ما هي المشاكل الشائعة مع كابلات XLPE؟

سؤال صادق لا مفر منه

في المشاريع الخارجية، البولي إيثيلين المتقاطعة(XLPE)) الكابلات هي معدات تقليدية تقريبا في أنظمة الطاقة المتوسطة والعالية الجهد. خصائصها المثلى للكهرباء، مقاومة الحرارة العالية، قدرة نقل كبيرة،وسهولة التثبيت جعلتهم بديلاً عن الكابلات المعزولة بالورق لعقود.

ومع ذلك، فهي ليست لا تقهر.

وفقًا لإحصاءات التشغيل من العديد من شركات الطاقة الدولية ، فإن تلف العزل هو السبب الرئيسي لفشل كابلات XLPE ، وهو ما يمثل حوالي 86.7٪ من جميع الفشل.من هذه، تعتبر الأخطاء الناجمة عن الشيخوخة الجزئية ، والشيخوخة الكهربائية ، وشجرة المياه مسؤولة عن 65.7٪ ؛ تعتبر الأخطاء الناجمة عن الشيخوخة الحرارية والتشوه الحراري 10.5٪ ؛والفشل الناجم عن الأضرار الميكانيكية والشيخوخة الكهروميكانيكية المشتركة.5٪

بعبارة أخرى، إذا كان هناك مشكلة في كابل XLPE الخاص بك، فمن المرجح أن يكون ذلك مرتبطًا بتقدم العزل. علاوة على ذلك، فإن فشل الكابلات ينشأ عادة من ثلاث مراحل:العيوب المتبقية من مرحلة التصنيع، الأضرار التي تحدث أثناء التثبيت ووضعها، والشيخوخة التي تتطور تدريجيا أثناء التشغيل.

أدناه، سوف نقوم بتقسيم هذه المشاكل الأكثر شيوعاً من أجل الوضوح.

ثانيًا: الشجرة علامة تحذير قبل انهيار العزل

أولاً، من الضروري أن نفهم مفهوم أساسي: الشجرة.

في هندسة كابلات الكهرباء ، يشير "التشجير" إلى الشقوق المجهرية الشبيهة بالشجرة وقنوات التفريغ التي تتشكل داخل الوسط العازل الصلب قبل الانهيار الكامل.الشجرة هي في الأساس ظاهرة ما قبل الانهياربمجرد أن تنمو الشجرة من قطب كهربائي إلى آخر، يتم اختراق العزل، وتفشل الكابل.

بناءً على تشكيلها ، يتم تصنيف الشجرة إلى ثلاثة أنواع:

الشجرة الكهربائية: عندما توجد عيوب دقيقة داخل العزل مثل فجوات الهواء أو الشوائب أو النتوءات على سطح الموصل تحت فولتاج التشغيل طويل الأمد،المجال الكهربائي في ذلك الموقع يعاني من تشويه شديد، مما يولد تفريغًا جزئيًا ويؤدي في نهاية المطاف إلى قنوات تشبه الأشجار. تنمو الأشجار الكهربائية بسرعة ويصعب عكسها بمجرد تشكيلها ، مما يقلل مباشرة من عمر الكابل المتبقي.

تحت الجهد المتردد ، يمكن أن تظهر الأشجار الكهربائية شكليتين نموذجيين: أحدهما هيكل فرعي يشبه فروع الأشجار ، والآخر هو هيكل أكثر كثافة ، يشبه الأدغال. كلما ارتفع الجهد ،كلما كان من الأسهل أن تتشكل أشجار مثل الأدغال.

أظهرت دراسة حول فشل العزل في كابلات 33kV XLPE أن الشجرة الكهربائية هي ظاهرة ما قبل الانهيار تؤدي إلى فشل مبكر في كابلات الجهد العالي ،يؤثر سلبا بشكل كبير على عمر التصميموجدت دراسة أخرى تستند إلى توزيع ويبول أنه كلما ارتفع الجهد المطبق، كلما كان معدل انتشار الأشجار الكهربائية أسرع، وأقل عمر عزل الكابل.

شجرة المياه: تتطلب تشكيل الأشجار المائية ثلاثة شروط: الرطوبة، المجال الكهربائي، والشوائب القابلة للذوبان.

تحت تأثيرات مجتمعة من مجال كهربائي مرتفع، مستوى رطوبة معين (رطوبة نسبية فوق 70٪) ، ووجود الملح أو الملوثات في الماء،الفراغات المليئة بالماء والقنوات تنمو داخل العزل XLPEهذه هي شجرة المياه. الأشجار المائية نفسها ليست قنوات تفريغ، لكنها تقلل بشكل كبير من مقاومة حجم المواد العازلة، وزيادة كبيرة في الخسائر الكهربائية،و تسبب ضرر ميكانيكي على المستوى المجهري.

الخطر الحقيقي لأشجار المياه يكمن في "أخراجه". فهي تنمو ببطء عادة، غير مرئية للعين المجردة، ولا تسبب الانهيار على الفور.الأشجار المائية يمكن أن تتحول تدريجيا إلى أشجار كهربائيةعندما تتراكم الرطوبة والشوائب الكافية في منطقة الشجرة المائية، فإن تشويه المجال الكهربائي يتفاقم.في نهاية المطاف تحفيز النمو السريع من الأشجار الكهربائية وتسبب فشل العزل المفاجئ أثناء التشغيل.

من المهم أن نلاحظ أنه في حين أن تجفيف الكابلات يمكن أن يخفف المشكلة مؤقتاً ، فإن شجرة الماء تعتبر بشكل عام دائمة وستزداد سوءاً مع مرور الوقت.

في إحدى الحالات الحقيقية، أدت شجرة ماء واحدة في نهاية المطاف إلى انهيار شجرة كهربائية، مما أدى إلى تكلفة مباشرة تتجاوز 200،000 دولار لاستبدال 700 متر من الكابلات.

الأشجار الكهروكيميائية
ترتبط الأشجار الكهروكيميائية عادةً بالشوائب في مادة العزل.عندما تبقى الشوائب غير العضوية (مثل الأملاح وجسيمات المعادن) في طبقة العزل أو نصف الموصلتتحلل الكيميائية تحت تأثير المجال الكهربائي، وتشكل هياكل مثل الشجرة.مع كميات صغيرة من الرطوبة، تسريع التدهور المحلي.

كشف التحليل المجهري عن فراغات تتراوح من 15 إلى 150 ميكرومتر في الحجم داخل الطبقة شبه الموصلة.هذه الفراغات مرتبطة مساحياً بنقاط بدء التشعيب الكهروكيميائي، وكانت هناك أيضاً شوائب NaCl حولهم.

III - العيوب الأولية التي تم إدخالها أثناء التصنيع
العيوب الأولية التي تم إدخالها أثناء التصنيع هي نقاط ضعف متأصلة للكابل.التحكم غير الكافي في العملية أثناء ضغط العزل XLPE والربط المتقاطع يمكن أن يترك العديد من المشاكل النموذجية داخل العزل.

الفراغات
الفراغات هي النوع الأكثر شيوعًا من العيوب المجهرية. عادة ما تكون ناتجة عن فشل منتجات التحلل للبيروكسيدات العضوية (الميثان ، الأسيتوفينون ، إلخ).) للهروب بالكامل أثناء الربط المتبادل، مما يؤدي إلى وجود مسام صغيرة عالقة داخل العزل. هذه الفقاقيع عادة ما تكون بين 15 و 150 ميكرومتر بحجم.

تظهر الدراسات أن حجم، وعدد، مساحة، وتوزيع الفراغات يحدد مباشرة القوة الكهربائية للأسلاك.تؤدي الفراغات الكبيرة إلى انخفاض أكثر أهمية في قوة انهيار التيار المترددتحت الجهد التشغيلي ، يحدث تفريغ جزئي داخل الفراغات ، مما يؤدي تدريجياً إلى تآكل مادة العزل المحيطة.

الشوائب (الملوثات)

إذا لم يتم إزالة المنتجات الثانوية المتقاطعة بشكل كامل ، أو إذا تم خلط الشوائب الخارجية (مثل الغبار أو جزيئات المعادن) في مادة العزل ،هذه الشوائب ستصبح "نقاط ضعيفة" في العزلتحت تأثير الحقل الكهربائي، سوف تتراكم الشحنة حول الشوائب، مما يسبب تركيز الحقل الكهربائي وبالتالي تسريع الشيخوخة المحلية.

تبرزات الموصلات وعدم انتظام طبقة أشباه الموصلات

إذا كان هناك تشوهات أو انتفاضات في طبقة الحماية الموصلة للكابل، فإنها سوف تضع نفسها في طبقة العزل مثل "الأسلاك،" وتوليد قوة محلية عالية للغاية للحقل الكهربائي تحت الجهد التشغيليتحليل محاكاة الفجوات الهوائية الكروية، ثقوب الحبال،والشذوذ في طبقة نصف الموصلات الداخلية من محطات الكابلات تظهر أن هذه العيوب سوف تسبب تغييرات كبيرة في قوة المجال الكهربائيعلى سبيل المثال، فجوة الهواء 2 ملم يمكن أن تولد قوة المجال الكهربائي عالية تصل إلى 2.45 × 106 فولت / ملم بالقرب من الموصل.

IV - مشاكل الجودة أثناء التثبيت والإقامة

إذا كانت عيوب التصنيع هي "العيوب المتأصلة" في الكابلات،إذاً فإن مشاكل جودة التثبيت هي "سوء التغذية المكتسبة" و هذه المشاكل أكثر شيوعاً في العمل اليومي لموظفي الصيانةوفقاً لإحصاءات التشغيل من العديد من شركات شبكات الكهرباء الدولية، فإن ملحقات الكابلات والمفاصل هي أكثر مصادر الإخفاقات شيوعاً.

فشل المكونات: أظهر تقرير تحليل شامل نُشر في عام 2025 حول أسباب انهيار كابلات 35kV XLPE أن فشل الطرف يمثل 58٪ من جميع حوادث الانهيار.فشل العزل الرئيسي بنسبة 32%، والعوامل الخارجية بنسبة 10%.

في حالة أخرى من مشغل شبكة الكهرباء في العالم الحقيقي، عملت 24 محطة فرعية 129 كابل طاقة 10kV و 35kV XLPE.أظهر تحليل البيانات التشغيلية أن الفشل كان سببًا أساسيًا في الشيخوخة الكهربائية، والشيخوخة الحرارية، والضرر الميكانيكي، والذي كان جزء كبير منه مرتبطا مباشرة بجودة تركيب الملحقات (المفاصل والأطراف).

وتؤكد مجموعة أخرى من الإحصاءات هذا الاتجاه: في تقرير مسح يشمل 6،214 خطأ في الكابلات (2010-2020) ،تمثل أخطاء عزل الكابلات 57٪ (من بينها الكابلات XLPE كانت تسببها أساسًا الأشجار المائية)، تمثل أخطاء مفاصل الكابلات 23٪، وأضرار الحفر من قبل طرف ثالث تمثل 11٪، وتمثل أخطاء المحطات الفرعية الثانوية 9٪.

صناعة المفاصل غير الصحيحة
التشغيل غير السليم أثناء تصنيع مفصل الكابلات هو عامل مساهم كبير في الأخطاء. المشاكل الشائعة تشمل: قطع غير متساو من الطبقة شبه الموصلة،خدوش أو تمزق على سطح العزل XLPE، إزالة غير كاملة للمواد الغريبة المتبقية، الفجوات الهوائية بين واجهات العزل، والشريط غير السليم للموصل.أظهرت إحدى الدراسات أن حتى الخدوش الصغيرة على سطح العزل أو بقايا جزيئات أشباه الموصلات أو الغبار المعدني يمكن أن تخلق تركيزات محلية للجهد الكهربائي على سطح العزل، مما يؤدي إلى إفراز جزئي.

دخول الرطوبة
دخول الرطوبة هو خطر آخر يتم التقليل منه. في البيئات تحت الأرض، إذا تم تدمير غطاء الكابلات أثناء التثبيت أو المفاصل غير مغلقة بشكل جيد،يمكن للمياه الجوفية أن تتسرب تدريجياً إلى طبقة العزلبمجرد دخول الرطوبة إلى المفصل، فإنه يجمع مع المجال الكهربائي لتشغيل التآكل الكهروكيماوي ونمو شجرة الماء.

وقد أظهرت الدراسات أنه عندما يصل محتوى الرطوبة في عزل XLPE إلى 0.1٪ ، يزيد عامل فقدان الكهرباء المضادة إلى أكثر من ثلاثة أضعاف الحالة الجافة ،مما يؤدي إلى هدر الطاقة وارتفاع درجة الحرارة بشكل غير طبيعي.

ولذلك، يجب إجراء اختبار أداء العزل قبل تشغيل الكابل، بعد إعادة بناء النهايات أو المفاصل الوسيطة، وبعد الاشتباه في تلف الغطاء وتدخل المياه.قياس نسبة مقاومة الدرع النحاس لمقاومة الموصل هو خطوة حاسمة.

جودة الوضع
تؤثر عملية وضع الكابلات في الموقع أيضًا على عمر الكابلات. إذا تم وضع الكابلات خارج نصف قطر الانحناء الأدنى المحدد ، فقد يتم إنشاء إجهاد غير متساو في العزل ،مما يؤدي إلى تلف ميكانيكي والشيخوخة الكهروميكانيكية المشتركة مع مرور الوقتوبالإضافة إلى ذلك، يجب حجز طول محدد من الكابلات للسماح بإعادة تشكيل نهاية الكابلات في حالة وقوع حادث.

V. الإجهاد البيئي الذي يواجه أثناء التشغيل

الشيخوخة الحرارية
أثناء التشغيل العادي ، تكون درجة حرارة تشغيل الموصلات للكابلات XLPE عادةً 90 درجة مئوية (درجة حرارة تشغيل XLPE المسموح بها على المدى الطويل).عندما تعمل الكابلات في ظل ظروف الإفراط لفترات طويلة، أو في البيئات ذات التبديد الحراري الضعيف (مثل تركيبات القنوات الكثيفة) ، قد تتجاوز درجة حرارة العزل باستمرار القيمة المصممة.

الشيخوخة الحرارية تؤدي إلى تغييرات هيكلية في مادة العزل، بما في ذلك كسر سلسلة الجزيئات، وتشكيل الجذور الحرة، والحد من الوزن الجزيئي، وتجزئة البوليمر،مما يؤدي إلى تدهور لا رجعة فيه للجسم، الخصائص الكهربائية والكيميائية. تراكم الشحنة الفضائية هي واحدة من الآليات الرئيسية التي يؤثر بها الشيخوخة الحرارية على جودة العزل: الشحنة الفضائية تشوه توزيع الحقل الكهربائي،تفاقم عدم التجانس في الحقل الكهربائي، وبالتالي تسريع شيخوخة عزل الكابلات وتسبب انهيار في وقت سابق.

وجدت الدراسات أنه عند درجة حرارة الشيخوخة الرطبة من 160 درجة مئوية ، فإن توزيع الشحنة الفضائية في عزل البوليمر يرتبط ارتباطًا مباشرًا بالتحلل الكيميائي. عند درجة حرارة الشيخوخة الحرارية من 130 درجة مئوية,كل من كثافة مستوى العصابة وكثافة الشحنة الفضاء تزداد بشكل كبير، مما يعني أن قدرة مواد العزل على احتجاز الشحنة تتزايد، مما يؤدي إلى مزيد من تدهور أداء العزل.

الرطوبة والتآكل الكيميائي

بالإضافة إلى شجرة المياه المذكورة سابقاً، فإن دخول الرطوبة يؤدي إلى نتيجة مباشرة أخرى: تآكل الموصلات النحاسية.

في الكابلات تحت الأرض التي تعمل في المنشآت الصناعية الساحلية أو المناطق ذات الرطوبة العاليةموصلات النحاس قد تصبح سوداء بسبب التآكل المرتبط بالكبريت أو تتأكسد لتشكل طبقة أكسيد خضراء (verdigris) بسبب دخول الرطوبة.

الشيخوخة المشتركة المتعددة الإجهاد

في التشغيل الفعلي ، غالبًا ما لا يكون شيخوخة كابلات XLPE ناتجًا عن عامل واحد ، ولكن من خلال الآثار المشتركة للعديد من الإجهادات: الحرارة والكهرباء والإجهاد الميكانيكي والرطوبة.

كبوليمر شبه بلورية، كابلات XLPE تتعرض لا محالة إلى شيخوخة تدريجية أثناء التشغيل. هذا الشيخوخة تنبع من الآثار المشتركة لمختلف الضغوط البيئية، بما في ذلك الدورة الحرارية،التعرض للرطوبةمع مرور الوقت، هذه العوامل تضعف تدريجيا الخصائص الكهربائية، مما يؤدي في نهاية المطاف إلى فشل العزل.

كيفية الكشف عن صحة كابلات XLPE وتقييمها
في التشغيل والصيانة الفعلية ، هناك العديد من الطرق للمساعدة في تحديد ما إذا كانت كابلات XLPE لديها المشاكل المذكورة أعلاه.

اختبار التيار المتردد المقاوم للجهد الكهربائي واكتشاف التفريغ الجزئي

تذكير مهم جداً: لا ينبغي اختبار كابلات XLPE باستخدام الجهد العالي DC.

والسبب هو أنه خلال اختبار التيار المباشر ، يمكن حقن الشحنة الفضائية في طبقة العزل من خلال "شجرة" موجودة في عزل الكابل.المواد العازلة XLPE لديها مقاومة عالية للغاية، مما يجعل من الصعب على الشحنة المتبقية أن تتباعد بعد التفريغ. هذه الشحنة المتبقية تولد حقل كهربائي يتداخل مع الحقل الكهربائي المتردد العامل ،مما يجعل الكابل أكثر عرضة للتعطيل بعد اجتياز اختبار الجهد المتردد المتواصل ووضعها في الخدمة.

ولذلك، بالنسبة للكابلات الكهربائية XLPE، فمن المستحسن استخدام مزيج من اختبار التيار المتردد مقاومة الجهد الكهربائي والاكتشاف الجزئي للتفريغ للتقييم.

قياس مقاومة العزل: قياس مقاومة العزل لعزل الكابل الرئيسي فعال في اكتشاف امتصاص الرطوبة الإجمالي للعزل ، والتدهور الإجمالي ،وعيوب اختراقومع ذلك، تجدر الإشارة إلى أنه عندما يتعرض الغطاء الخارجي للبيتكوين من كابل مدفون مباشرة للغرق لفترة طويلة في المياه الجوفية أو تلف القوة الخارجية ولكن ليس فشلًا كاملًا،انخفاض في مقاومة العزل وحده لا يمكن أن يحدد مباشرة أن الغطاء الخارجي قد تضررت وتسلل من قبل الماء.

قياس الخسائر الكهربائية: كما ذكر سابقاً، يزداد عامل الخسائر الكهربائية للمواد العازلة XLPE بشكل كبير عندما يصل محتوى الرطوبة إلى 0.1٪.قياس الخسائر الكهربائية المنتظمة هو وسيلة هامة لرصد امتصاص الرطوبة وحالة الشيخوخة للعزل.

لماذا يحتاج العملاء الأجانب إلى الانتباه لهذه القضايا

حتى الآن، ناقشنا بالتفصيل المشاكل المختلفة التي قد تواجه كابلات XLPE في التطبيقات العملية.

فهم هذه القضايا لا يعني أن تجعلك "خائفا" من استخدام كابلات XLPE. على العكس من ذلك، هذه المعرفة الهندسية التي يجب أن يقدمها مصنع كابلات ذو خبرة لعملائها.الاحترافية الحقيقية لا تتعلق بتعبئة المنتج على أنه مثالي، بل تتعلق بمعرفة الظروف التي ستفشل فيها المنتج، ولماذا سوف يفشل، ومساعدة العملاء على تجنب هذه المشاكل.

بالنسبة للعملاء في الخارج، عند شراء دفعة من كابلات XLPE، قلقك ليس "هل هذا الكابل معيب؟"، ولكن بدلا من "إذا قمت بتثبيته واستخدامه وفقا للمواصفات،ما هو عمرها المتوقع؟" "ما هي الإشارات غير الطبيعية التي يجب أن أولي اهتماما لها أثناء العملية؟" و "متى يجب إجراء الاختبارات الوقائية؟"

المورد الذي يستطيع الإجابة على هذه الأسئلة يستحق الثقة على المدى الطويل.

القسم الثامن.

يمكن تلخيص المشاكل الشائعة مع كابلات XLPE إلى عدة مستويات.

المشكلة الأكثر أساسية هي الأشجار، الأشجار الكهربائية، الأشجار المائية، والأشجار الكهروكيميائية هي إشارات ما قبل الانهيار التي تسبق انهيار العزل.فهي تدريجياً تآكل سلامة المادة العازلة على المستوى المجهري.

خلال مرحلة التصنيع، العيوب الأولية مثل ثغرات الهواء، والشوائب، وعدم النظام في الطبقة شبه الموصلة هي نقاط ضعف متأصلة في الكابلات.قد يعود مصدر هذه العيوب إلى عدم كفاية السيطرة على عملية الربط المتقاطع أو نظافة المواد.

خلال مرحلة التثبيت والإقامة، تكون ملحقات الكابلات والمفاصل هي المناطق الأكثر تضرراً من الفشل.تصنيع المفاصل غير السليم، تدخل الرطوبة ، والشعاع الضيق للأسلاك هي عوامل مساهمة شائعة.

أثناء مرحلة التشغيل ، يؤدي الشيخوخة الحرارية إلى تسريع تدهور العزل ، في حين أن الرطوبة والتآكل الكيميائي يؤدي إلى مزيد من الأضرار لطبقة الحماية والموصل.التأثير التراكمي للضغوط المتعددة يؤدي إلى انهيار نهائي.

على مدى عمر الكابل، فإن تلف العزل هو السبب الرئيسي لفشل كابل XLPE، وهو ما يمثل 86.7٪ من جميع الفشل.والزحف السطحي هي أنماط الفشل الرئيسية لمواد العزل XLPE.

من حيث الاختبار ، يجب تجنب اختبار التوتر المتردد للكابلات XLPE ؛ بدلاً من ذلك ، فإن اختبار التوتر المتردد جنباً إلى جنب مع اختبار الإفراز الجزئي هو أكثر موثوقية.

إذا كنت تستخدم حاليًا أو على وشك شراء كابلات XLPE ، فمن المستحسن التركيز على ثلاثة جوانب رئيسية:تقرير فحص الجودة قبل التسليم (وخاصة نتائج اختبار التفريغ الجزئي)جودة الملحقات أثناء التثبيت (اختيار فريق بناء مؤهل)وطرق مراقبة الحالة أثناء التشغيل (التفتيش المنتظم مثل التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء واكتشاف التفريغ الجزئي).