Kabel vysokého napětí - High-voltage cable
A vysokonapěťový kabel (VN kabel) je kabel používaný pro přenos elektrické energie na vysokého napětí. Součástí kabelu je vodič a izolace. Kabely se považují za plně izolované. To znamená, že mají plně dimenzovaný izolační systém, který bude sestávat z izolace, polokonzolovaných vrstev a kovového štítu. To je na rozdíl od trolejové vedení, které mohou zahrnovat izolaci, ale nejsou plně dimenzovány na provozní napětí (EG: stromový vodič). Vysokonapěťové kabely různých typů mají různé použití v přístrojích, zapalovacích systémech a střídavý proud (AC) a stejnosměrný proud (DC) přenos energie. Ve všech aplikacích se izolace kabelu nesmí zhoršit vlivem vysokého napětí, ozónu vytvářeného elektrickými výboji ve vzduchu nebo sledováním. Kabelový systém musí bránit kontaktu vysokonapěťového vodiče s jinými předměty nebo osobami a musí obsahovat a kontrolovat svodový proud. Kabelové spoje a svorky musí být navrženy tak, aby kontrolovaly napětí vysokého napětí, aby se zabránilo rozbití izolace.
Řezané délky vysokonapěťových kabelů se mohou pohybovat od několika stop do tisíc stop, přičemž relativně krátké kabely se používají v přístrojích a delší kabely vedou v budovách nebo jako zakopané kabely v průmyslovém závodě nebo pro distribuci energie. Nejdelší délky kabelu budou často podmořské kabely pod oceánem pro přenos energie.
Technologie izolace kabelů
Jako ostatní napájecí kabely, vysokonapěťové kabely mají konstrukční prvky jednoho nebo více vodičů, izolační systém a ochranný plášť. Kabely vysokého napětí se od kabelů nízkého napětí liší tím, že mají v izolačním systému další vnitřní vrstvy pro řízení elektrického pole kolem vodiče. Tyto další vrstvy jsou vyžadovány při 2000 voltech mezi vodiči. Bez těchto polovodivých vrstev kabel selže v důsledku elektrického namáhání během několika minut. Tato technika byla patentována Martinem Hochstadterem v roce 1916;[1] štít je někdy nazýván štítem Hochstadter a stíněný kabel se dříve nazýval kabelem typu H. V závislosti na schématu uzemnění mohou být stínění kabelu připojena k zemi na jednom konci nebo na obou koncích kabelu. Spoje ve středu kabelu mohou být také uzemněny v závislosti na délce obvodu a na tom, zda je na přímých podzemních obvodech použit polovodičový plášť.
Od roku 1960 dominují na distribučním trhu pevné dielektrické extrudované kabely. Tyto kabely vysokého napětí jsou obecně izolovány polymerovou izolací EPR nebo XLPE. Izolace EPR je běžná u kabelů od 4 do 34 kV. EPR se běžně nepoužívá nad 35 kV kvůli ztrátám, lze jej však najít v kabelech 69 kV. XLPE se používá na všech úrovních napětí od třídy 600 V a vyšší. Někdy se izolace EAM prodává, avšak penetrace na trh zůstává poměrně nízká. Pevné extrudované izolační kabely, jako jsou EPR a XLPE, tvoří většinu dnes vyráběných distribučních a přenosových kabelů. Relativní nespolehlivost časného XLPE však vedla k pomalému přijetí při přenosovém napětí. Kabely o napětí 330, 400 a 500 kV jsou dnes běžně konstruovány pomocí XLPE, k tomu však došlo až v posledních desetiletích.
Stále častějším typem izolace je kabel PILC nebo papírový izolační vodič. Některé nástroje to stále instalují pro distribuční obvody jako novou konstrukci nebo výměnu. Sebastian Ziani de Ferranti byl první, kdo v roce 1887 demonstroval, že pečlivě vysušený a připravený kraftový papír může vytvořit uspokojivou izolaci kabelu při 11 000 voltech. Dříve byl papír izolovaný kabel používán pouze pro nízkonapěťové telegrafní a telefonní obvody. K zajištění toho, aby papír zůstal bez vlhkosti, byl nutný extrudovaný olověný plášť přes papírový kabel. Masově impregnované papírem izolované kabely středního napětí byly komerčně praktické do roku 1895. Během druhá světová válka několik odrůd syntetická guma a polyethylen na kabely byla aplikována izolace.[2] Moderní vysokonapěťové kabely používají pro izolaci polymery nebo polyethylen, včetně zesítěného polyethylenu (XLPE). Za zánik PILC lze považovat v 80. a 90. letech, kdy městské společnosti začaly instalovat více kabelů s izolací EPR a XLPE. Faktory pro snížené používání PILC jsou vysoká úroveň řemeslného zpracování potřebného ke spojování olova, delší doby spojování, snížená dostupnost produktu na domácím trhu a tlak na ukončení používání olova z důvodů ochrany životního prostředí a bezpečnosti. Je třeba také poznamenat, že pogumovaný izolovaný olověný kabel se těšil krátkému období popularity před rokem 1960 na trzích s nízkým a středním napětím, ale většina společností jej příliš nepoužívala. Stávající podavače PILC jsou většinou společností považovány za blížící se konec životnosti a podléhající náhradním programům.
Vulkanizovaná guma byl patentován Charles Goodyear v roce 1844, ale na izolaci kabelů se aplikoval až v 80. letech 19. století, kdy byl používán pro osvětlovací obvody.[1] Kabel s gumovou izolací byl použit pro 11 000 voltových obvodů v roce 1897 instalovaných pro Výroba energie v Niagara Falls projekt.
Kabely s olejovým, plynovým a potrubním vedením byly od 60. let 20. století považovány za zastaralé. Takové kabely jsou navrženy tak, aby značně protékaly kabelem. Standardní kabely PILC jsou impregnovány olejem, ale olej není navržen tak, aby kabelem protékal nebo chladil. Kabely naplněné olejem jsou obvykle izolovány olovem a lze je zakoupit na cívkách. Kabely trubkového typu se od kabelů naplněných olejem liší tím, že jsou instalovány v tuhé trubce obvykle vyrobené z oceli. U trubkových kabelů jsou nejprve konstruovány trubky a poté je kabel provlečen. Kabel může být vybaven smykovými dráty, aby se zabránilo poškození během procesu tahání. Průřezový objem oleje v trubkovém kabelu je podstatně vyšší než v kabelu naplněném olejem. Tyto trubkové kabely jsou plněny olejem při jmenovitém nízkém, středním a vysokém tlaku. Vyšší napětí vyžaduje vyšší tlaky oleje, aby se zabránilo tvorbě dutin, které by to umožňovaly částečné výboje uvnitř izolace kabelu. Potrubní kabely budou mít typicky systém katodické ochrany napájený z napětí tam, kde by kabelový obvod naplněný olejem nebyl. Potrubní kabelové systémy jsou často chráněny před vytvářením prázdnin asfaltovým povlakem. Dnes je v provozu stále mnoho těchto obvodů trubkového typu. Vypadli však z laskavosti kvůli vysokým nákladům na front-end a obrovskému rozpočtu O + M potřebnému k udržení flotily čerpacích zařízení.
Součásti izolace kabelů
Vysokého napětí je definováno jako jakékoli napětí přes 1000 voltů.[3] Obvykle se volá napětí od 2 do 33 kV střední napětí kabely nad 50 kV vysokého napětí kabely.
Moderní vysokonapěťové kabely mají jednoduchý design skládající se z několika částí: vodič, stínění vodiče, izolace, izolační stínění, kovové stínění a plášť. Mezi další vrstvy mohou patřit pásky blokující vodu, trhací šňůry a pancéřové dráty. Měď nebo hliníkové dráty přenášejí proud, viz (1) na obrázku 1. (Podrobnou diskusi o měděných kabelech najdete v hlavním článku: Měděný vodič.) Izolace, izolační štít a stínění vodičů jsou až na několik vzácných výjimek obecně na bázi polymerů.
Jednovodičové konstrukce pod 2000KCM jsou obecně soustředné. Jednotlivé prameny se během procesu splétání často deformují, aby poskytovaly celkově hladší obvod. Jsou známy kompaktní a stlačené vodiče. Compact nabízí 10% zmenšení vnějšího průměru vodiče, zatímco komprimovaná verze nabízí pouze 3% zmenšení. Výběr stlačeného nebo kompaktního vodiče bude během spojování často vyžadovat jiný konektor. 2 000KCM a větší přenosové kabely často obsahují design se sektorovým stylem, aby se snížily ztráty efektu kůže. Napájecí kabely jsou často navrženy tak, aby vedly až do teploty vodiče 75 ° C, 90 ° C a 105 ° C. Tato teplota je omezena konstrukčním standardem a výběrem pláště.
Stínění vodiče je vždy trvale spojeno s izolací kabelu EPR nebo XLPE v pevném dielektrickém kabelu. Polovodivý izolační štít může být spojen nebo odstranitelný podle přání kupujícího. U napětí 69 kV a více je izolační štít obecně spojen. Stahovatelný izolační štít je zakoupen, aby se snížila doba a dovednosti spojování. Lze tvrdit, že odizolovatelný středník může při středním napětí vést k menším problémům s zpracováním.[4] U kabelů izolovaných z papíru se polovodivé vrstvy skládají z uhlíkových ložisek nebo metalizovaných pásek nanesených na vodič a papírové izolace. Funkcí těchto vrstev je zabránit vzduchem naplněným dutinám a potlačit napěťové napětí mezi kovovými vodiči a dielektrikem tak, aby elektrické výboje nemůže vzniknout a ohrozit izolační materiál.[5]
Izolační štít je pokryt měděnou, hliníkovou nebo olověnou „clonou“. Kovový štít nebo plášť slouží jako uzemněná vrstva a bude odvádět svodové proudy. Úkolem štítu není provádět poruchy, ale tato funkce může být navržena, pokud je to požadováno. Některá provedení, která lze použít, jsou měděná páska, soustředné měděné dráty, podélně zvlněný štít, měděné ploché pásky nebo extrudovaný olověný plášť.
Plášť kabelu je často polymerní. Funkce pláště je poskytnout mechanickou ochranu a zabránit vlhkosti a chemickému vniknutí. Pláště mohou být polovodičové nebo nevodivé v závislosti na půdních podmínkách a požadované konfiguraci uzemnění. Polovodičové pláště mohou být také použity na kabelech, aby pomohly s testem integrity pláště. Některé typy bund jsou: LLDPE, HDPE, polypropylen, PVC (spodní část trhu), LSZH atd.
Kvalitní
Během vývoje vysokonapěťové izolace, která trvala asi půl století, se ukázaly být zásadní dvě charakteristiky. Zaprvé, zavedení polovodičových vrstev. Tyto vrstvy musí být naprosto hladké, bez výčnělků jen několika µm. Dále musí být fúze mezi izolací a těmito vrstvami absolutní;[6] jakékoli štěpení, vzduchová kapsa nebo jiná závada - opět, i když několik μm - je pro kabel škodlivá. Za druhé, izolace musí být bez vměstků, dutin nebo jiných defektů stejné velikosti. Jakákoli závada těchto typů zkracuje životnost kabelu, která má být řádově 30 a více let.[7]
Spolupráce mezi výrobci kabelů a výrobci materiálů vyústila ve třídy XLPE s přísnými specifikacemi. Většina výrobců směsí XLPE uvádí druh „extra čistý“, kde je zaručen počet a velikost cizích částic. Balení suroviny a její vyložení v rámci a čistý pokoj je vyžadováno prostředí ve strojích na výrobu kabelů. Vývoj extrudéry pro vytlačování plastů a síťování má za následek instalace kabelů pro výrobu bezvadných a čistých izolací. Konečným testem kontroly kvality je test částečného vybití se zvýšeným napětím 50 nebo 60 Hz s velmi vysokou citlivostí (v rozsahu 5 až 10 picocoulombů). Tento test se provádí na každém kotouči kabelu před jeho odesláním.[Citace je zapotřebí ]
Kabel HVDC
Vysokonapěťový kabel pro vysokonapěťový stejnosměrný proud Přenos (HVDC) má stejnou konstrukci jako AC kabel zobrazený na obrázku 1. Fyzika a požadavky na zkoušky se liší.[8] V tomto případě je nanejvýš důležitá hladkost polovodičových vrstev (2) a (4). Čistota izolace zůstává nezbytná.
Pro DC se používá mnoho kabelů HVDC podmořské spojení, protože na vzdálenosti nad přibližně 100 km již nelze AC používat. Nejdelší podmořský kabel dnes je NorNed kabel mezi Norskem a Nizozemskem, který je dlouhý téměř 600 km a přepravuje 700 megawattů, což se rovná kapacitě velké elektrárny.
Většina těchto dlouhých hlubinných kabelů se vyrábí ve starší konstrukci, přičemž se jako izolant používá papír impregnovaný olejem.
Kabelové svorky
Koncovky vysokonapěťových kabelů musí zvládat elektrická pole na koncích.[9] Bez takové konstrukce se elektrické pole soustředí na konci zemního vodiče, jak je znázorněno na obrázku 2.
Jsou zde zobrazeny ekvipotenciální čáry, které lze porovnat s vrstevnice na mapě horské oblasti: čím blíže jsou tyto čáry k sobě, tím strmější je sklon a tím větší je nebezpečí, v tomto případě nebezpečí elektrické poruchy. Ekvipotenciální čáry lze také porovnat s isobary na mapě počasí: Čím jsou linky hustší, tím větší je vítr a tím větší je nebezpečí poškození. K řízení ekvipotenciálních vedení (tj. k ovládání elektrického pole) se používá zařízení, které se nazývá stresový kužel, viz obrázek 3.[10] Jádrem odlehčení je rozzářit konec štítu podél logaritmické křivky. Před rokem 1960 byly napěťové kužely vyráběny ručně pomocí pásky - po instalaci kabelu. Ty byly chráněny potheads, tak pojmenovaný protože zalévací hmota / dielektrikum byla nalita kolem pásky uvnitř kovových / porcelánových tělesových izolátorů. Kolem roku 1960 byly vyvinuty preformované zakončení skládající se z guma nebo elastomer tělo, které je natažené přes konec kabelu.[11] Na tomto gumovitém těle R je použita stínící elektroda, která šíří ekvipotenciální vedení, aby bylo zaručeno nízké elektrické pole.
Jádro tohoto zařízení, vynalezené NKF v Delft v roce 1964,[12] je to otvor pružného těla je užší než průměr kabelu. Tímto způsobem je (modré) rozhraní mezi kabelem a napěťovým kuželem přivedeno pod mechanický tlak, takže mezi kabelem a kuželem nemohou být vytvořeny žádné dutiny nebo vzduchové kapsy. Tímto způsobem se předchází elektrickému poškození v této oblasti.
Tuto konstrukci lze dále obklopit a porcelán nebo silikonový izolátor pro venkovní použití,[13] nebo úlomky pro vstup kabelu do a výkonový transformátor pod olejem, nebo rozváděče pod tlakem plynu.[14]
Kabelové spoje
Spojení dvou vysokonapěťových kabelů navzájem představuje dva hlavní problémy. Nejprve musí být vnější vodivé vrstvy v obou kabelech ukončeny, aniž by došlo ke koncentraci pole,[15] jako při výrobě kabelového terminálu. Zadruhé musí být vytvořen prostor bez pole, kde lze bezpečně umístit izolaci kabelu a konektor obou vodičů.[16] Tyto problémy byly vyřešeny NKF v Delft v roce 1965[17] zavedením zařízení s názvem bi-manchet manžeta.
Obrázek 10 ukazuje fotografii průřezu takového zařízení. Na jedné straně této fotografie jsou nakresleny obrysy vysokonapěťového kabelu. Tady Červené představuje vodič tohoto kabelu a modrý izolaci kabelu. Černé části na tomto obrázku jsou polovodičové pryžové části. Vnější je na zemském potenciálu a šíří elektrické pole podobným způsobem jako v kabelové svorce. Vnitřní je pod vysokým napětím a stíní konektor vodičů před elektrickým polem.
Samotné pole je odkloněno, jak je znázorněno na obrázku 8, kde jsou ekvipotenciální čáry plynule směrovány zevnitř kabelu do vnější části bi-manchetu (a naopak na druhé straně zařízení).
Jádrem hmoty je zde, stejně jako v kabelové svorce, že vnitřní otvor tohoto bi-manchetu je zvolen menší než průměr přes izolaci kabelu.[18] Tímto způsobem se vytvoří permanentní tlak mezi bi-manchetem a povrchem kabelu a zabrání se tak dutinám nebo slabým místům elektrického proudu.
Instalace terminálu nebo bi-manchetové manžety je odborná práce. Technické kroky odstranění vnější polovodičové vrstvy na konci kabelů, umístění těl ovládajících pole, připojení vodičů atd. Vyžadují dovednost, čistotu a přesnost.
Ručně lepené spoje
Ručně lepené klouby jsou metodou staré školy spojování a ukončování kabelu. Konstrukce těchto spojů zahrnuje převzetí několika typů pásky a ruční vytvoření vhodného odlehčení. Některé ze zapojených pásek mohou být gumové pásky, polovodičové pásky, třecí pásky, lakované pásky cambric atd. Tato metoda spojování je neuvěřitelně pracná a časově náročná. Vyžaduje měření průměru a délky vytvářených vrstev. Pásky musí být často napůl lapované a pevně přitahované, aby se zabránilo tvorbě oken nebo dutin ve výsledném spoji. Vodotěsné ručně lepené spojování je velmi obtížné.
Předlisované spoje
Předlisované spoje jsou vstřikovaná tělesa vytvořená ve dvou nebo více fázích. Kvůli automatizaci bude mít faradayova klec přesnou geometrii a umístění, které nelze dosáhnout v lepených spojích. Předlisované spoje přicházejí v mnoha různých velikostech těla, které se hodně přizpůsobují vnějšímu průměru kabelového semikonu. K zajištění hydroizolace je nutné pevné spojení. Tyto klouby jsou často tlačeny a mohou mezi řemeslníky způsobit poranění měkkých tkání.
Smršťovací spoje
Smršťovací spoje se skládají z mnoha různých smršťovacích trubek: izolačních a vodivých. Tyto soupravy jsou méně náročné na pracovní sílu než lepení, ale více než předlisované. Mohou existovat obavy z otevřeného plamene v šachtě nebo v klenbě budovy. Při používání hořáku mohou také vzniknout problémy s výrobou, protože trubky musí být zcela obnoveny bez spálení a veškerá použitá mastika musí proudit do dutin a eliminovat veškerý vzduch. Musí být poskytnut dostatek času a tepla. Existuje také vysoký počet komponent, které musí být umístěny ve správném pořadí a poloze vzhledem ke středu spoje.
Klouby za studena
Smršťování za studena je nejnovější rodina kloubů. Myšlenka je, že polymerová trubice je vytvořena se správným průměrem kabelu. Poté se expanduje do formy a umístí se na přidržovací trubici v továrně. Poté je spoj připraven k instalaci velmi snadno sklouznout přes konec kabelu. Poté, co je konektor nainstalován, svářeč jednoduše potřebuje vycentrovat tělo kloubu a poté uvolnit přidržení. Trubice se automaticky obnoví na původní velikost. Jedinou komplikací je smršťování za studena, které má trvanlivost přibližně 2–3 roky. Po uplynutí této doby guma vytvoří paměť a neobnoví se do zamýšlené velikosti. To může vést k selhání spoje, který nebyl nainstalován před doporučeným datem. Z hlediska užitečnosti to ztěžuje sledování skladových zásob nebo uchování nouzových náhradních dílů pro kritické zákazníky. Smršťování za studena je rychle rostoucí oblast distribučních spojů a předpokládá se, že má nejmenší počet problémů se zpracováním s nejrychlejšími časy instalace.
Rentgenový kabel
Rentgenové kabely[19] se používají v délkách několika metrů k připojení zdroje VN s Rentgenová trubice nebo jakékoli jiné vysokonapěťové zařízení ve vědeckém vybavení. Přenášejí malé proudy v řádu miliampéry při stejnosměrném napětí 30 až 200 kV nebo někdy vyšších. Kabely jsou pružné, gumové nebo jiné elastomer izolace, splétané vodiče a vnější plášť z opleteného měděného drátu. Konstrukce má stejné prvky jako ostatní vysokonapěťové napájecí kabely.
Testování vysokonapěťových kabelů
Při zvažování izolace z pevného dielektrika nebo papíru existují různé příčiny vadné izolace kabelu. Proto existují různé testovací a měřicí metody k prokázání plně funkčních kabelů nebo k detekci vadných kabelů. Zatímco papírové kabely jsou primárně testovány pomocí testů izolačního odporu DC, nejběžnějším testem systému pevných dielektrických kabelů je test částečného vybití. Je třeba rozlišovat mezi testování kabelů a diagnostika kabelu.
Zatímco metody testování kabelů vedou k příkazu go / no go, diagnostické metody kabelů umožňují posoudit aktuální stav kabelu. U některých testů je dokonce možné zjistit polohu defektu v izolaci před selháním.
V některých případech, elektrické stromování (vodní stromy) lze detekovat pomocí měření tan delta. Interpretace výsledků měření může v některých případech poskytnout možnost rozlišovat mezi novým, silně vodním kabelem. Bohužel existuje mnoho dalších problémů, které se mohou chybně projevit jako vysoká tangenta delta a touto metodou nelze detekovat naprostou většinu pevných dielektrických defektů. Poškození izolace a elektrického stromování může být detekováno a lokalizováno pomocí měření částečného výboje. Údaje shromážděné během postupu měření jsou porovnány s naměřenými hodnotami stejného kabelu shromážděnými během přejímací zkoušky. To umožňuje jednoduchou a rychlou klasifikaci dielektrického stavu testovaného kabelu. Stejně jako u tangenta delta má tato metoda mnoho upozornění, ale při dobrém dodržování standardů továrních testů mohou být výsledky v terénu velmi spolehlivé.
Viz také
Reference
Zdroje
- Kreuger, Frederik H. (1991). Průmyslové vysoké napětí. Svazek 1. Delft University Press. ISBN 90-6275-561-5.
- Kreuger, Frederik H. (1991). Průmyslové vysoké napětí. Svazek 2. Delft University Press. ISBN 90-6275-562-3.
- Kuffel, E .; Zaengl, W.S .; Kuffel, J. (2000). Vysokonapěťové inženýrství (2. vyd.). Butterworth-Heinemann / Newnes. ISBN 0-7506-3634-3.
Poznámky
- ^ A b Příručka podzemních systémů. Edison Electric Institute. 1957. OCLC 1203459.
- ^ Black, Robert M. (1983). Historie elektrických vodičů a kabelů. Peter Pergrinus; London Science Museum. ISBN 0-86341-001-4.
- ^ Kreuger 1991 sv. 1, str. 133-137
- ^ Kuffel 2000 a Kreuger 1991 sv. 2, str. 118
- ^ Kuffel 2000, sek. Výboje
- ^ Kreuger 1991 sv. 2, obrázek 8.1e
- ^ Kreuger 1991 sv. 2, str. 87-91
- ^ Kreuger 1991 sv. 2, s. 15-19
- ^ Kreuger 1991 sv. 1, str. 53 147 153
- ^ Kreuger 1991 sv. 1, str. 147-153
- ^ Kreuger 1991 sv. 1, obr. 10.7
- ^ Holandský patent 123795, Nizozemsko Cable Works NKF, předloženo 21. 4. 1964, uděleno 27. 3. 1968
- ^ viz podobný případ v Kreuger 1991 sv. 1, str. 160
- ^ viz podobný případ v Kreuger 1991 sv. 1, str. 157
- ^ Kreuger 1991 sv. 1, str. 156
- ^ Kreuger 1991 sv. 1, str. 154
- ^ Nizozemský patent 149955 na nizozemské kabelové závody NKF, předloženo 4. 11. 1965, uděleno 17. 11. 1976
- ^ Kreuger 1991 sv. 1, str. 155
- ^ Kreuger 1991 sv. 1, str. 65, 133