XLPE izolované napájacie káble: Hodnotenie a testovanie

Hodnoty napätia a úrovne izolácie

XLPE izolované silové káble 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 počas piatich minút počas továrenských preberacích testov, pri overovaní celistvosti extrudovanej izolačnej vrstvy.

Výber správneho menovitého napätia vyžaduje prispôsobenie kábla maximálnemu nepretržitému prevádzkovému napätiu systému a jeho očakávanému trvaniu zemného spojenia. Pre 12 kV systém, kde sú zemné poruchy odstránené do jednej sekundy, môže byť 6/10 kV kábel poddimenzovaný, keď sa zohľadnia prechodné prepätia. Hrúbka izolácie závisí od napäťovej triedy: typický 15 kV XLPE izolovaný napájací kábel 4,5 mm XLPE izolácie , zatiaľ čo 35 kV kábel to zvyšuje na približne 8,4 mm . Táto dodatočná hrúbka priamo ovplyvňuje celkový priemer kábla, ohybovú tuhosť a výpočty ťahového napätia potrebné počas inštalácie.

Aktuálna nosnosť a faktory zníženia výkonu

Kapacita napájacích káblov s izoláciou XLPE nie je jedno pevné číslo. Posúva sa na základe spôsobu inštalácie, okolitej teploty, tepelného odporu pôdy a blízkosti susedných okruhov. Môže niesť 3-žilový 240 mm² medený XLPE kábel určený na priame zakopanie 480 A pri teplote vodiča 90°C v izolácii, ale toto číslo výrazne klesá, keď je kábel inštalovaný v potrubí so štyrmi ďalšími zaťaženými okruhmi a tepelným odporom pôdy 1,2 K·m/W namiesto predpokladaných 1,0 K·m/W.

Nižšie uvedená tabuľka uvádza typické faktory zníženia aplikované na napájacie káble s izoláciou XLPE inštalované v rôznych konfiguráciách na základe smerníc IEC 60364-5-52.

Kumulatívny účinok viacerých faktorov zníženia je multiplikatívny. Kábel v štvorokruhovej potrubnej banke so zvýšenou teplotou zeme môže znížiť svoju efektívnu kapacitu na 270 A alebo menej , čo je sotva polovica jeho voľného vysielania. Tepelné zásypové materiály s nízkym merným odporom, ako je piesok viazaný cementom alebo špecificky skonštruované zálievky obklopujúce banku potrubia, sa stávajú nevyhnutnými zmierňovacími opatreniami na obnovenie stratenej kapacity bez zväčšenia prierezu vodiča.

Tolerancie inštalácie a limity ťahu

Inštalácia napájacích káblov s izoláciou XLPE v teréne vyžaduje prísne dodržiavanie minimálnych polomerov ohybu a maximálneho ťahového napätia. Minimálny polomer ohybu pre jednožilový kábel XLPE počas inštalácie je zvyčajne 15-násobok celkového priemeru kábla , zvýšenie na 12-násobok pre trojžilové káble. Prekročenie tohto polomeru spôsobuje nezvratné poškodenie izolačnej štruktúry XLPE: vnútorný polomer sa stláča, zatiaľ čo vonkajší polomer sa naťahuje, čo potenciálne vytvára mikrodutiny, ktoré sa pod prevádzkovým napätím vyvinú do miest čiastočného výboja.

Limity ťahového napätia chránia vodič a izoláciu pred mechanickým poškodením počas kladenia kábla. Maximálne ťahové napätie medeného vodiča XLPE kábla by nemalo prekročiť 50 N na štvorcový milimeter prierezu vodiča . Pre medený vodič 300 mm² to znamená 15 000 N prípustnej ťažnej sily. Toto napätie sa musí vypočítať pozdĺž celej plánovanej dráhy ťahania, vrátane zvýšeného trenia v každom ohybe potrubia. Mazivá na káble kompatibilné s materiálom plášťa XLPE, zvyčajne gél na báze bentonitu alebo polyméru, znižujú koeficient trenia na približne 0,25 až 0,35 , čím sa podstatne zníži požadovaná ťažná sila. Musí sa tiež skontrolovať tlak bočnej steny, kde sa kábel opiera o vnútornú stranu ohybu vedenia, s typickým limitom 1 500 N na meter polomeru ohybu pre XLPE káble, aby sa zabránilo deformácii izolácie.

Postupy ukončenia a spájania

Miesta, kde sa napájacie káble s izoláciou XLPE pripájajú k rozvádzaču alebo spájajú iné káblové úseky, predstavujú najvyššie štatistické miesta zlyhania v akejkoľvek sieti. Správne vykonaná koncovka rekonštruuje kontrolu elektrického napätia, ktorú poskytuje izolačná clona aplikovaná vo výrobe. Zrezaný bod obrazovky vytvára oblasť s vysokým elektrickým napätím a trubica na riadenie napätia alebo kužeľ geometrického napätia musí plynulo odstupňovať tento potenciál od napätia vodiča k potenciálu zeme pozdĺž dĺžky ukončenia.

Tepelne zmršťovacie koncovky pre 15 kV XLPE káble vyžadujú metodickú prípravu: vonkajší plášť sa odstráni, aby sa obnažilo kovové tienenie, tienenie sa odreže na špecifikovaný rozmer, izolačná clona sa odlúpne, aby sa obnažil čistý XLPE, a povrch izolácie sa vybrúsi do hladka brúsnym zrnom špecifikovaným výrobcom koncovky. Akákoľvek ryha zanechaná na povrchu XLPE z neopatrného rezu nožom počas odstraňovania sita sa stáva bodom iniciácie čiastočného vybitia. Tmel alebo hadica na kontrolu napätia musia zvyčajne presahovať okraj obrazovky o vzdialenosť špecifikovanú výrobcom 15 mm až 25 mm , aby sa zabezpečilo hladké lámanie elektrických siločiar bez sledovania povrchu. Po inštalácii musí byť koncové oko zalisované šesťhrannou matricou zodpovedajúcou triede a prierezu vodiča, pričom sa použije dostatočné stlačenie, aby sa dosiahol plynotesný studený zvar medzi valcom oka a medenými prameňmi.

Testovanie v teréne a uvedenie do prevádzky

Testovanie napájacích káblov s izoláciou XLPE po inštalácii, ale pred napájaním, je posledná brána, ktorá zachytí chyby spracovania, poškodenie pri preprave a chyby zakončenia. Akceptovaný test uvedenia do prevádzky pre nové obvody XLPE stredného napätia je a veľmi nízkofrekvenčný sínusový priebeh pri 0,1 Hz , aplikovaný na dobu 30 až 60 minút. Pre 15 kV kábel s 8,7 kV menovitým prúdom medzi fázou a zemou je testovacie napätie VLF zvyčajne nastavené na 2,0 až 3,0 U₀ čo zodpovedá približne 18 kV až 26 kV špičke.

Jednosmerné vysokopotenciálne testovanie, kedysi štandardná prax, bolo opustené pre napájacie káble s izoláciou XLPE, pretože ukladá priestorový náboj v izolácii, ktorý môže spôsobiť poruchu počas prevádzky po opätovnom pripojení kábla k AC. Test VLF v kombinácii s meraním tan delta pri viacerých krokoch napätia poskytuje diagnostickú základnú líniu. Nový, zdravý kábel XLPE by mal vykazovať hodnotu tan delta nižšie 0,2 × 10⁻³ s minimálnou odchýlkou medzi krokmi napätia. Každý kábel vykazujúci tan delta prekračujúci túto prahovú hodnotu alebo skokový nárast medzi po sebe nasledujúcimi úrovňami napätia indikuje kontamináciu, prenikanie vlhkosti alebo chyby vytláčania, ktoré si vyžadujú vyšetrenie a potenciálnu výmenu kábla pred uvedením obvodu do prevádzky.

Dlhodobé sledovanie starnutia a kondície

Izolácia XLPE degraduje prostredníctvom dvoch primárnych mechanizmov: tepelného starnutia v dôsledku trvalej prevádzky pri hranici 90 °C alebo blízko nej a rastu vodných stromov v prítomnosti vlhkosti a elektrického napätia. Moderné zlúčeniny XLPE obsahujú prísady spomaľujúce vodné stromy, ale káble vyrobené pred rozšírením týchto formulácií v 90. rokoch zostávajú zraniteľné. Programy monitorovania stavu využívajú mapovanie čiastočného výboja a dielektrickú spektroskopiu na identifikáciu starnúcich napájacích káblov s izoláciou XLPE predtým, ako zlyhajú v prevádzke.

Meranie čiastočného výboja, vykonávané kapacitnými spojkami na zakončeniach alebo vysokofrekvenčnými prúdovými transformátormi okolo káblového uzemnenia, deteguje výboje so zdanlivou veľkosťou náboja tak nízke, 5 až 10 pikokulombov . Kábel vykazujúci počiatočné napätie čiastočného výboja nižšie ako 1,3-násobok prevádzkového napätia sa blíži k stavu, kedy je pravdepodobná porucha v priebehu jedného až troch rokov. Pre kritické obvody poskytujú online monitorovacie systémy čiastočného výboja trvalo nainštalované na zakončeniach rozvádzača nepretržité sledovanie stavu napájacieho kábla s izoláciou XLPE, pričom spúšťajú alarmy, keď sa aktivita výboja zmení vo veľkosti alebo frekvencii opakovania. Tieto údaje umožňujú správcom aktív naplánovať plánované odstávky na výmenu káblov namiesto toho, aby reagovali na núdzovú poruchu, ktorá preruší výrobu alebo poskytovanie služieb.