Kabeliai yra sunkiausiai patikrinami energetikos sistemų elementai, o be patikimo žemos ir vidutinės įtampos kabelių linijų darbo normalus elektros sistemų darbas yra negalimas. Straipsnyje bus trumpai apžvelgta kabelių su XLPE  (radialinė polietileninė arba vulkanizuoto polietileno) izoliacija konstrukcija, savybės, eksploatavimo patirtis ir šiuolaikiniai diagnostikos metodai.

Daugumoje išsivysčiusių šalių 10-500 kV įtampoje naudojami kabeliai su XLPE izoliacija. Ypač plačiai tokie kabeliai naudojami 10 kV įtampoje. Manoma, kad kabeliai su XLPE izoliacija ateityje visiškai pakeis morališkai pasenusius kabelius su popierine alyvoje įmirkyta izoliacija. Pavyzdžiui, Japonijoje kabeliai su XLPE izoliacija pradėti naudoti praeito amžiaus penkiasdešimtaisiais metais, o 90-aisiais metais pasaulinėje praktikoje pradėtos naudoti pirmosios 500 kV kabelių linijos. Šiuo metu vidutinės įtampos kabeliai su XLPE izoliacija JAV ir Kanadoje užima 80-85 proc. kabelių rinkos, Vokietijoje ir Danijoje - 95 proc., Suomijoje, Švedijoje ir Prancūzijoje - 100 proc.  Lietuvoje tiesiant naujas linijas arba rekonstruojant senas taip pat naudojami kabeliai su XLPE izoliacija. Būtina pabrėžti, kad pagal gamintojų nurodomą informaciją kabelių su XLPE izoliacija gedimų lygis yra daug mažesnis palyginus su kabeliais, turinčiais alyvoje įmirkyto popieriaus izoliaciją. Vis dėlto, tik fiziškai keičiant vienos rūšies kabelius kitos rūšies kabeliais, neįvertinus jų konstrukcijų ypatumų ir dielektrinės terpės specifikos, galima sulaukti žymiai didesnio gedimų lygio nei deklaruojagamintojai.

Iki 10 kV įtampoje naudojami viengysliai ir  trigysliai kabeliai su XLPE izoliacija, aukštesnėje įtampoje dažniausiai naudojami viengysliai kabeliai. Trifazė kabelių linija sudaroma iš trijų viengyslių kabelių, išdėstytų vienoje plokštumoje arba lygiašonio trikampio viršūnėse. Kabelio tiesimo tipas (trikampiu arba vienoje plokštumoje) nustatomas pagal projekto dokumentus. Tiesiant tokius kabelius žemėje, jie turi turėti hermetinį sluoksnį. Kolektoriuose jų apvalkalas turi būti iš savaime gęstančio polietileno arba PVC (polivinilchlorido) apvalkalo, išskiriančio mažai dūmų.

 

Kabelių su XLPE izoliacija privalumai

Kabelių su XLPE izoliacija konstrukcija skiriasi nuo tradicinių kabelių su alyvoje įmirkyto popieriaus izoliacija konstrukcijos. Kabeliai gaminami su daugiaviete varine arba aliuminine  ysla, naudojant  įvairių tipų apvalkalus, taip pat turintys hermetizavimo galimybę, kuri leidžia tiesti kabelius žemėje, kabelių įrengimuose, blokuose, gamybinėse patalpose ir pan. Kabeliams tiesti žemėje naudojamas didelio tankio polietileno apvalkalas, kuris užtikrina būtiną apsaugą nuo mechaninių pažeidimų. Aukštosios ir labai aukštos įtampos kabeliai savo sandara panašūs į vidutiniosios įtampos polietileninius kabelius, iš esmės skiriasi didesniais izoliacijos ir apvalkalų storiais bei įmantresne movų ir galūnių konstrukcija. Tokių kabelių gysla gaminama hermetizuota, o storesnių kaip 1000 mm kabelių - segmento pavidalo, siekiant sumažinti paviršiaus efekto įtaką. Didžiausias gyslos skerspjūvis gali siekti 2500 mm2  1-oje lentelėje pateikiamas ABB firmos viengyslio kabelio aukštajai įtampai bendras vaizdas bei trumpa sandara.

 

1 lentelė. Aukštosios įtampos vienos gyslos kabelio su polietileno izoliacija konstrukcija

Naudojimas	Galimas klojimas žemėje, betoniniuose blokuose, kabelių tranšėjose, kanaluose, tuneliuose
Gysla	Kabelis su apvaliomis kompaktinėmis arba segmento pavidalo varinėmis ir aliumininėmis gyslomis; S * 1000 mm² (varis); S * 1200 mm² (aliuminis).
Pusiau laidus sluoksnis	Pusiau laidus vulkanizuotas polietilenas
Izoliacija	Izoliacinis vulkanizuotas polietilenas (pusiau laidus gyslos ekranas ir pusiau laidus išorinis ekranas bei izoliacija uždedama vienu metu)
Išorinis pusiau laidus sluoksnis	Pusiau laidus vulkanizuotas polietilenas
Ekranas	Vientisas apvalkalas iš švino lydinio. Ekranas yra pagamintas iš vario ir aliuminio laidininkų priklijuotų prie polietileno apvalkalo arba suvirintas aliuminio ekranas, termiškai prijungtas prie PE polietileno apvalkalo. Varinės vielos ir švino apvalkalo derinys.
Išorinis apvalkalas.	Izoliacinis apvalkalas. Galimybė užnešti pusiau laidų sluoksnį apvalkalo elektrinio atsparumo bandymui po kabelio paklojimo.
Vardinė įtampa U0/U, kV	64/110 (123), 87/150 (170), 127/220 (245), 190/330 (362), 230/400 (420), 290/500 (550)

 

1 - gysla; 2 - pusiau laidus ekranas iš drėgmę blokuojančios medžiagos; 3 - izoliacija iš specialaus polietileno; 4 - izoliacijos ekranas iš varinės juostos ir pusiau laidžios drėgmę blokuojančios medžiagos; 5 - popieriaus arba elektrai laidžios vandenį blokuojančios juostos sluoksnis; 6 - varinių vijų ekranas, kurio paviršiuje uždėta vario juosta; 7 - atskyrimo sluoksnis iš kabelių popieriaus arba gumos audinio; 8 - aliuminio polimerinė juosta; 9 - polietileno apvalkalas

 

Kabeliai su XLPE izoliacija lyginant su įprastais kabeliais turi tokius privalumus:

• didesnis vientisas statybinis ilgis (iki 2000 - 4000  m esant vienfaziam kabeliui);
• išplėstas vardinių skerspjūvių nominalas iki 800 mm2 o labai aukštos įtampos kabeliams - iki 2500 mm2
• mažesnis svoris, skersmuo, mažesnis lenkimo spindulys (vienos fazės);
• priklausomai nuo tiesimo sąlygų leistinos apkrovos srovės 15-30 proc. didesnės nei alyva užpildytų kabelių;
• didesnis patikimumas;
• maži dielektriniai nuostoliai (tg * = 0,001, vietoje 0,008);
• didesnė pralaidumo geba dėl gyslų leistinos įšilimo temperatūros padidėjimo;
• galimas kabelio klojimas be išankstinio šildymo iki -20 0C temperatūros; tarnavimo laikas - ne mažesnis kaip 30 metų.

 

2-oje lentelėje pateiktos pagrindinės eksploatacinės kabelių su XLPE ir su alyvoje įmirkyta popierine izoliacija charakteristikos.

Eil.Nr.	Charakteristikų (parametrų) pavadinimas	Kabeliai su popierine alyvoje įmirkyta izoliacija	Kabeliai su XLPE izoliacija
1.	Ilgalaikė leistinoji darbo temperatūra, °C	70	90
2.	Ilgalaikė temperatūra, °C esant iki 1000 val. perkrovoms eksploatacijos metu	75	130
3.	Temperatūra trumpojo jungimo metu, °C	200	250
4.	Kabelių apkrovos geba: klojant žemėje, % klojant ore, %	100 100	115-125 145-170
5.	KL aukščių viršuslenkstė, m	15	be apribojimų
6.	Montavimo ir remonto imlumas	didelis	mažas
7.	Patikimumas eksploatavimo metu (gedimų skaičius 100 km kabelių per metus	8-15	viena-dviem eilėm mažesnė

2 lentelė. Kabelių su skirtinga izoliacija charakteristikų palyginimas.

 

Kabelių su XLPE izoliacija trūkumai ir patikimumo faktoriai

Pagrindinis tokių kabelių trūkumas - daliniai išlydžiai, kurie atsiranda XLPE izoliacijos sluoksnyje dėl priemaišų ir sluoksnio netolygumo veikiant didelio stiprio elektromagnetiniam laukui bei vykstant izoliacijos dipolių poliarizacijai bei orientavimuisi. Alyva užpildytiems kabeliams dalinių išlydžių galima nevertinti, nes vyksta jų savaiminis išnykimas dėl impregnavimo skysčio popieriuje pasiskirstymo. Kitas trūkumas - kabelio apvalkalo iš didelio tankio polietileno neatsparumas kai kurioms medžiagoms (pvz., azotui, chlorui, druskos rūgščiai, sieros rūgščiai, acetonui). Prie trūkumų galima priskirti ir tam tikrą montavimo darbų sudėtingumą, kai vienu metu reikia montuoti tris kabelius nuo trijų būgnų. Taip pat kyla varinių 6 - 500 kV įtampos kabelių ekranų įžeminimo problema, nes šiuose ekranuose indukuojamos srovės ir įtampos, kurių dydis priklauso nuo ekranų sujungimo ir įžeminimo schemos. Netinkamas ekranų įžeminimas gali pažeisti kabelius dėl šilumos balanso sutrikimo. Tačiau norminiuose dokumentuose apie tai nekalbama. Taip pat nėra apibendrinta tokių kabelių eksploatavimo patirtis.

Kabelių ekspertai išskiria keturis pagrindinius kabelių su XLPE izoliacija gedimų tipus (1 pav.):

• Išorinė izoliacijos pažaida (apie 70 proc. visų registruotų kabelių gedimų);
• Vidinė izoliacijos pažaida;
• Įvairios esamų kabelio ekranų pažaidos;
• Įvairių rūšių kabelių gyslų pažaidos.

Kabelių linijų pažaidų ir defektų priežastys gali būti šios:

• Kabelių linijų montavimo ir eksploatavimo metu padarytos klaidos (projekto neatitikimas, netinkamas antgalių uždėjimas, kabelio lenkimo spindulio nesilaikymas);
• Kabelių linijos šiluminio režimo pažeidimas;
• Aukštojo dažnio viršįtampių poveikis veikiant SF jungtuvams;
• Natūralus kabelio senėjimas (vandens medžių, dendritų susidarymas).

1 pav. Kabelio su XLPE izoliacija gedimai.

 

Kabelių su XPLE izoliacija patikimumas

Gaila, kad dėl tokių kabelių trumpo eksploatavimo laiko Lietuvoje nėra tikslios informacijos apie XLPE izoliacijos gedimus. Pagrindiniams faktoriams, nusakantiems kabelių su XLPE izoliacija patikimumą, galima priskirti:

• kabelio izoliacinės sistemos resursą;
• neutralės įžeminimo režimą;
• viršįtampių lygį kabelio paklojimo vietoje;
• kabelio eksploatavimo temperatūrinį režimą;
• būtiną ekrano skerspjūvį;
• techninės būklės diagnostikos metodus;
• bandymų parametrus ir norminę techninę bazę.

 

XLPE izoliacijos sistemos resursas

Izoliacine sistema yra izoliacijos ir laidžių polimerinių ekranų, kurių viduje užsidaro kabelio elektrinis laukas, visuma. Polimerinė izoliacija XLPE pagrindu yra labai jautri įvairioms   mikroakutėms, tuštumoms, dielektriko išsisluoksniavimui ir kitiems defektams, atsirandantiems dėl gamybos ir montavimo netikslumų bei pažeidimų. Šie defektai padidina vietinį elektrinio lauko stiprumą ir sudaro sąlygas daliniams išlydžiams atsirasti. Vidutinės 6-35 kV įtampos kabeliuose vidutinis elektrinio lauko stipris sudaro iki 2 kV/mm. XLPE izoliacijos eksploatacinės charakteristikos blogėja dėl elektrinio lauko ir šiluminio poveikio. Tačiau pagrindinė izoliacijos senėjimo priežastis - polimero pažeidimai dėl dalinių išlydžių, išsivystantys į technologinius izoliacijos defektus kartu veikiant elektriniam laukui ir drėgmei, prasiskverbiančiai iš aplinkos.

Kartu su drėgme į izoliaciją patenka agresyvios medžiagos. Jos išardo polimerinius ryšius ir sudaro mikrotuštumas, kurios yra tarsi drėgmės kaupimosi rezervuarai. Veikiant elektriniam laukui polinės vandens molekulės sudaro išsišakojusius medžio pavidalo kanalus (dendritus),  nukreiptus išilgai elektrinio lauko jėgų linijų (2 pav.). Tie  kanalai plinta, prasideda negrįžtamas dendritinis izoliacijos  suirimas, kuris vyksta, kol pramušamas visas izoliacijos tarpas.

2 pav. Vandens dendritų vaizdai eksploatuojamo kabelio izoliacijoje.

 

Skiriami du vandens dendritų tipai (3 pav.): „kaspinas" (atsiranda izoliacijos tūryje, pripildytas vandens arba įsiterpusių pašalinių medžiagų) ir „vėduoklė" (vystosi nuo elektriškai laidžių ekranų paviršių).

3 pav. Vandens dendritų fotografijos: a - dalinis išlydis polietilene; b - kaspino tipo dendritas, 800 mikronų ilgio; c - vėduoklės tipo dendritas, 200 mikronų ilgio.

 

Šiuo metu neigiamas vandens dendritų poveikis izoliacijos savybėms mažinamas įterpiant į polietileną specialių cheminių priedų arba kitų cheminių junginių, stabdančių oksidacijos procesus. Dalinių išlydžių atsiradimo įtampos dydis leidžia nustatyti oro akutes, kurios yra pavojingos kabelių izoliacijai. Be dalinių ir dendritinių išlydžių, susidariusių izoliacijos viduje, dažnai daliniai išlydžiai susidaro dielektriko paviršiuje.

Ilgai veikiant prijungtai kintamajai įtampai susidaro ypač stiprūs daliniai išlydžiai, nes jie periodiškai susidaro kiekviename įtampos kitimo (sinusoidės) periode. 4 paveiksle parodytas pramušimo kanalo susidarymas polietileninėje izoliacijoje.

4 pav. Pramušimo formavimosi procesas vandens dendrito kanale.

 

Periodiškai susidarantys daliniai išlydžiai nepalankiai veikia izoliaciją dviem atvejais. Pirma, izoliacijoje esantys oro ar vandens intarpai didėja (platėja), nes izoliaciją ardo daliniai išlydžiai. Antra, dalinių išlydžių metu susidarę iš irstančios izoliacijos produktai (ozonas, vandenilis, angliavandeniai ir kt.) sukelia izoliacijos cheminę eroziją.

XLPE izoliacijos senėjimas yra pavojingas tuo, kad be perstojo yra lydimas sunkiai nustatomų eksploatavimo metu dalinių išlydžių. Izoliacijos lygiui nustatyti svarbiausia priemonė yra jos  bandymas paaukštinta įtampa ir kitos diagnostinės procedūros, nustatytos norminiuose dokumentuose.

Praktika rodo, kad netgi sėkmingi bandymai paaukštinta nuolatine įtampa ne tik negarantuoja vėlesnio neavarinio kabelių linijų darbo, bet ir daugeliu atvejų sutrumpina kabelių linijų tarnavimo laiką. Tokie bandymai ypač pavojingi ilgai eksploatuojamoms kabelių linijoms arba kabeliams su pasenusia izoliacija. Be to, vis plačiau naudojamų jėgos kabelių su XLPE izoliacija bandymai paaukštinta nuolatine įtampa ne tik praktiškai nenaudingi, nes tinklinis polietilenas turi aukštą elektrinį atsparumą ir mažas nuotėkio sroves, bet ir neigiamai veikia polietileninę izoliaciją. Galios kabeliams su XLPE izoliacija efektyvesnis ir ekonomiškesnis yra saugus bandymų metodas 0,1 Hz dažnio labai žema įtampa, kuri neviršija nominalios kabelių linijos įtampos daugiau kaip 3 kartus. Šių metų rugsėjį UAB Gerhard Petri Vilnius kartu su Kauno technikos kolegija (KTK) organizavo seminarą apie žemo dažnio (VLF) kabelių gedimų paieškos priemones ir metodus. Buvo pristatoma Austrijos gamintojo b2 Electronics GmbH mobili (įrengta automobilyje) kabelių diagnostikos laboratorija, kurioje sumontuota įranga: kabelių diagnos tikai (VLF), dalinių išlydžių (PD) ir tangento delta (tg δ) bandymams/matavimams vidutinės įtampos kabeliuose.

Vidmantas Melnikas
UAB „Gerhard Petri Vilnius" direktorius

 

Statybų ir būsto gido Asa.lt informaciją atgaminti visuomenės informavimo priemonėse bei interneto tinklalapiuose be raštiško UAB "IKS" sutikimo draudžiama