Силовые кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена: номинальные характеристики и испытания

Номинальные напряжения и уровни изоляции

Силовые кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена 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 кВ в течение пяти минут при заводских приемочных испытаниях, проверяя целостность экструдированного изоляционного слоя.

Выбор правильного номинального напряжения требует соответствия кабеля максимальному продолжительному рабочему напряжению системы и ожидаемой продолжительности замыкания на землю. Для системы 12 кВ, в которой замыкания на землю устраняются в течение одной секунды, размер кабеля 6/10 кВ может быть занижен, если учитывать переходные перенапряжения. Толщина изоляции зависит от класса напряжения: характеристики типичного силового кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 15 кВ Изоляция из сшитого полиэтилена толщиной 4,5 мм. , а кабель на 35 кВ увеличивает это значение примерно до 8,4 мм . Эта дополнительная толщина напрямую влияет на общий диаметр кабеля, жесткость на изгиб и расчет натяжения, необходимое при установке.

Текущая грузоподъемность и факторы снижения номинальных характеристик

Допустимая нагрузка силовых кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена не является единым фиксированным числом. Оно меняется в зависимости от способа установки, температуры окружающей среды, термического сопротивления почвы и близости соседних цепей. 3-жильный медный кабель из сшитого полиэтилена сечением 240 мм², предназначенный для 480 А при температуре проводника 90°C изолированно, но этот показатель значительно снижается, когда кабель проложен в канале с четырьмя другими нагруженными цепями и термическим сопротивлением грунта 1,2 К·м/Вт вместо предполагаемых 1,0 К·м/Вт.

В таблице ниже представлены типичные коэффициенты снижения характеристик, применяемые к силовым кабелям с изоляцией из сшитого полиэтилена, установленным в различных конфигурациях, в соответствии с рекомендациями IEC 60364-5-52.

Совокупный эффект нескольких факторов снижения мощности является мультипликативным. Эффективная токовая нагрузка кабеля в четырехцепной группе воздуховодов с повышенной температурой грунта может снизиться до 270 А или меньше , что составляет едва половину его рейтинга в свободном эфире. Материалы термической засыпки с низким удельным сопротивлением, такие как песок на цементной основе или специально разработанные растворы, окружающие берег воздуховода, становятся важными мерами по смягчению последствий для восстановления потерянной мощности без увеличения поперечного сечения проводника.

Допуски при установке и пределы вытягивания

Монтаж силовых кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена на месте требует строгого соблюдения минимального радиуса изгиба и максимального натяжения. Минимальный радиус изгиба одножильного кабеля из сшитого полиэтилена при прокладке обычно составляет В 15 раз больше общего диаметра кабеля , увеличиваясь до 12 раз для трехжильных кабелей. Превышение этого радиуса приводит к необратимому повреждению структуры изоляции из сшитого полиэтилена: внутренний радиус сжимается, а внешний растягивается, потенциально создавая микропустоты, которые под действием рабочего напряжения превращаются в места частичного разряда.

Ограничители натяжения защищают жилу и изоляцию от механических повреждений при прокладке кабеля. Максимальное натяжение кабеля с медными жилами из сшитого полиэтилена не должно превышать 50 Н на квадратный миллиметр поперечного сечения проводника . Для медного проводника сечением 300 мм² это соответствует допустимой тяговой силе 15 000 Н. Это натяжение необходимо рассчитывать на всем запланированном пути протягивания, включая повышенное трение на каждом изгибе трубопровода. Кабельные смазки, совместимые с материалом оболочки из сшитого полиэтилена, обычно это гель на основе бентонита или полимера, снижают коэффициент трения примерно до от 0,25 до 0,35 , что существенно снижает необходимую тяговую силу. Также необходимо проверить давление на боковую стенку, где кабель опирается на внутреннюю часть изгиба кабелепровода, с типичным пределом 1500 Н на метр радиуса изгиба для кабелей из сшитого полиэтилена для предотвращения деформации изоляции.

Практика прекращения и объединения

Точки, где силовые кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена подключаются к распределительному устройству или соединяются с другими секциями кабеля, представляют собой места с наибольшим статистическим количеством отказов в любой сети. Правильно выполненная заделка восстанавливает контроль электрического напряжения, обеспечиваемый изоляционным экраном, установленным на заводе. Точка обрезки экрана создает область высокого электрического напряжения, и трубка контроля напряжения или геометрический конус напряжения должны плавно выравнивать этот потенциал от напряжения проводника до потенциала земли по длине заделки.

Термоусадочные наконечники для кабелей из сшитого полиэтилена на напряжение 15 кВ требуют методической подготовки: внешняя оболочка снимается, чтобы обнажить металлический экран, экран обрезается до заданных размеров, изоляционный экран отслаивается, чтобы обнажиться чистый сшитый полиэтилен, а поверхность изоляции шлифуется абразивным зерном, указанным производителем концевой заделки. Любая царапина, оставшаяся на поверхности сшитого полиэтилена в результате неосторожного пореза ножом во время снятия сетки, становится точкой начала частичного разряда. Мастика или трубка для контроля напряжения должны перекрывать край экрана на расстояние, указанное производителем, обычно от 15 мм до 25 мм , чтобы обеспечить плавное преломление линий электрического поля без отслеживания поверхности. После установки наконечник наконечника необходимо обжать шестигранной матрицей, соответствующей классу и поперечному сечению проводника, применяя достаточное сжатие для достижения газонепроницаемого холодного сварного шва между корпусом наконечника и медными жилами.

Полевые испытания и ввод в эксплуатацию

Испытание силовых кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена после установки, но до подачи питания, является последним этапом, позволяющим выявить дефекты изготовления, повреждения при транспортировке и ошибки подключения. Принятые пусконаладочные испытания для новых цепей из сшитого полиэтилена среднего напряжения являются очень низкочастотный синусоидальный сигнал с частотой 0,1 Гц , применяется на срок от 30 до 60 минут. Для кабеля 15 кВ с номинальным напряжением фазы-земли 8,7 кВ испытательное напряжение СНЧ обычно устанавливается равным от 2,0 до 3,0 U₀ , что соответствует пику примерно от 18 до 26 кВ.

Испытание постоянного тока с высоким потенциалом, которое когда-то было стандартной практикой, было прекращено для силовых кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена, поскольку оно создает объемный заряд в изоляции, который может спровоцировать отказ в эксплуатации после повторного подключения кабеля к сети переменного тока. Тест VLF в сочетании с измерением тангенса дельта при нескольких шагах напряжения обеспечивает диагностическую основу. Новый исправный кабель из сшитого полиэтилена должен иметь значение тангенса дельты ниже 0,2 × 10⁻³ с минимальным изменением между ступенями напряжения. Любой кабель, в котором дельта тангенса превышает этот порог, или ступенчатое увеличение между последовательными уровнями напряжения, указывает на загрязнение, проникновение влаги или дефекты экструзии, которые требуют исследования и возможной замены кабеля перед вводом цепи в эксплуатацию.

Долгосрочный мониторинг старения и состояния

Изоляция из сшитого полиэтилена разрушается по двум основным механизмам: термическое старение в результате продолжительной эксплуатации при температуре около 90°C и рост водяного дерева в присутствии влаги и электрического напряжения. Современные компаунды из сшитого полиэтилена содержат добавки, замедляющие образование водяных деревьев, но кабели, изготовленные до широкого распространения этих составов в 1990-х годах, остаются уязвимыми. Программы мониторинга состояния используют картирование частичных разрядов и диэлектрическую спектроскопию для выявления стареющих силовых кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена до того, как они выйдут из строя.

Измерение частичных разрядов, выполняемое с помощью емкостных соединителей на окончаниях или высокочастотных трансформаторов тока вокруг заземляющего соединения кабеля, обнаруживает разряды с кажущейся величиной заряда всего от 5 до 10 пикокулонов . Кабель, в котором напряжение начала частичного разряда ниже рабочего напряжения в 1,3 раза, приближается к состоянию, при котором неисправность вероятна в течение следующих одного-трех лет. Для критических цепей онлайн-системы мониторинга частичных разрядов, постоянно установленные на окончаниях распределительных устройств, обеспечивают непрерывный контроль состояния силового кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена, включая сигналы тревоги, когда активность разряда изменяется по величине или частоте повторения. Эти данные позволяют управляющим активами планировать запланированные отключения для замены кабеля, а не реагировать на аварийную неисправность, которая прерывает производство или предоставление услуг.