XLPE geïsoleerde voedingskabels: beoordelingen en testen

Spanningswaarden en isolatieniveaus

XLPE geïsoleerde stroomkabels 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 gedurende vijf minuten tijdens fabrieksacceptatietests, waarbij de integriteit van de geëxtrudeerde isolatielaag wordt geverifieerd.

Om de juiste spanning te selecteren, moet de kabel worden afgestemd op de maximale continue bedrijfsspanning van het systeem en de verwachte aardlekduur. Voor een 12 kV-systeem waarbij aardfouten binnen één seconde worden verholpen, kan een 6/10 kV-kabel te klein zijn als rekening wordt gehouden met voorbijgaande overspanningen. De isolatiedikte schaalt met de spanningsklasse: een typische 15 kV XLPE geïsoleerde voedingskabel heeft de kenmerken 4,5 mm XLPE-isolatie , terwijl een 35 kV-kabel dit verhoogt tot ongeveer 8,4 mm . Deze extra dikte heeft rechtstreeks invloed op de totale diameter van de kabel, de buigstijfheid en de trekspanningsberekeningen die nodig zijn tijdens de installatie.

Huidige draagkracht en reductiefactoren

De capaciteit van XLPE-geïsoleerde stroomkabels is geen vast getal. Het verschuift op basis van de installatiemethode, de omgevingstemperatuur, de thermische weerstand van de bodem en de nabijheid van aangrenzende circuits. Een 3-aderige koperen XLPE-kabel van 240 mm² die geschikt is voor directe ingraving kan worden gebruikt 480 A bij geleidertemperatuur van 90°C geïsoleerd, maar dit cijfer daalt aanzienlijk wanneer de kabel wordt geïnstalleerd in een kabelgotenbank met vier andere belaste circuits en een thermische bodemweerstand van 1,2 K·m/W in plaats van de veronderstelde 1,0 K·m/W.

De onderstaande tabel geeft de typische reductiefactoren weer die worden toegepast op XLPE-geïsoleerde stroomkabels die in verschillende configuraties zijn geïnstalleerd, gebaseerd op de IEC 60364-5-52-richtlijnen.

Het cumulatieve effect van meerdere deratingfactoren is multiplicatief. Bij een kabel in een kabelgoot met vier circuits en een verhoogde grondtemperatuur kan de effectieve capaciteit ervan worden verlaagd 270 A of minder , nauwelijks de helft van de rating voor vrije lucht. Thermische opvulmaterialen met een lage soortelijke weerstand, zoals cementgebonden zand of speciaal ontworpen grout rondom de kanaalbank, worden essentiële mitigatiemaatregelen om verloren capaciteit te herstellen zonder de doorsnede van de geleider te vergroten.

Installatietoleranties en treklimieten

Veldinstallatie van XLPE-geïsoleerde stroomkabels vereist strikte naleving van minimale buigradii en maximale trekspanningen. De minimale buigradius voor een enkeladerige XLPE-kabel tijdens installatie is doorgaans: 15 keer de totale diameter van de kabel , oplopend tot 12 keer voor driekernige kabels. Het overschrijden van deze straal veroorzaakt onomkeerbare schade aan de XLPE-isolatiestructuur: de binnenradius wordt samengedrukt terwijl de buitenradius uitrekt, waardoor mogelijk micro-holtes ontstaan ​​die zich ontwikkelen tot plaatsen voor gedeeltelijke ontlading onder bedrijfsspanning.

Trekspanningslimieten beschermen de geleider en de isolatie tegen mechanische schade tijdens het leggen van kabels. De maximale trekspanning voor een XLPE-kabel met kopergeleider mag niet hoger zijn dan 50 N per vierkante millimeter geleiderdoorsnede . Voor een koperen geleider van 300 mm² komt dit neer op een toegestane trekkracht van 15.000 N. Deze spanning moet worden berekend over het gehele geplande trekpad, inclusief de verhoogde wrijving bij elke leidingbocht. Kabelsmeermiddelen die compatibel zijn met het XLPE-mantelmateriaal, meestal een gel op bentoniet- of polymeerbasis, verminderen de wrijvingscoëfficiënt tot ongeveer 0,25 tot 0,35 waardoor de benodigde trekkracht aanzienlijk wordt verlaagd. De zijwanddruk waar de kabel tegen de binnenkant van een leidingbocht rust, moet ook worden gecontroleerd, met een typische limiet van 1.500 N per meter buigradius voor XLPE-kabels om vervorming van de isolatie te voorkomen.

Beëindigings- en voegingspraktijken

De punten waar XLPE-geïsoleerde stroomkabels worden aangesloten op schakelapparatuur of worden verbonden met andere kabelsecties vertegenwoordigen de hoogste statistische foutlocaties in elk netwerk. Een goed uitgevoerde afsluiting reconstrueert de elektrische spanningscontrole die het in de fabriek aangebrachte isolatiescherm bood. Het terugsnijpunt van het scherm creëert een gebied met hoge elektrische spanning, en een spanningscontrolebuis of geometrische spanningskegel moet dit potentieel soepel rangschikken van de geleiderspanning naar het aardpotentiaal langs de aansluitlengte.

Warmtekrimpende aansluitingen voor 15 kV XLPE-kabels vereisen een methodische voorbereiding: de buitenmantel wordt verwijderd om de metalen afscherming bloot te leggen, de afscherming wordt op de gespecificeerde afmeting gesneden, het isolatiescherm wordt teruggetrokken om schone XLPE bloot te leggen en het isolatieoppervlak wordt glad geschuurd met schuurkorrels gespecificeerd door de fabrikant van de aansluitingen. Elke kerf die op het XLPE-oppervlak achterblijft als gevolg van een onzorgvuldige messnede tijdens het verwijderen van de zeef, wordt een startpunt voor gedeeltelijke ontlading. De mastiek of buis voor spanningscontrole moet de schermrand doorgaans over de door de fabrikant opgegeven afstand overlappen 15 mm tot 25 mm , om ervoor te zorgen dat de elektrische veldlijnen soepel breken zonder dat het oppervlak wordt gevolgd. Na installatie moet de aansluitlip worden gekrompen met een zeshoekige matrijs die is afgestemd op de geleiderklasse en -doorsnede, waarbij voldoende compressie wordt uitgeoefend om een ​​gasdichte koude las tussen de kabelschoen en de koperen strengen te bereiken.

Veldtesten en inbedrijfstelling

Het testen van XLPE-geïsoleerde stroomkabels na installatie maar vóór inschakeling is de laatste poort die fabricagefouten, transportschade en aansluitfouten opmerkt. De geaccepteerde inbedrijfstellingstest voor nieuwe XLPE-middenspanningscircuits is een sinusoïdale golfvorm met zeer lage frequentie bij 0,1 Hz , toegepast voor een duur van 30 tot 60 minuten. Voor een 15 kV-kabel met een fase-naar-aarde-classificatie van 8,7 kV wordt de VLF-testspanning doorgaans ingesteld op 2,0 tot 3,0 U₀ , overeenkomend met een piek van ongeveer 18 kV tot 26 kV.

Het testen van gelijkstroom met hoog potentiaal, ooit de standaardpraktijk, is verlaten voor XLPE-geïsoleerde stroomkabels, omdat er ruimtelading in de isolatie wordt afgezet, wat kan leiden tot een storing tijdens gebruik nadat de kabel opnieuw is aangesloten op wisselstroom. De VLF-test, gecombineerd met tan-delta-meting bij meerdere spanningsstappen, biedt een diagnostische basislijn. Een nieuwe, gezonde XLPE-kabel zou een tan delta-waarde hieronder moeten vertonen 0,2 × 10⁻³ met minimale variatie tussen spanningsstappen. Elke kabel die een tan delta vertoont die deze drempel overschrijdt, of een stapsgewijze toename tussen opeenvolgende spanningsniveaus, duidt op verontreiniging, binnendringend vocht of extrusiedefecten die onderzoek en mogelijke kabelvervanging rechtvaardigen voordat het circuit in gebruik wordt genomen.

Langdurige veroudering en conditiebewaking

XLPE-isolatie wordt afgebroken door twee primaire mechanismen: thermische veroudering door langdurige werking bij of nabij de 90°C-limiet, en de groei van waterbomen in de aanwezigheid van vocht en elektrische spanning. Moderne XLPE-verbindingen bevatten waterboomvertragende additieven, maar kabels die zijn vervaardigd vóór de wijdverbreide acceptatie van deze formuleringen in de jaren negentig blijven kwetsbaar. Conditiebewakingsprogramma's maken gebruik van partiële ontladingskartering en diëlektrische spectroscopie om verouderde XLPE-geïsoleerde stroomkabels te identificeren voordat ze defect raken.

Gedeeltelijke ontladingsmeting, uitgevoerd met capacitieve koppelingen aan de uiteinden of hoogfrequente stroomtransformatoren rond de aardverbinding van de kabel, detecteert ontladingen met schijnbare ladingsgrootten zo laag als 5 tot 10 picocoulomb . Een kabel met een beginspanning voor gedeeltelijke ontlading die lager is dan 1,3 keer de bedrijfsspanning, nadert een toestand waarin binnen de komende één tot drie jaar een fout waarschijnlijk is. Voor kritieke circuits bieden online bewakingssystemen voor gedeeltelijke ontlading die permanent zijn geïnstalleerd op de aansluitingen van schakelinstallaties een continue bewaking van de toestand van de XLPE-geïsoleerde voedingskabel, waarbij alarmen worden geactiveerd wanneer de ontladingsactiviteit in omvang of herhalingssnelheid verandert. Met deze gegevens kunnen vermogensbeheerders geplande uitval voor kabelvervanging plannen in plaats van te reageren op een noodstoring die de productie of dienstverlening onderbreekt.