Kabeli za napajanje izolirani XLPE: Oznake, instalacija i testiranje

Kemija iza toplinske superiornosti

Izvedba XLPE izolacija potječe iz njegove molekularne strukture. Za razliku od termoplastičnog polietilena, koji omekšava i teče na povišenim temperaturama, XLPE prolazi kroz proces umrežavanja koji povezuje pojedinačne polimerne lance u trodimenzionalnu mrežu. Ova transformacija pretvara materijal koji bi se rastalio na približno 105°C u duroplast koji održava mehaničku cjelovitost i dielektričnu čvrstoću znatno iznad svoje nazivne kontinuirane granice od 90°C.

Samo umrežavanje postiže se jednom od tri industrijske metode. Proces cijepljenja silanom koristi vlagu za stvrdnjavanje izolacije na sobnoj temperaturi, proizvodeći čist dielektrik bez šupljina pogodan za srednjenaponske kabele do 35 kV. Proces peroksida, koji se primjenjuje kroz visokotlačnu kontinuiranu vulkanizacijsku cijev, razgrađuje dikumil peroksid na povišenoj temperaturi i tlaku kako bi se pokrenulo umrežavanje, te ostaje dominantna metoda za visokonaponske i ekstravisokonaponske prijenosne kabele. Manje uobičajena metoda ozračivanja koristi bombardiranje elektronskim snopom za primjene na tankim stijenkama. Svaka tehnika proizvodi isti ciljani sadržaj gela: minimalno 70% frakcije gela mjereno vrućom ekstrakcijom ksilenom, osiguravajući gustoću mreže potrebnu za otpornost na puzanje pod stalnim mehaničkim pritiskom na povišenim temperaturama.

Konstrukcija vodiča i inženjerstvo zaslona

Nijedan XLPE dielektrik ne radi izolirano. Sučelja između vodiča i izolacije, te između izolacije i metalnog oklopa, kritično određuju ponašanje kabela kod djelomičnog pražnjenja i krajnji životni vijek. Ovim sučeljima upravljaju poluprovodljivi zasloni, koji se često nazivaju jednostavno zasloni za vodiče i izolaciju, ekstrudirani istovremeno s XLPE izolacijom u procesu ekstruzije s tri glave.

Pravilno naneseni zaslon vodiča ispunjava međuprostore užetanog vodiča i predstavlja savršeno glatku cilindričnu ekvipotencijalnu površinu na unutarnjoj strani XLPE sloja. Svako izbočenje ili praznina na ovoj granici koncentrira električni stres, pokrećući djelomično pražnjenje koje nagriza izolaciju iznutra prema van. Sam materijal zaslona je polietilenski spoj s čađom i tipičnim volumnim otporom ispod 500 ohm-metara na 90°C. S vanjske strane izolacije, izolacijski zaslon obavlja obrnutu funkciju, sprječavajući zračne raspore između XLPE površine i metalne trake ili štita od žice. U modernim trostruko ekstrudiranim kabelima nazivnog napona od 15 kV i više, sva tri sloja - ekran vodiča, XLPE izolacija i izolacijski ekran - nanose se u jednom prolazu kroz matricu s križnom glavom, a zatim se unakrsno povezuju. Ova koekstrudirana konstrukcija eliminira diskretne granice slojeva koje su povijesno uzrokovale kvarove delaminacije pod toplinskim širenjem ciklusa opterećenja.

Ampacity i toplinska otpornost na kratki spoj

Prednost XLPE-a pri radnoj temperaturi je dobro poznata, ali je njegova sposobnost toplinske otpornosti na kratke spojeve jednako važna i često zanemarena tijekom specifikacije. Kada teče struja kvara, temperatura vodiča raste u milisekundama. XLPE tolerira temperaturu vodiča kratkog spoja od 250°C , dok je standardna PVC izolacija ograničena na 160°C za isti prijelazni događaj. Ovaj viši toplinski strop dopušta manjem poprečnom presjeku vodiča da preživi danu veličinu struje kvara i vrijeme otklanjanja, s izravnim implikacijama troškova za nabavu bakra ili aluminija.

Donja tablica uspoređuje maksimalnu dopuštenu gustoću struje kratkog spoja za bakrene vodiče ispod XLPE i PVC izolacije za vrijeme otklanjanja greške od jedne sekunde, pokazujući dobivenu inženjersku marginu.

Veća vrijednost kratkog spoja od približno 143 ampera po kvadratnom milimetru za bakrene vodiče ispod XLPE-a, u odnosu na 115 A/mm² za PVC, znači da XLPE kabel može izdržati 24% višu struju kvara za istu veličinu vodiča i vrijeme čišćenja bez degradacije izolacije. U praksi, ovo često omogućuje dizajneru da odabere vodič jednu standardnu veličinu manji, a da istovremeno zadrži potpunu usklađenost s IEC 60949.

Water Treeing i kućište za konstrukciju s omotačem

Dominantni mehanizam starenja za srednjenaponske XLPE kabele u vlažnim okruženjima je vodeno drvo. Ovaj fenomen se događa kada vlaga prodire kroz izolaciju u prisutnosti električnog polja, stvarajući mikroskopske kanale u obliku stabla od kemijski razgrađenog polimera. Tijekom razdoblja od sedam do petnaest godina, ova vodena stabla rastu od točaka koncentracije naprezanja sve dok ne premoste dovoljno debljine izolacije da izazovu proboj dielektrika pri radnom naponu.

Dvije dokazane protumjere sada definiraju najbolju praksu za XLPE kabele namijenjene za izravno ukopavanje ili mokre trezore. Prvi je tipično ekstrudirana, bešavna metalna barijera za vlagu bakrena traka sa zavarenim i valovitim šavom ili kontinuirano nanesenim olovnim omotačem , spojen na vanjski polietilenski omotač. Ova barijera fizički blokira radijalni prodor vode u izolacijski zaslon i izolacijske slojeve. Drugi je upotreba XLPE spojeva otpornih na stablo vode, koji uključuju polarne aditive koji kemijski imobiliziraju molekule vode unutar amorfnih područja polimera, smanjujući stopu rasta stabala s ventiliranom vodom za red veličine. Za bilo koji kabel nazivnog napona od 15 kV i više instaliran u šahtu koji je podložan povremenom potapanju, navođenje i metalne radijalne barijere za vlagu i XLPE-a otpornog na drvo više nije vrhunska opcija; to je minimalno potrebna konstrukcija za postizanje četrdesetogodišnjeg vijeka trajanja.

Kontrola stresa pri prekidu i tlak na međusklopu

Statistika kvarova XLPE kabelskih sustava dosljedno ukazuje na završetke i spojeve kao slabu kariku, a ne sam kabel. Problem je nagli prekid izolacijskog zaslona, ​​što stvara ekstremno tangencijalno električno naprezanje na reznom rubu zaslona. Bez kontroliranog ocjenjivanja, ovaj stres može doseći 50 kV po inču ili više pri nazivnom naponu faza-zemlja za kabel od 15 kV, inicirajući površinsko praćenje koje karbonizira i uništava završetak.

Lijek je element kontrole stresa integriran u završetak. Visokonaponski završeci obično koriste geometrijski stožac naprezanja izrađen od vodljive i izolacijske gume koji pretvara ekvipotencijalne linije polja u blagi gradijent preko XLPE površine. Srednjenaponski rastavljivi konektori ostvaruju istu funkciju s injekcijskim elastomernim kućištem koje primjenjuje kontrolirano radijalno interferencijsko pristajanje 15% do 25% preko izolacije kabela. Ovo interferencijsko pristajanje održava tlak sučelja u svim toplinskim ciklusima, održavajući unutarnje električne površine u intimnom kontaktu i isključujući zrak iz kritičnog spoja trostruke točke gdje se susreću vodič, izolacija i okolina. Svaki instalater koji preskoči silikonski lubrikant specificiran za tijelo konektora, ili koji ne uspije skositi izolacijski zaslon izrezan pod navedenim kutom, stvara prazninu koja će se pretvoriti u mjesto djelomičnog pražnjenja i na kraju u spoj voda-zemlja.

Protokoli ispitivanja na terenu i puštanja u pogon

Dovršeni strujni krug XLPE kabela zahtijeva test puštanja u rad koji dokazuje da izolacija nije oštećena tijekom povlačenja i prekidanja, dok istovremeno ne stari ili slabi zvučni kabel. Naslijeđeni pristup DC testiranja visokog potencijala definitivno je diskreditiran za ekstrudirani XLPE. Ispitivanje istosmjerne struje dovodi prostorni naboj u izolaciju; kada se ispitni napon ukloni i kabel se ponovno napaja izmjeničnom strujom, ovaj zarobljeni prostorni naboj se superponira na valni oblik izmjenične struje i može izazvati kvar koji kabel ne bi doživio tijekom rada.

Prihvaćeni moderni protokol za puštanje u rad novih XLPE kabela je a ispitivanje otpornosti na vrlo niske frekvencije (VLF) na 0,1 Hz , obično se primjenjuje 30 do 60 minuta na razini napona od 2,0 do 3,0 puta veće od radnog napona linija-zemlja. Za kabel od 15 kV s oznakom faza-zemlja od 8,7 kV, ispitni napon se obično postavlja na 22 kV vrh . Praćenje testa otpornosti mjerenjem tan delta na višestrukim naponskim koracima daje kvantitativnu osnovu dielektričnog gubitka koji se može usporediti s budućim dijagnostičkim testovima za praćenje starenja izolacije. Novi XLPE kabel u dobrom stanju trebao bi pokazivati tan deltu ispod 0,2 × 10⁻³ s minimalnim delta-tan-delta odstupanjem preko naponskih koraka. Vrijednosti koje premašuju ovaj prag prije nego što je kabel ušao u rad sugeriraju kontaminaciju, ulazak vlage ili lošu kvalitetu ekstruzije što zahtijeva ispitivanje prije nego što instalater prihvati krug.