Высоковольтный кабель
( Высоковольтный кабель кабель ВН ) — кабель, используемый для передачи электрической энергии высокого напряжения . Кабель включает в себя жилу и изоляцию . Кабели считаются полностью изолированными. Это означает, что у них есть полностью рассчитанная система изоляции, которая будет состоять из изоляции, полупроводниковых слоев и металлического экрана. В этом отличие от воздушной линии , которая может иметь изоляцию, но не полностью рассчитана на рабочее напряжение (например, древесный провод). Высоковольтные кабели разных типов находят разнообразное применение в приборах, системах зажигания и передаче энергии переменного (AC) и постоянного тока (DC). Во всех случаях изоляция кабеля не должна ухудшаться из-за высокого напряжения, озона, образующегося при электрических разрядах в воздухе, или трекинга. Кабельная система должна предотвращать контакт высоковольтного проводника с другими предметами или людьми, сдерживать и контролировать ток утечки. Кабельные соединения и клеммы должны быть спроектированы так, чтобы контролировать высоковольтные нагрузки и предотвращать разрушение изоляции.
Длина отрезанных высоковольтных кабелей может варьироваться от нескольких футов до тысяч футов, при этом относительно короткие кабели используются в аппаратуре, а более длинные кабели прокладываются внутри зданий или в виде подземных кабелей на промышленных предприятиях или для распределения электроэнергии. Самые длинные отрезки кабеля часто представляют собой подводные кабели для передачи энергии под океаном.
Технологии изоляции кабелей
[ редактировать ]Как и другие силовые кабели , высоковольтные кабели имеют конструктивные элементы из одной или нескольких жил, систему изоляции и защитную оболочку. Высоковольтные кабели отличаются от низковольтных тем, что имеют дополнительные внутренние слои в системе изоляции для управления электрическим полем вокруг проводника. Эти дополнительные слои необходимы при напряжении 2000 В и выше между проводниками. Без этих полупроводниковых слоев кабель выйдет из строя из-за электрического напряжения в течение нескольких минут. Эту технику запатентовал Мартин Хохштадтер в 1916 году; [1] экран иногда называют экраном Hochstadter, а экранированный кабель раньше назывался кабелем H-типа. В зависимости от схемы заземления экраны кабеля могут быть заземлены на одном или обоих концах кабеля. Сращивания в середине кабеля также могут быть заземлены в зависимости от длины цепи и от того, используется ли полупроводниковая оболочка в прямых подземных цепях.
С 1960 года экструдированные кабели с твердым диэлектриком стали доминировать на рынке распределительных сетей. Эти кабели среднего напряжения обычно имеют полимерную изоляцию из этиленпропиленового каучука или сшитого полиэтилена. Изоляция EPR распространена в кабелях напряжением от 4 до 34 кВ. EPR обычно не используется при напряжении выше 35 кВ из-за потерь, однако его можно найти в кабелях на 69 кВ. Сшитый полиэтилен используется на всех уровнях напряжения, начиная с класса 600 В и выше. Иногда изоляция EAM продается, однако проникновение на рынок остается довольно низким. Кабели с твердой экструдированной изоляцией, такие как EPR и XLPE, составляют большую часть производимых сегодня распределительных и передающих кабелей. Однако относительная ненадежность раннего сшитого полиэтилена привела к медленному его внедрению в области напряжений передачи. Кабели на напряжение 330, 400 и 500 кВ сегодня обычно изготавливаются с использованием сшитого полиэтилена, но это произошло только в последние десятилетия.
Все более редким типом изоляции является PILC или кабель с бумажной изоляцией, покрытый свинцом. Некоторые коммунальные предприятия до сих пор устанавливают их в распределительных сетях в качестве нового строительства или замены. Себастьян Зиани де Ферранти был первым, кто продемонстрировал в 1887 году, что тщательно высушенная и подготовленная крафт-бумага может образовать удовлетворительную изоляцию кабеля при напряжении 11 000 вольт. Раньше кабель с бумажной изоляцией применялся только в низковольтных телеграфных и телефонных цепях. Для защиты бумажного кабеля от влаги требовалась экструдированная свинцовая оболочка. Кабели среднего напряжения с массовой пропиткой и бумажной изоляцией стали коммерчески практичными к 1895 году. Во время Второй мировой войны несколько разновидностей изоляции из синтетического каучука и полиэтилена . к кабелям применялось [2] В современных высоковольтных кабелях для изоляции используются полимеры, особенно полиэтилен, в том числе сшитый полиэтилен (XLPE).
Упадок PILC можно отнести к 1980-м и 1990-м годам, когда городские коммунальные предприятия начали использовать больше кабелей с изоляцией из этиленпропиленового каучука и сшитого полиэтилена. Факторами снижения использования PILC являются высокий уровень мастерства, необходимый для сращивания свинца, более длительное время сращивания, снижение доступности продукта внутри страны и необходимость прекращения использования свинца по соображениям окружающей среды и безопасности. Следует также отметить, что кабель со свинцовым покрытием с резиновой изоляцией некоторое время пользовался популярностью до 1960 года на рынках низкого и среднего напряжения, но не получил широкого распространения в большинстве коммунальных предприятий. Большинство коммунальных предприятий часто считают, что существующие фидеры PILC подходят к концу и подлежат программам замены.
Вулканизированная резина была запатентована Чарльзом Гудиером в 1844 году, но она не применялась для изоляции кабелей до 1880-х годов, когда ее начали использовать в цепях освещения. [1] Кабель с резиновой изоляцией использовался для цепей на 11 000 В, установленных в 1897 году для проекта по производству электроэнергии на Ниагарском водопаде .
Маслонаполненные, газонаполненные и трубчатые кабели считаются устаревшими с 1960-х годов. Такие кабели рассчитаны на значительный поток масла через кабель. Стандартные кабели PILC пропитаны маслом, но масло не предназначено для протекания или охлаждения кабеля. Маслонаполненные кабели обычно имеют свинцовую изоляцию, и их можно приобрести на катушках. Кабели трубчатого типа отличаются от маслонаполненных кабелей тем, что они прокладываются в жесткой трубе, обычно изготовленной из стали. В случае кабелей трубчатого типа сначала прокладывают трубы, а затем протягивают кабель. Кабель может иметь направляющие тросы, чтобы предотвратить повреждение во время процесса протягивания. Поперечный объем масла в кабеле трубчатого типа значительно выше, чем в маслонаполненном кабеле. Эти кабели трубчатого типа заполнены маслом при номинальном низком, среднем и высоком давлениях. Более высокие напряжения требуют более высокого давления масла, чтобы предотвратить образование пустот, которые могут привести к частичным разрядам внутри изоляции кабеля. Кабели трубчатого типа обычно имеют систему катодной защиты, срабатывающую от напряжения, в отличие от маслонаполненной кабельной цепи. Кабельные системы трубчатого типа часто защищены от образования отдых через асфальтовое покрытие. Многие из этих контуров трубчатого типа эксплуатируются и сегодня. Однако они потеряли популярность из-за высоких начальных затрат и огромного бюджета на эксплуатацию и техническое обслуживание, необходимого для обслуживания парка насосных станций.
Компоненты изоляции кабеля
[ редактировать ]Высоким напряжением считается любое напряжение выше 1000 вольт. [3] Кабели напряжением от 2 до 33 кВ обычно называют кабелями среднего напряжения , а кабели напряжением более 50 кВ — кабелями высокого напряжения .
Современные высоковольтные кабели имеют простую конструкцию, состоящую из нескольких частей: проводника, экрана проводника, изоляции, изоляционного экрана, металлического экрана и оболочки. Другие слои могут включать водоблокирующие ленты, рипкорды и бронепроволоку. Медные или алюминиевые провода передают ток, см. (1) на рисунке 1. ( Подробное описание медных кабелей см. в основной статье: Медный проводник . ) Изоляция, изоляционный экран и экран проводника обычно изготавливаются на полимерной основе с небольшим количеством редкие исключения.
Однопроводные конструкции до 2000 KCM обычно являются концентрическими. Отдельные пряди часто деформируются в процессе скручивания, чтобы обеспечить более гладкую общую окружность. Это известные компактные и сжатые проводники. Компактный вариант обеспечивает уменьшение внешнего диаметра проводника на 10 %, тогда как сжатая версия обеспечивает уменьшение только на 3 %. Выбор сжатого или компактного проводника часто требует использования другого соединителя во время сращивания. Кабели передачи 2000 KCM и более часто имеют секторную конструкцию для уменьшения потерь на скин-эффект. Силовые кабели общего назначения часто рассчитаны на работу при температуре проводника до 75°C, 90°C и 105°C. Эта температура ограничена конструкционным стандартом и выбором оболочки.
Экран проводника всегда прочно соединен с изоляцией кабеля из этиленпропиленового полиуретана или сшитого полиэтилена в кабеле с твердым диэлектриком. Полупроводниковый изоляционный экран может быть приклеенным или съемным в зависимости от желания покупателя. Для напряжений 69 кВ и выше изоляционный экран обычно приклеивается. Для сокращения времени и навыков сварки приобретается съемный изоляционный экран. Можно утверждать, что съемный Semicon может привести к меньшему количеству проблем с качеством изготовления при среднем напряжении. [4] В кабелях с бумажной изоляцией полупроводниковые слои состоят из углеродсодержащих или металлизированных лент, нанесенных на жилу и бумажную изоляцию. Функция этих слоев заключается в предотвращении полостей, заполненных воздухом, и подавлении напряжения напряжения между металлическими проводниками и диэлектриком, чтобы не возникали небольшие электрические разряды и не подвергали опасности изоляционный материал. [5]
Изоляционный экран покрыт медным, алюминиевым или свинцовым «экраном». Металлический экран или оболочка служит заземляющим слоем и отводит токи утечки. Функция экрана не заключается в устранении неисправностей, но при желании эту функцию можно разработать. Некоторые конструкции, которые можно использовать, включают медную ленту, концентрические медные провода, продольно гофрированные экраны, медные плоские ленты или экструдированную свинцовую оболочку.
Оболочка кабеля часто бывает полимерной. Функция куртки — обеспечить механическую защиту, а также предотвратить проникновение влаги и химических веществ. Куртки могут быть полупроводниковыми или непроводящими в зависимости от состояния почвы и желаемой конфигурации заземления. Полупроводниковые оболочки также можно использовать на кабелях, чтобы облегчить проверку целостности оболочки. Некоторые типы оболочек — это LLDPE, HDPE, полипропилен, ПВХ (нижний сегмент рынка), LSZH и т. д.
Качество
[ редактировать ]В ходе разработки изоляции высокого напряжения, которая заняла около полувека, две характеристики оказались важнейшими.Во-первых, введение полупроводниковых слоев. Эти слои должны быть абсолютно гладкими, без выступов даже размером в несколько мкм . Далее, сплавление изоляции с этими слоями должно быть абсолютным; [6] любое деление, воздушные карманы или другие дефекты — опять же, даже размером в несколько микрон — губительны для кабеля. Во-вторых, изоляция не должна иметь включений, полостей и других дефектов такого же размера. Любой дефект этих типов сокращает срок службы кабеля под напряжением, который должен составлять порядка 30 лет и более. [7]
Сотрудничество производителей кабелей и производителей материалов привело к появлению марок сшитого полиэтилена с жесткими характеристиками. Большинство производителей сшитого полиэтилена указывают «особо чистый» сорт, при котором гарантировано количество и размер посторонних частиц. упаковка сырья и его разгрузка в чистом Требуется помещении на машинах для изготовления кабеля. Развитие экструдеров для экструзии и сшивания пластмасс привело к созданию установок для производства кабелей, позволяющих изготавливать бездефектную и чистую изоляцию. Последним испытанием контроля качества является испытание на частичный разряд при повышенном напряжении 50 или 60 Гц с очень высокой чувствительностью (в диапазоне от 5 до 10 пикокулон). Это испытание проводится на каждой катушке кабеля перед его отправкой. [ нужна ссылка ]
кабель постоянного тока
[ редактировать ]Высоковольтный кабель для передачи постоянного тока высокого напряжения (HVDC) имеет ту же конструкцию, что и кабель переменного тока, показанный на рисунке 1. Физические характеристики и требования к испытаниям отличаются. [8] В этом случае первостепенное значение имеет гладкость полупроводниковых слоев (2) и (4). Чистота изоляции остается обязательным условием. Полупроводниковым материалом может быть пластик из сшитого полиэтилена (XLPE ) с углеродной сажей. [9]
Многие кабели HVDC используются для подводных соединений постоянного тока , поскольку на расстояниях более 100 км переменный ток уже невозможно использовать. По состоянию на 2021 год самым длинным подводным кабелем является кабель North Sea Link между Норвегией и Великобританией, длина которого составляет 720 км (450 миль).
Кабельные наконечники
[ редактировать ]Зажимы высоковольтных кабелей должны управлять электрическими полями на концах. [10] Без такой конструкции электрическое поле будет концентрироваться на конце заземляющего проводника, как показано на рисунке 8.
Здесь показаны эквипотенциальные линии, которые можно сравнить с горизонталями на карте горного региона: чем ближе эти линии расположены друг к другу, тем круче склон и тем больше опасность, в данном случае опасность поражения электрическим током. авария . Эквипотенциальные линии также можно сравнить с изобарами на карте погоды: чем плотнее линии, тем сильнее ветер и тем больше опасность разрушения.Для управления эквипотенциальными линиями (то есть для управления электрическим полем) используется устройство, называемое конусом напряжений , см. рисунок 9. [11] Суть снятия напряжения заключается в том, чтобы развальцевать конец экрана по логарифмической кривой. До 1960 года конусы напряжения изготавливались вручную с помощью ленты — после установки кабеля. Они были защищены наконечниками , названными так потому, что вокруг ленты внутри металлического/фарфорового изолятора был залит герметик/диэлектрик. Примерно в 1960 году были разработаны готовые концевые заделки, состоящие из резинового или эластомерного корпуса, натянутого на конец кабеля. [12] На этом резиноподобном теле R нанесен экранирующий электрод, который распределяет эквипотенциальные линии, чтобы гарантировать низкое электрическое поле.
Суть этого устройства, изобретенного NKF в Делфте в 1964 году, [13] заключается в том, что отверстие упругого тела уже диаметра кабеля. Таким образом, (синяя) поверхность раздела между кабелем и нагрузочным конусом подвергается механическому давлению, так что между кабелем и конусом не может образоваться полостей или воздушных карманов. Таким образом предотвращается электрический пробой в этой области.
Эту конструкцию можно дополнительно окружить фарфоровым или силиконовым изолятором для использования на открытом воздухе. [14] или с помощью хитростей ввести кабель в силовой трансформатор под маслом, или распределительное устройство под давлением газа. [15]
Кабельные соединения
[ редактировать ]Соединение двух высоковольтных кабелей друг с другом создает две основные проблемы. Во-первых, внешние проводящие слои в обоих кабелях должны быть заделаны, не вызывая концентрации поля. [16] как при изготовлении кабельного наконечника. Во-вторых, необходимо создать свободное от поля пространство, где можно безопасно разместить срезанную изоляцию кабеля и разъем двух проводников. [17] Эти проблемы были решены НКФ в Делфте в 1965 году. [18] путем введения устройства, называемого двухманжетной манжетой.
На рис. 10 представлена фотография такого устройства в разрезе. На одной стороне этой фотографии нарисованы контуры высоковольтного кабеля. Здесь красный цвет представляет проводник этого кабеля, а синий — изоляцию кабеля. Черные детали на этом рисунке — полупроводниковые резиновые детали. Внешний имеет потенциал земли и распределяет электрическое поле так же, как в кабельном наконечнике. Внутренний находится под высоким напряжением и экранирует разъем проводников от электрического поля.
Само поле отводится так, как показано на рисунке 11, где эквипотенциальные линии плавно направляются от внутренней части кабеля к внешней части биманшета (и наоборот на другой стороне устройства).
Суть здесь, как и в кабельном наконечнике, в том, что внутреннее отверстие этого биманшета выбрано меньшим, чем диаметр по изоляции кабеля. [19] Таким образом, между двойной манжетой и поверхностью кабеля создается постоянное давление, что позволяет избежать полостей или электрических слабых мест.
Установка терминала или двухманжетной манжеты требует квалифицированной работы. Технические действия по удалению внешнего полупроводникового слоя на концах кабелей, размещению органов регулирования поля, соединению проводников и т. д. требуют умения, чистоты и точности.
Проклеенные вручную соединения
[ редактировать ]Соединения, проклеенные вручную, — это старый метод сращивания и заделки кабеля. Конструкция этих соединений предполагает использование нескольких видов ленты и вручную создание соответствующего снятия напряжений. Некоторые из используемых лент могут представлять собой резиновые ленты, полупроводниковые ленты, фрикционные ленты, ленты из лакированного кембрика и т. д. Этот метод сращивания невероятно трудоемок и требует много времени. Для этого необходимо измерить диаметр и длину наращиваемых слоев. Часто ленты необходимо перекрывать наполовину и туго натягивать, чтобы предотвратить образование окон или пустот в полученном соединении. Гидроизоляция стыков, проклеенных вручную, очень сложна.
Предварительно формованные соединения
[ редактировать ]Предварительно отформованные соединения представляют собой изделия, полученные литьем под давлением, созданные в два или более этапов. Благодаря автоматизации клетка Фарадея будет иметь точную геометрию и расположение, недостижимое при проклеенных соединениях. Предварительно отформованные соединения выпускаются в корпусах различных размеров, которые во многом соответствуют наружному диаметру кабеля Semicon. Для обеспечения гидроизоляции требуется плотный шов. Эти суставы часто надавливаются и могут привести к травмам мягких тканей у мастеров.
Термоусадочные соединения
[ редактировать ]Термоусадочные соединения состоят из множества различных термоусадочных трубок: изолирующих и проводящих. Эти наборы менее трудоемки, чем приклеивание ленты, но более трудоемки, чем предварительно отформованные. Могут возникнуть опасения по поводу наличия открытого огня в люке или хранилище здания. При использовании горелки также могут возникнуть проблемы с качеством изготовления, поскольку трубы должны быть полностью восстановлены без обжига, а любые используемые мастики должны затекать в пустоты и удалять воздух. Необходимо дать достаточно времени и тепла. Существует также большое количество компонентов, которые необходимо разместить в правильном порядке и положении относительно центра соединения.
Холодноусадочные соединения
[ редактировать ]Холодная усадка – это новейшее семейство соединений. Идея заключается в том, что полимерная трубка имеет правильный диаметр для кабеля. Затем его растягивают по форме и помещают на удерживающую трубку на заводе. Готовое к установке соединение очень легко надевается на конец кабеля. После установки соединителя сварочному аппарату просто необходимо отцентрировать корпус соединения, а затем освободить фиксатор. Трубка автоматически восстановится до исходного размера. Единственная сложность – холодная усадка имеет срок хранения примерно 2–3 года. По истечении этого периода времени резина сформирует память и не восстановится до запланированного размера. Это может привести к выходу соединения из строя, если его не установить до рекомендованной даты. С точки зрения коммунальных предприятий это затрудняет отслеживание запасов или сохранение запасных частей для критически важных клиентов. Холодная усадка является наиболее быстро растущей областью распределительных соединений, и считается, что она имеет наименьшее количество проблем с качеством изготовления и кратчайшие сроки установки.
рентгеновский кабель
[ редактировать ]Рентгеновские кабели [20] используются длиной в несколько метров для соединения источника высокого напряжения с рентгеновской трубкой или любым другим устройством высокого напряжения в научном оборудовании. Они передают небольшие токи порядка миллиампер при постоянном напряжении от 30 до 200 кВ, а иногда и выше. Кабели гибкие, с изоляцией из резины или другого эластомера , многожильными жилами и внешней оболочкой из плетеной медной проволоки. Конструкция имеет те же элементы, что и другие силовые кабели высокого напряжения.
Испытание высоковольтных кабелей
[ редактировать ]При рассмотрении твердого диэлектрика или бумажной изоляции существуют разные причины неисправности изоляции кабеля. Следовательно, существуют различные методы испытаний и измерений, позволяющие убедиться в полной работоспособности кабелей или обнаружить неисправные. Хотя бумажные кабели в основном тестируются с помощью испытаний на сопротивление изоляции постоянного тока, наиболее распространенным испытанием кабельных систем с твердым диэлектриком является испытание на частичный разряд.Необходимо различать тестирование кабеля и диагностику кабеля .
В то время как методы тестирования кабеля приводят к выводу о годности или негодности, методы диагностики кабеля позволяют судить о текущем состоянии кабеля. С помощью некоторых испытаний можно даже определить местонахождение дефекта изоляции до ее разрушения.
В некоторых случаях электрические деревья (водяные деревья) можно обнаружить путем измерения тангенса дельты . Интерпретация результатов измерений в некоторых случаях может дать возможность отличить новый кабель, сильно обводненный водой. К сожалению, существует множество других проблем, которые могут ошибочно представлять собой большую дельту тангенса, и подавляющее большинство дефектов твердого диэлектрика не могут быть обнаружены с помощью этого метода. Повреждения изоляции и электрических соединений можно обнаружить и локализовать путем измерения частичных разрядов . Данные, собранные во время процедуры измерения, сравниваются со значениями измерений того же кабеля, собранными во время приемочных испытаний. Это позволяет просто и быстро классифицировать диэлектрическое состояние испытуемого кабеля. Как и в случае с касательной дельтой, этот метод имеет множество предостережений, но при строгом соблюдении заводских стандартов испытаний результаты полевых испытаний могут быть очень надежными.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]Источники
[ редактировать ]- Крюгер, Фредерик Х. (1991). Промышленное высокое напряжение . Том. 1. Издательство Делфтского университета. ISBN 90-6275-561-5 .
- Крюгер, Фредерик Х. (1991). Промышленное высокое напряжение . Том. 2. Издательство Делфтского университета. ISBN 90-6275-562-3 .
- Куффель, Э.; Зенгль, WS; Каффель, Дж. (2000). Техника высокого напряжения (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн/Ньюнес. ISBN 0-7506-3634-3 .
Примечания
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Справочник по подземным системам . Электрический институт Эдисона. 1957. OCLC 1203459 .
- ^ Блэк, Роберт М. (1983). История электрических проводов и кабелей . Питер Пергринус; Лондонский музей науки. ISBN 0-86341-001-4 .
- ^ Крюгер 1991 Том. 1 , с. 133-137
- ^ Куффель 2000 и Крюгер 1991 Том. 2 , с. 118
- ^ Куффель 2000 , сек. Разряды
- ^ Крюгер 1991 Том. 2 , рисунок 8.1д
- ^ Крюгер 1991 Том. 2 , с. 87-91
- ^ Крюгер 1991 Том. 2 , с. 15-19
- ^ Воржик, Томас (11 августа 2009 г.). Подводные силовые кабели: проектирование, монтаж, ремонт, экологические аспекты . Спрингер. ISBN 978-3-642-01270-9 .
- ^ Крюгер 1991 Том. 1 , с. 53 147 153
- ^ Крюгер 1991 Том. 1 , с. 147-153
- ^ Крюгер 1991 Том. 1 , рис. 10.7
- ^ Патент Нидерландов 123795, Нидерланды Cable Works NKF , подан 21 апреля 1964 г., выдан 27 марта 1968 г.
- ^ см. аналогичный случай в Kreuger 1991 Vol. 1 , с. 160
- ^ см. аналогичный случай в Kreuger 1991 Vol. 1 , с. 157
- ^ Крюгер 1991 Том. 1 , с. 156
- ^ Крюгер 1991 Том. 1 , с. 154
- ^ Голландский патент 149955 компании Dutch Cable Works NKF , подан 4 ноября 1965 г., выдан 17 ноября 1976 г.
- ^ Крюгер 1991 Том. 1 , с. 155
- ^ Крюгер 1991 Том. 1 , с. 65, 133