VPE-isolierte Stromkabel: Bewertungen, Installation und Prüfung

Die Chemie hinter der thermischen Überlegenheit

Die Leistung von XLPE-Isolierung hat seinen Ursprung in seiner molekularen Struktur. Im Gegensatz zu thermoplastischem Polyethylen, das bei erhöhten Temperaturen erweicht und fließt, durchläuft XLPE einen Vernetzungsprozess, der einzelne Polymerketten zu einem dreidimensionalen Netzwerk verbindet. Diese Umwandlung wandelt ein Material um, das bei etwa 100 °C schmelzen würde 105°C in ein Duroplast umgewandelt, das seine mechanische Integrität und Durchschlagsfestigkeit weit über die Dauertemperaturgrenze von 90 °C hinaus beibehält.

Die Vernetzung selbst wird durch eine von drei industriellen Methoden erreicht. Der Silan-Pfropfprozess nutzt Feuchtigkeit, um die Isolierung bei Umgebungstemperaturen auszuhärten, wodurch ein sauberes, hohlraumfreies Dielektrikum entsteht, das für Mittelspannungskabel bis 35 kV geeignet ist. Der Peroxidprozess, der durch ein kontinuierliches Hochdruckvulkanisationsrohr angewendet wird, zersetzt Dicumylperoxid bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck, um die Vernetzung einzuleiten, und bleibt die vorherrschende Methode für Hochspannungs- und Höchstspannungsübertragungskabel. Eine weniger verbreitete Bestrahlungsmethode verwendet Elektronenstrahlbeschuss für dünnwandige Anwendungen. Jede Technik erzeugt das gleiche Ziel für den Gelgehalt: mindestens 70 % Gelanteil gemessen durch Extraktion mit heißem Xylol, wodurch die Netzwerkdichte gewährleistet wird, die für die Kriechfestigkeit unter anhaltendem mechanischem Druck bei erhöhten Temperaturen erforderlich ist.

Leiterbau und Siebtechnik

Kein XLPE-Dielektrikum arbeitet isoliert. Die Schnittstellen zwischen dem Leiter und der Isolierung sowie zwischen der Isolierung und der metallischen Abschirmung bestimmen entscheidend das Teilentladungsverhalten und die endgültige Lebensdauer des Kabels. Diese Schnittstellen werden durch halbleitende Schirme verwaltet, die oft einfach als Leiter- und Isolationsschirme bezeichnet werden und gleichzeitig mit der XLPE-Isolierung in einem Dreikopf-Extrusionsprozess extrudiert werden.

Eine ordnungsgemäß angebrachte Leiterabschirmung füllt die Zwischenräume eines Litzenleiters und stellt eine vollkommen glatte zylindrische Äquipotentialoberfläche zur Innenseite der XLPE-Schicht dar. Jeder Vorsprung oder Hohlraum an dieser Grenze konzentriert die elektrische Spannung und löst eine Teilentladung aus, die die Isolierung von innen nach außen erodiert. Das Siebmaterial selbst ist eine mit Ruß angereicherte Polyethylenverbindung mit einem typischen Volumenwiderstand unter 500 Ohmmeter bei 90°C. Auf der Außenseite der Isolierung übernimmt der Isolierschirm die umgekehrte Funktion und verhindert Luftspalte zwischen der XLPE-Oberfläche und dem Metallband oder der Drahtabschirmung. Bei modernen dreifach extrudierten Kabeln mit einer Nennspannung von 15 kV und mehr werden alle drei Schichten – Leiterschirm, XLPE-Isolierung und Isolationsschirm – in einem einzigen Durchgang durch eine Kreuzkopfdüse aufgetragen und dann miteinander vernetzt. Diese koextrudierte Konstruktion eliminiert die diskreten Schichtgrenzen, die in der Vergangenheit zu Delaminationsfehlern unter Lastwechsel-Wärmeausdehnung geführt haben.

Strombelastbarkeit und thermische Kurzschlussfestigkeit

Der Vorteil von XLPE bei der Betriebstemperatur ist bekannt, aber seine thermische Kurzschlussfestigkeit ist ebenso wichtig und wird bei der Spezifikation häufig übersehen. Wenn ein Fehlerstrom fließt, steigt die Leitertemperatur in Millisekunden an. XLPE verträgt eine Kurzschlussleitertemperatur von 250°C , während die Standard-PVC-Isolierung für das gleiche vorübergehende Ereignis auf 160 °C begrenzt ist. Diese höhere thermische Obergrenze ermöglicht es einem kleineren Leiterquerschnitt, eine bestimmte Fehlerstromstärke und Behebungszeit zu überstehen, was direkte Auswirkungen auf die Kosten für die Beschaffung von Kupfer oder Aluminium hat.

Die folgende Tabelle vergleicht die maximal zulässige Kurzschlussstromdichte für Kupferleiter unter XLPE- und PVC-Isolierung für eine Fehlerbeseitigungszeit von einer Sekunde und zeigt den gewonnenen technischen Spielraum.

Die höhere Kurzschlussfestigkeit von ca 143 Ampere pro Quadratmillimeter für Kupferleiter unter XLPE im Vergleich zu 115 A/mm² für PVC bedeutet, dass ein XLPE-Kabel einem um 24 % höheren Fehlerstrom bei gleicher Leitergröße und Löschzeit ohne Verschlechterung der Isolierung standhalten kann. In der Praxis ermöglicht dies dem Konstrukteur oft, einen Leiter um eine Standardgröße kleiner auszuwählen und gleichzeitig die vollständige Fault-Ride-Through-Konformität mit IEC 60949 aufrechtzuerhalten.

Water Treeing und die Argumente für eine ummantelte Konstruktion

Der vorherrschende Alterungsmechanismus für Mittelspannungs-XLPE-Kabel in feuchten Umgebungen ist die Bildung von Wasserbäumen. Dieses Phänomen tritt auf, wenn Feuchtigkeit in Gegenwart eines elektrischen Feldes in die Isolierung eindringt und mikroskopisch kleine, baumförmige Kanäle aus chemisch abgebautem Polymer bildet. Über einen Zeitraum von sieben bis fünfzehn Jahren wachsen diese Wasserbäume von Spannungskonzentrationspunkten aus, bis sie genügend Isolationsdicke überbrücken, um bei Betriebsspannung einen dielektrischen Durchschlag zu verursachen.

Zwei bewährte Gegenmaßnahmen definieren nun die beste Praxis für XLPE-Kabel, die für die direkte Erdverlegung oder Nassgewölbe vorgesehen sind. Bei der ersten handelt es sich typischerweise um eine extrudierte, nahtlose Feuchtigkeitsbarriere aus Metall Kupferband mit geschweißter und gewellter Naht oder durchgehend aufgebrachter Bleiummantelung , mit dem äußeren Polyethylenmantel verklebt. Diese Barriere blockiert physikalisch das radiale Eindringen von Wasser in den Isolierschirm und die Isolierschichten. Die zweite Möglichkeit besteht in der Verwendung wasserbäumchenhemmender XLPE-Compounds, die polare Additive enthalten, die Wassermoleküle in den amorphen Bereichen des Polymers chemisch immobilisieren und so die Wachstumsrate entlüfteter Wasserbäumchen um eine Größenordnung reduzieren. Für jedes Kabel mit einer Nennspannung von 15 kV und mehr, das in einem Schacht installiert ist, der periodischem Untertauchen ausgesetzt ist, ist die Angabe sowohl einer metallischen radialen Feuchtigkeitsbarriere als auch baumhemmender XLPE keine Premium-Option mehr; Es handelt sich um die minimal erforderliche Konstruktion, um eine Lebensdauer von vierzig Jahren zu erreichen.

Terminierungsspannungskontrolle und Schnittstellendruck

Die Ausfallstatistiken von XLPE-Kabelsystemen weisen durchweg darauf hin, dass Abschlüsse und Spleiße das schwache Glied sind, nicht das Kabel selbst. Das Problem ist die abrupte Unterbrechung des Isolationsschirms, die zu einer extremen tangentialen elektrischen Spannung an der Schirmschnittkante führt. Ohne kontrollierte Sortierung kann dieser Stress zunehmen 50 kV pro Zoll oder höher Bei der Nennspannung zwischen Phase und Erde für ein 15-kV-Kabel kommt es zu einer Oberflächenkritik, die zur Karbonisierung und zur Zerstörung des Abschlusses führt.

Abhilfe schafft ein in den Abschluss integriertes Stresskontrollelement. Hochspannungsanschlüsse verwenden typischerweise einen geometrischen Spannungskegel aus leitfähigem und isolierendem Gummi, der die Äquipotentialfeldlinien in einen sanften Gradienten über die XLPE-Oberfläche umformt. Trennbare Mittelspannungssteckverbinder erfüllen die gleiche Funktion mit einem spritzgegossenen Elastomergehäuse, das eine kontrollierte radiale Presspassung ausübt 15 % bis 25 % über der Kabelisolierung. Diese Presspassung hält den Schnittstellendruck über alle thermischen Zyklen hinweg aufrecht, hält die inneren elektrischen Oberflächen in engem Kontakt und schließt Luft von der kritischen Dreipunktverbindung aus, an der Leiter, Isolierung und Umgebung aufeinander treffen. Jeder Installateur, der das für das Steckergehäuse vorgeschriebene Silikonschmiermittel weglässt oder es versäumt, den Isolationsschirmschnitt auf den angegebenen Winkel abzuschrägen, erzeugt einen Hohlraum, der zu einer Teilentladungsstelle und schließlich zu einem Leitungs-Erde-Fehler führt.

Feldtest- und Inbetriebnahmeprotokolle

Der fertige XLPE-Kabelkreis erfordert einen Inbetriebnahmetest, der beweist, dass die Isolierung beim Ziehen und Anschließen nicht beschädigt wurde und gleichzeitig ein solides Kabel nicht altert oder geschwächt wird. Der alte Ansatz der DC-Hochspannungsprüfung wurde für extrudiertes XLPE endgültig in Misskredit gebracht. Gleichstromtests treiben Raumladung in die Isolationsmasse; Wenn die Prüfspannung entfernt und das Kabel wieder mit Wechselstrom versorgt wird, überlagert sich diese eingeschlossene Raumladung mit der Wechselstromwellenform und kann einen Ausfall auslösen, den das Kabel im Betrieb nicht erfahren hätte.

Das akzeptierte moderne Protokoll für die Inbetriebnahme neuer XLPE-Kabel ist a Sehr niedriger Frequenz (VLF)-Widerstandstest bei 0,1 Hz , typischerweise 30 bis 60 Minuten lang bei einem Spannungspegel vom 2,0- bis 3,0-fachen der Betriebsspannung zwischen Leitung und Erde angelegt. Für ein 15-kV-Kabel mit einem Leiter-Erde-Nennwert von 8,7 kV wird die Prüfspannung üblicherweise auf eingestellt 22 kV Spitze . Die Begleitung des Widerstandstests durch eine Tan-Delta-Messung bei mehreren Spannungsstufen liefert eine quantitative Basislinie des dielektrischen Verlusts, die mit zukünftigen Diagnosetests zur Verfolgung der Isolierungsalterung verglichen werden kann. Ein neues XLPE-Kabel in gutem Zustand sollte unten ein Tan-Delta aufweisen 0,2 × 10⁻³ mit minimaler Delta-Tan-Delta-Abweichung über die Spannungsstufen. Werte, die diesen Schwellenwert überschreiten, bevor das Kabel in Betrieb genommen wurde, deuten auf eine Kontamination, das Eindringen von Feuchtigkeit oder eine schlechte Extrusionsqualität hin, die eine Untersuchung rechtfertigen, bevor der Stromkreis vom Installateur akzeptiert wird.