AC Arıza Gerilimi Testleri için Kablo Sonlandırma Tasarımı

Mühendislikte ekonomik, teknik, pratik ve çevresel sınırlamalar nedeniyle ideal bir çözüm veya proje oluşturulmalıdır. Enerji nakil veya dağıtım hatlarının tasarımı ve yapımında havai veya yer altı kabloları olmak üzere iki tip kablo kullanılabilir [1]. Yüksek gerilim yer altı kabloları, orta gerilim sanayi tesislerinde, yer altı ve denizaltı iletim bağlantılarında, yenilenebilir enerji santrallerinde [1], konutların ve kent merkezlerinin beslenmesinde ve tesislerde elektrik iletkeni olarak yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. çevresel ve görsel açıdan yer altı kablolarının kullanılmasını gerektiren yerlerde. Ancak, yer altı kablolarının döşenmesi, havai kabloların uygulanmasına kıyasla önemli bir mali harcamayı temsil etmektedir [1,2].

 Ayrıca, yer altı kablolarının karmaşık üretim süreci ile ürün ve üretici çeşitliliği, düşük performanslı kabloların ticarileşmesine yol açabilmektedir. Yer altı uygulamaları için iyi performanslı kabloların kullanılması önemlidir, çünkü kablolar kullanım ömürleri boyunca elektrik (çalışma voltajları, aşırı gerilim dalgalanmaları ve diğerleri nedeniyle), termal (kablolar anormal sıcaklığa maruz kaldığı için) gibi çeşitli baskılara maruz kalır. yükselmeler, termal genleşme ve büzülme), mekanik (dış hasarlar, yanal darbe ve basınç anormallikleri gibi) ve çevresel (nem, oksidasyon, güneş radyasyonu ve diğer fenomenler nedeniyle)

Bu nedenle, yukarıda belirtilen gerilimler altında çalışmayı sağlamak ve güç kaynağı güvenilirliğini ve sürekliliğini artırmak için, esas olarak yalıtım malzemesinin dielektrik performansını garanti etmek ve sonuç olarak mali kayıpları azaltmak için kablolar rutin ve tip elektrik testlerine tabi tutulmalıdır. enerji tesisleri ve endüstriler için. En yaygın kullanılan malzemelerden biri çapraz bağlı polietilendir (XLPE).

Bir güç kablosundaki arızaların çoğu bağlantı noktalarında ve sonlandırmalarında meydana gelse de, kablo yalıtım malzemesinin değerlendirilmesi son derece gereklidir. Bu değerlendirme için gerekli olan testlerden biri de kablo kırılma gerilimi tespitidir. Uluslararası standartlar IEC 60229 ve IEC 60520-2 [6,7], yüksek gerilim kabloları için test gerekliliklerini belirler. Brezilya'da, NBR 10299 ve NBR 16132 [8,9] standartları, 15 kV'un üzerinde bir gerilime sahip sistemler için kablolardaki delinme elektrik alan kuvvetinin istatistiksel dağılımına yönelik testlerle ilgili spesifikasyonları sağlar. NBR 10299, kurulu kablo uzunluğuna göre minimum arıza oranını belirlemeyi amaçlar. Genel olarak kabul edilen bir değer 6,7 × 10−4 başarısızlık/(yıl × km)'dir.

Öngörülen testler, en az 3 m etkin uzunlukta bir numune kullanılarak, yani her iki taraftaki sonlandırmalar dikkate alınmadan yapılmalıdır. Dış ekranlama topraklanır ve dahili arızaya ulaşılana kadar kabloya artan bir AC voltajı uygulanır. Deney düzeneği, etkin uzunluktaki kabloda arıza oluşmasını sağlamalıdır. Testlerin, kabloyu normal çalışma geriliminin 5 ila 10 katı değerlerde aşırı gerilimlere maruz bırakabileceği düşünüldüğünde, testler sırasında karşılaşılan temel sorun, kablo uçlarında dış kırılmaya neden olan ve elektrik akımının değerlendirilmesini engelleyen elektrik alan bozulmasıdır. iç yalıtım malzemesi. Yalıtımlı kablolarda sahada kurulum veya arıza gerilimi testleri yapmak için, kablo yalıtımının bir kısmının sökülmesi gerekir. Etkin uzunluk içindeki elektrik alan, radyal yönlü ve logaritmik davranışlı [1,2,10] öngörülebilir bir dağılıma sahipken, kablo uçlarında büyük bir alan yoğunlaşması vardır. Kalkan ucunun yakınındaki elektrik alanı Şekil 1'de gösterilmektedir. Bu nedenle, başarılı testlere izin vermek için böyle bir tahmin edilebilir dağılımın garanti edilmesi gerekir.

Kablo ucu, havaya ek olarak bir iletken, yarı iletken katmanlar, yalıtım katmanı ve ekranlama için iletken banttan oluşur. Farklı elektriksel özelliklere, dielektrik dayanıma ve bağıl geçirgenliğe sahip malzemelerin çeşitliliği, hem eksenel hem de teğetsel alan bileşenleriyle oldukça düzensiz elektrik alanları sağlar. Teğetsel elektrik alan, terminallerdeki arızaların ana nedenlerinden biridir [12,13]. Kablo ucundaki alan iyileştirmesi, havada yüzeysel ve harici deşarjlar üretir, bu da uygun şekilde tasarlanmış sonlandırmalar kullanılarak önlenebilir [1,9,10,14]. Bu anlamda farklı özelliklere sahip düzenlemeler [12–19] tarafından incelenmiştir.

Yüksek voltajlı kablo uçlarındaki elektrik alan dağılımını ele alan çalışmaların çoğu, sonlandırmaların, ek yerlerinin veya gerilim azaltma konilerinin analizi ve/veya tasarımı amacıyla sonlu elemanlar yöntemine (FEM) dayalı ticari yazılımlar kullanır. [12,15,16]'da, yüksek sıcaklık süperiletkenlerine (HTS) dayalı gerilim konilerinin tasarımına yardımcı olmak için simülasyonlar kullanılmıştır. [16]'nın yazarları, elektrik alan dağılımını iyileştirmek için bir epoksi/ZnO iletken tabakanın kullanılmasını önerdiler. Diğer araştırmalar, kablolar için farklı malzemeleri ve saha derecelendirme seçeneklerini karşılaştırdı. Örneğin, [13]'te, 36 kV kağıt yalıtımlı kurşun kablolar (PILC) ve çapraz bağlı polietilen (XLPE) kablolar için farklı saha derecelendirme seçenekleri karşılaştırıldı. [17]'de, kusurların kablo bağlantıları üzerindeki etkisi analiz edilmiş, ve [18], geçici gerilimlere maruz kalan bir kablo ucundaki elektrik alanını inceledi. Bir sonlandırmanın proje aşamasında olası diğer bir amaç, kusurlara daha duyarlı alanları tahmin etmek ve böylece prototipleri geliştirmektir. Bu bağlamda [19], dielektrik bozulmaya daha duyarlı bölgeleri tahmin etmek ve böylece bir kılıf prototipini geliştirmek için FEM kullanarak 110 kV kablo için kılıftaki elektrik alanını hesaplamıştır.

Yukarıda belirtilen çalışmalardan bazıları, stres konisi konseptine dayalı sonlandırma projeleri sunmuş ve elektrik alan dağılımını veya farklı malzemelerin etkisini analiz etmiştir. Ancak, aşırı gerilim testleri veya arıza gerilimi testleri sırasında sonlandırma performansı ile ilgili çalışmalar eksiktir. Ek olarak, önerilen bazı prototipler pahalı malzemeler gerektirir. Bu nedenle, bu makalede uygun bir sonlandırmanın tasarımı, çizimi ve elektrostatik simülasyonu için bir metodoloji rapor edilmiştir. Sonlandırma, kablolarda aşırı gerilim testlerinin tamamlanmasını sağlamalıdır. Önerilen prosedür, optimize edilmiş kablo sonlandırmalarının tasarımı için de kullanılabilir. Bu tür sonlandırmalar genellikle, örneğin, konektörler olarak işlev gören farklı iletim hatları arasındaki bağlantılardan sorumludur. Sonlandırma noktasındaki elektriksel gerilmelerin analizi için, sonlu elemanlar yöntemine dayalı ticari bir yazılım ve örnek olarak kullanılan tek fazlı 35 kV kablo modeli kullanılarak hesaplamalı simülasyonlar yapılmıştır. Projede, olası bir maliyet azaltımını temsil eden konvansiyonel malzemeler dikkate alınmıştır.