Xlpe-om Izolirani Sn Kabeli_teo Žuvela

7/25/2019 Xlpe-om Izolirani Sn Kabeli_teo uvela

1/14

SVEUILITE U SPLITU

SPECIJALISTIKI DIPLOMSKI STRUNI STUDIJ POLITEHNIKE

XLPE-om IZOLIRANI SN KABELI

PRODUENOG IVOTNOG VIJEKA

Seminarski rad

Kolegij:Elektroenergetski kabeli

Profesor: Eduard kec Student:Teo uvela

Split, sijeanj 2016.


2/14

UVOD

Umreeni polietilen (XLPE) postao je globalno najpoeljniji tip izolacije kod energetskih kabela,

primjenjivanih u distribuciji kao i u prijenosu elektrine energije. Ovaj tip izolacije nudi trokovnu

uinkovitost u pogonu kao i u nabavci, takoer ima manje ekoloke zahtjeve i potrebe odravanja u

usporedbi sa starijim kabelima sa impregniranim papirom kao izolacijom.

Kada su se postavljali prvi srednjenaponski (SN) XLPE-om izolirani kabeli krajem 60-ih godina,

proizvoai kao i kompanije koje su ih postavljale oekivali su da e biti pouzdani u pogonu 20 ili ak

30 godina. Povijest je pokazala kako je ivotni vijek nekih ranih verzija kabela bio znatno krai od

oekivanog. U to vrijeme inenjeri i strunjaci za materijale nisu bili svijesni kako e vlaga, naponsk a

naprezanja, izostavljanje plateva i nesavrenosti kabelske strukture utjecati na ubrzanu koroziju

neutralnih vodia/traka te uzrokovati tzv. vodena stabla (eng. Water trees). Ovi defekti su toliko

utjecali na performanse da su mnogi kabeli podbacili nakon samo 10 do 15 godina rada.

Posljedice ovog nerazumijevanja bile su velike. Procjenjeno je da je za svaki dolar uloen u instaliranje

kabela, trebalo uloiti bar 10 dolara za zamjenu istog. Resursi koji su se mogli iskoristiti za gradnju

nove infrastrukture uloeni su za zamjenu kabela starih manje od 20 godina. To je imalo udar na

troak poslovanja elektro kompanija s kojim se neke moraju jo do danas nositi.

Inenjeri i znanstvenici znaju to je polo po zlu. Otkrili su kako upljine i kontaminacija u izolaciji, u

kombinaciji s ionskom kontaminacijom u poluvodikim platevima, kao i ostali nedostatci u dizajnu i

proizvodnji, vode do koncentriranih naponskih naprezanja unutar kabela. Ta poviena naponska

naprezanja, u kombinaciji s prodiranjem vlage u strukturu kabela rezultiraju pojavom danas

poznatom kao vodena stabla. Rast ovih razgranatih mikroskopskih upljina s vremenom degradiraizolaciju, to naposlijetku uzrokuje kvar kabela.

Danas postoje XLPE izolacije koje su dizajnirane tako da sprijee razvoj vodenih stabala,

omoguavajui tako jo veu pouzdanost za kabele u distribuciji. Poluvodiki ekrani bez prekomjerne

ionske kontaminacije takoer su dostupni. Proizvoai su takoer nauili kako proizvesti kabele s

izolacijom bez upljina te s glatkom povrinom izmeu poluvodikih ekrana i izolacije.


3/14

STRUKTURA KABELA I MATERIJALI

Struktura podzemnih energetskih kabela izgleda jednostavna. Meutim, svaki dio ima vanu ulogu i

mora se odabrati paljivo da bi se osiguralo da struktura kabela bude pouzdana u pogonu. Kritini

elementi strukture energetskih kabela obraeni su dalje u radu.

Slika 1 - Evolucija najvieg AC napona kabela

Izolacijski materijali koriteni u SN energetskim kabelima dugo su ukljuivali tehnologiju uljem

impregniranog papira. Uspjeno su se koristili preko 100 godina. Danas su izolacije od umreenih

polimera standard na svim naponima (slika 1). Iskustvo u radu koje je utjecalo na iroku primjenuprikazano je u tablici 1. Umreeni spojevi pruaju bolju pouzdanost i vee radne temperature od

odgovarajuih termoplastinih (neumreenih) varijanti. Termoplastini materijali se deformiraju

naknadnim zagrijavanjem, dok termoreaktivni materijali zadravaju oblik na radnim temperaturama.

Ove karakteristike kao i interesi za sve veim radnim temperaturama znae da e umreene solucije

prednjaiti u doglednoj budunosti.


4/14

Tablica 1 - Kvarovi SN kabela u Europi (srednji kvar/krug 100km/god) - UNIPEDE 1995

XLPE IZOLACIJA

XLPE je termoreaktivni materijal koji nastaje od LDPE-a (polietilen niske gustoe) i sredstva za

umreavanje kao to je dikumil peroksid. Al Gilbert i Frank Precopio izumili su XLPE u oujku 1963.

godine u GE istraivakom laboratoriju u Niskayuni, NY. U tom procesu, dugolanane PE molekule se

umree tjekom procesa stvrdnjavanja (vulkanizacije) da bi formirali materijal koji ima elektrinasvojstva slina termoplastinom PE-u, ali s boljim mehanikim svojstvima, posebno na visokim

temperaturama. XLPE-om izolirani kabeli imaju deklariranu maksimalnu temperaturu vodia do 90C

te po potrebi do 140C.

Water Tree Retardant XLPE (WTR XLPE)

Kao to je spomenuto ranije, fenomen vodenog stabla moe znatno smanjiti ivotni vijek XLPE kabela

u pogonu. Tipina voden stabla prikazana su na slici 2. Vodena stabla rastu relativno sporo kroz

nekoliko mjeseci ili godina. Kako rastu, elektina naprezanja se mogu poveati toliko da doe dostvaranja elektrinog stabla na vrhovima vodenog stabla. Jednom kada krenu, elektrina stabla

napreduju brzo sve dok izolacija toliko ne oslabi da vie nemoe podnijeti napon te nastupa elektrini

proboj na mjestu vodenog/elektrinog stabla. Postoji mnogo naina za smanjenje rasta vodenih

stabala, ali pristup koji je najire prihvaen je koritenje specijalno razvijenih izolacijskih materijala

dizajniranih da ogranie rast vodenih stabala. Takvi izolacijski materijali nazivaju se WTR XLPE. Ti

izolacijski materijali, u kombinaciji s koritenjem istih poluvodikih plateva i kontroliranih

proizvodnih procesa smanjili su zabrinutost elektro kompanija vezanih za primjenu kabela s

polimerskom izolacijom.


5/14

Slika 2 - Rast vodenih stabala s unutanjeg (dolje) i vanjskog (gore) poluvodljivog ekrana

Dva su pristupa u tehnologiji izolacije u irokoj primjeni da bi se usporio rast vodenih stabala i oba su

modificirani klasini XLPE materijali. To su:

Modificarana struktura polimera. Polimer WTRXLPE; nazivan i kopolimer - modificirani XLPE

Modificirani paket aditiva. Aditive WTRXLPE; nazivan i TR-XLPE

U oba sluaja, smjese zadravaju odlina elektrina svojstva XLPE-a (visoka dielektrina vrstoa, vrlo

mali dielektrini gubici). WTR-XLPE izolacija komercijalizirana je 1980-ih te su takvi kabeli ve preko

20 godina u pouzdanom radu.

Proizvodnja

Osim dvije osnovne tehnologije za usporavnje razvoja vodenih stabala, postoje brojne modifikacije

osnovne strukture polimera koje mogu poveati produktivnost u proizvodnji kabela. U SN primjeni,

moe se znatno poveati reaktivnost. To rezultira ubrzanjem u sluajevima gdje su ogrenienja zbog

procesa stvrdnjavanja ili hlaenja unutar cijevi neprekidne vulkanizacije koje se koriste za

umreavanje izolacije. Takoer se mogu napraviti modifikacije koje bi ograniile koliine plinova koji

se generiraju kao nusprodukt tijekom procesa umreavanja. To je posebno znaajno kod proizvodnje

visokonaponskih (VN) i vrlo-visokonaponskih (VVN) kabela, gdje potrebe za otplinjavanjem znatno

produljuju vrijeme proizvodnje takvih kabela.


6/14

PROCES STVRDNJAVANJA IZOLACIJE

Proces umreavanja zapoinje sa oprezno proizvedenim osnovnim polimerom. Zatim se kontrolirano

dodaju paketi za stabilizaciju i umreavanje te se tvori smjesa. Umreavanje daje vezne toke

strukturi. Jednom umreen, lanaci polimera ostaju fleksibilni ali se nemogu potpuno rastaviti. U biti

postoje dvije vrste procesa umreavanja koja se mogu koristiti u XLPE-om izoliranim kabelima:

Stvrdnjavanje peroksidomtermalna dekompozicija organskih peroksida nakon istiskivanja

pokree formiranje umreavanja izmeu otopljenih lanaca polimera u cijevi za stvrdnjavanje.

Ovaj proces koristi se za XLPE i EPR izolacije. Metoda stvrdnjavanja peroksidom je globalno

najrairenija tehnologija umreavanja i koristi se u proizvodnji SN, VN i VVN izoliranih kabela.

Pristup stvrdnjavanja pomou vlage najee se koristi za izradu N kabela a ponekad i SN.

Stvrdnjavanje pomou vlagekemikalije (silan) se umeu u lanac polimera, koje formiraju

umreavanje kada se izloe vodi. Proces stvrdanjvanja dogaa se u krutoj fazi, nakonistiskivanja. Stvrdnjavanje pomou vlage najee se koristi kod proizvodnje SN kabela kada

se vie kabela razliitog dizajna proizvode na istoj liniji istiskivanja i/ili kada se proizvode

relativno kratke duljine. U ovim situacijama, sa stajalita proizvodnje poeljno je razdvajanje

procesa istiskivanja i stvrdnjavanja.

MATERIJALI ZASLONA VODIA I IZOLACIJE

Poluvodljivi zasloni utisnuti su preko vanjske povrine vodia i izolacije da bi odrali ravnomjerno

divergentno elektrino polje, te da bi odrali elektrino polje unutar jezgre kabela. Ovi materijali

sadre tono odreenerazine aeza postizanje ispravne razine stabilne vodljivosti kabelskih ekrana.

Materijali poluvodljivih ekrana baziraju se na ai (proizvedenoj u kompletno kontroliranom

izgaranju ugljikovodika) koja je rasprena unutar matrice polimera. Koncentracija ae treba biti

dovoljno velika da bi se osigurala adekvatna i konzistentna vodljivost. Ugradnja mora biti

optimizirana da prui glatku granicu izmeu vodljivih i izolacijskih djelova kabela. Glatka povrina je

vana jer smanjuje pojavu mjesta velikih naponskih naprezanja. Da bi se ostvarila ispravna ravnotea

ovih svojstava, kljuno je da se aa i matrica polimera dobro projektiraju.

Odavno je ve prepoznato da se najvea razina glatkoe i istoe postie koritenjem ae na bazi

acetilena u poluvodljivoj matrici (tablica 2). Posljednjih godina, sadraj kemijskih neistoa i pepela

kod ae iz pei, prilagoen je da bi se postigli optimalne razine potrebne za primjenu u

polovodljivim ekranima. 1973. sadraj pepela u konvencionalnoj ai iz pei iznosio je 0,73%, danas

je dostupna aa sa svega 0,01% pepela. Takoer, ukupni sadraj sumpora smanjen je sa 1,26% na

0,01%, dok je glatkoa smjese temeljena na broju neistoa sa 90 pip/cm 2 dola na 15 pip/cm2.

Meutim ova poboljanja nisu univerzalna I nemogu se uzimati zdravo za gotovo. Tablica 2 prikazuje

raspon razina istoe.


7/14

Tablica 2 - Analiza tipinih neistoa u poluvodljivom zaslonu vodia

BEZ NEDOSTATAKA ISTOA I GLATKOST

Koliku vanost ima istoa (izolacije i poluvodljivih ekrana) i glatkost (povrina izmeu izolacije i

poluvodljivog ekrana) bila je teko nauena lekcija. (slika 2). Poveana istoa i glatkost omoguili su

poveana naprezanja u radu (vrlo bitno za VN i VVN kabele) i dui ivotni vijek kabela. istoa svih

materijala kabela znaajno se poveala u zadnjih 15 godina. ii sirovi materijali, unaprijeene

tehnologije proizvodnje i tehnike rukovanja doprinijeli su poboljanju istoe. Od ovih mnogih

inicijativa, nove generacije XLPE i WTR-XLPE kabela su se pojavile. Oni se obino isporuuju sa

oznakom koja definira istou i naponski nivo.

Proizvoai kabela implementirali su sisteme rukovanja materijalima da bi sprijeili oneienjetijekom proizvodnje. Jedan primjer je da su u veini tvornica kabela postavljene iste prostorije i

odvojeni objekti za izolacijske i poluvodljive materijale.

istoa izolacijskih materijala (peroksidom i vlagom stvrdnjavanih) esto se ocjenjuje tako da se

predstavljajui uzorak polimera pretvori u transparentnu traku, zatim se ustanovi kocentracija

moguih nehomogenosti. Nehomogenosti se detektiraju identificiranjem varijacija u prijenosu

svjetlosti kroz traku. Podatke obradi mikro raunalo, koje daje podatke po veliini izdvojenih

koncentracija u nekoliko odabranih razina (tablica 3). ii XLPE izolacijski materijali vode do puno

dueg ivotnog vijeka kabela. Prihvaanje iih smjesa postalo je brzo i raireno.


8/14

Tablica 3 - Veza izmeu klase napona i ope prihvaenih razina istosti

PROIZVODNJA JEZGRE

Proizvodna linija kabel vrlo je sofisticiran proizvodni proces koji se mora odvijati s velikom brigom da

bi se osiguralo da konaan proizvod bude pouzdan u radu dugo vremena. Sastoji se od mnogo

podprocesa koji moraju biti usklaeni jedni s drugima. Ako ijedan dio linije zakae i ne funkcionira

ispravno, moe stvoriti problem koji e dovesti do loe napravljenog kabela koji e potencijalno

postati vrlo dugi kabel za otpad.

Najnovija tehnologija koristi metodu koja se zove true triple extrusion gdje se plat vodia, izolacija

i plat izolacije izvlae simultano. Pokazalo se da su ovako proizvedeni kabeli dugovjeniji (slika 3).

Slika 3 - Utjecaj konfiguracije ekstruzije na starenje kabela, mjerena probojna vrstoa


9/14

Nakon to se formira struktura jezgre, kabel se umreava da bi se omoguile performance na visokim

temperaturama. Kada se koriste cijevi neprekidne vulkanizacije potrebna je fina kontrola i regulacija

temperature i brzine kretanja linijeda bi se osiguralo ispravno umreavanje.

PLATEVI

Mnogi SN, VN i VVN kabeli imaju metalni plat/neutralni koji je zatien polimerskim platom. Zbog

njegove vanosti brojna su svojstva zbog kojih treba imati plat, kao to su dobra otpornost na

abraziju, mogunost lakog procesiranja, dobru vodootpornost te otopr na pucanje pod

optereenjem. Iskustva su pokazala da je najbolji plat temeljen na PE materijalu,iako se koriste PVC,

CSPE i najlon. Testiranja XLPE kabela pokazala su da nakon 10 godina u pogonu, kabelima koji koriste

PVC kao plat, probojna mo padne za skoro 50% (s 20 na 11 kV/mm). Zbog toga danas predvladavaju

platevi temeljeni na robustnom PE-u. Tvrdoa PE-a je takoer njegova prednost kad je potrebna

zatita od termita.

Platevi produljuju ivotni vijek kabela na nain da usporavaju prodiranje vode i topivih iona iz

zemlje, smanjuju mogunost oteenja tijekom polaganja i ublaavaju koroziju neutralnih vodia.

Preporuaju se poluvodnjivi platevi za podruja gdje je veliki rizik udara munje ili u rovovima gdje se

provlae telekomunikacijski zajedno s energetskim kabelima.

Odabir materijala plata i izvedbe kabela ukljuujui trake ili prahove koji kupe vodu, ima velik utjecajna proboj vode izvan kabela do vodia. Usporedba fizikalnih svojstava najee koritenih materijala

plateva prikazana je u tablici 4.

Tablica 4 - Fizikalna svojstva smjesa plateva


10/14

TESTIRANJA U PROIZVODNJI

Testiranja u proizvodnji rade se da bi se osiguralo da su kabeli zadovoljavajue kvalitete i

odgovarajuih specifikacija. Proizvoai obavljaju ova testiranja prije nego to kabeli napuste

tvornicu. Najrairenije norme za kabele ukljuuju zahtjeve i procedure za testiranje. Meutim, treba

naglasiti da ovi testovi predstavljaju samo minimalne zahtjeve. Iskusni proizvoai e obavezno

upotpuniti ove minimalne zahtjeve dodatnim testiranjima (slika 4) da bi pruili dodatno osiguranje da

je kabel dobro napravljen. Osim samih testova isto tako je bitna i frekvencija provoenja istih,

pogotovo ako se uzme u obzir periodina priroda pojave tipinih defekata.

Slika 4 - Defekt plata vodia otkriven u testu "vrueg ulja", izolacija izvedena transparentno

Ovi testovi su od vitalne vanosti proizvoaima i krajnim korisnicima. Oni su zadnja ansa da se

utvrdi da je kabel napravljen kako treba to osigurava da ne doe dopreranog zakazivanja u radu.

Krajni korisnik moe od proizvoaa zahtijevati najkvalitetnije i najbolje materijale pri izradi.

Meutim ako nastanu greke tijekom proizvodnje, kvaliteta kabela moe biti vrlo upitna, to rezultira

velikim trokovima zamjenetakvog kabela u budunosti. Neki korisnici zahtijevaju dodatna testiranja

u neovisnim laboratorijima.

Norme za kabele i specifikacije od strane IEC-a, ANSI/ICEA-a, JEC-a i CENELEC-a ukljuuju razliite

testove kao i protokole za dugorone testove starenjaza razliite tipove kabela. Elektrini testovi vre

se na cijeloj proizvodnoj liniji, esto na nain da se testira svaka isporuena duljina.


11/14

PERFORMANSE SN KABELA NA TERENU

Od kabela visoke kvalitete zahtijeva se da budu pouzdani. Zato, poto smo istaknuli razliite naine za

osiguranje kvalitete (dosljednost, dizajn, materijali), ukratko emo se osvrnuti na povratne

informacije od iskustva krajnih koristnika (elektroprivrednih kompanija).

.

Slika 5 - AC udarni (U0/5min) probojni testovi na neoplatenim XLPE kabelima

Slika 5 prikazuje rezultate studije provedene u vedskoj i Norvekoj, da bi se ustanovilo stanje

neoplatenih kabela sa klasinom XLPE izolacijom. Testovi dijagnostike pokazali su da je veliki

postotak ovih kabela imao degradirana dielektrina svojstva. To je rezultiralo da su dva 12kV kabela

uklonjena sa mree u vedskoj i izloena AC testovima probojne vrstoe. Weibullova karakteristika

AC probojne vrstoe za ove kabele bila je 4 do 5 puta U0, nazivnog napona. Kad su bili novi ti iznosisu bili izmeu 15 i 20 U0. Probojna mo indicirala je da je izolacija znaajno degradirala, to je

disekcija i potvrdila, stabla su postojala du cijele izolacije. Interesantno je napomenuti da je

dielektrina vrstoa kabela iz 1980. bila vea nego onih iz 1988. To je bitno opaanje koje je

potvreno od vie korisnika. Kabeli ne zakazuju samo zbog starenje, ve zbog starenja, optereenja i

kvalitete.

U Njemakoj su prikupljene velike koliine podataka o zakazivanju kabela u pokuaju da bi se bolje

shvatio rad samih kabela. Slika 6 prikazuje zakazivanje kabela (izolacije) za Njemaku u ovisnosti

godine polaganja i putanja u pogon. Stariji kabeli koristili su nekvalitetnu tehnologiju ekstruzije,

poluvodljive ekrane u obliku trake te XLPE izolaciju ni priblino istu kao dananje izolacije. Podaci


12/14

pokazuju poboljanja pouzdanosti sustava od srednjih 1980-ih. Ta poboljanja uglavnom dolaze zbog

prijelaza na polimer WTR-XLPE izolacije.

Slika 6 - Stopa kvara kabela (izolacije) u njemakoj, u ovisnosti o godini polaganja

Element koji nedostaje sa slike 6 i veine analiza u literature je prikaz u ovisnosti o koliini kabela

postavljenih odreene godine. Puno vie kabela postavljeno je 1995. nego 1985. Vanost ovogkoncepta moe se vidjeti na studiji iz SAD-a. Velika elektroprivredna kompanija TXU Electric iz Texasa,

napravila je opsenu analizu na SN kabelima da bi bolje razumjeli kako se ponaaju kabeli u radu. Ovi

kabeli postavljeni su 1970-ih i poetkom 1980-ih. Jedna od metoda analiziranja, koja povezuje

koliinu postavljenih kabela kao i njihovu starost, prikazana je na slici 7. Na ovoj slici, x -os je

kumulativni product koliine postavljenih kabela u odreenoj godini i broj godina za kojih jekabel bio

u pogonu. ( duljine kabela x starost kabela za svaku godinu). Konstantni gradijent pokazuje

konstantnu stopu zakazivanja, meutim donja zakrivljenost (donji gradijent) prikazuje manju stopu

zakazivanja.

Graf se moe najbolje shvatiti usporedbomvrijednosti km-godina za zadani broj zakazivanja za svakirazliiti dizajn kabela. Naprimjer, nastalo je 30 zakazivanja nakon samo 9000 km-godina za HMWPE

kabel. Trebalo je 22000 km-godina da XLPE kabel doivi 30 zatajenja. Nadalje, graf omoguuje

prognoziranje. Naprimjer, vrlo je mogue da e trebati 100000 km -godina da nastupi 30 zatajenja

Additive WTR-XLPE kabela.

Slike 6 i 7 daju dramatine i praktine primjere kako se poboljava rad svake nove generacije kabela,

od originalnih termoplastinih kabela , klasinih XLPE, do modernijih WTR-XLPE kabela. Ova

poboljanja su odgovorana za trenutni trent postavljanja kabela s WTR-XLPE izolacijom umjesto

klasine XLPE izolacije, to se vidi na slici 6, nakon 1990.


13/14

Slika 7 - Podaci kvarova za 3 generacije SN kabela postavljenih od strane TXU Electric-a

ZAKLJUAK

Postizanje dugog vijeka koristei XLPE smjese nije teko. Meutim, zahtijeva pozornost na detelje

koji, na prvi pogled, ne donose instantnu korist. Istaknuli smo najee naine koji mogu pomoi

industriji i elektroprivrednim kompanijama odrati isplativost XLPE-om izoliranih kabela sa dugim,

pouzdanim ivotnim vijekom. Najkritiniji element unutar cijelog procesa je uvidjeti problem kvalitete

te krajne vrijednosti unutar elektroprivrede.


14/14

LITERATURA

[1] H.E. Orton i R. Hartlein, Long Life XLPE Insulated Power Cables, listopad 2006.

[2] F. Precopio, The Invention of Chemically Cross Linked Polyethylene. IEEE ElectricalInsulation Magazine, sijeanj/veljaa 1999.

[3] A. Campus i M. Ulrich, 20 Years Experience with Copolymer Power Cable Insulation.Jicable03, 2003.

Documents

Xlpe-om Izolirani Sn Kabeli_teo Žuvela