XLPE geïsoleerde voedingskabels: beoordelingen, installatie en testen

De chemie achter thermische superioriteit

De prestaties van XLPE-isolatie vindt zijn oorsprong in zijn moleculaire structuur. In tegenstelling tot thermoplastisch polyethyleen, dat zacht wordt en vloeit bij hogere temperaturen, ondergaat XLPE een verknopingsproces dat individuele polymeerketens tot een driedimensionaal netwerk verbindt. Deze transformatie zet een materiaal om dat bij ongeveer zou smelten 105°C tot een thermoharder die de mechanische integriteit en diëlektrische sterkte behoudt tot ruim boven de nominale continue limiet van 90°C.

De verknoping zelf wordt bereikt via een van de drie industriële methoden. Bij het silaan-entingproces wordt gebruik gemaakt van vocht om de isolatie bij omgevingstemperaturen uit te harden, waardoor een schoon, holtevrij diëlektricum ontstaat dat geschikt is voor middenspanningskabels tot 35 kV. Het peroxideproces, toegepast via een continue vulkanisatiebuis onder hoge druk, ontleedt dicumylperoxide bij verhoogde temperatuur en druk om verknoping te initiëren, en blijft de dominante methode voor transmissiekabels met hoge en extra hoge spanning. Een minder gebruikelijke bestralingsmethode maakt gebruik van elektronenbundelbombardementen voor dunwandige toepassingen. Elke techniek levert hetzelfde doel voor de gelinhoud op: minimaal 70% gelfractie zoals gemeten door hete xyleenextractie, waardoor de netwerkdichtheid wordt gegarandeerd die nodig is voor kruipweerstand onder aanhoudende mechanische druk bij verhoogde temperaturen.

Dirigentbouw en Schermtechniek

Geen enkel XLPE-diëlektricum werkt geïsoleerd. De interfaces tussen de geleider en de isolatie, en tussen de isolatie en de metalen afscherming, bepalen op kritische wijze het gedeeltelijke ontladingsgedrag en de uiteindelijke levensduur van de kabel. Deze interfaces worden beheerd door halfgeleidende schermen, vaak eenvoudigweg geleider- en isolatieschermen genoemd, die gelijktijdig met de XLPE-isolatie worden geëxtrudeerd in een driekoppig extrusieproces.

Een correct aangebracht geleiderscherm vult de tussenruimten van een gestrande geleider en presenteert een perfect glad cilindrisch equipotentiaaloppervlak aan de binnenkant van de XLPE-laag. Elk uitsteeksel of holte op deze grens concentreert de elektrische spanning, waardoor een gedeeltelijke ontlading ontstaat die de isolatie van binnenuit erodeert. Het schermmateriaal zelf is een met roet geladen polyethyleenverbinding met een typische volumeweerstand onder de 500 ohm-meter bij 90°C. Aan de buitenkant van de isolatie vervult het isolatiescherm de omgekeerde functie, waardoor luchtspleten tussen het XLPE-oppervlak en de metalen tape of draadafscherming worden voorkomen. In moderne drievoudig geëxtrudeerde kabels met een vermogen van 15 kV en hoger worden alle drie de lagen (geleiderscherm, XLPE-isolatie en isolatiescherm) in één keer door een kruiskopmatrijs aangebracht en vervolgens met elkaar verknoopt. Deze gecoëxtrudeerde constructie elimineert de afzonderlijke laaggrenzen die in het verleden delaminatiefouten veroorzaakten onder thermische uitzetting onder belasting.

Ampacity en kortsluiting thermische weerstand

Het voordeel op de bedrijfstemperatuur van XLPE is algemeen bekend, maar de thermische weerstand tegen kortsluiting is net zo belangrijk en wordt tijdens de specificatie vaak over het hoofd gezien. Wanneer er een foutstroom vloeit, stijgt de temperatuur van de geleider in milliseconden. XLPE tolereert een kortsluitgeleidertemperatuur van 250°C , terwijl standaard PVC-isolatie beperkt is tot 160°C voor dezelfde voorbijgaande gebeurtenis. Dit hogere thermische plafond maakt het mogelijk dat een kleinere geleiderdoorsnede een bepaalde foutstroomsterkte en oplostijd kan overleven, met directe kostenimplicaties voor de aanschaf van koper of aluminium.

De onderstaande tabel vergelijkt de maximaal toegestane kortsluitstroomdichtheid voor koperen geleiders onder XLPE- en PVC-isolatie voor een fouthersteltijd van één seconde, wat de gewonnen technische marge aantoont.

De hogere kortsluitvastheid van ca 143 ampère per vierkante millimeter voor koperen geleiders onder XLPE, versus 115 A/mm² voor PVC, betekent dat een XLPE-kabel bestand is tegen een 24% hogere foutstroom voor dezelfde geleidergrootte en hersteltijd zonder verslechtering van de isolatie. In de praktijk stelt dit de ontwerper vaak in staat een geleider te kiezen die één standaardmaat kleiner is, terwijl de volledige foutbestendigheid van IEC 60949 behouden blijft.

Waterbomen en de pleidooi voor mantelconstructie

Het dominante verouderingsmechanisme voor XLPE-middenspanningskabels in natte omgevingen is waterboomvorming. Dit fenomeen doet zich voor wanneer vocht de isolatie binnendringt in de aanwezigheid van een elektrisch veld, waardoor microscopisch kleine, boomvormige kanalen van chemisch afgebroken polymeer worden gevormd. Gedurende een periode van zeven tot vijftien jaar groeien deze waterbomen van spanningsconcentratiepunten totdat ze voldoende isolatiedikte overbruggen om bij bedrijfsspanning een diëlektrische doorslag te veroorzaken.

Twee beproefde tegenmaatregelen definiëren nu de beste praktijk voor XLPE-kabels die bedoeld zijn voor directe begraving of natte kluizen. De eerste is doorgaans een geëxtrudeerde, naadloze metalen vochtbarrière koperband met een las- en golfnaad of een doorlopend aangebrachte loodmantel , gebonden aan de buitenste polyethyleenmantel. Deze barrière blokkeert fysiek het radiale binnendringen van water in het isolatiescherm en de isolatielagen. De tweede is het gebruik van waterboomvertragende XLPE-verbindingen, die polaire additieven bevatten die watermoleculen chemisch immobiliseren in de amorfe gebieden van het polymeer, waardoor de groeisnelheid van geventileerde waterbomen met een orde van grootte wordt verminderd. Voor elke kabel van 15 kV en hoger geïnstalleerd in een mangat dat onderhevig is aan periodieke onderdompeling, is het specificeren van zowel een metalen radiale vochtbarrière als boomvertragend XLPE niet langer een premium optie; het is de minimaal noodzakelijke constructie om een ​​levensduur van veertig jaar te bereiken.

Beëindigingsstresscontrole en interfacedruk

De faalstatistieken van XLPE-kabelsystemen wijzen consequent op aansluitingen en splitsingen als de zwakke schakel, en niet op de kabel zelf. Het probleem is de abrupte onderbreking van het isolatiescherm, waardoor er een extreme tangentiële elektrische spanning ontstaat aan de snijrand van het scherm. Zonder gecontroleerde beoordeling kan deze stress oplopen 50 kV per inch of hoger bij de nominale fase-naar-aarde-spanning voor een 15 kV-kabel, waardoor oppervlaktetracking wordt geïnitieerd die de afsluiting verkoolt en vernietigt.

De remedie is een stressbeheersingselement dat in de beëindiging is geïntegreerd. Hoogspanningsaansluitingen maken doorgaans gebruik van een geometrische spanningskegel gemaakt van geleidend en isolerend rubber die de equipotentiaalveldlijnen hervormt tot een zachte gradiënt over het XLPE-oppervlak. Middenspanningsscheidbare connectoren vervullen dezelfde functie met een spuitgegoten elastomere behuizing die een gecontroleerde radiale perspassing toepast van 15% tot 25% over de kabelisolatie. Deze interferentiepassing handhaaft de interfacedruk gedurende alle thermische cycli, waardoor de interne elektrische oppervlakken in nauw contact blijven en lucht wordt uitgesloten van de kritische driepuntsverbinding waar geleider, isolatie en omgevingstemperatuur samenkomen. Elke installateur die het voor het connectorlichaam gespecificeerde siliconensmeermiddel overslaat, of die er niet in slaagt het isolatiescherm in de gespecificeerde hoek af te schuinen, creëert een leegte die zal veranderen in een plaats voor gedeeltelijke ontlading en uiteindelijk in een lijn-naar-aarde fout.

Protocollen voor veldtesten en inbedrijfstelling

Het voltooide XLPE-kabelcircuit vereist een inbedrijfstellingstest die aantoont dat de isolatie niet is beschadigd tijdens het trekken en afsluiten, terwijl de geluidskabel tegelijkertijd niet veroudert of verzwakt. De traditionele aanpak van DC-testen met hoog potentieel is definitief in diskrediet gebracht voor geëxtrudeerde XLPE. DC-testen drijven ruimtelading in de isolatiemassa; Wanneer de testspanning wordt verwijderd en de kabel opnieuw wordt bekrachtigd met wisselstroom, wordt deze opgesloten ruimtelading op de wisselstroomgolfvorm gesuperponeerd en kan een storing veroorzaken die de kabel tijdens gebruik niet zou hebben ervaren.

Het geaccepteerde moderne protocol voor de inbedrijfstelling van nieuwe XLPE-kabels is a zeer lage frequentie (VLF) is bestand tegen tests bij 0,1 Hz , doorgaans toegepast gedurende 30 tot 60 minuten bij een spanningsniveau van 2,0 tot 3,0 maal de bedrijfsspanning tussen lijn en aarde. Voor een 15 kV-kabel met een fase-naar-aarde-classificatie van 8,7 kV wordt de testspanning gewoonlijk ingesteld op 22 kV piek . Het begeleiden van de weerstandstest met een tan-delta-meting bij meerdere spanningsstappen levert een kwantitatieve basislijn van diëlektrisch verlies op die kan worden vergeleken met toekomstige diagnostische tests om isolatieveroudering te volgen. Een nieuwe XLPE-kabel in goede staat zou hieronder een bruine delta moeten vertonen 0,2 × 10⁻³ met minimale delta-tan-delta-afwijking over de spanningsstappen. Waarden die deze drempel overschrijden voordat de kabel in gebruik is genomen, duiden op verontreiniging, binnendringend vocht of een slechte extrusiekwaliteit die onderzoek rechtvaardigt voordat het circuit door de installateur wordt geaccepteerd.