كابلات الطاقة المعزولة بـ XLPE: التقييمات والتركيب والاختبار

الكيمياء وراء التفوق الحراري

أداء العزل XLPE ينشأ في تركيبته الجزيئية. على عكس البولي إيثيلين الحراري، الذي ينعم ويتدفق عند درجات حرارة مرتفعة، يخضع XLPE لعملية ربط متقاطع تربط سلاسل البوليمر الفردية في شبكة ثلاثية الأبعاد. يحول هذا التحويل مادة من شأنها أن تذوب تقريبًا 105 درجة مئوية في مادة حرارية تحافظ على السلامة الميكانيكية وقوة العزل الكهربائي بما يتجاوز حدها المستمر البالغ 90 درجة مئوية.

يتم تحقيق الارتباط المتقاطع نفسه من خلال إحدى الطرق الصناعية الثلاث. تستخدم عملية تطعيم السيلاني الرطوبة لمعالجة العزل في درجات الحرارة المحيطة، مما يؤدي إلى إنتاج عازل نظيف وخالي من الفراغات ومناسب للكابلات ذات الجهد المتوسط ​​حتى 35 كيلو فولت. تعمل عملية البيروكسيد، التي يتم تطبيقها من خلال أنبوب الفلكنة المستمر عالي الضغط، على تحلل بيروكسيد الديكيوميل عند درجة حرارة وضغط مرتفعين لبدء الارتباط المتبادل، وتظل الطريقة السائدة لكابلات نقل الجهد العالي والجهد العالي للغاية. تستخدم طريقة التشعيع الأقل شيوعًا قصف شعاع الإلكترون لتطبيقات الجدران الرقيقة. تنتج كل تقنية نفس محتوى الجل المستهدف: الحد الأدنى 70٪ جزء هلام كما تم قياسه عن طريق استخلاص الزيلين الساخن، مما يضمن كثافة الشبكة المطلوبة لمقاومة الزحف تحت ضغط ميكانيكي مستمر في درجات حرارة مرتفعة.

بناء الموصلات وهندسة الشاشة

لا يوجد عازل XLPE يعمل بشكل منعزل. تحدد الواجهات بين الموصل والعزل، وبين العزل والدرع المعدني، بشكل حاسم سلوك التفريغ الجزئي للكابل وعمر الخدمة النهائي. تتم إدارة هذه الواجهات بواسطة شاشات شبه موصلة، غالبًا ما يشار إليها ببساطة باسم شاشات الموصل والعزل، والتي يتم بثقها في وقت واحد مع عزل XLPE في عملية بثق ثلاثية الرؤوس.

تملأ شاشة الموصل المطبقة بشكل صحيح الفجوات للموصل الذي تقطعت به السبل وتقدم سطحًا أسطوانيًا متساوي الجهد تمامًا إلى داخل طبقة XLPE. يؤدي أي نتوء أو فراغ عند هذه الحدود إلى تركيز الضغط الكهربائي، مما يؤدي إلى تفريغ جزئي يؤدي إلى تآكل العزل من الداخل إلى الخارج. مادة الشاشة نفسها عبارة عن مركب بولي إيثيلين محمّل بالكربون الأسود مع مقاومة حجمية عادةً أقل من 500 أوم متر عند 90 درجة مئوية. على الجزء الخارجي من العزل، تؤدي شاشة العزل الوظيفة العكسية، مما يمنع وجود فجوات هوائية بين سطح XLPE والشريط المعدني أو درع السلك. في الكابلات الحديثة المبثوقة ثلاثية الجهد والتي تبلغ 15 كيلو فولت وما فوق، يتم تطبيق الطبقات الثلاث - شاشة الموصل، وعزل XLPE، وشاشة العزل - في مسار واحد من خلال قالب متقاطع، ثم يتم ربطها معًا بشكل متقاطع. يعمل هذا البناء بالبثق المشترك على إزالة حدود الطبقة المنفصلة التي تسببت تاريخيًا في فشل التصفيح تحت التمدد الحراري لدورة الحمل.

السعة والتحمل الحراري للدائرة القصيرة

إن ميزة درجة حرارة التشغيل لـ XLPE معروفة جيدًا، ولكن قدرتها على التحمل الحراري للدائرة القصيرة لها نفس القدر من الأهمية ويتم تجاهلها كثيرًا أثناء المواصفات. عندما يتدفق تيار عطل، ترتفع درجة حرارة الموصل بالمللي ثانية. يتحمل XLPE درجة حرارة موصل الدائرة القصيرة البالغة 250 درجة مئوية ، بينما يقتصر عزل PVC القياسي على 160 درجة مئوية لنفس الحدث العابر. يسمح هذا السقف الحراري المرتفع لمقطع عرضي أصغر للموصل بالبقاء على قيد الحياة عند حجم تيار خطأ معين ووقت إزالة، مع آثار مباشرة على التكلفة لشراء النحاس أو الألومنيوم.

يقارن الجدول أدناه الحد الأقصى المسموح به لكثافة تيار الدائرة القصيرة للموصلات النحاسية تحت عزل XLPE وPVC لمدة ثانية واحدة لإزالة الخلل، مما يوضح الهامش الهندسي المكتسب.

أعلى تصنيف ماس كهربائى تقريبًا 143 أمبير لكل مليمتر مربع بالنسبة للموصلات النحاسية تحت XLPE، مقابل 115 أمبير/مم² للـ PVC، يعني أن كابل XLPE يمكنه تحمل تيار خطأ أعلى بنسبة 24% لنفس حجم الموصل ووقت التنظيف دون تدهور العزل. من الناحية العملية، يسمح هذا غالبًا للمصمم باختيار موصل بحجم قياسي أصغر بدرجة واحدة مع الحفاظ على التوافق الكامل مع المواصفة IEC 60949.

تشجير المياه وحالة البناء المغلف

آلية التقادم السائدة لكابلات XLPE ذات الجهد المتوسط في البيئات الرطبة هي تشجير المياه. تحدث هذه الظاهرة عندما تخترق الرطوبة المادة العازلة في وجود مجال كهربائي، وتشكل قنوات مجهرية على شكل شجرة من البوليمر المتحلل كيميائيًا. على مدى فترة تتراوح من سبعة إلى خمسة عشر عامًا، تنمو أشجار المياه هذه من نقاط تركيز الإجهاد حتى تصل إلى ما يكفي من سمك العزل لتسبب انهيار العزل الكهربائي عند جهد التشغيل.

هناك الآن إجراءان مضادان مثبتان يحددان أفضل الممارسات لكابلات XLPE المخصصة للدفن المباشر أو الأقبية الرطبة. الأول عبارة عن حاجز رطوبة معدني مبثوق وغير ملحوم، عادةً شريط نحاسي مع درز ملحوم ومموج أو غمد رصاص مطبق بشكل مستمر ، المستعبدين إلى سترة البولي ايثيلين الخارجي. يمنع هذا الحاجز ماديًا دخول الماء الشعاعي إلى شاشة العزل وطبقات العزل. والثاني هو استخدام مركبات XLPE المثبطة للماء، والتي تتضمن إضافات قطبية تعمل على تثبيت جزيئات الماء كيميائيًا داخل المناطق غير المتبلورة من البوليمر، مما يقلل من معدل نمو أشجار المياه المهواة بمقدار كبير. بالنسبة لأي كابل بجهد 15 كيلو فولت أو أكثر يتم تركيبه في فتحة تخضع للغمر الدوري، فإن تحديد كل من حاجز الرطوبة الشعاعي المعدني وXLPE المقاوم للأشجار لم يعد خيارًا ممتازًا؛ إنه الحد الأدنى من البناء اللازم لتحقيق عمر خدمة يصل إلى أربعين عامًا.

التحكم في إجهاد الإنهاء وضغط الواجهة

تشير إحصائيات فشل أنظمة كبلات XLPE باستمرار إلى النهايات والتوصيلات باعتبارها الحلقة الضعيفة، وليس الكبل نفسه. تكمن المشكلة في الانقطاع المفاجئ لشاشة العزل، مما يؤدي إلى حدوث ضغط كهربائي عرضي شديد عند حافة قطع الشاشة. بدون الدرجات الخاضعة للرقابة، يمكن أن يصل هذا الضغط 50 كيلو فولت لكل بوصة أو أعلى عند جهد الطور إلى الأرض المقدر لكابل 15 كيلو فولت، يبدأ تتبع السطح الذي يؤدي إلى تفحيم الإنهاء وتدميره.

العلاج هو عنصر التحكم في الضغط المدمج في الإنهاء. عادةً ما تستخدم نهايات الجهد العالي مخروط ضغط هندسي مصنوع من مطاط موصل وعازل يعمل على إصلاح خطوط المجال متساوية الجهد إلى تدرج لطيف عبر سطح XLPE. تؤدي الموصلات القابلة للفصل ذات الجهد المتوسط نفس الوظيفة من خلال غلاف مطاطي مصبوب بالحقن والذي يطبق تداخلًا شعاعيًا متحكمًا به 15% إلى 25% فوق عزل الكابل. يحافظ هذا التداخل على ضغط الواجهة عبر جميع الدورات الحرارية، مما يحافظ على الأسطح الكهربائية الداخلية على اتصال وثيق ويستبعد الهواء من الوصلة الثلاثية الحرجة حيث يلتقي الموصل والعزل والبيئة المحيطة. أي عامل تركيب يتخطى مادة تشحيم السيليكون المحددة لجسم الموصل، أو يفشل في شطب شاشة العزل المقطوعة إلى الزاوية المحددة، يخلق فراغًا سيتحول إلى موقع تفريغ جزئي وفي النهاية إلى خطأ من الخط إلى الأرض.

بروتوكولات الاختبار والتشغيل الميداني

تتطلب دائرة كابل XLPE المكتملة اختبار التشغيل الذي يثبت عدم تعرض العزل للتلف أثناء السحب والإنهاء، وفي الوقت نفسه عدم تقادم كابل الصوت أو إضعافه. لقد فقد النهج القديم للاختبار عالي الإمكانات للتيار المستمر مصداقيته بشكل نهائي بالنسبة لـ XLPE المبثوق. يؤدي اختبار التيار المستمر إلى دفع الشحنات الفضائية إلى الجزء العازل؛ عندما تتم إزالة جهد الاختبار وإعادة تنشيط الكبل بالتيار المتردد، فإن شحنة الفضاء المحاصرة هذه تتراكب على شكل موجة التيار المتردد ويمكن أن تؤدي إلى حدوث عطل لم يكن من الممكن أن يتعرض له الكبل أثناء الخدمة.

البروتوكول الحديث المقبول لتشغيل كابل XLPE الجديد هو أ اختبار تحمل التردد المنخفض جدًا (VLF) عند 0.1 هرتز ، يتم تطبيقه عادةً لمدة 30 إلى 60 دقيقة عند مستوى جهد يتراوح من 2.0 إلى 3.0 أضعاف جهد التشغيل من الخط إلى الأرض. بالنسبة لكابل 15 كيلو فولت مع تصنيف 8.7 كيلو فولت من الطور إلى الأرض، يتم ضبط جهد الاختبار بشكل شائع على ذروة 22 كيلو فولت . إن مرافقة اختبار الصمود مع قياس دلتا تان في خطوات جهد متعددة يوفر خط أساس كمي لفقد العزل الكهربائي الذي يمكن مقارنته مع الاختبارات التشخيصية المستقبلية لتتبع تقادم العزل. يجب أن يظهر كبل XLPE الجديد بحالة جيدة دلتا تان أدناه 0.2 × 10⁻³ مع الحد الأدنى من انحراف دلتا-تان-دلتا عبر خطوات الجهد. تشير القيم التي تتجاوز هذا الحد قبل دخول الكابل إلى الخدمة إلى وجود تلوث أو دخول رطوبة أو سوء جودة البثق مما يستدعي التحقيق قبل قبول الدائرة من القائم بالتركيب.