XLPE-eristetyt virtakaapelit: arvioinnit, asennus ja testaus

Kemia lämpöylivoiman takana

Esityksen XLPE eristys on peräisin sen molekyylirakenteesta. Toisin kuin termoplastinen polyeteeni, joka pehmenee ja virtaa korkeissa lämpötiloissa, XLPE käy läpi silloitusprosessin, joka sitoo yksittäiset polymeeriketjut kolmiulotteiseksi verkostoksi. Tämä muunnos muuttaa materiaalin, joka sulaisi suunnilleen 105 °C kertamuoviksi, joka säilyttää mekaanisen eheyden ja dielektrisen lujuuden selvästi yli nimellisarvoisen 90 °C jatkuvan rajansa.

Itse silloitus saadaan aikaan yhdellä kolmesta teollisesta menetelmästä. Silaanioksastusprosessissa käytetään kosteutta eristeen kovettamiseksi ympäristön lämpötiloissa, jolloin saadaan puhdas, tyhjä eriste, joka sopii keskijännitekaapeleille 35 kV asti. Peroksidiprosessi, jota käytetään korkeapaineisen jatkuvan vulkanointiputken läpi, hajottaa dikumyyliperoksidia korotetussa lämpötilassa ja paineessa ristisilloittumisen aloittamiseksi, ja se on edelleen hallitseva menetelmä korkea- ja erittäin korkeajännitteisille siirtokaapeleille. Harvempi säteilytysmenetelmä käyttää elektronisuihkupommitusta ohutseinäisissä sovelluksissa. Jokainen tekniikka tuottaa saman geelisisältötavoitteen: vähintään 70 % geelifraktiota mitattuna kuumalla ksyleenillä, mikä varmistaa virumiskestävyyden edellyttämän verkon tiheyden jatkuvassa mekaanisessa paineessa korkeissa lämpötiloissa.

Kapellimestarirakennus ja näyttötekniikka

Mikään XLPE-dielektri ei toimi erillään. Johtimen ja eristeen sekä eristyksen ja metallisuojan väliset rajapinnat määräävät kriittisesti kaapelin osapurkauskäyttäytymisen ja lopullisen käyttöiän. Näitä liitäntöjä hallitaan puolijohtavilla suojuksilla, joita usein kutsutaan yksinkertaisesti johdin- ja eristyssuojiksi ja jotka suulakepuristetaan samanaikaisesti XLPE-eristeen kanssa kolmipääpuristusprosessissa.

Oikein levitetty johdinsuoja täyttää säikeen johtimen välit ja muodostaa täysin sileän lieriömäisen potentiaalintasauksen XLPE-kerroksen sisäpuolelle. Kaikki ulkonemat tai tyhjät pinnat tällä rajalla keskittävät sähköisen jännityksen ja käynnistävät osittaisen purkauksen, joka syövyttää eristystä sisältä ulospäin. Seulamateriaali itsessään on hiilimustakuormitettua polyeteeniyhdistettä, jolla on tyypillisesti tilavuusvastus alle 500 ohmimetriä 90°C:ssa. Eristeen ulkopuolella eristysverkko suorittaa käänteisen toiminnon, mikä estää ilmarakojen muodostumisen XLPE-pinnan ja metallinauhan tai lankasuojan välille. Nykyaikaisissa kolminkertaisesti puristetuissa kaapeleissa, joiden jännite on vähintään 15 kV, kaikki kolme kerrosta – johdinsuoja, XLPE-eristys ja eristyssuoja – levitetään yhdellä läpikäynnillä ristipään läpi ja sitten ristisilloitetaan yhteen. Tämä koekstrudoitu rakenne eliminoi erilliset kerrosrajat, jotka ovat historiallisesti aiheuttaneet delaminaatiovirheitä kuormituksen syklisessä lämpölaajenemisessa.

Ampacity ja oikosulku lämmönkestävyys

XLPE:n käyttölämpötilaetu tunnetaan hyvin, mutta sen oikosulkulämpönkestävyys on yhtä tärkeä ja jätetään usein huomiotta määrittelyssä. Kun vikavirta kulkee, johtimen lämpötila nousee millisekunneissa. XLPE sietää oikosulkujohtimen lämpötilaa 250 °C , kun taas tavallinen PVC-eristys on rajoitettu 160 °C:een samassa ohimenevässä tapahtumassa. Tämä korkeampi lämpökatto mahdollistaa pienemmän johtimen poikkileikkauksen kestämään tietyn vikavirran suuruuden ja selvitysajan, millä on suoria kustannusvaikutuksia kuparin tai alumiinin hankinnassa.

Alla olevassa taulukossa verrataan XLPE- ja PVC-eristeisen kuparijohtimien suurinta sallittua oikosulkuvirran tiheyttä yhden sekunnin vianpoistoajalla, mikä osoittaa saavutetun suunnittelumarginaalin.

Korkeampi oikosulkuluokitus on noin 143 ampeeria neliömillimetriä kohti XLPE:n kuparijohtimissa verrattuna 115 A/mm² PVC:hen XLPE-kaapeli kestää 24 % suurempaa vikavirtaa samalla johdinkoolla ja tyhjennysajalla ilman eristyksen heikkenemistä. Käytännössä tämä antaa suunnittelijalle usein mahdollisuuden valita standardikokoa pienemmän johtimen säilyttäen samalla täydellisen IEC 60949 -standardin mukaisen vian.

Water Treeing ja suojakuorirakentamisen asia

Keskijännitteisten XLPE-kaapeleiden hallitseva vanhenemismekanismi märissä ympäristöissä on vesipuiden muodostuminen. Tämä ilmiö tapahtuu, kun kosteus tunkeutuu eristeen läpi sähkökentän läsnä ollessa muodostaen mikroskooppisia, puun muotoisia kanavia kemiallisesti hajoavasta polymeeristä. Seitsemän-viisitoista vuoden aikana nämä vesipuut kasvavat jännityskeskittymispisteistä, kunnes ne muodostavat riittävän osan eristeen paksuudesta aiheuttaakseen dielektrisen hajoamisen käyttöjännitteellä.

Kaksi todistettua vastatoimea määrittelevät nyt parhaan käytännön XLPE-kaapeleille, jotka on tarkoitettu suoraan hautaamiseen tai märkäholviin. Ensimmäinen on tyypillisesti suulakepuristettu, saumaton metallinen kosteussulku kuparinauha, jossa on hitsattu ja aallotettu sauma tai jatkuvasti levitetty lyijyvaippa , liimattu ulompaan polyeteenivaippaan. Tämä este estää fyysisesti säteittäisen veden pääsyn eristysverkkoon ja eristyskerroksiin. Toinen on vettä hidastavien XLPE-yhdisteiden käyttö, jotka sisältävät polaarisia lisäaineita, jotka kemiallisesti immobilisoivat vesimolekyylejä polymeerin amorfisilla alueilla, mikä vähentää vesipuiden kasvunopeutta suuruusluokkaa. Kaikille 15 kV:n ja sitä korkeammille kaapeleille, jotka on asennettu kaivoon ajoittain upotettuna, metallisen säteittäisen kosteussulun ja puuta hidastavan XLPE:n määrittäminen ei ole enää ensiluokkainen vaihtoehto. se on vähimmäisrakenne neljänkymmenen vuoden käyttöiän saavuttamiseksi.

Päätteen stressinhallinta ja käyttöliittymäpaine

XLPE-kaapelijärjestelmien vikatilastot osoittavat johdonmukaisesti, että päätteet ja jatkokset ovat heikko lenkki, eivät itse kaapeli. Ongelmana on eristyssuojan äkillinen katkeaminen, joka aiheuttaa äärimmäisen tangentiaalisen sähköjännityksen seulan leikkausreunaan. Ilman valvottua luokittelua tämä stressi voi saavuttaa 50 kV tuumaa kohti tai enemmän 15 kV kaapelin nimellisvaihe-maajännitteellä käynnistäen pintajäljityksen, joka hiilyttää ja tuhoaa päätteen.

Lääke on päätteeseen integroitu stressinhallintaelementti. Suurjänniteliitännät käyttävät tyypillisesti johtavasta ja eristävästä kumista valmistettua geometrista jännityskartiota, joka muuttaa potentiaalintasauksen kenttäviivat lempeiksi gradienteiksi XLPE-pinnan poikki. Keskijännitteiset irrotettavat liittimet suorittavat saman toiminnon ruiskuvaletun elastomeerikotelon kanssa, joka soveltaa ohjattua säteittäistä häiriösovitusta 15 % - 25 % kaapelin eristyksen päälle. Tämä häiriösovitus ylläpitää rajapintapainetta kaikissa lämpöjaksoissa pitäen sisäiset sähköpinnat läheisessä kosketuksessa ja sulkeen ilman kriittisestä kolmipisteliitoksesta, jossa johdin, eristys ja ympäristö kohtaavat. Jokainen asentaja, joka jättää väliin liittimen rungolle määritellyn silikonivoiteluaineen tai ei pysty viistämään eristyssuojaa määritettyyn kulmaan, luo tyhjiön, joka muuttuu osittaiseksi purkauspaikaksi ja lopulta linja-maa-vioksi.

Kenttätestaus- ja käyttöönottoprotokollat

Valmis XLPE-kaapelipiiri vaatii käyttöönottotestin, joka osoittaa, että eristys ei ole vaurioitunut vetämisen ja päättämisen aikana, mutta samalla se ei vanhene tai heikennä äänikaapelia. Vanha DC-suurpotentiaalitestauksen lähestymistapa on hylätty ekstrudoidun XLPE:n osalta. DC-testaus ohjaa tilavarauksen eristysmassaan; kun testijännite poistetaan ja kaapeli kytketään uudelleen vaihtovirtaan, tämä loukkuun jäänyt tilavaraus asettuu AC-aaltomuodon päälle ja voi aiheuttaa häiriön, jota kaapeli ei olisi kokenut käytössä.

Hyväksytty nykyaikainen protokolla uuden XLPE-kaapelin käyttöönotolle on a erittäin matalataajuinen (VLF) kestotesti 0,1 Hz:llä , jota käytetään tyypillisesti 30 - 60 minuuttia jännitetasolla, joka on 2,0 - 3,0 kertaa linja-maa-käyttöjännite. 15 kV kaapelille, jonka nimellisarvo on 8,7 kV vaihe-maahan, testijännite asetetaan yleensä arvoon 22 kV huippu . Kestävyystestin liittäminen tan delta-mittauksella useilla jänniteportailla antaa kvantitatiivisen dielektrisen häviön perusviivan, jota voidaan verrata tuleviin diagnostisiin testeihin eristyksen ikääntymisen seuraamiseksi. Uuden, hyvässä kunnossa olevan XLPE-kaapelin alla pitäisi näkyä kellanruskea kolmio 0,2 × 10⁻³ minimaalisella delta-tan-delta -poikkeamalla jänniteaskeleiden välillä. Arvot, jotka ylittävät tämän kynnyksen ennen kaapelin käyttöönottoa, viittaavat saastumiseen, kosteuden sisäänpääsyyn tai huonoon ekstruusiolaatuun, mikä oikeuttaa tutkimuksen ennen kuin asentaja hyväksyy piirin.