XLPE izolirani energetski kabeli: Ocjene i ispitivanje

Oznake napona i razine izolacije

XLPE izolirani energetski kabeli 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 pet minuta tijekom tvorničkog ispitivanja prihvatljivosti, provjeravajući integritet ekstrudiranog izolacijskog sloja.

Odabir ispravnog nazivnog napona zahtijeva usklađivanje kabela s maksimalnim kontinuiranim radnim naponom sustava i očekivanim trajanjem kvara na zemlji. Za sustav od 12 kV u kojem se kvarovi na zemlji uklanjaju unutar jedne sekunde, kabel od 6/10 kV može biti premalih dimenzija nakon što se uzmu u obzir prijelazni prenaponi. Ljestvica debljine izolacije s klasom napona: karakteristike tipičnog kabela za napajanje s izolacijom od 15 kV XLPE 4,5 mm XLPE izolacije , dok kabel od 35 kV to povećava na približno 8,4 mm . Ova dodatna debljina izravno utječe na ukupni promjer kabela, krutost savijanja i izračune napetosti povlačenja potrebne tijekom instalacije.

Nosivost struje i faktori smanjenja

Strujna snaga XLPE izoliranih energetskih kabela nije jedan fiksni broj. Pomiče se ovisno o načinu postavljanja, temperaturi okoline, toplinskom otporu tla i blizini susjednih krugova. Može nositi 3-žilni bakreni XLPE kabel od 240 mm² namijenjen za izravno ukopavanje 480 A pri temperaturi vodiča od 90°C u izolaciji, ali ova brojka značajno pada kada je kabel instaliran u nizu kanala s četiri druga opterećena kruga i toplinskim otporom tla od 1,2 K·m/W umjesto pretpostavljenih 1,0 K·m/W.

Donja tablica predstavlja tipične faktore smanjenja snage primijenjene na XLPE izolirane energetske kabele instalirane u različitim konfiguracijama, na temelju smjernica IEC 60364-5-52.

Kumulativni učinak višestrukih faktora smanjenja je multiplikativan. Kabel u kanalu s četiri kruga s povišenom temperaturom tla mogao bi imati smanjenu efektivnu struju na 270 A ili manje , jedva polovicu svoje ocjene za slobodni zrak. Toplinski materijali za zatrpavanje s niskim otporom, kao što je pijesak vezan cementom ili posebno projektirana smjesa za injektiranje koja okružuje bankinu ​​kanala, postaju bitne mjere ublažavanja za oporavak izgubljenog kapaciteta bez povećanja poprečnog presjeka vodiča.

Tolerancije ugradnje i ograničenja povlačenja

Instalacija energetskih kabela s XLPE izolacijom na terenu zahtijeva strogo pridržavanje minimalnih radijusa savijanja i maksimalne napetosti povlačenja. Minimalni radijus savijanja za jednožilni XLPE kabel tijekom instalacije obično je 15 puta veći od ukupnog promjera kabela , povećavajući se do 12 puta za trožilne kabele. Prekoračenje ovog radijusa uzrokuje nepovratno oštećenje XLPE strukture izolacije: unutarnji radijus se komprimira dok se vanjski radijus rasteže, potencijalno stvarajući mikro šupljine koje se pod radnim naponom razvijaju u mjesta djelomičnog pražnjenja.

Granice povlačenja štite vodič i izolaciju od mehaničkih oštećenja tijekom polaganja kabela. Maksimalna napetost povlačenja za XLPE kabel s bakrenim vodičem ne smije prijeći 50 N po kvadratnom milimetru presjeka vodiča . Za bakreni vodič od 300 mm² to znači 15 000 N dopuštene vučne sile. Ova se napetost mora izračunati duž cijelog planiranog puta povlačenja, uključujući povećano trenje na svakom zavoju cijevi. Maziva za kabele kompatibilna s XLPE materijalom plašta, obično bentonit ili gel na bazi polimera, smanjuju koeficijent trenja na približno 0,25 do 0,35 , znatno smanjujući potrebnu vučnu silu. Također se mora provjeriti tlak na bočnoj stijenci gdje kabel naliježe na unutarnji dio zavoja cijevi, s tipičnom granicom od 1.500 N po metru radijusa savijanja za XLPE kabele kako bi se spriječila deformacija izolacije.

Praksa raskida i spajanja

Točke gdje se energetski kabeli s XLPE izolacijom povezuju s razvodnim uređajima ili spajaju s drugim dijelovima kabela predstavljaju najviša statistička mjesta kvarova u bilo kojoj mreži. Pravilno izveden završetak rekonstruira kontrolu električnog naprezanja koju je osigurao tvornički postavljen izolacijski zaslon. Točka smanjenja zaslona stvara područje visokog električnog naprezanja, a cijev za kontrolu naprezanja ili konus geometrijskog naprezanja mora glatko razvrstati ovaj potencijal od napona vodiča do potencijala uzemljenja duž duljine završetka.

Termoskupljajući završeci za 15 kV XLPE kabele zahtijevaju metodičnu pripremu: vanjski omotač se uklanja kako bi se otkrio metalni oklop, oklop se reže na specificirane dimenzije, izolacijski ekran se odvaja kako bi se otkrio čisti XLPE, a izolacijska površina se glatko brusi abrazivnim zrnom koje je odredio proizvođač završetka. Svaki trag koji ostane na XLPE površini od nepažljivog reza nožem tijekom uklanjanja zaslona postaje točka početka djelomičnog pražnjenja. Masa za kontrolu naprezanja ili cijevi obično moraju prekrivati rub zaslona za udaljenost koju je naveo proizvođač 15 mm do 25 mm , kako bi se osiguralo da se linije električnog polja glatko lome bez površinskog praćenja. Nakon ugradnje, završna stopica mora biti stegnuta šesterokutnom matricom usklađenom s klasom i presjekom vodiča, primjenom dovoljne kompresije za postizanje plinopropusnog hladnog zavara između cijevi stopice i bakrenih žica.

Ispitivanje na terenu i puštanje u rad

Ispitivanje energetskih kabela s XLPE izolacijom nakon instalacije, ali prije puštanja pod napon, posljednja su vrata koja otkrivaju nedostatke u izradi, oštećenja tijekom transporta i pogreške pri završetku. Prihvaćeni test puštanja u rad za nove srednjonaponske XLPE krugove je a sinusoidalni valni oblik vrlo niske frekvencije na 0,1 Hz , primijenjen u trajanju od 30 do 60 minuta. Za kabel od 15 kV s oznakom faza-zemlja od 8,7 kV, ispitni napon VLF obično je postavljen na 2,0 do 3,0 U₀ , što odgovara približno vršnom naponu od 18 kV do 26 kV.

Ispitivanje istosmjernog visokog potencijala, nekada standardna praksa, napušteno je za kabele za napajanje s XLPE izolacijom jer taloži prostorni naboj u izolaciji koji može izazvati kvar tijekom rada nakon ponovnog spajanja kabela na izmjeničnu struju. VLF test, u kombinaciji s tan delta mjerenjem na višestrukim naponskim koracima, pruža dijagnostičku osnovu. Novi, zdravi XLPE kabel trebao bi pokazivati tan delta vrijednost ispod 0,2 × 10⁻³ s minimalnom varijacijom između koraka napona. Bilo koji kabel koji pokazuje tan deltu koja prelazi ovaj prag, ili povećanje koraka promjene između uzastopnih razina napona, ukazuje na kontaminaciju, ulazak vlage ili defekte istiskivanja koji zahtijevaju ispitivanje i potencijalnu zamjenu kabela prije nego se strujni krug pusti u rad.

Dugoročno starenje i praćenje stanja

XLPE izolacija razgrađuje se kroz dva primarna mehanizma: toplinsko starenje uslijed dugotrajnog rada na ili blizu granice od 90°C i rast vodenog stabla u prisutnosti vlage i električnog naprezanja. Moderni XLPE spojevi sadrže aditive koji usporavaju vodu, ali kabeli proizvedeni prije širokog usvajanja ovih formulacija u 1990-ima ostaju ranjivi. Programi praćenja stanja koriste mapiranje djelomičnog pražnjenja i dielektričnu spektroskopiju za prepoznavanje starenja energetskih kabela s XLPE izolacijom prije nego što pokvare.

Mjerenje djelomičnog pražnjenja, izvedeno s kapacitivnim spojnicama na završecima ili visokofrekventnim strujnim transformatorima oko uzemljenja kabela, detektira pražnjenja s prividnim veličinama naboja niskim od 5 do 10 pikokulona . Kabel koji pokazuje početni napon djelomičnog pražnjenja ispod 1,3 puta radnog napona približava se stanju u kojem je kvar vjerojatan unutar sljedeće jedne do tri godine. Za kritične krugove, online sustavi za praćenje djelomičnog pražnjenja koji su trajno instalirani na završecima razvodnih uređaja osiguravaju kontinuirani nadzor stanja kabela za napajanje s XLPE izolacijom, aktivirajući alarme kada se aktivnost pražnjenja promijeni u veličini ili brzini ponavljanja. Ovi podaci omogućuju upraviteljima imovine da zakažu planirane prekide rada radi zamjene kabela, umjesto da reagiraju na hitan kvar koji prekida proizvodnju ili pružanje usluga.