VPE-isolierte Stromkabel: Bewertungen und Tests

Spannungswerte und Isolationswerte

XLPE-isolierte Stromkabel are manufactured to defined voltage classes that specify the phase-to-phase and phase-to-ground withstand capabilities. The most common medium-voltage designations under IEC 60502-2 are 6/10 kV, 8.7/15 kV, 12/20 kV, and 18/30 kV, where the first figure represents the rated phase-to-ground voltage and the second the rated phase-to-phase voltage. A cable designated 8.7/15 kV must withstand a power-frequency test voltage of 30,5 kV für fünf Minuten Während der Werksabnahmeprüfung wird die Integrität der extrudierten Isolierschicht überprüft.

Um die richtige Nennspannung auszuwählen, muss das Kabel an die maximale Dauerbetriebsspannung des Systems und die erwartete Erdschlussdauer angepasst werden. Bei einem 12-kV-System, bei dem Erdschlüsse innerhalb einer Sekunde behoben werden, kann ein 6/10-kV-Kabel unter Berücksichtigung transienter Überspannungen unterdimensioniert sein. Die Isolationsdicke skaliert mit der Spannungsklasse: Ein typisches 15-kV-XLPE-isoliertes Stromkabel weist die Merkmale auf 4,5 mm XLPE-Isolierung , während ein 35-kV-Kabel diesen Wert auf ca. erhöht 8,4 mm . Diese zusätzliche Dicke wirkt sich direkt auf den Gesamtdurchmesser des Kabels, die Biegesteifigkeit und die bei der Installation erforderlichen Zugspannungsberechnungen aus.

Strombelastbarkeit und Derating-Faktoren

Die Strombelastbarkeit von XLPE-isolierten Stromkabeln ist keine feste Zahl. Sie verschiebt sich je nach Installationsmethode, Umgebungstemperatur, Wärmewiderstand des Bodens und der Nähe benachbarter Stromkreise. Ein 3-adriges 240-mm²-XLPE-Kupferkabel, das für die direkte Erdverlegung ausgelegt ist, könnte Folgendes tragen 480 A bei 90°C Leitertemperatur isoliert, aber dieser Wert sinkt erheblich, wenn das Kabel in einer Kabelkanalbank mit vier anderen belasteten Stromkreisen und einem Bodenwärmewiderstand von 1,2 K·m/W statt der angenommenen 1,0 K·m/W installiert wird.

Die folgende Tabelle zeigt die typischen Derating-Faktoren für XLPE-isolierte Stromkabel, die in verschiedenen Konfigurationen installiert sind, basierend auf den Richtlinien der IEC 60364-5-52.

Der kumulative Effekt mehrerer Derating-Faktoren ist multiplikativ. Die effektive Strombelastbarkeit eines Kabels in einer Kanalbank mit vier Stromkreisen und erhöhter Bodentemperatur kann auf reduziert werden 270 A oder weniger , kaum die Hälfte seiner Freiluftbewertung. Thermische Hinterfüllmaterialien mit geringem spezifischen Widerstand, wie beispielsweise zementgebundener Sand oder speziell entwickelte Vergussmörtel rund um das Kanalufer, werden zu wesentlichen Schadensbegrenzungsmaßnahmen, um verlorene Kapazität wiederherzustellen, ohne den Leiterquerschnitt zu vergrößern.

Einbautoleranzen und Zuggrenzen

Die Installation von VPE-isolierten Stromkabeln vor Ort erfordert die strikte Einhaltung minimaler Biegeradien und maximaler Zugspannungen. Der minimale Biegeradius für ein einadriges XLPE-Kabel während der Installation beträgt typischerweise Das 15-fache des Gesamtdurchmessers des Kabels , was sich bei dreiadrigen Kabeln auf das Zwölffache erhöht. Das Überschreiten dieses Radius führt zu irreversiblen Schäden an der XLPE-Isolierungsstruktur: Der Innenradius wird komprimiert, während der Außenradius gedehnt wird, wodurch möglicherweise Mikrohohlräume entstehen, die sich unter Betriebsspannung zu Teilentladungsstellen entwickeln.

Zugspannungsbegrenzungen schützen den Leiter und die Isolierung vor mechanischer Beschädigung bei der Kabelverlegung. Die maximale Zugspannung für ein Kupferleiter-XLPE-Kabel sollte nicht überschritten werden 50 N pro Quadratmillimeter Leiterquerschnitt . Bei einem Kupferleiter von 300 mm² entspricht dies einer zulässigen Zugkraft von 15.000 N. Diese Spannung muss über den gesamten geplanten Zugweg berechnet werden, einschließlich der erhöhten Reibung an jedem Rohrbogen. Kabelschmiermittel, die mit dem XLPE-Mantelmaterial kompatibel sind, typischerweise ein Gel auf Bentonit- oder Polymerbasis, reduzieren den Reibungskoeffizienten auf ungefähr 0,25 bis 0,35 , wodurch die erforderliche Zugkraft erheblich gesenkt wird. Der Seitenwanddruck, an dem das Kabel an der Innenseite eines Rohrbogens anliegt, muss ebenfalls überprüft werden, mit einem typischen Grenzwert von 1.500 N pro Meter Biegeradius für XLPE-Kabel, um eine Verformung der Isolierung zu verhindern.

Kündigungs- und Verbindungspraktiken

Die Punkte, an denen XLPE-isolierte Stromkabel an Schaltanlagen angeschlossen oder mit anderen Kabelabschnitten verbunden werden, stellen die statistisch höchsten Fehlerorte in jedem Netzwerk dar. Ein ordnungsgemäß ausgeführter Abschluss stellt die elektrische Spannungskontrolle wieder her, die durch die werkseitig angebrachte Isolationsabschirmung gewährleistet wurde. Der Abschirmungsausschnitt erzeugt einen Bereich mit hoher elektrischer Spannung, und ein Spannungskontrollrohr oder ein geometrischer Spannungskegel muss dieses Potenzial entlang der Anschlusslänge gleichmäßig von der Leiterspannung zum Erdpotenzial abstufen.

Wärmeschrumpfendverschlüsse für 15-kV-XLPE-Kabel erfordern eine methodische Vorbereitung: Der Außenmantel wird entfernt, um die Metallabschirmung freizulegen, die Abschirmung wird auf das angegebene Maß zugeschnitten, der Isolationsschirm wird abgezogen, um sauberes XLPE freizulegen, und die Isolationsoberfläche wird mit Schleifkörnung, die vom Hersteller der Endverschlüsse angegeben wird, glatt geschliffen. Jede Riefenspur, die auf der XLPE-Oberfläche durch einen unvorsichtigen Messerschnitt beim Entfernen des Siebs zurückbleibt, wird zu einem Ausgangspunkt für den Beginn einer Teilentladung. Der Spannungskontrollmastix oder -schlauch muss die Bildschirmkante normalerweise um den vom Hersteller angegebenen Abstand überlappen 15 mm bis 25 mm , um sicherzustellen, dass sich die elektrischen Feldlinien gleichmäßig und ohne Oberflächenverfolgung brechen. Nach der Montage muss die Anschlussfahne mit einer auf die Leiterklasse und den Querschnitt abgestimmten Sechskantmatrize unter ausreichender Pressung verpresst werden, um eine gasdichte Kaltverschweißung zwischen der Kabelschuhhülse und den Kupferlitzen zu erreichen.

Feldtests und Inbetriebnahme

Das Testen von XLPE-isolierten Stromkabeln nach der Installation, aber vor dem Einschalten ist das letzte Tor, das Verarbeitungsmängel, Transportschäden und Anschlussfehler aufdeckt. Der anerkannte Inbetriebnahmetest für neue Mittelspannungs-XLPE-Stromkreise ist ein Sinusförmige Wellenform mit sehr niedriger Frequenz bei 0,1 Hz , angewendet für eine Dauer von 30 bis 60 Minuten. Für ein 15-kV-Kabel mit einer Phase-Erde-Nennleistung von 8,7 kV wird die VLF-Prüfspannung normalerweise auf eingestellt 2,0 bis 3,0 U₀ , entsprechend etwa 18 kV bis 26 kV Spitze.

Bei XLPE-isolierten Stromkabeln wurde die einst gängige DC-Hochspannungsprüfung aufgegeben, da sich dadurch Raumladungen in der Isolierung ablagern, die zu Betriebsausfällen führen können, nachdem das Kabel wieder an Wechselstrom angeschlossen wird. Der VLF-Test liefert in Kombination mit der Tan-Delta-Messung bei mehreren Spannungsstufen eine diagnostische Grundlage. Ein neues, gesundes XLPE-Kabel sollte einen Tan-Delta-Wert aufweisen, der darunter liegt 0,2 × 10⁻³ mit minimaler Variation zwischen den Spannungsstufen. Jedes Kabel, das einen Tan-Delta-Wert aufweist, der diesen Schwellenwert überschreitet, oder einen sprunghaften Anstieg zwischen aufeinanderfolgenden Spannungspegeln weist auf Verschmutzung, eindringende Feuchtigkeit oder Extrusionsfehler hin, die eine Untersuchung und einen möglichen Kabelaustausch erfordern, bevor der Stromkreis in Betrieb genommen wird.

Langzeit-Alterungs- und Zustandsüberwachung

XLPE-Isolierung verschlechtert sich durch zwei Hauptmechanismen: thermische Alterung durch dauerhaften Betrieb bei oder nahe der 90°C-Grenze und Wasserbaumwachstum bei Feuchtigkeit und elektrischer Belastung. Moderne XLPE-Compounds enthalten Additive, die die Wasserbildung hemmen, doch Kabel, die vor der breiten Einführung dieser Formulierungen in den 1990er Jahren hergestellt wurden, sind weiterhin anfällig. Zustandsüberwachungsprogramme verwenden Teilentladungskartierung und dielektrische Spektroskopie, um alternde XLPE-isolierte Stromkabel zu identifizieren, bevor sie im Betrieb ausfallen.

Teilentladungsmessungen, die mit kapazitiven Kopplern an den Anschlüssen oder Hochfrequenz-Stromwandlern rund um den Erdungsanschluss des Kabels durchgeführt werden, erkennen Entladungen mit scheinbaren Ladungsgrößen von bis zu 5 bis 10 Picocoulomb . Ein Kabel, dessen Teilentladungs-Einsatzspannung unter dem 1,3-fachen der Betriebsspannung liegt, nähert sich einem Zustand, in dem innerhalb der nächsten ein bis drei Jahre ein Fehler wahrscheinlich ist. Bei kritischen Stromkreisen sorgen Online-Teilentladungsüberwachungssysteme, die fest an den Schaltanlagenanschlüssen installiert sind, für eine kontinuierliche Überwachung des Zustands des XLPE-isolierten Stromkabels und lösen Alarme aus, wenn sich die Entladungsaktivität in der Größe oder Wiederholungsrate ändert. Mithilfe dieser Daten können Anlagenverwalter geplante Ausfälle für den Kabelaustausch planen, anstatt auf einen Notfallfehler zu reagieren, der die Produktion oder Servicebereitstellung unterbricht.