Cabluri de alimentare izolate XLPE: Evaluări, instalare și testare

Chimia din spatele superiorității termice

Performanța de Izolație XLPE își are originea în structura sa moleculară. Spre deosebire de polietilena termoplastică, care se înmoaie și curge la temperaturi ridicate, XLPE trece printr-un proces de reticulare care leagă lanțurile polimerice individuale într-o rețea tridimensională. Această transformare transformă un material care s-ar topi la aproximativ 105°C într-un termorezistent care menține integritatea mecanică și rezistența dielectrică cu mult peste limita sa nominală continuă de 90°C.

Legătura încrucișată în sine este realizată printr-una dintre cele trei metode industriale. Procesul de altoire cu silan folosește umiditatea pentru a vindeca izolația la temperaturi ambientale, producând un dielectric curat, fără goluri, potrivit pentru cablurile de medie tensiune de până la 35 kV. Procesul de peroxid, aplicat printr-un tub de vulcanizare continuă de înaltă presiune, descompune peroxidul de dicumil la temperatură și presiune ridicate pentru a iniția reticulare și rămâne metoda dominantă pentru cablurile de transmisie de înaltă și foarte înaltă tensiune. O metodă de iradiere mai puțin obișnuită folosește bombardarea cu fascicul de electroni pentru aplicații cu pereți subțiri. Fiecare tehnică produce aceeași țintă de conținut de gel: minim 70% fracție de gel măsurată prin extracția cu xilen fierbinte, asigurând densitatea rețelei necesară pentru rezistența la fluaj sub presiune mecanică susținută la temperaturi ridicate.

Construcția conducătorilor și ingineria ecranelor

Niciun dielectric XLPE nu funcționează izolat. Interfețele dintre conductor și izolație și dintre izolație și ecranul metalic determină în mod critic comportamentul de descărcare parțială a cablului și durata de viață finală. Aceste interfețe sunt gestionate de ecrane semiconductoare, adesea denumite pur și simplu ecrane conductoare și izolatoare, extrudate simultan cu izolația XLPE într-un proces de extrudare cu trei capete.

Un ecran conductor aplicat corespunzător umple interstițiile unui conductor torsionat și prezintă o suprafață echipotențială cilindrică perfect netedă în interiorul stratului XLPE. Orice proeminență sau gol la această limită concentrează stresul electric, inițiind descărcarea parțială care erodează izolația din interior spre exterior. Materialul ecranului în sine este un compus de polietilenă încărcat cu negru de fum, cu o rezistivitate de volum de obicei sub 500 ohm-metri la 90°C. Pe exteriorul izolației, ecranul de izolare îndeplinește funcția inversă, prevenind golurile de aer între suprafața XLPE și banda metalică sau scutul de sârmă. În cablurile moderne triplu-extrudate cu o valoare nominală de 15 kV și mai sus, toate cele trei straturi - ecran conductor, izolație XLPE și ecran izolator - sunt aplicate într-o singură trecere printr-o matriță de cruce, apoi reticulate împreună. Această construcție coextrudată elimină limitele discrete ale stratului care au cauzat în trecut defecțiuni de delaminare în timpul expansiunii termice cu cicluri de încărcare.

Ampacitate și rezistență termică la scurtcircuit

Avantajul temperaturii de funcționare a XLPE este bine cunoscut, dar capacitatea sa de rezistență termică la scurtcircuit este la fel de importantă și adesea trecută cu vederea în timpul specificațiilor. Când curge un curent de defect, temperatura conductorului crește în milisecunde. XLPE tolerează o temperatură a conductorului de scurtcircuit de 250°C , în timp ce izolația standard din PVC este limitată la 160°C pentru același eveniment tranzitoriu. Acest plafon termic mai mare permite ca o secțiune transversală a conductorului mai mică să supraviețuiască unei anumite mărimi a curentului de defect și timp de eliminare, cu implicații directe ale costurilor pentru achiziția de cupru sau aluminiu.

Tabelul de mai jos compară densitatea maximă admisibilă a curentului de scurtcircuit pentru conductorii de cupru sub izolație XLPE și PVC pentru un timp de o secundă de eliminare a defecțiunii, demonstrând marja de inginerie câștigată.

Valoarea de scurtcircuit mai mare de aproximativ 143 de amperi pe milimetru pătrat pentru conductorii de cupru sub XLPE, față de 115 A/mm² pentru PVC, înseamnă că un cablu XLPE poate rezista la un curent de defect cu 24% mai mare pentru aceeași dimensiune a conductorului și timp de curățare fără degradarea izolației. În practică, acest lucru permite adesea proiectantului să aleagă un conductor cu o dimensiune standard mai mică, menținând în același timp conformitatea totală cu IEC 60949.

Water Treeing și cazul pentru construcții cu manta

Mecanismul dominant de îmbătrânire pentru cablurile XLPE de medie tensiune în medii umede este arborerea apei. Acest fenomen apare atunci când umiditatea pătrunde în izolație în prezența unui câmp electric, formând canale microscopice, în formă de copac, de polimer degradat chimic. Pe o perioadă de șapte până la cincisprezece ani, acești copaci de apă cresc din punctele de concentrare a stresului până când unesc suficient de grosime a izolației pentru a provoca o defecțiune dielectrică la tensiunea de funcționare.

Două contramăsuri dovedite definesc acum cele mai bune practici pentru cablurile XLPE destinate pentru îngropare directă sau bolți umede. Prima este o barieră metalică extrudată, fără sudură, de umiditate bandă de cupru cu o cusătură sudată și ondulată sau o manta de plumb aplicată continuu , lipit de mantaua exterioară din polietilenă. Această barieră blochează fizic pătrunderea radială a apei în ecranul de izolație și în straturile de izolație. A doua este utilizarea compușilor XLPE ignifugă de apă, care încorporează aditivi polari care imobilizează chimic moleculele de apă în regiunile amorfe ale polimerului, reducând rata de creștere a copacilor de apă ventilați cu un ordin de mărime. Pentru orice cablu de 15 kV și mai mult instalat într-o cămină supusă scufundarii periodice, specificarea atât a unei bariere metalice radiale împotriva umezelii, cât și a unui XLPE ignifug pentru arbori nu mai este o opțiune premium; este construcția minimă necesară pentru a obține o durată de viață de patruzeci de ani.

Controlul stresului de terminare și presiunea interfeței

Statisticile de defecțiuni ale sistemelor de cablu XLPE indică în mod constant terminațiile și îmbinările ca veriga slabă, nu cablul în sine. Problema este întreruperea bruscă a ecranului de izolare, care creează o solicitare electrică tangenţială extremă la marginea tăiată a ecranului. Fără o clasificare controlată, acest stres poate ajunge 50 kV pe inch sau mai mare la tensiunea nominală fază-sol pentru un cablu de 15 kV, inițiind urmărirea la suprafață care carbonizează și distruge terminația.

Remediul este un element de control al stresului integrat în terminație. Terminațiile de înaltă tensiune utilizează în mod obișnuit un con de stres geometric realizat din cauciuc conductor și izolator care reformează liniile de câmp echipotențial într-un gradient ușor pe suprafața XLPE. Conectorii separabili de medie tensiune îndeplinesc aceeași funcție cu o carcasă elastomerică turnată prin injecție care aplică o potrivire de interferență radială controlată de 15% până la 25% peste izolația cablului. Această potrivire prin interferență menține presiunea interfeței în toate ciclurile termice, menținând suprafețele electrice interne în contact intim și excluzând aerul din joncțiunea critică în trei puncte, unde conductorul, izolația și mediul se întâlnesc. Orice instalator care omite lubrifiantul siliconic specificat pentru corpul conectorului sau care nu reușește să teșite ecranul de izolație tăiat la unghiul specificat, creează un gol care se va transforma într-un loc de descărcare parțială și, în cele din urmă, într-o defecțiune de linie la masă.

Protocoale de testare pe teren și punere în funcțiune

Circuitul de cablu XLPE finalizat necesită un test de punere în funcțiune care să demonstreze că izolația nu a fost deteriorată în timpul tragerii și terminarii, în timp ce simultan nu se îmbătrânește sau slăbește un cablu de sunet. Abordarea moștenită a testării DC cu potențial ridicat a fost definitiv discreditată pentru XLPE extrudat. Testarea DC conduce încărcarea spațiului în volumul izolației; atunci când tensiunea de testare este îndepărtată și cablul este reactivat cu AC, această încărcătură de spațiu prinsă se suprapune pe forma de undă de CA și poate precipita o defecțiune pe care cablul nu ar fi experimentat-o ​​în funcționare.

Protocolul modern acceptat pentru punerea în funcțiune a noilor cabluri XLPE este a Test de rezistență la frecvență foarte joasă (VLF) la 0,1 Hz , aplicat de obicei timp de 30 până la 60 de minute la un nivel de tensiune de 2,0 până la 3,0 ori mai mare decât tensiunea de operare de la linie la pământ. Pentru un cablu de 15 kV cu un rating faza-sol de 8,7 kV, tensiunea de testare este de obicei stabilită la 22 kV vârf . Însoțirea testului de rezistență cu o măsurare tan delta la mai mulți pași de tensiune oferă o linie de bază cantitativă a pierderii dielectrice care poate fi comparată cu testele de diagnosticare viitoare pentru a urmări îmbătrânirea izolației. Un cablu XLPE nou, în stare bună, ar trebui să prezinte mai jos o deltă cafenie 0,2 × 10⁻³ cu o abatere minimă delta-tan-delta pe treptele de tensiune. Valorile care depășesc acest prag înainte ca cablul să intre în funcțiune sugerează contaminarea, pătrunderea umezelii sau calitatea proastă a extrudarii care justifică investigarea înainte ca circuitul să fie acceptat de la instalator.