تحليل شامل لأسباب الأعطال وتقنيات إصلاح كابلات XLPE بجهد 35 كيلوفولت

1. الأعطال الناتجة عن عيوب في توصيل الكابلات

تُمثل نهايات الكابلات ووصلاتها نقاط ضعف في العزل، وتؤثر جودة تركيبها بشكل مباشر على سلامة التشغيل. تشير إحصائيات تقارير الأعطال الصادرة عن إحدى شركات تزويد الطاقة لعام 2023 إلى أن 72% من حالات فشل النهايات ناتجة عن المشكلات التالية:

(1) فشل تركيب مخروط الإجهاد
تستخدم وصلات الانكماش البارد هياكل مخروطية الشكل لتقليل شدة المجال عند نقطة قطع التدريع عن طريق تعديل توزيع المجال الكهربائي. تشمل أخطاء الإنشاء الشائعة في الموقع ما يلي:
① عدم محاذاة مخروط الإجهاد بما يتجاوز 5 مم من نقطة قطع أشباه الموصلات (متطلبات المواصفات: ±2 مم)، مما يتسبب في تشوه المجال الكهربائي ووصول شدة المجال الموضعي إلى 25 كيلو فولت / مم (الوضع الطبيعي: ≤12 كيلو فولت / مم).
② عدم كفاية تنعيم نقطة قطع الدرع النحاسي، مما يؤدي إلى ظهور نتوءات تتسبب في تفريغ طرفي (يمكن أن تزداد شدة المجال المقاسة عند الأطراف من 3 إلى 5 مرات).
③ سرعة السحب المفرطة (>50mm/s) أثناء التركيب، مما يتسبب في تجعد مخروط الإجهاد وتكوين فجوات هوائية (مستويات التفريغ الجزئي شششش 10pC).

(2) سوء التعامل مع طبقة أشباه الموصلات
في حالة عطل كابل كهربائي بجهد 35 كيلوفولت في مصنع للصلب، كشف التشريح عن وجود خدوش بعمق 0.3 مم على سطح العزل الرئيسي (انظر الشكل 2). وقد نتج ذلك عن استخدام سكين حادة بزاوية شديدة الانحدار (أقل من 45 درجة) أثناء إزالة طبقة أشباه الموصلات. ينص المعيار GB50150 صراحةً على ضرورة استخدام أدوات تجريد مخصصة لإزالة أشباه الموصلات، مع تشكيل ميل طفيف بزاوية 15 درجة عند نقطة القطع، وبعمق خدوش لا يتجاوز 0.1 مم.

(3) فشل منع التسرب/العزل المائي
تُظهر الإحصائيات من المناطق الممطرة أن 43% من حالات فشل الإنهاء تتعلق بتسرب الرطوبة. وتشمل الأخطاء الشائعة ما يلي:
① عدم اتباع عملية "triple-مختوم (الغلاف الخارجي، والدرع النحاسي، وطبقة أشباه الموصلات).
② عدم كفاية سمك مركب منع التسرب (<2 مم) وعدم كفاية ضغط النوابض ذات القوة الثابتة (يجب أن يصل الضغط إلى 1/3 من الطول الأصلي).
③ الفجوات بين الأنابيب المتقلصة على البارد وجسم الكابل (يجب ألا يظهر فحص مقياس السماكة أي فجوة ≥0.05 مم).

2. آلية التدهور الرئيسي للعزل

(1) تقادم الأشجار الكهربائية
يمكن أن يتسبب عزل البولي إيثيلين المتشابك (XLPE) في نمو التفرعات الكهربائية عندما تتجاوز شدة المجال الموضعي 10 كيلوفولت/مم. وقد أظهرت اختبارات التقادم المتسارع في قاعدة بحثية ما يلي:
① لكل زيادة في درجة الحرارة بمقدار 10 درجات مئوية، يزداد معدل نمو الأشجار بمقدار 2.3 مرة.
② في وجود الرطوبة، يتسارع انتشار قناة الشجرة بمقدار 3-5 مرات (بشكل ملحوظ عندما يكون محتوى الرطوبة 0.02٪).
③ تسبب جزيئات الشوائب (>50µm) تركيز المجال وتصبح بسهولة نقاط بدء الأشجار.

(2) فشل التقادم الحراري
عندما تتعرض الكابلات لحمل زائد مستمر (تيار >120% من القيمة المقدرة)، مما يتسبب في تجاوز درجة حرارة العزل 90 درجة مئوية، فإن السلاسل الجزيئية لـ XLPE تنكسر:
① ينخفض ​​وقت تحريض الأكسدة (مكتب تكنولوجيا المعلومات) من 30 دقيقة إلى أقل من 5 دقائق (يتطلب بريطانيا العظمى/T 11026.1 ≥20 دقيقة).
② يرتفع عامل التبديد (tanδ) من 0.002 إلى ما يزيد عن 0.01 (تم قياسه عند 20 درجة مئوية).
③ تنخفض قوة الشد بأكثر من 25%، ويقل الاستطالة عند الكسر بنسبة 40%.

(3) التلف الميكانيكي التراكمي
تشمل الأضرار الميكانيكية الشائعة أثناء التركيب ما يلي:

• نصف قطر الانحناء غير كافٍ (الكابلات أحادية النواة: ≥20× القطر الخارجي؛ الكابلات متعددة النواة: ≥15×).

• شد السحب المفرط (كابلات النحاس: ≤3 كيلو نيوتن؛ الألومنيوم: ≤2 كيلو نيوتن).

• الأغلفة الخارجية التالفة غير المُصلحة، مما يسمح بدخول الرطوبة (معدل اختراق الرطوبة الشعاعي: ~0.1 مم/يوم).

3. تأثير العوامل البيئية الخارجية

(1) ارتفاعات الجهد الزائد
تُعدّ الصواعق وارتفاعات التيار الكهربائي من العوامل المحفزة الهامة:

• يمكن أن تولد ضربات البرق المباشرة ما يصل إلى 200 كيلو فولت، وهو ما يتجاوز بكثير جهد تحمل النبض المقدر لكابل 35 كيلو فولت البالغ 32 كيلو فولت.

• يمكن أن يؤدي قطع التيار بواسطة قواطع الفراغ إلى زيادة الجهد الكهربائي ليصل إلى 3.5 ضعف جهد الطور.

• أثناء حدوث أعطال أحادية الطور إلى الأرض في النظام، يرتفع جهد الطور السليم إلى جهد الخط (بالنسبة لنظام 35 كيلو فولت: 60.6 كيلو فولت).

(2) التآكل الكيميائي
تُظهر القياسات في المناطق الصناعية، في التربة ذات درجة حموضة أقل من 4 أو >9:

• يصل معدل تآكل الغلاف الخارجي إلى 0.2 ملم/سنة (التربة العادية: 0.05 ملم/سنة).

• يمكن أن تثقب طبقة الحماية المصنوعة من الشريط الفولاذي في غضون 5 سنوات، مما يسمح للرطوبة بالوصول المباشر إلى العازل.

• تقلل الأحماض العضوية الناتجة عن التآكل الميكروبي من قوة العزل الكهربائي لـ XLPE بنسبة 5٪ سنويًا.

(3) إجهاد دورات درجة الحرارة
تتعرض النهايات الخارجية لتمدد/انكماش حراري دوري مع اختلافات في درجات الحرارة اليومية >15°C:

• يصل إجهاد القص عند الأسطح البينية إلى 1.2 ميجا باسكال (متجاوزًا حد الإجهاد لمادة EPDM).

• تتشكل الشقوق الدقيقة في مركب منع التسرب (يصل عمق الملاحظة إلى 0.5 مم تحت المجهر).

• تتشكل فجوات تتجاوز 0.1 مم بين الملحقات المعدنية والعزل، مما يؤدي إلى بدء التفريغ الجزئي.

تقنية تشخيص وتحديد موقع الأعطال

1. توصيف وتقييم الأعطال

1. (1) اختبار مقاومة العزل
   باستخدام جهاز قياس المقاومة العالية (ميغومتر) بجهد 2500 فولت:
   • تشير مقاومة العزل بين الأطوار < 1000 ميجا أوم أو مقاومة عزل الأرض < 500 ميجا أوم إلى وجود عيوب خطيرة.
   • نسبة الامتصاص (R60s/R15s) < 1.3 تشير إلى تسرب الرطوبة.
   • يشير مؤشر الاستقطاب (R10min/R1min) < 2.0 إلى تقادم العزل.

2. (2) الكشف عن التفريغ الجزئي
   الاستخدام المشترك لتقنيات الترددات العالية جدًا (UHF) والموجات فوق الصوتية:
   • يتطلب مقدار التفريغ شششش 5 بيكو سي (عند 1.73U₀) عند النهايات اتخاذ إجراء فوري.
   • أنماط التفريغ النموذجية: يُظهر تفريغ الطرف سعات نبضية متناثرة؛ ويُظهر تفريغ الفراغ مجموعات نبضية منتظمة.

3. (3) قياس عامل الفقد العازل (لون برونزي δ)
   عند جهد اختبار 10 كيلو فولت:
   • قيمة لون برونزي δ للكابل العادي < 0.005؛ تشير القيم > 0.01 إلى تدهور شديد في العزل.
   • تشير الزيادة الكبيرة في لون برونزي δ مع ارتفاع الجهد (Δtan δ شششش 0.002/كيلو فولت) إلى وجود عيوب.

2. تقنيات تحديد المواقع الدقيقة

1. (1) تحديد الموقع باستخدام قياس الانعكاس الزمني (TDR)
   باستخدام مقياس انعكاس النبض (الحد الأدنى للدقة 0.5 متر):
   • صيغة مسافة العطل: L = v × t / 2 (v = سرعة الموجة، 172 م/ميكروثانية لكابلات XLPE).
   • تستخدم الأعطال ذات المقاومة المنخفضة (< 100 أوم) طريقة النبضات ذات الجهد المنخفض؛ وتستخدم الأعطال ذات المقاومة العالية طريقة الوميض الكهربائي عالي الجهد المستمر.
   • خصائص شكل الموجة: قطبية النبضة المنعكسة معاكسة (مقاومة منخفضة) أو مماثلة (مقاومة عالية) للنبضة الساقطة.

2. (2) التوطين المتزامن الصوتي المغناطيسي
   تطبيق جهد عالي نبضي (3-5 أضعاف U₀) على نقطة العطل:
   • يتم الكشف عن إشارات المجال المغناطيسي عبر الملف؛ ويتم استقبال الإشارات الصوتية عبر مستشعر كهرضغطية.
   • تحديد الموقع بفارق الوقت: Δt = ΔS / v (v = 340 م/ث)، مع خطأ في تحديد الموقع < 0.5 م.
   • مثالي في ظل ضوضاء محيطة منخفضة (< 40 ديسيبل في الليل)؛ يوصى باستخدام سماعات رأس مانعة للضوضاء.

3. (3) مراقبة الألياف الضوئية الموزعة
   استخدام أنظمة DTS (استشعار درجة الحرارة الموزعة):
   • الدقة المكانية: 1 متر؛ دقة درجة الحرارة: ±0.5 درجة مئوية.
   • ارتفاع غير طبيعي في درجة الحرارة عند نقاط الصدع (5-10 درجة مئوية أعلى من المقاطع العادية).
   • بالاشتراك مع الألياف الحساسة للاهتزاز، يمكن تحديد نقاط التلف الخارجية (يتم تشغيل الإنذار عند تردد الاهتزاز شششش 5 هرتز).

المواصفات الفنية لإصلاح أعطال كابلات 35 كيلوفولت

1. إجراءات إنهاء وإعادة إنهاء الكابل
على سبيل المثال، عند استخدام وصلة انكماش بارد بجهد 35 كيلو فولت (موديل جراحة إنقاص الوزن-35/1×300)، تكون الخطوات الرئيسية كما يلي:

(1) مرحلة ما قبل المعالجة

• تقويم الكابلات: استخدم آلة تقويم مخصصة (تطبيق شد 2-3 كيلو نيوتن) لضمان خطأ الاستقامة < 1‰.

• تجريد الغلاف الخارجي: يتم قطع الحلقة على بعد 550 مم من النهاية، مع الاحتفاظ بـ 30 مم من الدرع، وتخشين منطقة 50 مم من قطع الغلاف باستخدام ورق صنفرة 80 حبيبة.

• معالجة الدرع النحاسي: احتفظ بـ 20 مم من الدرع النحاسي، وقم بتلميع القطع للحصول على انتقال قوس ناعم (R ≥ 2 مم) باستخدام قطعة قماش صنفرة رقم 0.

(2) معالجة الطبقة شبه الموصلة

• طول التجريد: احتفظ بـ 15 مم من الطبقة شبه الموصلة الخارجية، وقم بالقطع الحلقي باستخدام سكين تجريد مخصص (بزاوية 15 درجة)، وتجنب تمامًا إتلاف العازل الرئيسي.

• الشطف: قم بشطف نهاية العزل الرئيسية بزاوية 45 درجة (عمق 0.5 مم)، وقم بتدوير حافة القطع شبه الموصلة (R = 1 مم).

• عملية التنظيف: امسح في اتجاه واحد باستخدام قطعة قماش خالية من الوبر مشبعة بالإيثانول اللامائي (نقاء ≥ 99.7٪)، وقم بتغيير قطعة القماش كل 100 مم.

(3) تركيب مخروط الإجهاد

• تطبيق شحم السيليكون: ضع شحم السيليكون المخصص (لون برونزي δ < 0.001) في حدود 5 مم من قطع شبه الموصل، بسماكة 0.2 مم.

• علامة تحديد الموضع: لف شريط تحديد الموضع (عرضه 10 مم) على بعد 75 مم من قطع أشباه الموصلات.

• عملية الانكماش البارد: اسحب البطانة الأساسية بسرعة ثابتة تبلغ 50 مم/ثانية، وتجنب تدوير الطرف أثناء الانكماش.

(4) عملية الإغلاق

• العزل الثلاثي للماء: لف شريط مانع لتسرب الماء شبه موصل (تداخل بنسبة 25٪)، ومركب مانع للتسرب (سمك ≥ 2 مم)، وغلاف من الفولاذ المقاوم للصدأ بالتتابع.

• التوصيل الأرضي: استخدم كابل نحاسي 25 مم²، ضغط زنبركي ثابت القوة يصل إلى 1/3 من الطول الأصلي، تباعد الربط ≤ 10 مم.

• تحديد الطور: قم بتطبيق أنابيب الانكماش الحراري ذات اللون الطوري (الطور الأصفر أ، الطور الأخضر ب، الطور الأحمر ج)، بطول 100 مم.

2. تقنيات إصلاح العزل الرئيسية
بالنسبة لحالات تلف العزل الموضعي (المساحة < 5 سم²)، يتم الإصلاح باستخدام تقنية حاصلة على براءة اختراع (رقم براءة الاختراع ZL202210666205.8):

(1) معالجة نقاط الصدع

• العزل ذو القطع الحلقي: قم بإنشاء أخدود على شكل دمبل (قطر 50 مم، عمق 20 مم) متمركزًا عند نقطة الانهيار بميل 1:5.

• معالجة السطح: قم بالصنفرة بشكل دائري باستخدام ورق صنفرة ذي حبيبات 200 حتى تظهر طبقة عازلة جديدة (بدون طبقة متفحمة).

• فحص النظافة: استخدم عداد الجسيمات لضمان نظافة الفئة 100 (< 3500 جسيم/م³ للجسيمات ≥ 0.5 ميكرومتر).

(2) حقن سائل الإصلاح النانوي

• نسبة المواد: 15% نانو-SiO₂ (حجم الجسيمات 50 نانومتر)، 75% مصفوفة راتنج الإيبوكسي، 10% عامل معالجة (بالوزن).

• إزالة الغازات بالتفريغ: تتم العملية عند -0.09 ميجا باسكال لمدة 30 دقيقة لإزالة الفقاعات (قطر الفقاعة < 5 ميكرومتر).

• التسريب المضغوط: قم بتطبيق ضغط 0.3 ميجا باسكال لمدة ساعتين لضمان عمق اختراق سائل الإصلاح ≥ 10 مم.

(3) المعالجة والتشطيب

• المعالجة التدريجية: 60 درجة مئوية / ساعتان + 80 درجة مئوية / 4 ساعات + 100 درجة مئوية / ساعتان، تجنب التسخين الزائد الموضعي (معدل التسخين ≤ 5 درجة مئوية / دقيقة).

• تشطيب السطح: قم بالطحن حتى يصبح السطح مستويًا مع العازل الأصلي (الانحراف < 0.1 مم) باستخدام عجلة طحن ماسية (400 حبيبة).

• ترميم الدرع: شريط نحاسي ملفوف بسمك 0.1 مم (تداخل بنسبة 20٪)، يتم إحكام إغلاقه باللحام (طول وصلة اللحام ≥ 30 مم).

3. إجراء استبدال المفصل
عندما تكون نقطة الانهيار في منتصف الكابل، استبدل باستخدام وصلة مستقيمة مسبقة الصنع بجهد 35 كيلو فولت (موديل JLS-35/1×400):

(1) المعالجة المسبقة للكابلات

• قطع قسم العطل: احتفظ بـ 1.5 متر من كابل الصوت في كل طرف، وتأكد من خلو سطح العزل من الخدوش (تحقق باستخدام كاشف عيوب التيار الدوامي).

• توصيل الموصل: استخدم قالب ضغط (سداسي)، واضغط من المركز إلى الخارج، عامل الضغط ≥ 0.9.

• تدرج العزل: قم بإنشاء خطوة مدببة بنسبة 1:10 (طول 50 مم)، خشونة السطح رع ≤ 0.8 ميكرومتر.

(2) التجميع المشترك

• ترميم درع أشباه الموصلات: لف شريط أشباه الموصلات (عرض 50 مم) لضمان اتصال موثوق مع أشباه الموصلات الأصلية (مقاومة الاتصال < 50 ملي أوم).

• تركيب مكونات العزل: قم بتسخين العازل الجاهز إلى 70 درجة مئوية، ثم قم بتمريره، وقم بتطبيق ضغط محوري قدره 5 كيلو نيوتن لمدة 30 دقيقة.

• ختم الغلاف المعدني: استخدم حلقتين دائريتين (مادة المطاط الفلوري)، وتحكم في الضغط بنسبة 25٪ - 30٪.

(3) الحماية والتأريض

• ربط الدرع النحاسي: استخدم جديلة نحاسية 35 مم²، وصلة مسمار (عزم الدوران 25 نيوتن متر).

• نظام التأريض: اعتماد نظام التأريض المزدوج الطرف "، مقطع سلك التأريض ≥ 50 مم²، مقاومة التأريض < 10 أوم.

• المعالجة المضادة للتآكل: قم بطلاء الهيكل بطبقة أساسية من الإيبوكسي (سمك الفيلم الجاف 80 ميكرومتر) + طبقة علوية من البولي يوريثان (سمك الفيلم الجاف 120 ميكرومتر).

يجب أن يلتزم منع أعطال كابلات XLPE ذات جهد 35 كيلوفولت ومعالجتها بمبدأ الوقاية أولاً، ثم الإصلاح ثانياً. يوصى بتعزيز الإدارة في المجالات التالية:

• مراقبة المواد: إنشاء نظام قائمة بيضاء للموردين وتنفيذ عمليات فحص واردة للوصلات المتقلصة على البارد (اختبار فقدان العزل الكهربائي، والتفريغ الجزئي، وأداء الختم).

• تحسين العمليات: تشجيع استخدام روبوتات البناء الذكية لأتمتة العمليات الحيوية مثل إزالة طبقات أشباه الموصلات وتركيب مخروط الإجهاد.

• مراقبة الحالة: إجراء تشخيصات العزل (فقد العزل الكهربائي، tanδ، التفريغ الجزئي) على الكابلات التي تعمل لأكثر من 15 عامًا لتقييم العمر المتبقي.

• القدرة على الاستجابة للطوارئ: تشكيل فرق إصلاح طوارئ محترفة مجهزة بأجهزة تحديد المواقع الصوتية والمغناطيسية، ومركبات اختبار الجهد العالي، وأدوات أخرى لضمان تحديد موقع العطل في غضون ساعتين وإعادة التشغيل في غضون 24 ساعة.

يمكن للأساليب التقنية الموضحة في هذه المقالة أن تقلل بشكل فعال من معدل أعطال كابلات الجهد العالي (35 كيلوفولت). بعد تطبيق هذا النظام التقني، تمكنت إحدى شركات شبكات الطاقة من خفض متوسط ​​وقت إصلاح أعطال الكابلات من 48 ساعة إلى 12 ساعة في عام 2024. في المستقبل، ومع التقدم في مواد الإصلاح النانوية وتقنيات المراقبة الذكية، سيتطور إصلاح الكابلات نحو تحديد دقيق لموقع العطل، وإصلاح بأقل قدر من التدخل، ومعرفة حالة الكابلات.