Cáp điện cách điện XLPE: Xếp hạng, lắp đặt và thử nghiệm

Hóa học đằng sau tính ưu việt về nhiệt

Hiệu suất của Cách nhiệt XLPE bắt nguồn từ cấu trúc phân tử của nó. Không giống như polyetylen nhiệt dẻo, mềm và chảy ở nhiệt độ cao, XLPE trải qua quá trình liên kết ngang để liên kết các chuỗi polymer riêng lẻ thành mạng ba chiều. Sự biến đổi này chuyển đổi một vật liệu có thể tan chảy ở tốc độ xấp xỉ 105°C vào một nhiệt rắn duy trì tính toàn vẹn cơ học và độ bền điện môi vượt xa giới hạn liên tục định mức 90°C của nó.

Bản thân việc liên kết chéo đạt được thông qua một trong ba phương pháp công nghiệp. Quá trình ghép silane sử dụng độ ẩm để xử lý lớp cách điện ở nhiệt độ môi trường, tạo ra chất điện môi sạch, không có khoảng trống thích hợp cho cáp trung thế đến 35 kV. Quá trình peroxide, được áp dụng thông qua ống lưu hóa liên tục áp suất cao, phân hủy dicumyl peroxide ở nhiệt độ và áp suất cao để bắt đầu liên kết ngang và vẫn là phương pháp chủ yếu cho cáp truyền tải điện áp cao và điện áp cực cao. Một phương pháp chiếu xạ ít phổ biến hơn là sử dụng bắn phá chùm tia điện tử cho các ứng dụng vách mỏng. Mỗi kỹ thuật tạo ra cùng một mục tiêu hàm lượng gel: phần gel tối thiểu 70% được đo bằng phương pháp chiết xylene nóng, đảm bảo mật độ mạng cần thiết cho khả năng chống rão dưới áp suất cơ học duy trì ở nhiệt độ cao.

Kỹ thuật xây dựng dây dẫn và màn hình

Không có chất điện môi XLPE hoạt động độc lập. Các bề mặt tiếp xúc giữa dây dẫn và lớp cách điện cũng như giữa lớp cách điện và tấm chắn kim loại quyết định nghiêm trọng đến trạng thái phóng điện cục bộ và tuổi thọ sử dụng cuối cùng của cáp. Các giao diện này được quản lý bằng màn chắn bán dẫn, thường được gọi đơn giản là màn chắn dây dẫn và cách điện, được ép đùn đồng thời với lớp cách điện XLPE trong quy trình ép đùn ba đầu.

Một màn chắn dây dẫn được áp dụng đúng cách sẽ lấp đầy các kẽ hở của dây dẫn bị mắc kẹt và tạo ra một bề mặt đẳng thế hình trụ nhẵn hoàn hảo ở bên trong lớp XLPE. Bất kỳ phần nhô ra hoặc khoảng trống nào ở ranh giới này sẽ tập trung ứng suất điện, gây ra hiện tượng phóng điện cục bộ làm ăn mòn lớp cách điện từ trong ra ngoài. Bản thân vật liệu sàng lọc là hợp chất polyetylen chứa cacbon đen với điện trở suất thường dưới 500 ohm-mét ở 90°C. Ở bên ngoài lớp cách nhiệt, màn chắn cách nhiệt thực hiện chức năng nghịch đảo, ngăn chặn các khe hở không khí giữa bề mặt XLPE và tấm chắn bằng băng hoặc dây kim loại. Trong cáp ép đùn ba lớp hiện đại có điện áp từ 15 kV trở lên, cả ba lớp—màn chắn dây dẫn, lớp cách điện XLPE và màn chắn cách điện—được áp dụng một lần xuyên qua khuôn đầu chữ thập, sau đó liên kết chéo với nhau. Cấu trúc đồng ép đùn này giúp loại bỏ các ranh giới lớp rời rạc mà trước đây gây ra lỗi phân tách dưới sự giãn nở nhiệt theo chu kỳ tải.

Độ khuếch đại và khả năng chịu nhiệt ngắn mạch

Ưu điểm về nhiệt độ vận hành của XLPE đã được nhiều người biết đến, nhưng khả năng chịu nhiệt ngắn mạch của nó cũng quan trọng không kém và thường bị bỏ qua trong quá trình xác định thông số kỹ thuật. Khi có dòng điện sự cố chạy qua, nhiệt độ dây dẫn tăng lên tính bằng mili giây. XLPE chịu được nhiệt độ dây dẫn ngắn mạch ở mức 250°C , trong khi vật liệu cách nhiệt PVC tiêu chuẩn được giới hạn ở 160°C cho cùng một sự kiện nhất thời. Trần nhiệt cao hơn này cho phép tiết diện dây dẫn nhỏ hơn có thể tồn tại trong một cường độ dòng điện sự cố nhất định và thời gian bù trừ, dẫn đến chi phí trực tiếp cho việc mua sắm đồng hoặc nhôm.

Bảng dưới đây so sánh mật độ dòng ngắn mạch tối đa cho phép đối với dây dẫn đồng dưới lớp cách điện XLPE và PVC trong thời gian khắc phục sự cố một giây, thể hiện biên độ kỹ thuật đạt được.

Xếp hạng ngắn mạch cao hơn khoảng 143 ampe trên milimét vuông đối với dây dẫn đồng dưới dạng XLPE, so với 115 A/mm2 đối với PVC, nghĩa là cáp XLPE có thể chịu được dòng điện sự cố cao hơn 24% đối với cùng kích thước dây dẫn và thời gian cắt điện mà không làm suy giảm lớp cách điện. Trong thực tế, điều này thường cho phép người thiết kế chọn dây dẫn có kích thước tiêu chuẩn nhỏ hơn trong khi vẫn duy trì khả năng tuân thủ đầy đủ các lỗi xảy ra theo tiêu chuẩn IEC 60949.

Trồng cây dưới nước và trường hợp xây dựng có áo khoác

Cơ chế lão hóa chủ yếu của cáp XLPE trung thế trong môi trường ẩm ướt là hiện tượng cây hóa do nước. Hiện tượng này xảy ra khi hơi ẩm xâm nhập vào lớp cách điện khi có điện trường, tạo thành các kênh polyme phân hủy hóa học hình cây cực nhỏ. Trong khoảng thời gian từ bảy đến mười lăm năm, những cây nước này phát triển từ các điểm tập trung ứng suất cho đến khi chúng thu hẹp đủ độ dày cách điện để gây ra sự cố điện môi ở điện áp vận hành.

Hai biện pháp đối phó đã được chứng minh hiện nay xác định phương pháp thực hành tốt nhất cho cáp XLPE dành cho hầm chôn trực tiếp hoặc hầm ướt. Đầu tiên là một rào cản độ ẩm kim loại liền mạch, ép đùn, thường băng đồng có đường nối hàn và lượn sóng hoặc vỏ bọc chì được áp dụng liên tục , liên kết với lớp vỏ ngoài bằng polyetylen. Rào chắn này ngăn chặn sự xâm nhập của nước xuyên tâm vào màn chắn cách nhiệt và các lớp cách nhiệt. Thứ hai là sử dụng các hợp chất XLPE chống thấm nước cho cây, kết hợp các chất phụ gia phân cực có tác dụng cố định hóa học các phân tử nước trong vùng vô định hình của polyme, làm giảm tốc độ tăng trưởng của cây nước thông hơi xuống một mức độ lớn. Đối với bất kỳ cáp nào có điện áp định mức 15 kV trở lên được lắp đặt trong hố ga phải ngâm nước định kỳ, việc chỉ định cả tấm chắn độ ẩm xuyên tâm bằng kim loại và XLPE chống cây không còn là một lựa chọn cao cấp nữa; đây là công trình xây dựng cần thiết tối thiểu để đạt được tuổi thọ sử dụng bốn mươi năm.

Kiểm soát căng thẳng khi chấm dứt và áp lực giao diện

Số liệu thống kê về lỗi của hệ thống cáp XLPE luôn chỉ ra rằng các đầu cuối và mối nối là liên kết yếu chứ không phải bản thân cáp. Vấn đề là sự gián đoạn đột ngột của màn chắn cách điện, tạo ra ứng suất điện tiếp tuyến cực lớn ở mép cắt của màn chắn. Nếu không có sự phân loại được kiểm soát, sự căng thẳng này có thể đạt tới 50 kV mỗi inch hoặc cao hơn ở điện áp pha-đất định mức đối với cáp 15 kV, bắt đầu theo dõi bề mặt làm cacbon hóa và phá hủy đầu cuối.

Biện pháp khắc phục là một yếu tố kiểm soát căng thẳng được tích hợp vào việc chấm dứt. Các đầu nối điện áp cao thường sử dụng một hình nón ứng suất hình học làm bằng cao su dẫn điện và cách điện để biến đổi các đường sức điện thế thành một gradient nhẹ trên bề mặt XLPE. Các đầu nối có thể tách rời trung áp thực hiện chức năng tương tự với vỏ bằng nhựa đàn hồi đúc phun áp dụng khớp nối xuyên tâm được kiểm soát của 15% đến 25% trên lớp cách điện của cáp. Bộ phận chống nhiễu này duy trì áp suất bề mặt trong tất cả các chu trình nhiệt, giữ cho các bề mặt điện bên trong tiếp xúc chặt chẽ và loại trừ không khí khỏi điểm nối ba điểm quan trọng nơi dây dẫn, lớp cách điện và môi trường xung quanh gặp nhau. Bất kỳ người lắp đặt nào bỏ qua chất bôi trơn silicon được chỉ định cho thân đầu nối hoặc không vát mép màn hình cách điện theo góc xác định sẽ tạo ra một khoảng trống sẽ biến thành vị trí phóng điện một phần và cuối cùng thành lỗi nối đất.

Giao thức thử nghiệm và vận hành hiện trường

Mạch cáp XLPE đã hoàn thiện cần có thử nghiệm vận hành để chứng minh lớp cách điện không bị hỏng trong quá trình kéo và kết thúc, đồng thời không làm cáp âm thanh bị lão hóa hoặc suy yếu. Cách tiếp cận truyền thống của thử nghiệm điện thế cao DC rõ ràng đã bị mất uy tín đối với XLPE ép đùn. Thử nghiệm DC truyền tải không gian vào khối cách điện; khi điện áp thử nghiệm được loại bỏ và cáp được cấp điện lại bằng AC, điện tích không gian bị mắc kẹt này sẽ chồng lên dạng sóng AC và có thể gây ra sự cố mà cáp sẽ không gặp phải khi vận hành.

Giao thức hiện đại được chấp nhận để vận hành thử cáp XLPE mới là một Thử nghiệm chịu đựng tần số rất thấp (VLF) ở 0,1 Hz , thường được áp dụng trong 30 đến 60 phút ở mức điện áp gấp 2,0 đến 3,0 lần điện áp vận hành nối đất. Đối với cáp 15 kV có điện áp định mức pha-đất là 8,7 kV, điện áp thử nghiệm thường được đặt ở đỉnh 22 kV . Đi kèm với thử nghiệm khả năng chịu đựng với phép đo tan delta ở nhiều bước điện áp cung cấp định lượng cơ bản về tổn thất điện môi có thể so sánh với các thử nghiệm chẩn đoán trong tương lai để theo dõi sự lão hóa của cách điện. Cáp XLPE mới ở tình trạng tốt sẽ có màu nâu tam giác bên dưới 0,2 × 10⁻³ với độ lệch delta-tan-delta tối thiểu trên các bước điện áp. Các giá trị vượt quá ngưỡng này trước khi cáp được đưa vào sử dụng cho thấy có sự nhiễm bẩn, hơi ẩm xâm nhập hoặc chất lượng đùn kém cần được điều tra trước khi trình cài đặt chấp nhận mạch điện.