สายไฟหุ้มฉนวน XLPE: การให้คะแนน การติดตั้ง และการทดสอบ

เคมีเบื้องหลังความเหนือกว่าทางความร้อน

การแสดงของ ฉนวน XLPE มีต้นกำเนิดมาจากโครงสร้างโมเลกุลของมัน ซึ่งแตกต่างจากเทอร์โมพลาสติกโพลีเอทิลีนซึ่งจะอ่อนตัวและไหลที่อุณหภูมิสูง XLPE ผ่านกระบวนการเชื่อมโยงข้ามที่เชื่อมโยงโซ่โพลีเมอร์แต่ละตัวเข้ากับเครือข่ายสามมิติ การเปลี่ยนแปลงนี้จะแปลงวัสดุที่จะหลอมละลายในเวลาประมาณ 105°ซ ลงในเทอร์โมเซตที่รักษาความสมบูรณ์ทางกลและความเป็นฉนวนได้ดีกว่าขีดจำกัดต่อเนื่องที่พิกัด 90°ซ

การเชื่อมโยงข้ามนั้นทำได้โดยหนึ่งในสามวิธีทางอุตสาหกรรม กระบวนการต่อกิ่งไซเลนใช้ความชื้นเพื่อรักษาฉนวนที่อุณหภูมิแวดล้อม ทำให้เกิดไดอิเล็กตริกที่สะอาด ปราศจากช่องว่าง เหมาะสำหรับสายเคเบิลแรงดันปานกลางสูงถึง 35 kV กระบวนการเปอร์ออกไซด์ที่ใช้ผ่านท่อวัลคาไนซ์ต่อเนื่องแรงดันสูง จะสลายไดคิวมิลเปอร์ออกไซด์ที่อุณหภูมิและความดันสูงขึ้นเพื่อเริ่มต้นการเชื่อมโยงข้าม และยังคงเป็นวิธีการหลักสำหรับสายส่งไฟฟ้าแรงสูงและไฟฟ้าแรงสูงพิเศษ วิธีการฉายรังสีที่ใช้กันทั่วไปน้อยกว่าจะใช้การระดมยิงด้วยลำอิเล็กตรอนสำหรับการใช้งานที่มีผนังบาง แต่ละเทคนิคสร้างเป้าหมายปริมาณเจลที่เหมือนกัน: เศษส่วนเจลขั้นต่ำ 70% ตามที่วัดโดยการสกัดไซลีนร้อน ทำให้มั่นใจได้ถึงความหนาแน่นของเครือข่ายที่จำเป็นสำหรับความต้านทานการคืบคลานภายใต้แรงกดดันทางกลที่ยั่งยืนที่อุณหภูมิสูง

การก่อสร้างตัวนำและวิศวกรรมหน้าจอ

ไม่มีอิเล็กทริก XLPE ทำงานแยกกัน ส่วนต่อประสานระหว่างตัวนำกับฉนวน และระหว่างฉนวนกับชีลด์โลหะ เป็นตัวกำหนดพฤติกรรมการคายประจุบางส่วนของสายเคเบิลและอายุการใช้งานสูงสุดอย่างมีวิจารณญาณ อินเทอร์เฟซเหล่านี้ได้รับการจัดการโดยหน้าจอกึ่งตัวนำ ซึ่งมักเรียกง่ายๆ ว่าหน้าจอตัวนำและฉนวน ซึ่งถูกอัดขึ้นรูปพร้อมกันกับฉนวน XLPE ในกระบวนการอัดรีดแบบสามหัว

หน้าจอตัวนำที่ใช้อย่างเหมาะสมจะเติมช่องว่างของตัวนำตีเกลียวและนำเสนอพื้นผิวศักย์ไฟฟ้าทรงกระบอกเรียบสมบูรณ์แบบที่ด้านในของชั้น XLPE การยื่นออกมาหรือเป็นโมฆะใดๆ ที่ขอบเขตนี้จะรวมตัวกับความเครียดทางไฟฟ้า และทำให้เกิดการคายประจุบางส่วนที่กัดกร่อนฉนวนจากภายในสู่ภายนอก วัสดุกรองนั้นเป็นสารประกอบโพลีเอทิลีนที่มีคาร์บอนแบล็คซึ่งมีความต้านทานต่อปริมาตรโดยทั่วไป ต่ำกว่า 500 โอห์ม-เมตร ที่อุณหภูมิ 90°C ที่ด้านนอกของฉนวน ตะแกรงฉนวนทำหน้าที่ผกผัน ป้องกันช่องว่างอากาศระหว่างพื้นผิว XLPE และเทปโลหะหรือชีลด์ลวด ในสายเคเบิลแบบอัดรีดสามชั้นที่ทันสมัยที่มีพิกัด 15 kV ขึ้นไป ทั้งสามชั้น—หน้าจอตัวนำ ฉนวน XLPE และหน้าจอฉนวน—ถูกนำมาใช้ในการส่งผ่านครั้งเดียวผ่านแม่พิมพ์ครอสเฮด จากนั้นจึงเชื่อมโยงข้ามเข้าด้วยกัน โครงสร้างแบบอัดรีดร่วมนี้ช่วยขจัดขอบเขตของชั้นที่ไม่ต่อเนื่องซึ่งในอดีตเคยทำให้เกิดความล้มเหลวในการแยกชั้นภายใต้การขยายตัวทางความร้อนของวงจรโหลด

ความแอมป์และความทนต่อความร้อนลัดวงจร

ข้อได้เปรียบด้านอุณหภูมิในการทำงานของ XLPE นั้นเป็นที่รู้จักกันดี แต่ความสามารถในการทนต่อความร้อนลัดวงจรนั้นมีความสำคัญไม่แพ้กันและมักถูกมองข้ามในระหว่างข้อกำหนด เมื่อกระแสฟอลต์ไหล อุณหภูมิของตัวนำจะเพิ่มขึ้นในหน่วยมิลลิวินาที XLPE ทนอุณหภูมิตัวนำไฟฟ้าลัดวงจรได้ 250°ซ ในขณะที่ฉนวน PVC มาตรฐานถูกจำกัดไว้ที่ 160°ซ สำหรับเหตุการณ์ชั่วคราวเดียวกัน เพดานความร้อนที่สูงขึ้นนี้ช่วยให้หน้าตัดของตัวนำขนาดเล็กสามารถอยู่รอดได้ตามขนาดกระแสไฟฟ้าขัดข้องและเวลาในการเคลียร์ที่กำหนด โดยมีผลกระทบต่อต้นทุนโดยตรงสำหรับการจัดซื้อทองแดงหรืออะลูมิเนียม

ตารางด้านล่างเปรียบเทียบความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าลัดวงจรสูงสุดที่อนุญาตสำหรับตัวนำทองแดงภายใต้ฉนวน XLPE และ PVC สำหรับเวลาในการล้างข้อผิดพลาดหนึ่งวินาที ซึ่งแสดงให้เห็นถึงส่วนต่างทางวิศวกรรมที่ได้รับ

อัตราลัดวงจรที่สูงขึ้นประมาณ 143 แอมแปร์ต่อตารางมิลลิเมตร สำหรับตัวนำทองแดงภายใต้ XLPE เทียบกับ 115 A/มม.² สำหรับ PVC หมายความว่าสายเคเบิล XLPE สามารถทนต่อกระแสไฟฟ้าขัดข้องที่สูงขึ้น 24% สำหรับขนาดตัวนำเดียวกันและเวลาในการเคลียร์โดยไม่มีการเสื่อมสภาพของฉนวน ในทางปฏิบัติ สิ่งนี้มักจะช่วยให้ผู้ออกแบบสามารถเลือกตัวนำไฟฟ้าที่มีขนาดเล็กลงหนึ่งขนาดมาตรฐานในขณะที่ยังคงรักษาการปฏิบัติตามข้อกำหนด IEC 60949 ข้อบกพร่องทั้งหมด

การปลูกต้นไม้น้ำและกรณีการก่อสร้างแบบมีแจ็คเก็ต

กลไกการเสื่อมสภาพที่โดดเด่นสำหรับสาย XLPE แรงดันปานกลางในสภาพแวดล้อมที่เปียกชื้นคือการสร้างน้ำ ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นเมื่อความชื้นแทรกซึมเข้าไปในฉนวนเมื่อมีสนามไฟฟ้า ทำให้เกิดช่องเล็กๆ คล้ายต้นไม้ของพอลิเมอร์ที่สลายตัวทางเคมี ตลอดระยะเวลาเจ็ดถึงสิบห้าปี ต้นไม้น้ำเหล่านี้จะเติบโตจากจุดความเข้มข้นของความเครียดจนกระทั่งเชื่อมเข้ากับความหนาของฉนวนที่เพียงพอจนทำให้เกิดการพังทลายของอิเล็กทริกที่แรงดันไฟฟ้าที่ใช้งาน

มาตรการตอบโต้ที่ได้รับการพิสูจน์แล้วสองประการได้กำหนดแนวปฏิบัติที่ดีที่สุดสำหรับสายเคเบิล XLPE ที่มีไว้สำหรับฝังศพโดยตรงหรือห้องใต้ดินเปียก อย่างแรกคือแผงกั้นความชื้นโลหะที่อัดขึ้นรูปและไร้รอยต่อ เทปทองแดงที่มีตะเข็บเชื่อมและลูกฟูกหรือเปลือกตะกั่วที่ใช้อย่างต่อเนื่อง ผูกติดกับแจ็คเก็ตโพลีเอทิลีนด้านนอก สิ่งกีดขวางนี้จะปิดกั้นทางน้ำในแนวรัศมีเข้าไปในหน้าจอฉนวนและชั้นฉนวน ประการที่สองคือการใช้สารประกอบ XLPE ที่หน่วงน้ำ ซึ่งรวมเอาสารเติมแต่งที่มีขั้วซึ่งจะทำให้โมเลกุลของน้ำตรึงทางเคมีภายในบริเวณอสัณฐานของโพลีเมอร์ ซึ่งจะช่วยลดอัตราการเติบโตของต้นน้ำที่ระบายออกตามลำดับความสำคัญ สำหรับสายเคเบิลใดๆ ที่มีพิกัด 15 kV ขึ้นไปที่ติดตั้งในท่อระบายน้ำที่ต้องจุ่มน้ำเป็นระยะๆ การระบุทั้งแผงกั้นความชื้นในแนวรัศมีโลหะและ XLPE ที่หน่วงต้นไม้จะไม่ใช่ตัวเลือกระดับพรีเมียมอีกต่อไป เป็นการก่อสร้างขั้นต่ำที่จำเป็นเพื่อให้บรรลุอายุการใช้งานสี่สิบปี

การควบคุมความเครียดในการสิ้นสุดและความดันอินเทอร์เฟซ

สถิติความล้มเหลวของระบบสายเคเบิล XLPE ชี้ไปที่การสิ้นสุดและการต่อประกบว่าเป็นจุดอ่อน ไม่ใช่ตัวสายเคเบิล ปัญหาคือการหยุดชะงักอย่างกะทันหันของฉนวนกรอง ซึ่งทำให้เกิดความเครียดทางไฟฟ้าในวงสัมผัสที่รุนแรงที่ขอบตัดของตะแกรง หากไม่มีการควบคุมการให้คะแนน ความเครียดนี้ก็สามารถเข้าถึงได้ 50 kV ต่อนิ้วหรือสูงกว่า ที่แรงดันไฟฟ้าระหว่างเฟสถึงกราวด์ที่กำหนดสำหรับสายเคเบิล 15 kV เริ่มต้นการติดตามพื้นผิวที่ทำให้เกิดคาร์บอไนซ์และทำลายจุดสิ้นสุด

วิธีแก้ไขคือองค์ประกอบควบคุมความเครียดที่รวมอยู่ในการเลิกจ้าง โดยทั่วไปแล้วการสิ้นสุดแรงดันไฟฟ้าสูงจะใช้กรวยความเครียดทางเรขาคณิตที่ทำจากยางที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าและเป็นฉนวนซึ่งจะปฏิรูปเส้นสนามศักย์ไฟฟ้าให้เป็นเกรเดียนต์ที่อ่อนโยนทั่วพื้นผิว XLPE ตัวเชื่อมต่อแบบแยกแรงดันไฟฟ้าปานกลางทำหน้าที่เดียวกันกับตัวเรือนอีลาสโตเมอร์ที่ขึ้นรูปด้วยการฉีดซึ่งใช้การควบคุมการรบกวนในแนวรัศมีของ 15% ถึง 25% เหนือฉนวนสายเคเบิล การรบกวนที่พอดีนี้รักษาแรงดันของอินเทอร์เฟซตลอดวงจรความร้อนทั้งหมด ทำให้พื้นผิวไฟฟ้าภายในสัมผัสกันอย่างใกล้ชิด และแยกอากาศออกจากจุดเชื่อมต่อสามจุดวิกฤตที่ตัวนำ ฉนวน และสภาพแวดล้อมมาบรรจบกัน ผู้ติดตั้งรายใดที่ข้ามสารหล่อลื่นซิลิโคนที่ระบุไว้สำหรับตัวตัวเชื่อมต่อ หรือผู้ที่ล้มเหลวในการลบมุมฉนวนที่กั้นที่ตัดตามมุมที่กำหนด จะทำให้เกิดช่องว่างที่จะกลายเป็นพื้นที่คายประจุบางส่วนและกลายเป็นข้อผิดพลาดจากพื้นถึงพื้นในที่สุด

การทดสอบภาคสนามและการว่าจ้างโปรโตคอล

วงจรสายเคเบิล XLPE ที่เสร็จสมบูรณ์ต้องมีการทดสอบการใช้งานซึ่งพิสูจน์ว่าฉนวนไม่ได้รับความเสียหายระหว่างการดึงและการสิ้นสุด ขณะเดียวกันก็ไม่เสื่อมสภาพหรือทำให้สายเสียงอ่อนลงไปพร้อมๆ กัน วิธีการทดสอบ DC ที่มีศักยภาพสูงแบบเดิมนั้นไม่น่าเชื่อถืออย่างแน่นอนสำหรับ XLPE แบบอัดขึ้นรูป การทดสอบ DC ทำให้เกิดประจุพื้นที่ลงในฉนวนจำนวนมาก เมื่อถอดแรงดันไฟฟ้าทดสอบออกและชาร์จสายเคเบิลอีกครั้งด้วยไฟฟ้ากระแสสลับ ประจุพื้นที่ที่ติดอยู่นี้จะซ้อนทับกับรูปคลื่นไฟฟ้ากระแสสลับ และอาจเร่งให้เกิดการพังทลายที่สายเคเบิลไม่เคยประสบมาก่อนในการให้บริการ

โปรโตคอลสมัยใหม่ที่ได้รับการยอมรับสำหรับการว่าจ้างสายเคเบิล XLPE ใหม่คือ ทนต่อการทดสอบความถี่ต่ำมาก (VLF) ที่ 0.1 Hz โดยทั่วไปจะใช้เป็นเวลา 30 ถึง 60 นาทีที่ระดับแรงดันไฟฟ้า 2.0 ถึง 3.0 เท่าของแรงดันไฟฟ้าในการทำงานแบบสายลงกราวด์ สำหรับสายเคเบิล 15 kV ที่มีพิกัดระหว่างเฟสถึงกราวด์ 8.7 kV โดยทั่วไปแรงดันไฟฟ้าทดสอบจะตั้งค่าไว้ที่ สูงสุด 22 กิโลโวลต์ . การทดสอบความทนทานร่วมกับการวัดแทนเดลต้าที่แรงดันไฟฟ้าหลายขั้นจะให้ค่าพื้นฐานเชิงปริมาณของการสูญเสียอิเล็กทริก ซึ่งสามารถนำไปเปรียบเทียบกับการทดสอบวินิจฉัยในอนาคตเพื่อติดตามอายุของฉนวนได้ สาย XLPE ใหม่ที่มีสภาพดีควรมีสีแทนเดลต้าด้านล่าง 0.2 × 10⁻³ โดยมีค่าเบี่ยงเบนเดลต้า-แทน-เดลต้าน้อยที่สุดตลอดขั้นตอนแรงดันไฟฟ้า ค่าที่เกินเกณฑ์นี้ก่อนที่สายเคเบิลจะเข้ารับบริการ บ่งบอกถึงการปนเปื้อน ความชื้น หรือคุณภาพการอัดขึ้นรูปที่ไม่ดี ซึ่งรับประกันการตรวจสอบก่อนที่วงจรจะได้รับการยอมรับจากผู้ติดตั้ง