كابلات الطاقة المعزولة بـ XLPE: التقييمات والاختبارات

تقييمات الجهد ومستويات العزل

كابلات الكهرباء المعزولة بـ XLPE 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 كيلو فولت لمدة خمس دقائق أثناء اختبار قبول المصنع، والتحقق من سلامة الطبقة العازلة المبثوقة.

يتطلب تحديد تصنيف الجهد الصحيح مطابقة الكبل مع الحد الأقصى لجهد التشغيل المستمر للنظام ومدة العطل الأرضي المتوقعة. بالنسبة لنظام 12 كيلو فولت حيث يتم إزالة العيوب الأرضية خلال ثانية واحدة، قد يكون كابل 6/10 كيلو فولت أصغر من الحجم بمجرد أخذ الجهد الزائد العابر في الاعتبار. مقاييس سمك العزل مع فئة الجهد: ميزات كابل الطاقة المعزول XLPE النموذجي بقدرة 15 كيلو فولت 4.5 ملم من عزل XLPE ، بينما يزيد كابل 35 كيلو فولت هذا إلى ما يقرب من 8.4 ملم . يؤثر هذا السُمك الإضافي بشكل مباشر على القطر الإجمالي للكابل، وصلابة الانحناء، وحسابات شد السحب المطلوبة أثناء التثبيت.

القدرة الاستيعابية الحالية وعوامل التدهور

إن سعة كابلات الطاقة المعزولة بـ XLPE ليست رقمًا ثابتًا واحدًا. يتغير بناءً على طريقة التثبيت ودرجة الحرارة المحيطة والمقاومة الحرارية للتربة وقرب الدوائر المجاورة. قد يحمل كابل XLPE نحاسي ثلاثي النواة مقاس 240 مم² مُصمم للدفن المباشر 480 أمبير عند درجة حرارة الموصل 90 درجة مئوية بشكل منفصل، ولكن هذا الرقم ينخفض بشكل ملحوظ عندما يتم تركيب الكابل في بنك قناة مع أربع دوائر محملة أخرى ومقاومة حرارية للتربة تبلغ 1.2 كيلو متر/وات بدلاً من 1.0 كيلو متر/وات المفترضة.

يعرض الجدول أدناه عوامل تخفيض القدرة النموذجية المطبقة على كابلات الطاقة المعزولة XLPE المثبتة في تكوينات مختلفة، بناءً على إرشادات IEC 60364-5-52.

التأثير التراكمي لعوامل التدهور المتعددة يكون مضاعفًا. قد يشهد الكابل الموجود في مجموعة قنوات ذات أربع دوائر ذات درجة حرارة أرضية مرتفعة انخفاضًا في سعته الفعالة إلى 270 ألف أو أقل ، بالكاد نصف تصنيف الهواء الحر. تصبح مواد الردم الحرارية ذات المقاومة المنخفضة، مثل الرمل المرتبط بالأسمنت أو الجص المصمم خصيصًا المحيط ببنك القناة، من تدابير التخفيف الأساسية لاستعادة القدرة المفقودة دون زيادة حجم المقطع العرضي للموصل.

تفاوتات التثبيت وحدود السحب

يتطلب التثبيت الميداني لكابلات الطاقة المعزولة بـ XLPE التزامًا صارمًا بالحد الأدنى من نصف قطر الانحناء والحد الأقصى لشد السحب. الحد الأدنى لنصف قطر الانحناء لكابل XLPE أحادي النواة أثناء التثبيت هو عادةً 15 ضعف القطر الإجمالي للكابل ، وتزيد إلى 12 مرة للكابلات ثلاثية النواة. يؤدي تجاوز نصف القطر هذا إلى حدوث ضرر لا يمكن إصلاحه لهيكل العزل XLPE: يضغط نصف القطر الداخلي بينما يمتد نصف القطر الخارجي، مما قد يؤدي إلى إنشاء فراغات صغيرة تتطور إلى مواقع تفريغ جزئي تحت جهد التشغيل.

تعمل حدود الشد على حماية الموصل والعزل من التلف الميكانيكي أثناء مد الكابل. يجب ألا يتجاوز الحد الأقصى لشد السحب لكابل XLPE ذي الموصل النحاسي 50 ن لكل مليمتر مربع من المقطع العرضي للموصل . بالنسبة لموصل نحاسي بمساحة 300 مم²، فإن هذا يترجم إلى 15000 نيوتن من قوة السحب المسموح بها. ويجب حساب هذا التوتر على طول مسار السحب المخطط بأكمله، بما في ذلك الاحتكاك المتزايد عند كل انحناء للقناة. تعمل مواد تشحيم الكابلات المتوافقة مع مادة غلاف XLPE، والتي عادةً ما تكون عبارة عن مادة هلامية من البنتونيت أو البوليمر، على تقليل معامل الاحتكاك إلى ما يقرب من 0.25 إلى 0.35 ، مما يقلل بشكل كبير من قوة السحب المطلوبة. يجب أيضًا فحص ضغط الجدار الجانبي حيث يتحمل الكابل الجزء الداخلي من انحناء القناة، مع حد نموذجي قدره 1500 نيوتن لكل متر من نصف قطر الانحناء لكابلات XLPE لمنع تشوه العزل.

ممارسات الإنهاء والربط

تمثل النقاط التي تتصل بها كابلات الطاقة المعزولة XLPE بمجموعة المفاتيح الكهربائية أو لصقها بأقسام الكابلات الأخرى أعلى مواقع الفشل الإحصائية في أي شبكة. يؤدي الإنهاء الذي تم تنفيذه بشكل صحيح إلى إعادة بناء التحكم في الضغط الكهربائي الذي توفره شاشة العزل المطبقة في المصنع. تخلق نقطة قطع الشاشة منطقة ذات إجهاد كهربائي مرتفع، ويجب أن يقوم أنبوب التحكم في الإجهاد أو مخروط الإجهاد الهندسي بتصنيف هذا الجهد بسلاسة من جهد الموصل إلى جهد الأرض على طول طول النهاية.

تتطلب نهايات الانكماش الحراري لكابلات XLPE بقدرة 15 كيلو فولت إعدادًا منهجيًا: تتم إزالة الغلاف الخارجي لكشف الدرع المعدني، ويتم قطع الدرع إلى البعد المحدد، ويتم تقشير شاشة العزل مرة أخرى لكشف XLPE النظيف، ويتم صنفرة السطح العازل بشكل ناعم بحبيبات كاشطة تحددها الشركة المصنعة للإنهاء. أي علامة نقاط متبقية على سطح XLPE نتيجة قطع سكين مهمل أثناء إزالة الشاشة تصبح نقطة بدء تفريغ جزئي. يجب أن يتداخل مصطكي أو أنابيب التحكم في الضغط مع حافة الشاشة بالمسافة المحددة من قبل الشركة المصنعة، عادةً 15 ملم إلى 25 ملم لضمان انكسار خطوط المجال الكهربائي بسلاسة دون تتبع السطح. بعد التثبيت، يجب تجعيد العروة الطرفية بقالب سداسي مطابق لفئة الموصل والمقطع العرضي، مع تطبيق ضغط كافٍ لتحقيق لحام بارد محكم بالغاز بين برميل العروة والخيوط النحاسية.

الاختبار الميداني والتشغيل

يعد اختبار كابلات الطاقة المعزولة بـ XLPE بعد التثبيت ولكن قبل التنشيط هو البوابة النهائية التي تكتشف عيوب التصنيع وأضرار النقل وأخطاء الإنهاء. اختبار التشغيل المقبول لدوائر XLPE الجديدة ذات الجهد المتوسط هو أ شكل موجة جيبية بتردد منخفض جدًا عند 0.1 هرتز ، يتم تطبيقه لمدة تتراوح من 30 إلى 60 دقيقة. بالنسبة لكابل 15 كيلو فولت مع تصنيف 8.7 كيلو فولت من الطور إلى الأرض، يتم ضبط جهد اختبار VLF عادةً على 2.0 إلى 3.0 يو₀ ، الموافق لحوالي 18 كيلو فولت إلى 26 كيلو فولت.

لقد تم التخلي عن اختبار الجهد العالي للتيار المستمر، الذي كان بمثابة ممارسة قياسية، لكابلات الطاقة المعزولة بـ XLPE لأنه يودع شحنة مساحة في العزل مما قد يؤدي إلى حدوث فشل أثناء الخدمة بعد إعادة توصيل الكابل بالتيار المتردد. يوفر اختبار VLF، جنبًا إلى جنب مع قياس tan delta في خطوات جهد متعددة، خطًا أساسيًا للتشخيص. يجب أن يظهر كبل XLPE الجديد والصحي قيمة دلتا tan أدناه 0.2 × 10⁻³ مع الحد الأدنى من الاختلاف بين خطوات الجهد. يشير أي كابل يظهر دلتا تان تتجاوز هذه العتبة، أو زيادة في التغيير التدريجي بين مستويات الجهد المتعاقبة، إلى التلوث أو دخول الرطوبة أو عيوب البثق التي تستدعي التحقيق واستبدال الكابل المحتمل قبل وضع الدائرة في الخدمة.

مراقبة الشيخوخة والحالة على المدى الطويل

يتحلل عزل XLPE من خلال آليتين أساسيتين: التعتيق الحراري الناتج عن التشغيل المستمر عند حد 90 درجة مئوية أو بالقرب منه، ونمو شجرة الماء في وجود الرطوبة والضغط الكهربائي. تشتمل مركبات XLPE الحديثة على إضافات مثبطة للمياه، لكن الكابلات المصنعة قبل الاعتماد الواسع النطاق لهذه التركيبات في التسعينيات تظل عرضة للخطر. تستخدم برامج مراقبة الحالة رسم خرائط التفريغ الجزئي والتحليل الطيفي العازل لتحديد كابلات الطاقة المعزولة XLPE القديمة قبل أن تفشل في الخدمة.

يقوم قياس التفريغ الجزئي، الذي يتم إجراؤه باستخدام قارنات سعوية عند النهايات أو محولات تيار عالية التردد حول التوصيل الأرضي للكابل، بالكشف عن عمليات التفريغ ذات مقادير شحن واضحة منخفضة مثل من 5 إلى 10 بيكو كولوم . إن الكابل الذي يظهر جهد بداية تفريغ جزئي أقل من 1.3 مرة من جهد التشغيل يقترب من حالة يكون فيها الخطأ محتملاً خلال سنة إلى ثلاث سنوات القادمة. بالنسبة للدوائر الحرجة، توفر أنظمة مراقبة التفريغ الجزئي عبر الإنترنت المثبتة بشكل دائم عند نهايات المفاتيح الكهربائية مراقبة مستمرة لحالة كابل الطاقة المعزول XLPE، مما يؤدي إلى إطلاق الإنذارات عند تغير نشاط التفريغ في الحجم أو معدل التكرار. تسمح هذه البيانات لمديري الأصول بجدولة انقطاعات التيار المخطط لها لاستبدال الكابلات بدلاً من الاستجابة لخطأ طارئ يقطع الإنتاج أو تقديم الخدمة.