabely vyrobené před širokým přijetím těchto formulací v 90. letech minulého století zůstávají zranitelné. Programy monitorování stavu využívají mapování částečného výboje a dielektrickou spektroskopii k identifikaci stárnoucích napájecích kabelů s izolací XLPE, než selžou v provozu.

Měření částečného výboje, prováděné pomocí kapacitních vazebních členů na zakončeních nebo vysokofrekvenčních proudových transformátorů kolem uzemnění kabelu, detekuje výboje se zdánlivou velikostí náboje tak nízké, 5 až 10 pikokulombů . Kabel vykazující počáteční napětí částečného výboje nižší než 1,3násobek provozního napětí se blíží stavu, kdy je pravděpodobná porucha během příštího jednoho až tří let. U kritických obvodů poskytují online systémy monitorování částečného výboje trvale instalované na zakončeních rozváděče nepřetržité sledování stavu napájecího kabelu izolovaného XLPE a spouštějí alarmy, když se změní velikost nebo opakující se aktivita výboje. Tato data umožňují správcům aktiv naplánovat plánované odstávky pro výměnu kabelů, spíše než reagovat na nouzovou poruchu, která přeruší výrobu nebo poskytování služeb.