XLPE 絶縁電源ケーブル: 定格、設置およびテスト

熱的優位性の背後にある化学

のパフォーマンス XLPE絶縁体 その分子構造に由来します。高温で軟化して流動する熱可塑性ポリエチレンとは異なり、XLPE は架橋プロセスを経て、個々のポリマー鎖が三次元ネットワークに結合します。この変換により、約 105℃ 定格 90℃ の連続限界をはるかに超えて機械的完全性と絶縁耐力を維持する熱硬化性樹脂になります。

架橋自体は 3 つの工業的方法のいずれかによって行われます。シラングラフトプロセスでは、湿気を使用して周囲温度で絶縁体を硬化させ、最大 35 kV の中電圧ケーブルに適したクリーンでボイドのない誘電体を生成します。高圧連続加硫チューブを介して適用される過酸化物プロセスは、高温高圧下で過酸化ジクミルを分解して架橋を開始し、高電圧および超高圧送電ケーブルでは依然として主流の方法です。あまり一般的ではない照射方法では、薄壁用途に電子ビーム照射を使用します。各手法では、同じゲル含有量目標が生成されます。 最低70%のゲル分率 熱キシレン抽出によって測定され、高温での持続的な機械的圧力下でのクリープ耐性に必要なネットワーク密度を確保します。

導体構造とスクリーンエンジニアリング

XLPE 誘電体は単独では動作しません。導体と絶縁体の間、および絶縁体と金属シールドの間の界面は、ケーブルの部分放電挙動と最終的な耐用年数を決定します。これらのインターフェースは、トリプルヘッド押出プロセスで XLPE 絶縁体と同時に押し出される、単に導体および絶縁体スクリーンと呼ばれることが多い半導体スクリーンによって管理されます。

適切に適用された導体スクリーンは、より線導体の隙間を埋め、XLPE 層の内側に完全に滑らかな円筒形の等電位面を提供します。この境界に突起や空隙があると電気的ストレスが集中し、部分放電が発生して絶縁体が内側から外側に向かって侵食されます。スクリーン素材自体はカーボンブラックを配合したポリエチレン化合物であり、通常、体積抵抗率は次のようになります。 500オームメーター未満 90℃で。絶縁体の外側では、絶縁スクリーンが逆の機能を果たし、XLPE 表面と金属テープまたはワイヤ シールドとの間の空隙を防ぎます。定格 15 kV 以上の最新の 3 層押出ケーブルでは、導体スクリーン、XLPE 絶縁体、および絶縁スクリーンの 3 つの層すべてが、クロスヘッド ダイを通過する 1 回のパスで適用され、その後相互に架橋されます。この共押出構造により、これまで負荷サイクルによる熱膨張下で剥離不良を引き起こしていた個別の層境界が排除されます。

電流容量と短絡熱耐性

XLPE の動作温度の利点はよく知られていますが、その短絡熱耐性も同様に重要であり、仕様の際に見落とされることがよくあります。故障電流が流れると、導体の温度がミリ秒単位で上昇します。 XLPE は、次の短絡導体温度に耐えます。 250℃ 一方、標準の PVC 絶縁は、同じ過渡現象に対して 160℃ に制限されます。この高い熱天井により、より小さい導体断面積が所定の故障電流の大きさと解消時間に耐えることができ、銅またはアルミニウムの調達に直接的なコストが影響します。

以下の表は、1 秒の障害解除時間における、XLPE 絶縁および PVC 絶縁下の銅導体の最大許容短絡電流密度を比較し、エンジニアリング マージンが得られることを示しています。

より高い短絡定格は約 143 アンペア/平方ミリメートル XLPE の銅導体では 115 A/mm² であるのに対し、PVC では 115 A/mm² ということは、XLPE ケーブルが同じ導体サイズと遮断時間で、絶縁劣化することなく 24% 高い故障電流に耐えられることを意味します。実際には、これにより設計者は、IEC 60949 への完全な障害ライドスルー準拠を維持しながら、標準サイズより 1 つ小さい導体を選択できることがよくあります。

ウォータートリーイングとジャケット構造の事例

湿潤環境における中電圧 XLPE ケーブルの主な劣化メカニズムは、水トリー現象です。この現象は、電場の存在下で湿気が絶縁体に浸透し、化学的に劣化したポリマーの微細な樹形チャネルを形成するときに発生します。 7 ～ 15 年の期間にわたって、これらの水トリーは応力集中点から成長し、動作電圧で絶縁破壊を引き起こすのに十分な絶縁厚を橋渡しします。

実証済みの 2 つの対策により、直接埋設または湿式保管庫向けの XLPE ケーブルのベスト プラクティスが定義されました。 1 つ目は、押出成形されたシームレスな金属製防湿材で、通常は 溶接され波形の継ぎ目または連続的に適用された鉛シースを備えた銅テープ 、外側のポリエチレンジャケットに接着されています。このバリアは、断熱スクリーンおよび断熱層への半径方向の水の侵入を物理的にブロックします。 2 つ目は、水トリー遅延性 XLPE 化合物の使用です。これには、ポリマーの非晶質領域内で水分子を化学的に固定化する極性添加剤が組み込まれており、通気された水トリーの成長速度を一桁減少させます。定期的に水没するマンホールに設置される定格 15 kV 以上のケーブルの場合、金属製の放射状防湿層と樹木難燃性 XLPE の両方を指定することは、もはやプレミアム オプションではありません。 40 年の耐用年数を達成するために必要な最小限の構造です。

終端応力制御と界面圧力

XLPE ケーブル システムの障害統計では、一貫してケーブル自体ではなく、終端とスプライスが弱いリンクであると指摘されています。問題は、絶縁スクリーンの突然の中断であり、これによりスクリーンの切断端に極度の接線方向の電気的ストレスが発生します。管理されたグレーディングがなければ、このストレスは次のようなレベルに達する可能性があります。 50 kV/インチ以上 15 kV ケーブルの定格相対地間電圧では、表面トラッキングが開始され、終端が炭化して破壊されます。

この救済策は、終端に組み込まれたストレス制御要素です。高電圧終端では通常、等電位線を XLPE 表面全体にわたる緩やかな勾配に変える、導電性と絶縁性のゴムで作られた幾何学的なストレス コーンが使用されます。中電圧の分離可能なコネクタは、制御された半径方向の締りばめを適用する射出成形エラストマー ハウジングで同じ機能を実現します。 15%～25% ケーブルの絶縁体の上に。この締まりばめは、すべての熱サイクルにわたって界面圧力を維持し、内部電気表面を緊密に接触させ、導体、絶縁体、周囲が接触する重要な三重点接合部から空気を排除します。コネクタ本体に指定されたシリコン潤滑剤を使用しなかった設置者、または指定された角度にカットされた絶縁スクリーンの面取りを怠った設置者は、部分放電サイトとなり、最終的には線地絡事故につながるボイドを生成します。

フィールドテストおよびコミッショニングプロトコル

完成した XLPE ケーブル回路には、引っ張りや終端処理中に絶縁が損傷していないこと、同時にサウンド ケーブルが劣化したり弱くなったりしていないことを証明する試運転テストが必要です。 DC 高電位試験という従来のアプローチは、押出 XLPE に関しては決定的に信用されていません。 DC テストは空間電荷を絶縁体バルクに注入します。テスト電圧が取り除かれ、ケーブルが AC で再び通電されると、この閉じ込められた空間電荷が AC 波形に重畳され、使用中にケーブルが経験しなかった故障を引き起こす可能性があります。

新しい XLPE ケーブルのコミッショニング用に受け入れられている最新のプロトコルは、 0.1 Hz での超低周波 (VLF) 耐性テスト 、通常、ライン対グランド動作電圧の 2.0 ～ 3.0 倍の電圧レベルで 30 ～ 60 分間印加されます。相対地間定格が 8.7 kV の 15 kV ケーブルの場合、テスト電圧は通常次のように設定されます。 22kVピーク 。複数の電圧ステップでのタンデルタ測定を伴う耐力試験を行うと、絶縁損失を追跡するための将来の診断試験と比較できる誘電損失の定量的なベースラインが得られます。良好な状態の新しい XLPE ケーブルは、以下のタンデルタを示すはずです。 0.2×10⁻³ 電圧ステップ全体にわたるデルタタンデルタ偏差が最小限に抑えられます。ケーブルが使用開始される前にこのしきい値を超える値は、汚染、湿気の侵入、または押出品質の低下を示唆しており、回路が設置業者から受け入れられる前に調査する必要があります。