Силовые кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена: характеристики, установка и испытания

Химия, лежащая в основе теплового превосходства

Производительность Изоляция из сшитого полиэтилена обусловлено его молекулярной структурой. В отличие от термопластичного полиэтилена, который размягчается и течет при повышенных температурах, сшитый полиэтилен подвергается процессу сшивания, который связывает отдельные полимерные цепи в трехмерную сетку. Это преобразование преобразует материал, который плавится при температуре примерно 105°С в термореактивный материал, который сохраняет механическую целостность и диэлектрическую прочность значительно выше номинального непрерывного предела 90°С.

Сама сшивка достигается одним из трех промышленных методов. В процессе прививки силаном используется влага для отверждения изоляции при температуре окружающей среды, в результате чего получается чистый диэлектрик без пустот, подходящий для кабелей среднего напряжения до 35 кВ. Пероксидный процесс, применяемый через трубку непрерывной вулканизации под высоким давлением, разлагает дикумилпероксид при повышенной температуре и давлении, вызывая сшивку, и остается доминирующим методом для кабелей передачи высокого и сверхвысокого напряжения. Менее распространенный метод облучения использует бомбардировку электронным лучом для тонкостенных изделий. Каждый метод обеспечивает одинаковое целевое содержание геля: минимум 70% гелевой фракции по результатам экстракции горячим ксилолом, обеспечивающая плотность сетки, необходимую для сопротивления ползучести при постоянном механическом давлении и повышенных температурах.

Конструкция проводников и экранирование

Ни один диэлектрик из сшитого полиэтилена не работает изолированно. Интерфейсы между проводником и изоляцией, а также между изоляцией и металлическим экраном критически определяют поведение кабеля при частичном разряде и его максимальный срок службы. Эти интерфейсы управляются полупроводниковыми экранами, часто называемыми просто проводниковыми и изоляционными экранами, экструдированными одновременно с изоляцией из сшитого полиэтилена в процессе экструзии с тремя головками.

Правильно нанесенный экран проводника заполняет пустоты многожильного проводника и создает идеально гладкую цилиндрическую эквипотенциальную поверхность внутри слоя сшитого полиэтилена. Любой выступ или пустота на этой границе концентрирует электрическое напряжение, вызывая частичный разряд, который разрушает изоляцию изнутри наружу. Сам материал экрана представляет собой полиэтиленовый компаунд с содержанием технического углерода и объемным сопротивлением, обычно ниже 500 Ом-метров при 90°С. С внешней стороны изоляции изоляционный экран выполняет обратную функцию, предотвращая образование воздушных зазоров между поверхностью из сшитого полиэтилена и металлической лентой или экраном провода. В современных кабелях тройной экструзии на напряжение 15 кВ и выше все три слоя — экран проводника, изоляция из сшитого полиэтилена и изоляционный экран — наносятся за один проход через крейцкопф, а затем сшиваются вместе. Эта соэкструдированная конструкция устраняет границы дискретных слоев, которые исторически вызывали расслоение при термическом расширении при циклической нагрузке.

Допустимая токовая нагрузка и термическая стойкость при коротком замыкании

Преимущество сшитого полиэтилена при рабочей температуре хорошо известно, но его термостойкость при коротком замыкании не менее важна и часто упускается из виду при составлении спецификаций. При протекании тока повреждения температура проводника повышается за миллисекунды. Сшитый полиэтилен выдерживает температуру проводника короткого замыкания 250°С , в то время как стандартная изоляция из ПВХ ограничена температурой 160°С для того же переходного процесса. Этот более высокий тепловой потолок позволяет проводнику меньшего сечения выдерживать заданную величину тока повреждения и время отключения, что напрямую влияет на затраты на закупку меди или алюминия.

В таблице ниже сравниваются максимально допустимые плотности тока короткого замыкания для медных проводников с изоляцией из сшитого полиэтилена и ПВХ за время устранения повреждения в одну секунду, что демонстрирует достигнутый инженерный запас.

Более высокий номинал короткого замыкания примерно 143 ампера на квадратный миллиметр для медных проводников под сшитым полиэтиленом по сравнению со 115 А/мм² для ПВХ, это означает, что кабель из сшитого полиэтилена может выдерживать на 24 % более высокий ток повреждения при том же размере проводника и времени отключения без ухудшения изоляции. На практике это часто позволяет разработчику выбрать проводник на один стандартный размер меньше, сохраняя при этом полное соответствие требованиям IEC 60949 по стойкости к повреждениям.

Водяное дерево и аргументы в пользу строительства с рубашкой

Преобладающим механизмом старения кабелей среднего напряжения из сшитого полиэтилена во влажной среде является образование водяных деревьев. Это явление возникает, когда влага проникает в изоляцию в присутствии электрического поля, образуя микроскопические древовидные каналы химически разложенного полимера. В течение семи-пятнадцати лет эти водяные деревья растут от точек концентрации напряжения до тех пор, пока не перекроют достаточную толщину изоляции, чтобы вызвать пробой диэлектрика при рабочем напряжении.

Две проверенные меры противодействия теперь определяют передовую практику для кабелей из сшитого полиэтилена, предназначенных для прямого захоронения или мокрых хранилищ. Первый представляет собой экструдированный бесшовный металлический барьер от влаги, обычно медная лента со сварным и рифленым швом или со сплошной свинцовой оболочкой , прикрепленный к внешней полиэтиленовой оболочке. Этот барьер физически блокирует радиальное попадание воды в изоляционный экран и изоляционные слои. Во-вторых, это использование соединений сшитого полиэтилена, замедляющих образование водных деревьев, которые включают полярные добавки, которые химически иммобилизуют молекулы воды в аморфных областях полимера, снижая скорость роста водяных деревьев на порядок. Для любого кабеля напряжением 15 кВ и выше, проложенного в колодце, подвергающемся периодическому погружению в воду, указание как металлического радиального барьера от влаги, так и устойчивого к древесине сшитого полиэтилена больше не является вариантом премиум-класса; это минимально необходимая конструкция для достижения сорокалетнего срока службы.

Контроль напряжения на конце и давление на границе раздела

Статистика отказов кабельных систем из сшитого полиэтилена неизменно указывает на то, что слабым звеном являются окончания и соединения, а не сам кабель. Проблема заключается в резком разрыве изоляционного экрана, что создает чрезвычайное касательное электрическое напряжение на краю среза экрана. Без контролируемой классификации этот стресс может достичь 50 кВ на дюйм или выше при номинальном напряжении «фаза-земля» для кабеля 15 кВ, что приводит к образованию следов на поверхности, которые обугливают и разрушают оконечную заделку.

Средство представляет собой элемент контроля стресса, интегрированный в завершение. В высоковольтных клеммах обычно используется геометрический конус напряжения, изготовленный из проводящей и изолирующей резины, который преобразует линии эквипотенциального поля в плавный градиент по поверхности сшитого полиэтилена. Разъемные соединители среднего напряжения выполняют ту же функцию благодаря отлитому под давлением эластомерному корпусу, обеспечивающему контролируемую посадку с радиальным натягом. от 15% до 25% поверх изоляции кабеля. Такая посадка с натягом поддерживает давление на границе раздела во всех тепловых циклах, сохраняя внутренние электрические поверхности в тесном контакте и исключая доступ воздуха из критического тройного соединения, где встречаются проводник, изоляция и окружающая среда. Любой установщик, который пропускает силиконовую смазку, указанную для корпуса разъема, или не может срезать фаску на изоляционном экране под указанным углом, создает пустоту, которая превратится в место частичного разряда и, в конечном итоге, в замыкание между линией и землей.

Протоколы полевых испытаний и ввода в эксплуатацию

Завершенная кабельная цепь из сшитого полиэтилена требует пусконаладочных испытаний, которые доказывают, что изоляция не была повреждена во время протягивания и заделки, и одновременно не стареет и не ослабляет надежный кабель. Традиционный подход к испытаниям постоянного тока с высоким потенциалом был окончательно дискредитирован для экструдированного сшитого полиэтилена. Испытание постоянным током приводит к попаданию пространственного заряда в объем изоляции; когда испытательное напряжение снимается и на кабель повторно подается переменный ток, этот захваченный пространственный заряд накладывается на форму сигнала переменного тока и может спровоцировать пробой, которого кабель не мог бы испытать при эксплуатации.

Принятый современный протокол ввода в эксплуатацию новых кабелей из сшитого полиэтилена представляет собой Испытание на устойчивость к очень низкой частоте (ОНЧ) при 0,1 Гц , обычно применяется в течение 30–60 минут при уровне напряжения, в 2,0–3,0 раза превышающем рабочее напряжение между фазой и землей. Для кабеля 15 кВ с номинальным напряжением фаза-земля 8,7 кВ испытательное напряжение обычно устанавливается на уровне пиковое напряжение 22 кВ . Сопровождение испытания на стойкость измерением тангенса дельта при нескольких шагах напряжения обеспечивает количественный базовый уровень диэлектрических потерь, который можно сравнить с будущими диагностическими тестами для отслеживания старения изоляции. Новый кабель из сшитого полиэтилена в хорошем состоянии должен иметь желтовато-коричневый оттенок ниже. 0,2 × 10⁻³ с минимальным отклонением дельта-тангенс-дельта на ступенях напряжения. Значения, превышающие этот порог до того, как кабель был введен в эксплуатацию, предполагают загрязнение, попадание влаги или плохое качество экструзии, что требует расследования до того, как цепь будет принята установщиком.