تصميم طرف الكابل لاختبارات جهد انهيار التيار المتردد

في الهندسة ، يجب إنشاء حل أو مشروع مثالي بسبب القيود الاقتصادية والتقنية والعملية والبيئية. في تصميم وبناء خطوط نقل أو توزيع الطاقة ، يمكن استخدام نوعين من الكابلات ، وهما الكابلات العلوية أو الأرضية [1]. تم استخدام الكابلات عالية الجهد تحت الأرض على نطاق واسع كموصلات كهربائية في تطبيقات مختلفة مثل المنشآت الصناعية ذات الجهد المتوسط ​​، ووصلات النقل تحت الأرض والغواصات ، ومحطات الطاقة المتجددة [1] ، وتغذية المباني السكنية والمراكز الحضرية ، وكذلك في المرافق حيث تتطلب الجوانب البيئية والمرئية استخدام الكابلات الأرضية. ومع ذلك ، فإن تركيب الكابلات الأرضية يمثل نفقات مالية كبيرة بالمقارنة مع استخدام الكابلات العلوية [1،2].

&نبسب;بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تؤدي عملية التصنيع المعقدة للكابلات الأرضية وتنوع المنتجات والشركات المصنعة إلى تسويق الكابلات منخفضة الأداء. يعد استخدام الكابلات ذات الأداء الجيد أمرًا ضروريًا للتطبيقات تحت الأرض ، نظرًا لأن الكابلات تتعرض لعدة ضغوط خلال حياتها ، مثل الكهرباء (بسبب جهد التشغيل ، والارتفاعات في الجهد الزائد ، وغيرها) ، والحرارية (نظرًا لأن الكابلات تتعرض لدرجة حرارة غير طبيعية الارتفاعات ، والتمدد الحراري ، والانكماش) ​​، والميكانيكية (مثل الأضرار الخارجية ، والتأثير الجانبي ، وشذوذ الضغط) ، والبيئية (بسبب الرطوبة ، والأكسدة ، والإشعاع الشمسي ، وظواهر أخرى)

لذلك ، من أجل ضمان التشغيل في ظل الضغوط المذكورة أعلاه وتحسين موثوقية واستمرارية مصدر الطاقة ، يجب أن تتعرض الكابلات للاختبارات الكهربائية الروتينية والنوعية لضمان ، بشكل أساسي ، الأداء العازل لمواد العزل وتقليل الخسائر المالية ، وبالتالي لمرافق الطاقة والصناعات. يعد البولي إيثيلين المتشابك (XLPE) من أكثر المواد استخدامًا

على الرغم من أن معظم حالات الفشل في كبل الطاقة تحدث عند التقاطعات ونهاياته ، إلا أن تقييم مادة عزل الكابل ضروري للغاية. أحد الاختبارات المطلوبة لهذا التقييم هو تحديد جهد انهيار الكابل. تحدد المعايير الدولية IEC 60229 و IEC 60520-2 [6،7] متطلبات الاختبار للكابلات ذات الجهد العالي. في البرازيل ، توفر المعياري NBR 10299 و NBR 16132 [8،9] المواصفات فيما يتعلق باختبارات التوزيع الإحصائي لشدة المجال الكهربائي للثقب في الكابلات للأنظمة ذات الجهد الكهربائي فوق 15 كيلو فولت. يهدف NBR 10299 إلى تعيين الحد الأدنى لمعدل الفشل بناءً على طول الكابل المثبت. القيمة المقبولة عمومًا هي 6.7 × 10 فشل / (سنة × كم)

يجب إجراء الاختبارات الموصوفة باستخدام عينة لا يقل طولها عن 3 أمتار ، أي دون مراعاة النهايات على كلا الجانبين. يتم تأريض الغطاء الخارجي ويتم تطبيق جهد تيار متردد مرتفع فوق الكابل حتى يتم الوصول إلى الانهيار الداخلي. يجب أن يضمن الإعداد التجريبي حدوث الانهيار على كابل الطول الفعال. بالنظر إلى أن الاختبارات يمكن أن تعرض الكابل لجهد زائد بقيم من 5 إلى 10 مرات أكبر من جهد التشغيل العادي ، فإن المشكلة الرئيسية التي تواجهها أثناء الاختبارات هي تشويه المجال الكهربائي عند أطراف الكبل ، مما يتسبب في حدوث تمزق خارجي ويمنع تقييم مادة العزل الداخلية. لإجراء التثبيت في الميدان أو اختبارات الجهد الانهيار في الكابلات المعزولة ، من الضروري إزالة جزء من عزل الكابل. في حين أن المجال الكهربائي داخل الطول الفعال له توزيع يمكن التنبؤ به ، مع اتجاه شعاعي وسلوك لوغاريتمي [1،2،10] ، هناك تكثيف كبير للمجال عند نهايات الكبل. يوضح الشكل 1 المجال الكهربائي القريب من نهاية الدرع. وبالتالي ، يجب ضمان مثل هذا التوزيع المتوقع للسماح باختبارات ناجحة.

يتكون طرف الكابل من موصل وطبقات أشباه موصلات وطبقة عازلة وشريط موصل للحماية بالإضافة إلى الهواء. يوفر تنوع المواد ذات الخصائص الكهربائية المختلفة ، وقوة العزل ، والسماحية النسبية مجالات كهربائية غير منتظمة بدرجة عالية مع مكونات المجال المحوري والماسي. يعد المجال الكهربائي العرضي أحد الأسباب الرئيسية للفشل في المحطات [12،13]. ينتج عن تحسين المجال في نهاية الكبل تصريفات سطحية وخارجية في الهواء ، والتي يمكن منعها باستخدام نهايات مصممة بشكل صحيح [1،9،10،14]. بهذا المعنى ، تمت دراسة الترتيبات ذات الخصائص المختلفة بواسطة [12-19].

تستخدم معظم الدراسات التي تناولت توزيع المجال الكهربائي في نهايات الكابلات ذات الجهد العالي برامج تجارية تعتمد على طريقة العناصر المحدودة (FEM) لغرض تحليل و / أو تصميم النهايات أو المفاصل أو أقماع تخفيف الضغط. في [12،15،16] ، تم استخدام عمليات المحاكاة للمساعدة في تصميم مخاريط الإجهاد بناءً على الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية (HTS). اقترح مؤلفو [16] استخدام طبقة موصلة من الإيبوكسي / ZnO لتحسين توزيع المجال الكهربائي. قارنت دراسات أخرى المواد المختلفة وخيارات التصنيف الميداني للكابلات. في [13] ، على سبيل المثال ، تمت مقارنة أنواع مختلفة من خيارات التصنيف الميداني لكابلات الرصاص المعزولة بالورق 36 كيلو فولت (بيلك) وكابلات البولي إيثيلين المتصالبة (XLPE). في [17] ، تم تحليل تأثير العيوب على وصلات الكابلات ، و [18] درس المجال الكهربائي في طرف كابل يمر بضغوط عابرة. خلال مرحلة إنهاء المشروع ، هناك هدف آخر محتمل وهو تقدير المناطق الأكثر عرضة للعيوب وبالتالي تحسين النماذج الأولية. في هذا الصدد ، [19] حسبت المجال الكهربائي في غلاف لكابل 110 كيلو فولت باستخدام FEM ، من أجل تقدير المناطق الأكثر عرضة للانهيار العازل وبالتالي تحسين النموذج الأولي للكم.

قدمت بعض الدراسات المذكورة أعلاه مشاريع إنهاء بناءً على مفهوم مخروط الإجهاد ، وحللت توزيع المجال الكهربائي أو تأثير المواد المختلفة. ومع ذلك ، هناك نقص في الدراسات المتعلقة بأداء الإنهاء أثناء اختبارات الجهد الزائد أو اختبارات جهد الانهيار. بالإضافة إلى ذلك ، تتطلب بعض النماذج الأولية المقترحة مواد باهظة الثمن ، لذلك تم الإبلاغ عن منهجية للتصور والرسم والمحاكاة الكهروستاتيكية لإنهاء ممكن في هذه الورقة. يجب أن يكون الإنهاء قادرًا على ضمان إكمال اختبارات الجهد الزائد على الكابلات. يمكن أيضًا استخدام الإجراء المقترح لتصميم نهايات الكابلات المُحسَّنة. عادة ما تكون هذه الإنهاءات مسؤولة ، على سبيل المثال ، عن الربط بين خطوط النقل المختلفة ، والتي تعمل كموصلات. لتحليلات الضغوط الكهربائية عند الإنهاء ، تم إجراء عمليات المحاكاة الحسابية باستخدام برنامج تجاري يعتمد على طريقة العناصر المحدودة ونموذج كبل أحادي الطور 35 كيلو فولت ، والذي تم استخدامه كعينة. تم أخذ المواد التقليدية في الاعتبار في المشروع ، مما يمثل خفضًا محتملاً في التكلفة.