XLPE 절연 전원 케이블: 등급, 설치 및 테스트

열적 우월성을 뒷받침하는 화학

성능 XLPE 단열재 분자 구조에서 유래합니다. 고온에서 부드러워지고 흐르는 열가소성 폴리에틸렌과 달리 XLPE는 개별 폴리머 사슬을 3차원 네트워크로 결합하는 가교 과정을 거칩니다. 이 변환은 대략 녹는 물질을 변환합니다. 105°C 정격 90°C 연속 한계를 훨씬 넘어서 기계적 무결성과 유전 강도를 유지하는 열경화성 수지로 변합니다.

가교 자체는 세 가지 산업적 방법 중 하나를 통해 달성됩니다. 실란 그래프팅 공정은 수분을 사용하여 주변 온도에서 절연체를 경화하여 최대 35kV의 중전압 케이블에 적합한 깨끗하고 공극 없는 유전체를 생성합니다. 고압 연속 가황 튜브를 통해 적용되는 과산화물 공정은 높은 온도와 압력에서 디큐밀 과산화물을 분해하여 가교를 시작하며, 고전압 및 초고압 송전 케이블의 지배적인 방법으로 남아 있습니다. 덜 일반적인 조사 방법은 얇은 벽 응용 분야에 전자빔 충격을 사용합니다. 각 기술은 동일한 겔 함량 목표를 생성합니다. 최소 70% 젤 분율 뜨거운 자일렌 추출로 측정한 결과, 고온에서 지속적인 기계적 압력 하에서 크리프 저항에 필요한 네트워크 밀도를 보장합니다.

도체 구성 및 스크린 엔지니어링

XLPE 유전체는 분리되어 작동하지 않습니다. 도체와 절연체 사이, 절연체와 금속 실드 사이의 인터페이스는 케이블의 부분 방전 동작과 궁극적인 서비스 수명을 결정적으로 결정합니다. 이러한 인터페이스는 삼중 헤드 압출 공정에서 XLPE 절연재와 동시에 압출되는 간단히 도체 및 절연 스크린이라고도 하는 반도체 스크린으로 관리됩니다.

적절하게 적용된 도체 스크린은 연선 도체의 틈을 채우고 XLPE 층 내부에 완벽하게 매끄러운 원통형 등전위 표면을 제공합니다. 이 경계의 돌출부나 빈 공간은 전기적 응력을 집중시켜 내부에서 외부로 절연체를 부식시키는 부분 방전을 시작합니다. 스크린 재료 자체는 일반적으로 체적 저항률을 갖는 카본 블랙이 첨가된 폴리에틸렌 화합물입니다. 500옴미터 미만 90°C에서. 단열재 외부에서 단열 스크린은 역기능을 수행하여 XLPE 표면과 금속 테이프 또는 와이어 실드 사이의 공극을 방지합니다. 15kV 이상의 최신 삼중 압출 케이블에서는 도체 스크린, XLPE 절연체, 절연체 스크린 등 세 가지 레이어가 모두 크로스헤드 다이를 통해 단일 패스로 적용된 후 서로 교차 연결됩니다. 이 공압출 구조는 역사적으로 부하 주기 열 팽창 시 박리 실패를 야기했던 개별 층 경계를 제거합니다.

전류용량 및 단락 열 저항

XLPE의 작동 온도 이점은 잘 알려져 있지만 단락 내열 성능도 마찬가지로 중요하며 사양 중에 간과되는 경우가 많습니다. 사고 전류가 흐르면 도체 온도가 밀리초 단위로 상승합니다. XLPE는 다음의 단락 도체 온도를 견딜 수 있습니다. 250°C 반면 표준 PVC 절연은 동일한 과도 현상에 대해 160°C로 제한됩니다. 이렇게 더 높은 열 상한선은 더 작은 도체 단면적을 허용하여 주어진 고장 전류 크기 및 제거 시간을 견딜 수 있게 하며, 이는 구리 또는 알루미늄 조달에 직접적인 비용 영향을 미칩니다.

아래 표는 1초의 오류 제거 시간 동안 XLPE 및 PVC 절연체 아래의 구리 도체에 허용되는 최대 단락 전류 밀도를 비교하여 얻은 엔지니어링 마진을 보여줍니다.

대략적으로 더 높은 단락 정격 평방밀리미터당 143암페어 XLPE 아래 구리 도체의 경우 PVC의 경우 115A/mm²에 비해 XLPE 케이블은 절연 저하 없이 동일한 도체 크기 및 클리어링 시간에 대해 24% 더 높은 고장 전류를 견딜 수 있음을 의미합니다. 실제로 이를 통해 설계자는 IEC 60949에 따라 전체 결함 순응을 유지하면서 한 단계 더 작은 표준 크기의 도체를 선택할 수 있습니다.

워터 트리잉 및 재킷 건설 사례

습한 환경에서 중전압 XLPE 케이블의 주요 노화 메커니즘은 워터 트리잉입니다. 이 현상은 전기장이 있는 상태에서 수분이 절연체에 침투하여 화학적으로 분해된 폴리머의 미세한 나무 모양 채널을 형성할 때 발생합니다. 7~15년에 걸쳐 이러한 수나무는 응력 집중 지점에서 성장하여 작동 전압에서 절연 파괴를 일으킬 수 있을 만큼 절연체 두께를 충분히 연결합니다.

이제 입증된 두 가지 대책이 직접 매설 또는 습식 저장고용 XLPE 케이블에 대한 모범 사례를 정의합니다. 첫 번째는 압출된 이음매 없는 금속 수분 장벽입니다. 용접 및 주름진 이음새가 있는 구리 테이프 또는 연속적으로 도포된 납 피복 , 외부 폴리에틸렌 재킷에 접착됩니다. 이 장벽은 방사형 물이 단열 스크린과 단열층으로 유입되는 것을 물리적으로 차단합니다. 두 번째는 폴리머의 무정형 영역 내에서 물 분자를 화학적으로 고정시키는 극성 첨가제를 통합하여 배출되는 수목의 성장 속도를 몇 배나 감소시키는 수수 지연 XLPE 화합물을 사용하는 것입니다. 주기적으로 침수되는 맨홀에 설치된 15kV 이상의 케이블에 대해 금속 방사형 수분 장벽과 나무 지연 XLPE를 모두 지정하는 것은 더 이상 프리미엄 옵션이 아닙니다. 이는 40년의 사용 수명을 달성하는 데 필요한 최소한의 공사입니다.

종단 응력 제어 및 인터페이스 압력

XLPE 케이블 시스템의 고장 통계는 케이블 자체가 아닌 종단 및 스플라이스를 약한 링크로 일관되게 지적합니다. 문제는 절연 스크린이 갑자기 중단되어 스크린 절단 가장자리에 극심한 접선 전기 응력이 발생한다는 것입니다. 통제된 등급 지정이 없으면 이 스트레스는 인치당 50kV 이상 15kV 케이블의 정격 위상 대 접지 전압에서 종단을 탄화시키고 파괴하는 표면 추적을 시작합니다.

해결책은 종단에 통합된 응력 제어 요소입니다. 고전압 종단은 일반적으로 등전위 필드 라인을 XLPE 표면 전체에 걸쳐 완만한 경사로 재형성하는 전도성 및 절연 고무로 만들어진 기하학적 응력 원뿔을 사용합니다. 중전압 분리형 커넥터는 다음과 같이 제어된 방사형 억지 끼워 맞춤을 적용하는 사출 성형 탄성 하우징과 동일한 기능을 수행합니다. 15% ~ 25% 케이블 절연체 위에. 이 억지 끼워맞춤은 모든 열 주기에 걸쳐 인터페이스 압력을 유지하여 내부 전기 표면을 긴밀하게 접촉 상태로 유지하고 도체, 절연체 및 주변이 만나는 중요한 삼중점 접합부에서 공기를 제외합니다. 커넥터 본체에 지정된 실리콘 윤활제를 건너뛰거나 지정된 각도로 절단된 절연 스크린을 모따기하지 않은 설치자는 부분 방전 장소로 바뀌고 결국 라인-접지 결함으로 변하는 공백을 생성합니다.

현장 테스트 및 시운전 프로토콜

완성된 XLPE 케이블 회로에는 당김 및 종단 중에 절연체가 손상되지 않았으며 동시에 사운드 케이블이 노화되거나 약화되지 않았음을 입증하는 시운전 테스트가 필요합니다. DC 고전력 테스트의 기존 접근 방식은 압출 XLPE에 대해 확실히 신뢰를 얻지 못했습니다. DC 테스트는 절연 벌크로 공간 전하를 유도합니다. 테스트 전압이 제거되고 케이블에 AC가 다시 공급되면 이 갇힌 공간 전하가 AC 파형에 중첩되어 케이블이 서비스 중에 경험하지 못했던 파손을 촉발할 수 있습니다.

새로운 XLPE 케이블 시운전을 위해 허용되는 최신 프로토콜은 다음과 같습니다. 0.1Hz에서 극저주파(VLF) 내성 테스트 , 일반적으로 선-접지 작동 전압의 2.0~3.0배 전압 수준에서 30~60분 동안 적용됩니다. 8.7kV 위상 대 접지 정격을 갖는 15kV 케이블의 경우 테스트 전압은 일반적으로 다음과 같이 설정됩니다. 22kV 피크 . 여러 전압 단계에서 탄젠트 델타 측정과 함께 내력 테스트를 수반하면 절연 노화를 추적하기 위한 향후 진단 테스트와 비교할 수 있는 유전 손실의 정량적 기준을 제공합니다. 상태가 좋은 새 XLPE 케이블은 아래의 황갈색 델타를 나타내야 합니다. 0.2 × 10⁻³ 전압 단계 전반에 걸쳐 최소한의 델타-탄-델타 편차를 갖습니다. 케이블이 서비스에 들어가기 전에 이 임계값을 초과하는 값은 오염, 습기 유입 또는 설치자로부터 회로를 승인하기 전에 조사가 필요한 열악한 압출 품질을 나타냅니다.