Cáp điện cách điện XLPE: Xếp hạng và thử nghiệm

Xếp hạng điện áp và mức cách điện

Cáp điện cách điện 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 kV trong năm phút trong quá trình kiểm tra nghiệm thu tại nhà máy, xác minh tính toàn vẹn của lớp cách nhiệt ép đùn.

Việc chọn định mức điện áp chính xác yêu cầu cáp phải phù hợp với điện áp hoạt động liên tục tối đa của hệ thống và thời gian chạm đất dự kiến ​​của nó. Đối với hệ thống 12 kV trong đó các lỗi chạm đất được loại bỏ trong vòng một giây, cáp 6/10 kV có thể có kích thước nhỏ hơn khi xét đến quá điện áp nhất thời. Thang đo độ dày cách điện theo cấp điện áp: đặc điểm cáp điện cách điện XLPE 15 kV điển hình Lớp cách nhiệt XLPE 4,5 mm , trong khi cáp 35 kV tăng giá trị này lên xấp xỉ 8,4 mm . Độ dày bổ sung này ảnh hưởng trực tiếp đến đường kính tổng thể của cáp, độ cứng uốn và tính toán lực căng cần thiết trong quá trình lắp đặt.

Khả năng chuyên chở hiện tại và các yếu tố giảm tải

Độ khuếch đại của cáp nguồn cách điện XLPE không phải là một con số cố định. Nó thay đổi dựa trên phương pháp lắp đặt, nhiệt độ môi trường, điện trở nhiệt của đất và độ gần của các mạch lân cận. Cáp đồng XLPE 3 lõi 240 mm2 được xếp hạng để chôn trực tiếp có thể mang theo 480 A ở nhiệt độ dây dẫn 90°C cách ly, nhưng con số này giảm đáng kể khi cáp được lắp đặt trong dãy ống dẫn với bốn mạch mang tải khác và điện trở suất nhiệt của đất là 1,2 K·m/W thay vì giả định là 1,0 K·m/W.

Bảng dưới đây trình bày hệ số giảm công suất điển hình áp dụng cho cáp nguồn cách điện XLPE được lắp đặt ở nhiều cấu hình khác nhau, dựa trên hướng dẫn IEC 60364-5-52.

Hiệu ứng tích lũy của nhiều yếu tố giảm xếp hạng có tính nhân lên. Một sợi cáp trong dãy ống dẫn bốn mạch có nhiệt độ mặt đất tăng cao có thể thấy độ khuếch đại hiệu dụng của nó giảm xuống 270 A trở xuống , chỉ bằng một nửa xếp hạng phát sóng miễn phí của nó. Vật liệu san lấp nhiệt có điện trở suất thấp, chẳng hạn như cát trộn xi măng hoặc vữa được thiết kế đặc biệt xung quanh bờ ống dẫn, trở thành biện pháp giảm thiểu cần thiết để phục hồi công suất bị mất mà không làm tăng kích thước tiết diện dây dẫn.

Dung sai lắp đặt và giới hạn kéo

Việc lắp đặt cáp điện cách điện XLPE tại hiện trường đòi hỏi phải tuân thủ nghiêm ngặt bán kính uốn tối thiểu và lực kéo tối đa. Bán kính uốn tối thiểu của cáp XLPE một lõi trong quá trình lắp đặt thường là 15 lần đường kính tổng thể của cáp , tăng lên 12 lần đối với cáp 3 lõi. Việc vượt quá bán kính này sẽ gây ra hư hỏng không thể khắc phục đối với cấu trúc cách điện XLPE: bán kính bên trong nén lại trong khi bán kính bên ngoài giãn ra, có khả năng tạo ra các khoảng trống vi mô phát triển thành các vị trí phóng điện cục bộ dưới điện áp vận hành.

Giới hạn độ căng kéo bảo vệ dây dẫn và lớp cách điện khỏi hư hỏng cơ học trong quá trình lắp đặt cáp. Lực căng kéo tối đa đối với cáp XLPE ruột đồng không được vượt quá 50 N trên mỗi milimét vuông tiết diện dây dẫn . Đối với dây dẫn bằng đồng 300 mm², lực kéo cho phép là 15.000 N. Lực căng này phải được tính toán dọc theo toàn bộ đường kéo theo kế hoạch, bao gồm cả lực ma sát tăng lên ở mỗi chỗ uốn ống dẫn. Chất bôi trơn cáp tương thích với vật liệu vỏ XLPE, thường là gel gốc bentonite hoặc polymer, làm giảm hệ số ma sát xuống xấp xỉ 0,25 đến 0,35 , làm giảm đáng kể lực kéo cần thiết. Áp suất thành bên nơi cáp chịu lực vào bên trong chỗ uốn ống dẫn cũng phải được kiểm tra, với giới hạn điển hình là 1.500 N trên mỗi mét bán kính uốn cong cho cáp XLPE để tránh biến dạng cách điện.

Thực hành chấm dứt và nối kết

Các điểm mà cáp nguồn cách điện XLPE kết nối với thiết bị đóng cắt hoặc mối nối với các phần cáp khác thể hiện các vị trí lỗi thống kê cao nhất trong bất kỳ mạng nào. Việc chấm dứt được thực hiện đúng cách sẽ tái tạo lại khả năng kiểm soát ứng suất điện mà màn chắn cách điện do nhà máy áp dụng cung cấp. Điểm giới hạn màn hình tạo ra một vùng có ứng suất điện cao và ống điều khiển ứng suất hoặc hình nón ứng suất hình học phải phân loại điện thế này một cách trơn tru từ điện áp dây dẫn đến điện thế đất dọc theo chiều dài đầu cuối.

Đầu nối co nhiệt cho cáp XLPE 15 kV cần được chuẩn bị có phương pháp: lớp vỏ ngoài được tháo ra để lộ tấm chắn kim loại, tấm chắn được cắt theo kích thước quy định, màn chắn cách điện được bóc ra để lộ XLPE sạch và bề mặt cách điện được chà nhám mịn bằng hạt mài mòn do nhà sản xuất đầu nối chỉ định. Bất kỳ dấu vết nào còn sót lại trên bề mặt XLPE do vết dao cắt bất cẩn trong quá trình tháo màn chắn sẽ trở thành điểm bắt đầu phóng điện một phần. Mastic hoặc ống kiểm soát ứng suất phải chồng lên mép màn hình theo khoảng cách do nhà sản xuất chỉ định, thường là 15 mm đến 25 mm , để đảm bảo các đường sức điện trường khúc xạ trơn tru mà không để lại dấu vết trên bề mặt. Sau khi lắp đặt, vấu đầu cuối phải được uốn bằng khuôn lục giác phù hợp với loại dây dẫn và mặt cắt ngang, áp dụng lực nén vừa đủ để đạt được mối hàn lạnh kín khí giữa thùng vấu và các sợi đồng.

Thử nghiệm và vận hành hiện trường

Kiểm tra cáp điện cách điện XLPE sau khi lắp đặt nhưng trước khi cấp điện là bước cuối cùng để phát hiện các lỗi về tay nghề, hư hỏng khi vận chuyển và lỗi đầu cuối. Thử nghiệm vận hành được chấp nhận đối với mạch XLPE trung áp mới là một thử nghiệm dạng sóng hình sin tần số rất thấp ở 0,1 Hz , áp dụng trong thời gian từ 30 đến 60 phút. Đối với cáp 15 kV có định mức pha-đất 8,7 kV, điện áp thử nghiệm VLF thường được đặt thành 2,0 đến 3,0 U₀ , tương ứng với điện áp đỉnh khoảng 18 kV đến 26 kV.

Thử nghiệm điện thế cao DC, từng là thông lệ tiêu chuẩn, đã bị hủy bỏ đối với cáp điện cách điện XLPE vì nó tích tụ điện tích trong lớp cách điện có thể dẫn đến hỏng hóc khi sử dụng sau khi cáp được kết nối lại với AC. Thử nghiệm VLF, kết hợp với phép đo tan delta ở nhiều bước điện áp, cung cấp cơ sở chẩn đoán. Cáp XLPE mới, khỏe mạnh sẽ có giá trị tan delta dưới đây 0,2 × 10⁻³ với sự thay đổi tối thiểu giữa các bước điện áp. Bất kỳ cáp nào có hiện tượng tan delta vượt quá ngưỡng này hoặc mức tăng thay đổi từng bước giữa các mức điện áp liên tiếp đều cho thấy có sự nhiễm bẩn, hơi ẩm xâm nhập hoặc lỗi đùn cần phải điều tra và thay thế cáp tiềm năng trước khi đưa mạch vào sử dụng.

Theo dõi tình trạng và lão hóa lâu dài

Chất cách điện XLPE xuống cấp thông qua hai cơ chế chính: lão hóa nhiệt do hoạt động liên tục ở hoặc gần giới hạn 90°C và sự phát triển của cây nước khi có độ ẩm và ứng suất điện. Các hợp chất XLPE hiện đại kết hợp các chất phụ gia chống thấm nước, nhưng các loại cáp được sản xuất trước khi áp dụng rộng rãi các công thức này vào những năm 1990 vẫn dễ bị tổn thương. Các chương trình giám sát tình trạng sử dụng bản đồ phóng điện cục bộ và quang phổ điện môi để xác định cáp điện cách điện XLPE đã cũ trước khi chúng ngừng hoạt động.

Phép đo phóng điện cục bộ, được thực hiện với các bộ ghép điện dung ở các đầu cuối hoặc các máy biến dòng điện tần số cao xung quanh kết nối đất của cáp, phát hiện các phóng điện với cường độ điện tích biểu kiến thấp đến mức 5 đến 10 picoculông . Cáp có điện áp khởi động phóng điện cục bộ dưới 1,3 lần điện áp vận hành đang tiến đến tình trạng có thể xảy ra lỗi trong vòng một đến ba năm tới. Đối với các mạch quan trọng, hệ thống giám sát phóng điện cục bộ trực tuyến được lắp đặt cố định tại các điểm cuối của thiết bị đóng cắt sẽ cung cấp khả năng giám sát liên tục tình trạng cáp nguồn cách điện XLPE, kích hoạt cảnh báo khi hoạt động phóng điện thay đổi về cường độ hoặc tốc độ lặp lại. Dữ liệu này cho phép người quản lý tài sản lên lịch ngừng hoạt động theo kế hoạch để thay thế cáp thay vì phản ứng với lỗi khẩn cấp làm gián đoạn hoạt động sản xuất hoặc cung cấp dịch vụ.