Nykyaikaisissa sähköjärjestelmissä suurjännitekaapeleilla on keskeinen rooli. Kaupunkien maanalaisista sähköverkoista vuorten ja jokien yli kulkeviin pitkän matkan siirtolinjoihin suurjännitekaapelit varmistavat sähköenergian tehokkaan, vakaan ja turvallisen siirron. Tässä artikkelissa tarkastellaan perusteellisesti suurjännitekaapeleihin liittyviä erilaisia tekniikoita, mukaan lukien niiden rakenne, luokittelu, valmistusprosessi, suorituskykyominaisuudet, asennus ja huolto.
1. Suurjännitekaapeleiden perusrakenne
Korkeajännitekaapelit koostuvat pääasiassa johtimista, eristekerroksista, suojakerroksista ja suojakerroksista.
Johdin on virran siirtokanava ja se on yleensä valmistettu kuparista tai alumiinista. Kuparilla on hyvä johtavuus ja venyvyys, kun taas alumiini on suhteellisen edullista ja kevyttä. Nämä johtimet ovat yleensä monisäikeisiä kierrettyjä lankoja joustavuuden lisäämiseksi.
Eristyskerros on korkeajännitekaapelin keskeinen osa, jolla on rooli virran vuotamisen estämisessä ja johtimen eristämisessä ulkomaailmasta. Yleisiä eristemateriaaleja ovat ristisilloitettu polyeteeni (XLPE), öljypaperi jne. XLPE:llä on erinomaiset sähköiset ominaisuudet, lämmönkestävyys ja mekaaninen lujuus, ja sitä käytetään laajalti nykyaikaisissa korkeajännitekaapeleissa.
Suojakerros jaetaan sisäiseen ja ulkoiseen suojaukseen. Sisäinen suoja tekee sähkökentästä tasaisen ja estää paikallisten purkausten vahingoittamasta eristyskerrosta; ulkoinen suoja voi vähentää ulkoisen sähkömagneettisen kentän häiriöitä kaapelissa ja estää myös kaapelin sähkömagneettisen vaikutuksen ulkomaailmaan.
Suojakerros suojaa kaapelia pääasiassa ulkoisilta tekijöiltä, kuten mekaanisilta vaurioilta, kemialliselta korroosiolta ja veden tunkeutumiselta. Se koostuu yleensä metallipanssarista ja ulkovaipasta. Metallipanssari voi tarjota mekaanista lujuutta, ja ulkovaipalla on vedenpitävät ja korroosionestoominaisuudet.
2. Suurjännitekaapeleiden luokittelu
Jännitetason mukaan suurjännitekaapelit voidaan jakaa keskijännitekaapeleihin (yleensä 3–35 kV), suurjännitekaapeleihin (35–110 kV), erittäin suurjännitekaapeleihin (110–500 kV) ja erittäin suurjännitekaapeleihin (yli 500 kV). Eri jännitetasojen kaapelit eroavat toisistaan rakenteellisen suunnittelun, eristysvaatimusten jne. suhteen.
Eristemateriaalien näkökulmasta edellä mainittujen XLPE-kaapeleiden ja öljypaperikaapeleiden lisäksi on olemassa myös etyleeni-propeenikumikaapeleita. Öljypaperikaapeleilla on pitkä historia, mutta korkeiden ylläpitokustannusten ja muiden syiden vuoksi ne ovat vähitellen korvautuneet XLPE-kaapeleilla. Etyleeni-propeenikumikaapelilla on hyvä joustavuus ja säänkestävyys, ja se sopii joihinkin erityistilaisuuksiin.
3. Suurjännitekaapelin valmistusprosessi
Korkeajännitekaapelien valmistus on monimutkainen ja herkkä prosessi.
Johtimien valmistus vaatii ensin kupari- tai alumiiniraaka-aineiden venyttämistä, kiertämistä ja muita prosesseja johtimen mittatarkkuuden ja mekaanisten ominaisuuksien varmistamiseksi. Kiertämisprosessin aikana säikeiden säikeet on järjestettävä tiiviisti johtimen johtavuuden parantamiseksi.
Eristekerroksen suulakepuristus on yksi tärkeimmistä vaiheista. XLPE-eristekerrosta varten XLPE-materiaali suulakepuristetaan korkeassa lämpötilassa ja kiedotaan tasaisesti johtimen päälle. Suulakepuristusprosessin aikana on valvottava tarkasti parametreja, kuten lämpötilaa, painetta ja suulakepuristusnopeutta, jotta eristekerroksen laatu ja paksuus ovat tasaiset.
Suojakerros valmistetaan yleensä metallilangasta punomalla tai metallinauhalla käärimällä. Sisä- ja ulkosuojan valmistusprosessit ovat hieman erilaiset, mutta molempien on varmistettava suojakerroksen eheys ja hyvä sähköliitäntä.
Lopuksi suojakerroksen valmistukseen kuuluu metallipanssarin asentaminen ja ulkovaipan pursotus. Metallipanssarin tulee istua tiiviisti kaapeliin ja ulkovaipan pursotuksen tulee varmistaa sileä ulkonäkö ilman vikoja, kuten kuplia ja halkeamia.
4. Suurjännitekaapeleiden suorituskykyominaisuudet
Sähköisen suorituskyvyn kannalta korkeajännitekaapeleilla on oltava korkea eristysresistanssi, pieni dielektrinen häviö ja hyvä jänniteresistanssi. Korkea eristysresistanssi voi tehokkaasti estää virran vuodon, pieni dielektrinen häviö vähentää sähköenergian häviötä siirron aikana ja hyvä jänniteresistanssi varmistaa, että kaapeli voi toimia turvallisesti korkeajänniteympäristössä.
Mekaanisten ominaisuuksien osalta kaapelilla tulee olla riittävä vetolujuus, taivutussäde ja iskunkestävyys. Asennuksen ja käytön aikana kaapeliin voi kohdistua venytystä, taivutusta ja ulkoisia iskuja. Jos mekaaniset ominaisuudet eivät ole riittävät, kaapeli vaurioituu helposti.
Myös lämpöominaisuudet ovat tärkeä näkökohta. Kaapeli tuottaa lämpöä käytön aikana, erityisesti suuren kuormituksen alaisena. Siksi kaapelin on oltava hyvin lämmönkestävä ja sen on kyettävä toimimaan normaalisti tietyllä lämpötila-alueella ilman ongelmia, kuten eristyksen ikääntymistä. XLPE-kaapelilla on suhteellisen hyvä lämmönkestävyys ja se voi toimia pitkään korkeammissa lämpötiloissa.
5. Suurjännitekaapeleiden asennus ja huolto
Asennuksen kannalta ensimmäinen tehtävä on suunnitella reitti varmistaakseen, että kaapelin asennusreitti on järkevä ja turvallinen. Asennuksen aikana on vältettävä kaapelin liiallista venytystä, taivutusta ja puristumista. Pitkän matkan kaapelien asennuksessa käytetään yleensä laitteita, kuten kaapelikuljettimia, rakentamisen apuna.
Kaapeliliitosten valmistus on keskeinen osa asennusprosessia. Liitoksen laatu vaikuttaa suoraan kaapelin käyttövarmuuteen. Liitoksia valmistettaessa kaapeli on kuorittava, puhdistettava, liitettävä ja eristettävä. Jokainen vaihe on suoritettava tarkasti prosessivaatimusten mukaisesti sen varmistamiseksi, että liitoksen sähköiset ja mekaaniset ominaisuudet täyttävät vaatimukset.
Huoltotyöt ovat välttämättömiä suurjännitekaapeleiden pitkäaikaiselle vakaalle toiminnalle. Säännöllisillä tarkastuksilla voidaan nopeasti havaita, onko kaapelin ulkonäkö tai vaippa vaurioitunut. Samanaikaisesti voidaan käyttää myös kaapelin eristysominaisuuksien ja osittaisen purkauksen testaamiseen. Jos ongelmia havaitaan, ne tulee korjata tai vaihtaa ajoissa.
6. Suurjännitekaapeleiden vikaantuminen ja havaitseminen
Yleisiä suurjännitekaapeleiden vikoja ovat eristeen pettäminen, johtimen irtoaminen ja liitoksen pettäminen. Eristeen pettäminen voi johtua eristeen ikääntymisestä, osittaispurkauksesta tai ulkoisesta ylijännitteestä. Johtimen irtoaminen johtuu yleensä mekaanisesta ulkoisesta voimasta tai pitkäaikaisesta ylikuormituksesta. Liitoksen pettäminen voi johtua huonosta liitoksen valmistusprosessista tai voimakkaasta kuumenemisesta käytön aikana.
Näiden vikojen havaitsemiseksi on olemassa useita havaitsemismenetelmiä. Osittaispurkauksen havaitseminen on yleisesti käytetty menetelmä. Havaitsemalla kaapelin osittaispurkauksen synnyttämän signaalin voidaan määrittää, onko kaapelin sisällä eristysvikoja. Kestävyysjännitetesti voi havaita kaapelin kestojännitekapasiteetin ja löytää mahdollisia eristysongelmia. Lisäksi infrapunalämpökuvaustekniikka voi havaita lämpötilajakauman kaapelin pinnalla, jotta voidaan selvittää, onko kaapelissa ongelmia, kuten paikallista ylikuumenemista.
7. Suurjännitekaapeleiden käyttö ja kehityssuunta sähköjärjestelmissä
Sähköjärjestelmissä suurjännitekaapeleita käytetään laajalti kaupunkien sähköverkkojen muuntamisessa, suurten voimalaitosten lähtölinjoissa, merenalaisissa kaapelisiirroissa ja muilla aloilla. Kaupunkien sähköverkoissa maanalaisten kaapelien käyttö voi rajoitetun tilan vuoksi säästää tilaa ja parantaa kaupungin ilmettä. Suurten voimalaitosten lähtölinjat vaativat suurjännitekaapeleiden käyttöä sähkön siirtämiseksi kaukaisiin sähköasemiin. Merenalaiset kaapelisiirrot voivat toteuttaa meren yli tapahtuvaa sähkönsiirtoa ja tarjota vakaan virransyötön saarille ja rannikkoalueille.
Energiatekniikan jatkuvan kehityksen myötä myös suurjännitekaapeleissa on havaittu kehitystrendejä. Yksi niistä on korkeajännitteisten kaapeleiden tutkimus, kehitys ja soveltaminen. Pitkän matkan sähkönsiirron kysynnän kasvaessa erittäin suurjännitekaapeleiden kehittämisestä tulee painopistealue. Toinen on kaapeleiden älykkyys. Integroimalla antureita ja muita laitteita kaapeliin voidaan saavuttaa kaapelin toimintatilan reaaliaikainen seuranta ja vikavaroitus, mikä parantaa kaapelin käyttövarmuutta. Kolmas on ympäristöystävällisten kaapeleiden kehittäminen. Ihmisten ympäristönsuojeluvaatimusten kasvaessa vähäpäästöisten, kierrätettävien kaapelimateriaalien tutkimus ja kehitys on tulevaisuuden kehityssuunta.
Julkaisun aika: 24.9.2024