XLPE izolované napájacie káble: Hodnotenie, inštalácia a testovanie

Chémia za tepelnou nadradenosťou

Výkonnosť XLPE izolácia pochádza z jeho molekulárnej štruktúry. Na rozdiel od termoplastického polyetylénu, ktorý pri zvýšených teplotách mäkne a tečie, XLPE prechádza procesom zosieťovania, ktorý spája jednotlivé polymérne reťazce do trojrozmernej siete. Táto transformácia premieňa materiál, ktorý by sa roztavil pri približne 105 °C do termosetu, ktorý si zachováva mechanickú integritu a dielektrickú pevnosť výrazne nad menovitým trvalým limitom 90 °C.

Samotné zosieťovanie sa dosiahne jednou z troch priemyselných metód. Proces silanového vrúbľovania využíva vlhkosť na vytvrdenie izolácie pri okolitých teplotách, čím vzniká čisté dielektrikum bez dutín vhodné pre káble stredného napätia do 35 kV. Peroxidový proces, aplikovaný cez vysokotlakovú kontinuálnu vulkanizačnú trubicu, rozkladá dikumylperoxid pri zvýšenej teplote a tlaku, aby sa iniciovalo zosieťovanie, a zostáva dominantnou metódou pre vysokonapäťové a extra vysokonapäťové prenosové káble. Menej bežná metóda ožarovania využíva bombardovanie elektrónovým lúčom pre tenkostenné aplikácie. Každá technika vytvára rovnaký cieľ obsahu gélu: minimálne 70 % gélovej frakcie merané extrakciou xylénu za horúca, ktorá zaisťuje hustotu siete potrebnú na odolnosť proti tečeniu pri trvalom mechanickom tlaku pri zvýšených teplotách.

Konštrukcia vodičov a inžinierstvo obrazoviek

Žiadne dielektrikum XLPE nepracuje izolovane. Rozhrania medzi vodičom a izoláciou a medzi izoláciou a kovovým tienením kriticky určujú správanie kábla pri čiastočnom vybití a konečnú životnosť. Tieto rozhrania sú riadené polovodičovými sitami, často označovanými jednoducho ako vodičové a izolačné sitá, vytláčané súčasne s izoláciou XLPE v procese vytláčania s tromi hlavami.

Správne aplikované tienidlo vodiča vyplní medzery lankového vodiča a predstavuje dokonale hladký valcový ekvipotenciálny povrch vo vnútri vrstvy XLPE. Akýkoľvek výčnelok alebo dutina na tejto hranici koncentruje elektrické napätie a iniciuje čiastočný výboj, ktorý eroduje izoláciu zvnútra von. Samotný materiál obrazovky je polyetylénová zlúčenina s obsahom uhlíkovej černe s typickým objemovým odporom pod 500 ohmmetrov pri 90 °C. Na vonkajšej strane izolácie plní izolačná clona inverznú funkciu, ktorá zabraňuje vzniku vzduchových medzier medzi povrchom XLPE a kovovou páskou alebo drôteným štítom. V moderných trojitých extrudovaných kábloch s menovitým napätím 15 kV a vyšším sa všetky tri vrstvy – tienidlo vodiča, izolácia XLPE a izolačné tienidlo – aplikujú v jedinom prechode cez matricu s krížovou hlavou a potom sa navzájom zosieťujú. Táto koextrudovaná konštrukcia eliminuje hranice jednotlivých vrstiev, ktoré historicky spôsobovali poruchy delaminácie pri tepelnej rozťažnosti pri cyklickom zaťažení.

Kapacita a tepelná odolnosť proti skratu

Výhoda XLPE pri prevádzkovej teplote je dobre známa, ale jeho tepelná odolnosť proti skratu je rovnako dôležitá a pri špecifikácii sa často prehliada. Keď preteká poruchový prúd, teplota vodiča stúpne v milisekundách. XLPE toleruje teplotu skratového vodiča 250 °C , zatiaľ čo štandardná PVC izolácia je obmedzená na 160 °C pre rovnakú prechodnú udalosť. Tento vyšší tepelný strop umožňuje menšiemu prierezu vodiča, aby prežil danú veľkosť poruchového prúdu a čas čistenia, s priamymi dôsledkami na náklady na obstarávanie medi alebo hliníka.

Nižšie uvedená tabuľka porovnáva maximálnu povolenú hustotu skratového prúdu pre medené vodiče pod izoláciou XLPE a PVC po dobu jednej sekundy odstránenia poruchy, čo demonštruje získanú inžiniersku rezervu.

Vyššia hodnota skratu približne 143 ampérov na štvorcový milimeter pre medené vodiče pod XLPE oproti 115 A/mm² pre PVC znamená, že kábel XLPE vydrží o 24 % vyšší poruchový prúd pri rovnakej veľkosti vodiča a dobe čistenia bez degradácie izolácie. V praxi to často umožňuje konštruktérovi vybrať vodič o jednu štandardnú veľkosť menší pri zachovaní plnej zhody s IEC 60949.

Vodný strom a puzdro na plášťovú konštrukciu

Dominantným mechanizmom starnutia pre strednonapäťové káble XLPE vo vlhkom prostredí je vodné stromy. K tomuto javu dochádza, keď vlhkosť preniká izoláciou v prítomnosti elektrického poľa a vytvára mikroskopické kanáliky v tvare stromu z chemicky degradovaného polyméru. V priebehu siedmich až pätnástich rokov tieto vodné stromy rastú z bodov koncentrácie napätia, kým nepremenia dostatočnú hrúbku izolácie na to, aby spôsobili dielektrický rozpad pri prevádzkovom napätí.

Dve osvedčené protiopatrenia teraz definujú najlepšiu prax pre káble XLPE určené na priame zakopanie alebo do mokrých trezorov. Prvým je typicky extrudovaná, bezšvová kovová bariéra proti vlhkosti medená páska so zvareným a vlnitým švom alebo súvisle naneseným oloveným plášťom , pripevnený k vonkajšiemu polyetylénovému plášťu. Táto bariéra fyzicky blokuje radiálne prenikanie vody do izolačnej clony a izolačných vrstiev. Druhým je použitie XLPE zlúčenín spomaľujúcich vodné stromy, ktoré obsahujú polárne prísady, ktoré chemicky imobilizujú molekuly vody v amorfných oblastiach polyméru, čím sa rádovo znižuje rýchlosť rastu vetraných vodných stromov. Pre akýkoľvek kábel s menovitým napätím 15 kV a vyšším inštalovaným v šachte, ktorá je vystavená pravidelnému ponoreniu, už nie je špecifikácia kovovej radiálnej bariéry proti vlhkosti a XLPE spomaľovača stromov prvotriednou voľbou; ide o minimálnu potrebnú konštrukciu na dosiahnutie štyridsaťročnej životnosti.

Kontrola napätia pri ukončení a tlak rozhrania

Štatistiky porúch káblových systémov XLPE neustále poukazujú na koncovky a spoje ako na slabé spojenie, nie na samotný kábel. Problémom je náhle prerušenie izolačnej clony, čo vytvára extrémne tangenciálne elektrické napätie na okraji rezu sita. Bez kontrolovaného hodnotenia môže tento stres dosiahnuť 50 kV na palec alebo vyššie pri menovitom napätí medzi fázou a zemou pre 15 kV kábel, čo iniciuje sledovanie povrchu, ktoré karbonizuje a zničí ukončenie.

Nápravou je prvok kontroly stresu integrovaný do ukončenia. Vysokonapäťové koncovky zvyčajne používajú geometrický napäťový kužeľ vyrobený z vodivej a izolačnej gumy, ktorý pretvára ekvipotenciálne siločiary na jemný gradient cez povrch XLPE. Strednapäťové oddeliteľné konektory plnia rovnakú funkciu so vstrekovaným elastomérovým puzdrom, ktoré používa riadené radiálne presahy 15 % až 25 % cez izoláciu kábla. Toto interferenčné uloženie udržuje tlak na rozhraní počas všetkých tepelných cyklov, pričom udržiava vnútorné elektrické povrchy v tesnom kontakte a vylučuje vzduch z kritického trojbodového spojenia, kde sa stretáva vodič, izolácia a okolie. Každý inštalatér, ktorý vynechá silikónové mazivo špecifikované pre telo konektora, alebo ktorý nezrazí skosenie rezu izolačnej clony do určeného uhla, vytvorí medzeru, ktorá sa zmení na miesto čiastočného vybitia a prípadne na poruchu medzi vedením a zemou.

Protokoly testovania v teréne a uvedenia do prevádzky

Dokončený káblový obvod XLPE vyžaduje test uvedenia do prevádzky, ktorý dokáže, že izolácia nebola poškodená počas ťahania a ukončenia, pričom súčasne nestarne ani neoslabuje zvukový kábel. Starý prístup jednosmerného vysokopotenciálneho testovania bol definitívne zdiskreditovaný pre extrudovaný XLPE. DC testovanie vháňa priestorový náboj do objemu izolácie; keď je testovacie napätie odstránené a kábel je znovu napájaný striedavým prúdom, tento zachytený priestorový náboj sa superponuje na priebeh striedavého prúdu a môže spôsobiť poruchu, ku ktorej by kábel v prevádzke nedošlo.

Akceptovaný moderný protokol pre uvedenie nového kábla XLPE do prevádzky je a test odolnosti pri veľmi nízkej frekvencii (VLF) pri 0,1 Hz , typicky aplikovaný po dobu 30 až 60 minút pri napäťovej úrovni 2,0 až 3,0-násobku prevádzkového napätia medzi vedením a zemou. Pre 15 kV kábel s 8,7 kV menovitým prúdom medzi fázou a zemou je testovacie napätie bežne nastavené na 22 kV vrchol . Doplnenie testu odolnosti s meraním tan delta pri viacerých krokoch napätia poskytuje kvantitatívnu základnú líniu dielektrických strát, ktorú možno porovnať s budúcimi diagnostickými testami na sledovanie starnutia izolácie. Nový kábel XLPE v dobrom stave by mal nižšie vykazovať tan delta 0,2 × 10⁻³ s minimálnou odchýlkou delta-tan-delta naprieč krokmi napätia. Hodnoty prekračujúce túto prahovú hodnotu pred uvedením kábla do prevádzky naznačujú kontamináciu, prenikanie vlhkosti alebo nízku kvalitu vytláčania, čo si vyžaduje vyšetrenie predtým, ako inštalačný technik akceptuje obvod.