Kiedy linie przesyłowe rozciągają się od chronionych podstacji do głęboko obciążonych środowisk zakopywania lub dystrybucji na duże odległości, same specyfikacje parametrów elektrycznych są niewystarczające. Kable muszą wytrzymywać ogromne naprężenia mechaniczne, w tym obciążenia rozciągające podczas instalacji, siły zgniatające powodowane ruchem pojazdów ciężarowych oraz skutki zmian geologicznych.
W tym raporcie na temat trwałości analizowano właściwości konstrukcyjne kabli YJV62 i YJV72 (o napięciu znamionowym 35 kV i wyższym), wyszczególniając zasady mechaniczne i fizyczne, które czynią je podstawowymi elementami sieci rozdzielczych i podstacji średniego napięcia.
Analiza strukturalna: Charakterystyka mechaniczna opancerzenia dwuwarstwowego
Cechą charakterystyczną kabli YJV62/YJV72 (patrz przekrój konstrukcyjny) jest ich dwuwarstwowy system ochrony pancerza. Ten projekt nie jest zbędny; każda warstwa pancerza pełni określoną funkcję mechaniczną.
Warstwa wewnętrzna: gruby drut stalowy (ochrona przed rozciąganiem)
Podstawowa funkcja:Pełni funkcję głównego elementu nośnego dla sił rozciągających.
Zasada inżynierii:Podczas układania w głębokich rowach lub szybach pionowych kable poddawane są działaniu ogromnych sił rozciągających. Warstwa grubego drutu stalowego wytrzymuje to obciążenie osiowe, zapobiegając w ten sposób odkształceniom miedzianych przewodów przy rozciąganiu; w przeciwnym razie takie odkształcenie zwiększyłoby opór elektryczny i spowodowałoby trwałe uszkodzenie kabla.
Krytyczność aplikacji:Obowiązkowy wymóg w przypadku instalacji poziomych i pionowych (podstopnic) na duże odległości, wymagających znacznych zmian wysokości.
Konstrukcja zewnętrzna: Taśma stalowa (ochrona boczna)
Podstawowa funkcja:Odporność na nacisk boczny.
Zasada inżynierii:Po zakopaniu kabel poddawany jest zarówno statycznemu ciśnieniu gruntu, jak i obciążeniom dynamicznym (takim jak ciężkie ciężarówki jadące po płytkich rowach). Warstwa taśmy stalowej zapewnia ochronę promieniową, rozprowadzając ciśnienie zewnętrzne na obwodzie kabla, aby zapobiec deformacji izolacji XLPE – deformacji, która w przeciwnym razie mogłaby prowadzić do uszkodzenia izolacji przy poziomie napięcia 35 kV.
Krytyczność aplikacji:Niezbędna cecha w przypadku instalacji zakopanych bezpośrednio pod drogami, na przejazdach kolejowych i w strefach przemysłu ciężkiego.
Scenariusz zastosowania: Dopasowanie właściwości mechanicznych do wymagań infrastruktury
Kable YJV62/YJV72 są specjalnie zaprojektowane do środowisk o dużym obciążeniu. Użycie nieodpowiednich kabli w takich sytuacjach może prowadzić do katastrofalnych w skutkach awarii.
A. Linie przychodzące i wychodzące podstacji
Podstacje charakteryzują się gęstym, złożonym układem kabli i ryzykiem wystąpienia dużych prądów zwarciowych. Dwuwarstwowa metalowa konstrukcja pancerza zapewnia krytyczne ekranowanie elektromagnetyczne (ograniczenie promieniowego pola elektrycznego) i ochronę fizyczną w zatłoczonych rowach kablowych, zapewniając, że ogromne siły elektromagnetyczne zwarcia nie spowodują fizycznego odkształcenia lub pęknięcia kabli w przypadku awarii.
B. Ciężkie bezpośrednie zakopywanie w ziemi / przenoszenie mocy na duże odległości
Stosowanie przewodów betonowych często nie jest ekonomicznie wykonalne przy układaniu linii 35 kV na otwartym terenie. Bezpośrednie zakopanie wymaga, aby kable były w stanie wytrzymać osiadanie gleby, penetrację korzeni i uszkodzenia przez gryzonie. Zewnętrzna konstrukcja z taśmy stalowej zapewnia niezbędną ochronę pancerza, dzięki czemu kabel wytrzymuje bezpośredni kontakt ze skalistą zasypką i jest odporny na ciągłe naprężenia zginające spowodowane osiadaniem gruntu.
C. Przejścia drogowe i mostowe
Dynamiczne obciążenia ruchem generują intensywne, cykliczne naciski boczne. Dwuwarstwowa konstrukcja pancerza (wykorzystująca gruby drut stalowy lub taśmę stalową) stanowi minimalny standard techniczny dla instalacji poziomego wiercenia kierunkowego (HDD) i zastosowań na skrzyżowaniach dróg.
Podstawowe zasady inżynieryjne: Charakterystyka termiczna i elektrodynamiczna przy 35 kV
Praca przy napięciu 35 kV generuje naprężenia elektryczne znacznie przekraczające te występujące w systemach niskiego napięcia. System YJV62/YJV72 stawia czoła temu wyzwaniu dzięki zaawansowanej inżynierii materiałowej:
- Wytrzymałość dielektryczna XLPE: Izolacja z usieciowanego polietylenu (XLPE) została specjalnie zaprojektowana, aby wytrzymać wysokie gradienty pola elektrycznego bez wystąpienia wyładowań niezupełnych. Przy napięciu 35 kV nawet najmniejsze szczeliny powietrzne w izolacji mogą wywołać „drzewo elektryczne”, co ostatecznie prowadzi do uszkodzenia izolacji. Kable te wykorzystują precyzyjny proces wytłaczania w celu utworzenia grubej warstwy izolacyjnej, skutecznie eliminując w ten sposób takie szczeliny powietrzne.
- Warstwa półprzewodząca: Schemat przedstawia warstwę czarnego materiału umieszczoną nad miedzianym przewodnikiem i poniżej metalowej osłony; jest to półprzewodząca warstwa ekranująca. Jego zadaniem jest ujednolicenie pola elektrycznego i zapobieganie punktom koncentracji naprężeń pola elektrycznego; w przeciwnym razie takie punkty koncentracji naprężeń mogą prowadzić do jonizacji powietrza, powodując w konsekwencji degradację izolacji XLPE (usieciowanego polietylenu) od wewnątrz.
- Pojemnościowy prąd ładowania: Przy napięciu 35 kV kabel zachowuje się jak duży kondensator. Inżynierowie muszą uwzględnić pojemnościowy prąd ładowania, ponieważ podczas przesyłania energii na duże odległości prąd ten może być znaczny, zmniejszając w ten sposób efektywną obciążalność prądową kabla. Precyzyjny projekt geometryczny izolacji XLPE i warstw półprzewodzących ma na celu zminimalizowanie strat dielektrycznych.
Podręcznik instalacji na miejscu i awaryjnych warunków geologicznych
Układanie kabli pancernych 35 kV wymaga użycia ciężkich maszyn i ścisłego przestrzegania specyfikacji fizycznej instalacji. Inżynierowie budowy muszą upewnić się, że spełnione są następujące wymagania:
- Obliczanie naprężenia: Przekraczanie maksymalnego dopuszczalnego naprężenia rozciągającego jest surowo zabronione. W przypadku kabli pancernych 35 kV wartość graniczną oblicza się zwykle na podstawie pola przekroju poprzecznego przewodu i wytrzymałości drutu stalowego na rozciąganie; jego przekroczenie może spowodować trwałe odkształcenie rozciągające przewodu miedzianego.
- Ograniczenia promienia zgięcia: Ze względu na zastosowanie grubych drutów stalowych i taśm stalowych w warstwie pancerza, należy ściśle przestrzegać minimalnego promienia zgięcia wynoszącego nie mniej niż 20-krotność średnicy liny (i co najmniej 25-krotność podczas procesu ciągnięcia). Wymuszanie zagięcia o mniejszym promieniu może spowodować wygięcie stalowej taśmy do wewnątrz, zmiażdżenie warstwy izolacyjnej XLPE i uniemożliwienie kabla spełnienia specyfikacji znamionowych 35 kV.
- Podsypka wykopów i zasypka stabilna termicznie:
- Bezpośrednie układanie kabli na skale jest surowo zabronione; należy ułożyć warstwę podsypki z piasku lub przesianej ziemi o grubości co najmniej 100 mm.
- W projektach przesyłu wysokiego napięcia opór cieplny otaczającego gruntu ma kluczowe znaczenie. Aby zapobiec gromadzeniu się ciepła (co może prowadzić do zwiększonego oporu elektrycznego i skrócenia żywotności kabla), należy zastosować termostabilne materiały wypełniające.
- Nad kablami należy zamontować betonowe płyty ochronne lub taśmy ostrzegawcze.
- Krytyczność złączy kablowych: W przypadku systemów 35 kV złącza polowe (punkty połączeń kablowych) stanowią najsłabsze ogniwo. Podczas montażu należy ściśle kontrolować warunki środowiskowe, a poziom wilgotności podczas montażu złącza musi utrzymywać się poniżej określonych limitów. Stożki naprężające (lub stożki odprężające) muszą być instalowane przez wykwalifikowany personel, aby skutecznie kontrolować rozkład pola elektrycznego w miejscu zdejmowania izolacji z kabla.
- Połączenie osłony i uziemienie: Grube druty stalowe i taśmy stalowe muszą być niezawodnie połączone i uziemione na zakończeniach. Prądy krążące indukowane w pancerzu przez przewody 35 kV muszą być odpowiednio zarządzane, aby zapobiec przegrzaniu.
Często zadawane pytania dotyczące inżynierii
- P: Dlaczego zamiast taśm stalowych stosuje się grube druty stalowe?
Odp.: Chociaż taśmy stalowe zapewniają doskonałą odporność na nacisk boczny (zgniatanie), ich wytrzymałość na rozciąganie jest bardzo niska. Kable 35 kV są ciężkie i często wymagają ciągnięcia na duże odległości podczas instalacji. Grube druty stalowe służą jako szkielet konstrukcyjny, utrzymujący ciężar kabla podczas instalacji i zapobiegający uszkodzeniu wewnętrznych żył kabla. - P: Czy kable YJV62/YJV72 można instalować w szybach pionowych?
Odpowiedź: Tak, ale takie instalacje wiążą się ze znacznymi obciążeniami rozciągającymi. Specjalnie do tego celu zaprojektowano konstrukcję pancerza z drutu stalowego. Jednakże kable muszą być odpowiednio zabezpieczone (zaciśnięte) w regularnych odstępach, aby utrzymać ich własny ciężar. Zaciski nie mogą uszkodzić zewnętrznej osłony PCV; w przeciwnym razie wilgoć mogłaby przedostać się do taśm stalowych, powodując szybką korozję. - Jak dwuwarstwowy pancerz wpływa na odprowadzanie ciepła?
Odpowiedź: Warstwy metalu mają dobrą przewodność cieplną, co ułatwia promieniowe odprowadzanie ciepła. Jeśli jednak w bliskiej odległości ułożonych jest wiele kabli opancerzonych – na przykład ciasno spiętych w kanałach kablowych – występują wzajemne efekty nagrzewania. W związku z tym obciążalność prądową (prąd znamionowy) należy obniżyć w oparciu o liczbę kabli w grupie i opór cieplny otaczającego gruntu.
