Beheer van elektrische spanning in kabelkoppelingen & afsluitingen: Best practices voor betrouwbare energienetten

Hoe u elektrische spanning in kabelkoppelingen & afsluitingen controleert?

Inleiding

Stroomkabels zijn van groot belang in energieverteilings- en distributiesystemen.

Afsluitingen en koppelingen zijn de basisaccessoires van de stroomkabels en ze zijn vereist om verbindingen te maken tussen lijnen of met een elektrisch toestel.

Verschillende aspecten worden overwogen bij het ontwerpen van kabelafsluitingen en koppelingen omdat ze dezelfde integriteit moeten bezitten als hun bijbehorende kabels tijdens het maken van de verbinding zowel voor binnen- als buitentoepassingen.

De meest kritieke aspect van hoogspanningskabelkoppeling en afsluiting is controle van de diëlektrische spanning ontstaan bij het punt van schermafsluiting – elektrische spanningcontrole.

Elektrische spanning & spanningcontrole

Afsluitingen en koppelingen van hoog- en middenspanningskabels moeten de elektrische velden aan de einden beheren. Wanneer de isolatiescherm van een kabel wordt verwijderd, worden hoge potentiaalgradiënten geconcentreerd bij het afsnijpunt, zoals getoond in Figuur 1.

• Lees ook: Verschillende typen bedradingssystemen en methoden van elektrische bedrading & kabels

In deze figuur kan worden gezien dat de aardscherm van een kabel (0%) afgesneden wordt, de equipotentiële lijnen (van 20% tot 80%) concentreren zich aan de rand van de aarde-elektrode, wat hoge elektrische spanning veroorzaakt.

Elektrisch veldversterking op deze punten kan lokale ontladingen produceren die kunnen leiden tot ofwel flashover langs het isolatieoppervlak of diëlektrische doorbraak leidend tot kabelfout.

Bij kabelinstallatie vereisen geschermde stroomkabels elektrische spanningcontrole wanneer ze worden afgesloten.

Kabelafsluitingen en koppeling zijn ontworpen om de spanningconcentratie bij de schermafsluiting te elimineren om de doorbraak van de kabel te voorkomen – het elektrische veld moet gecontroleerd worden in een kabelafsluiting en koppeling.

De spanningsverdeling bij de geleiderkoppeling varieert aanzienlijk door veranderingen in het profiel geïntroduceerd door het gebruik van een huls.

Scherpe randen en uitstekende delen bij de koppeling, als ze onverholpen achterblijven, resulteren ook in abrupte verandering van de spanningsgradiënt.

Het is daarom essentieel dat de geleider een glad profiel heeft zodat er geen ongebruikte concentratie van spanningen is.

Echter, het belangrijkere aspect van spanningcontrole geldt voor de locatie waar het isolatiescherm wordt beëindigd.

Het moet worden opgemerkt dat niet alleen de diëlektrische spanning toeneemt in de afsluitingsregio, maar ook een potentiaalgradiënt wordt opgebouwd langs de interface tussen het diëlektricum en het omringende medium.

De spanning in het diëlektricum bij de schermafsluiting zal ver boven de ontwerpspanning liggen en kan leiden tot voortijdige fout.

• Gerelateerd bericht: Kabels feederbeveiliging, fouttypen, oorzaken & differentiële beveiliging

Bovendien, als het omringende medium lucht is, of er een holte tussen het diëlektricum en het vullingsmedium is, dan kan de spanning in het gebied ervoor zorgen dat de lucht ontlading toestaat zelfs bij de werkingsspanning.

Papier is enigszins weerstandend tegen deze ontladingen, maar voor polymeire isolatie, zoals XLPE (Gekruisling polyetheen), zullen dergelijke ontladingen het diëlektricum snel erosioneren en uiteindelijk leiden tot fout.

Zonder toepassing van spanningcontrole, zou ontlading optreden, wat nadelig de levensduur van de koppeling en afsluiting beïnvloedt.

Figuur 2 toont de verdeling van het elektrisch veld zonder en met spanningcontrole.

• Lees ook: Keuze van bedradingssysteem & typen kabels gebruikt in interne bedrading

Oorzaken

Grote zwakke punten in het gebied van afsluiting en koppelingen van hoog- en middenspanningskabels die spanningcontrole vereisen zijn:

• Compressieluggen die vocht toelaten tot de geleiderkernen te penetreren
• Niet elimineren van luchtbellen
• Kernkruising resulterend in gedeeltelijke ontlading
• Slechte kabelvoorbereiding
• Vochtpenetratie
• Onvoldoende fase-tot-fase en fase-tot-aarde afstand
• Tracking
• Slechte koppelingsinstructies

Gerelateerd bericht: Zeekabels – Constructie, kenmerken, kabels leggen & koppelingen

Methoden van spanningcontrole

Er is geen universele afsluiting of koppeling. Er is een verscheidenheid aan verschillende typen afsluitingen en koppelingen, elk met voor- en nadelen.

De optimalisatie van kabelafsluitingen wordt bereikt door verschillende constructies te onderzoeken.

De juiste afsluitingsmethode moet goede elektrische en mechanische integriteit bieden.

Om een juiste afsluiting te ontwerpen, moet een analyse van de elektrische veldverdeling in de kritieke regio's worden uitgevoerd.

• Gerelateerd bericht: Kabelgrootteberekening voor LT & HT motoren

Spanningskegelmethode

De veelvoorkomende methode die wordt gebruikt voor spanningcontrole is het gebruik van een spanningskegel die getoond wordt in Figuur 3.

• Lees ook: Isolerende en diëlektrische materialen – Typen, eigenschappen & toepassingen

De spanningskegel is een middel om de capaciteit te controleren in het gebied van schermafsluiting, waardoor de diëlektrische spanning wordt verminderd langs een gradiënt tot draagbare limieten bij het punt van afsluiting.

De spanningskegel wordt uitgebreid na de schermafsluiting, zodat de potentiaalgradiënt aan het diëlektricumoppervlak wordt verminderd tot een niveau waar ontladingen niet zullen optreden.

In koppelingen van hoog- en middenspannings papieren kabels, wordt de spanningskegel meestal gebouwd tot een vooraf bepaald contour door handmatige toepassing van isolerende papieren banden, terwijl in afsluitingen de spanningskegel ofwel handmatig toegepast of voorgevormd is. Met de ontwikkeling van polymeire en elastomere kabels, zijn voorgevormde spanningskegels ook geïntroduceerd.

• Gerelateerd artikel: Hoe fouten in kabels te lokaliseren? Kabelfouten, typen & oorzaken

Voordat de spanningskegel wordt toegepast, is het nodig om de elektrische spanning te verminderen bij de geleiderkoppeling, voortvloeiend uit de eerder uitgelegde redenen.

Het concept is om een glad profiel te bieden zodat de spanning wordt uitgeglichen. Dit wordt verkregen door 'trappen' van kabelpapieren, wat bereikt wordt door het isolatiepapier in een reeks trappen te verwijderen, met opstijgingen en treden van de binnenste geleideroppervlakte naar de buitenste isolatieoppervlakte.

Met de twee kabeleinden zo behandeld en samen gekoppeld, worden handmatig toegepaste geïmpregneerde papieren banden over de montage aangebracht om het koppeldiëlektricum te vormen.

• Gerelateerd artikel: Draad & kabelgrootte rekenmachine in AWG

Warmtekrimpende spanningcontrole buismethode

Een andere veelvoorkomende methode is warmtekrimpende spanningcontrole buis die wordt gebruikt om hoge elektrische spanningen te controleren bij het isolatiescherm afsluitingspunt in middenspannings kunststof en papier geïsoleerde kabelkoppelingen en afsluitingen tot 36 kV.

Ze controleren ook de hoge spanningen over de connectoren in koppelingen.

Spanningcontrole buis is gemaakt van thermisch gestabiliseerd gekruisling hoog permittiviteit en hoge resistiviteit polymeer materiaal.

• Lees ook: Isolatiewerstand van een kabel | Waarom zijn kabels geïsoleerd?

Andere methoden om spanning te controleren

Andere methoden zijn:

• Hoge-weerstand banden of coatings, en materialen met niet-lineaire weerstandslagen, het materiaal zijnde van constante oppervlakteweerstand laat een kleine stroom door en stelt daarbij een lineaire spanningsgradiënt over zijn lengte op. Een betere spanningsverdeling wordt bereikt door materialen van niet-lineaire resistiviteit te gebruiken, wat ook toestaat dat kleine stroom in de laag toeneemt, de weerstand van het materiaal daalt, en een gladde lineaire spanningsgradiënt wordt bereikt langs de toegepaste lengte.
• Materialen met relatieve permittiviteit significant hoger dan het kabeldiëlektricum. De methode is gebaseerd op het principe dat wanneer materialen van ongelijke permittiviteit worden blootgesteld aan een potentiaalgradiënt over hun gecombineerde dikte, de hoogste spanning wordt ervaren door het materiaal met de laagste permittiviteit. Het kan worden gezien uit het schematische diagram dat de equipotentiële lijnen geleidelijk uit het diëlektricum ontspringen, wat een gladde gradiënt aan het diëlektricumoppervlak produceert.

Gerelateerde artikelen:

• Waarom stroomoverdrachtskabels & lijnen los zitten op elektriciteitspalen & overdrachtstorens?
• Wat zijn kleine cylinders in stroomkabels & waarom?
• Waarom zijn coaxiale kabels hoog geïsoleerd?

Over de auteur: Manuel Bolotinha

-Licentiaat in Elektrotechniek – Energie- en Energiesystemen (1974 – Instituto Superior Técnico/Universiteit van Lissabon)
– Master in Elektrotechniek en Computer Engineering (2017 – Faculdade de Ciências e Tecnologia/Nova Universiteit van Lissabon)
– Senior Consultant in Schakelstations en Energiesystemen; Professionele Instructeur