Quali sono i problemi comuni dei cavi XLPE?

I. Una domanda onesta inevitabile

In progetti esteri, il polietilene incrociato(XLPE)I cavi sono quasi equipaggiamenti standard nei sistemi elettrici a media e alta tensione, le loro eccellenti proprietà dielettriche, la loro elevata resistenza al calore, la loro grande capacità di trasmissione, il loro peso leggero, la loro capacità die la facilità di installazione li hanno resi un sostituto per i cavi isolati in carta per decenni.

Tuttavia, non sono invincibili.

Secondo le statistiche operative di diverse compagnie elettriche internazionali, il danno dell'isolamento è la causa principale di guasti del cavo XLPE, che rappresenta circa l'86,7% di tutti i guasti.Di questi, i guasti causati dall'invecchiamento da scarico parziale, dall'invecchiamento elettrico e dall'arborizzazione dell'acqua rappresentano il 65,7%; i guasti causati dall'invecchiamento termico e dalla deformazione termomeccanica rappresentano il 10,5%;e guasti causati da danni meccanici e invecchiamento combinato elettromeccanico rappresentano il restante 100,5%.

In altre parole, se il cavo XLPE ha un problema, è molto probabile che sia correlato all'invecchiamento dell'isolamento.difetti rimasti dalla fase di fabbricazione, danni causati durante l'installazione e la posa e invecchiamento che si sviluppa gradualmente durante il funzionamento.

Di seguito, per chiarezza, analizzeremo questi problemi più comuni.

II. Arboricoltura Un segnale di avvertimento prima di un guasto dell'isolamento

Innanzitutto, è essenziale capire un concetto fondamentale: l'albero.

Nell'ingegneria dei cavi di alimentazione, "albero" si riferisce alle crepe e ai canali di scarica microscopici simili a alberi che si formano all'interno del mezzo isolante solido prima della completa rottura.L'arboricoltura è essenzialmente un fenomeno che precede il crollo.Una volta che un albero cresce da un elettrodo all'altro, l'isolamento si rompe e il cavo fallisce.

Sulla base della sua formazione, l'arboricoltura è classificata in tre tipi:

Quando esistono piccoli difetti all'interno dell'isolamento, quali spazi d'aria, impurità o sporgenze sulla superficie del conduttore, sotto tensione di funzionamento a lungo termine,il campo elettrico in quella posizione subisce una grave distorsioneGli alberi elettrici crescono rapidamente e sono difficili da invertire una volta formati, abbreviando direttamente la durata di vita rimanente del cavo..

Sotto tensione CA, gli alberi elettrici possono presentare due forme tipiche: uno è una struttura ramificata simile ai rami degli alberi, e l'altro è una struttura più densa, simile a un cespuglio.più è facile che si formino alberi simili a cespugli.

Uno studio condotto su guasti di isolamento nei cavi XLPE da 33 kV ha indicato che l'albero elettrico è un fenomeno precoce che porta a guasti prematuri dei cavi ad alta tensione.che hanno un impatto negativo significativo sulla durata del progettoUn altro studio basato sulla distribuzione di Weibull ha rilevato che più alta è la tensione applicata, più veloce è il tasso di propagazione degli alberi elettrici e più breve è la vita di isolamento del cavo.

Albero d'acqua: La formazione di alberi d'acqua richiede tre condizioni: umidità, campo elettrico e impurità solubili.

Sotto l'effetto combinato di un forte campo elettrico, di un certo livello di umidità (umidità relativa superiore al 70%) e della presenza di sale o contaminanti nell'acqua, una rete densa dii vuoti e i canali pieni di acqua crescono all'interno dell'isolamento XLPEGli alberi d'acqua non sono loro stessi canali di scarico, ma riducono significativamente la resistività voluminosa del materiale isolante, aumentando notevolmente le perdite dielettriche.e causano danni meccanici a livello microscopico.

Il vero pericolo degli alberi acquatici risiede nella loro "latenza".Gli alberi d'acqua possono gradualmente trasformarsi in alberi elettriciQuando nell'area dell'albero d'acqua si accumulano umidità e impurità sufficienti, la distorsione del campo elettrico si intensifica.che infine inducono la rapida crescita di alberi elettrici e causano un improvviso guasto dell'isolamento durante il funzionamento.

È importante notare che mentre l'essiccazione dei cavi può alleviare temporaneamente il problema, l'arboricoltura è generalmente considerata permanente e peggiorerà solo nel tempo.

In un caso reale, un singolo albero d'acqua alla fine provocò un guasto dell'albero elettrico, con conseguente costo diretto superiore a 200.000 dollari per sostituire 700 metri di cavo.

Alberi elettrochimici
Gli alberi elettrochimici sono in genere associati a impurità nel materiale isolante.Quando le impurità inorganiche (come sali e particelle metalliche) rimangono nello strato isolante o semiconduttore, subiscono una degradazione elettrochimica sotto l'influenza di un campo elettrico, formando strutture simili ad alberi.insieme a tracce di umidità, accelerare la degradazione localizzata.

L'analisi microscopica ha rivelato vuoti di dimensioni comprese tra 15 e 150 micrometri all'interno dello strato semiconduttore.Questi vuoti spazialmente correlati con i punti di inizio di dendriti elettrochimici, e impurità di NaCl erano presenti anche intorno a loro.

III. Difetti iniziali introdotti durante la produzione
I difetti iniziali introdotti durante la fabbricazione sono debolezze intrinseche del cavo.Il controllo inadeguato del processo durante l'estrusione e il collegamento incrociato dell'isolamento XLPE può causare diversi problemi tipici all'interno dell'isolamento.

Valours
I vuoti sono il tipo più comune di difetto microscopico, causato tipicamente dal fallimento dei prodotti di decomposizione dei perossidi organici (metano, acetofenone, ecc.).) per sfuggire completamente durante il collegamentoQueste bolle sono in genere di dimensioni comprese tra i 15 e i 150 micrometri.

Gli studi dimostrano che le dimensioni, il numero, l'area e la distribuzione dei vuoti determinano direttamente la resistenza elettrica del cavo.I vuoti più grandi comportano una diminuzione più significativa della resistenza alla rottura ACSotto tensione di funzionamento, una scarica parziale si verifica all'interno dei vuoti, erodendo gradualmente il materiale isolante circostante.

Impurità (contaminanti)

Se i sottoprodotti di incrocio non vengono completamente rimossi o se le impurità esterne (come polvere o particelle metalliche) si mescolano nel materiale isolante,queste impurità diventeranno "punti deboli" nell'isolamentoSotto l'influenza di un campo elettrico, la carica si accumula intorno alle impurità, causando la concentrazione del campo elettrico e quindi accelerando l'invecchiamento locale.

Protrusioni dei conduttori e irregolarità dello strato dei semiconduttori

Se ci sono irregolarità o sporgenze nello strato di protezione dei conduttori del cavo, si inseriranno nello strato di isolamento come "spike"," generando una forza di campo elettrico locale estremamente elevata sotto tensione di funzionamentoL'analisi di simulazione di spazi d'aria sferici, fori di spillo,e irregolarità nello strato interno dei semiconduttori dei terminali del cavo mostra che questi difetti causeranno cambiamenti significativi nella forza del campo elettricoAd esempio, un intervallo d'aria di 2 mm può generare una forza di campo elettrico fino a 2,45 × 106 V / mm vicino al conduttore.

IV. Problemi di qualità durante l'installazione e la posa

Se i difetti di fabbricazione sono i "deficienti intrinseci" dei cavi,I problemi di qualità dell'installazione sono "malnutrizione acquisita" e questi problemi sono più comuni nel lavoro quotidiano del personale di manutenzioneSecondo le statistiche operative di diverse società internazionali di rete elettrica, gli accessori e le giunzioni dei cavi sono le fonti di guasto più frequenti.

I problemi di accesso: una relazione di analisi completa pubblicata nel 2025 sulle cause dei guasti dei cavi XLPE a 35 kV ha indicato che i guasti terminali rappresentavano il 58% di tutti gli incidenti di guasto,difetti di isolamento principali per il 32%, e fattori esterni per il 10%.

In un altro caso di un operatore di rete elettrica reale, 24 sottostazioni hanno gestito 129 cavi di 10 kV e 35 kV XLPE.L'analisi dei dati operativi ha mostrato che i guasti sono stati causati principalmente dall'invecchiamento elettrico, invecchiamento termico e danni meccanici, una parte significativa dei quali era direttamente correlata alla qualità di installazione degli accessori (giunti e terminazioni).

Un'altra serie di statistiche conferma questa tendenza: in un rapporto di indagine riguardante 6.214 guasti dei cavi (2010-2020),57% dei problemi di isolamento dei cavi (di cui i cavi XLPE sono stati causati principalmente da alberi acquatici), i guasti delle giunzioni dei cavi rappresentano il 23%, i danni causati da scavi da parte di terzi l'11% e i guasti delle sottostazioni secondarie il 9%.

Fabbricazione impropria delle giunzioni
Il funzionamento improprio durante la fabbricazione di giunzioni di cavi è un fattore che contribuisce significativamente ai guasti.graffi o lacerazioni sulla superficie isolante XLPE, rimozione incompleta di sostanze estranee residue, spazi vuoti tra le interfacce di isolamento e incorreta incrustazione dei conduttori.Uno studio ha indicato che anche minuscoli graffi sulla superficie di isolamento o residui di particelle semiconduttrici o polveri metalliche possono creare una concentrazione localizzata di tensione elettrica sulla superficie di isolamento, innescando così uno scarico parziale.

Intrusione di umidità
L'intrusione di umidità è un altro rischio sottovalutato.l'acqua sotterranea può gradualmente penetrare nello strato isolanteUna volta che l'umidità entra nella giunzione, si combina con il campo elettrico per innescare la corrosione elettrochimica e la crescita dell'albero d'acqua.

Gli studi hanno dimostrato che quando il tenore di umidità dell'isolamento XLPE raggiunge lo 0,1%, il suo fattore di perdita dielettrica aumenta a più di tre volte quello dello stato secco,che porta a spreco di energia e aumento anormale della temperatura.

Pertanto, le prove delle prestazioni di isolamento dovrebbero essere eseguite prima della messa in servizio del cavo, dopo aver rifatto le terminazioni o le giunzioni intermedie e dopo sospetti danni alla guaina e penetrazione di acqua.Misurare il rapporto tra resistenza dello scudo di rame e resistenza del conduttore è un passo cruciale.

Qualità della deposizione
Il processo di posa in loco influisce anche sulla durata del cavo: se il cavo viene posato oltre il raggio minimo di piegatura specificato, può generarsi una tensione irregolare nell'isolamento,causare danni meccanici e invecchiamento combinato elettromeccanico nel tempoInoltre, una certa lunghezza del cavo deve essere riservata per consentire la ricostituzione della terminazione del cavo in caso di incidente.

V. Stress ambientale durante il funzionamento

Invecchiamento termico
Durante il normale funzionamento, la temperatura di funzionamento del conduttore dei cavi XLPE è in genere di 90°C (la temperatura di funzionamento ammissibile a lungo termine di XLPE).quando i cavi funzionano in condizioni di sovraccarico per periodi prolungati, o in ambienti con scarsa dissipazione del calore (come gli impianti a condotto denso), la temperatura di isolamento può superare costantemente il valore di progetto.

L'invecchiamento termico induce cambiamenti strutturali nel materiale isolante, tra cui rottura della catena molecolare, formazione di radicali liberi, riduzione del peso molecolare e frammentazione dei polimeri,che portano a un degrado irreversibile delL'accumulo di carica spaziale è uno dei meccanismi chiave attraverso i quali l'invecchiamento termico influisce sulla qualità dell'isolamento: la carica spaziale distorce la distribuzione del campo elettrico,aggravare l' omogeneità del campo elettrico, accelerando così l'invecchiamento dell'isolamento dei cavi e causando un precoce guasto.

Gli studi hanno rilevato che a una temperatura di invecchiamento umido di 160°C, la distribuzione della carica spaziale nell'isolamento polimerico è direttamente correlata alla degradazione chimica.,sia la densità di livello di trappola che la densità di carica spaziale aumentano significativamente, il che significa che la capacità del materiale isolante di catturare la carica è migliorata, peggiorando ulteriormente le prestazioni di isolamento.

Umidità e corrosione chimica

Oltre all'albero dell'acqua menzionato in precedenza, l'intrusione dell'umidità comporta anche un'altra conseguenza diretta: la corrosione dei conduttori di rame.

nei cavi sotterranei operanti in impianti industriali costieri o in zone ad alta umidità,i conduttori di rame possono annerirsi a causa della corrosione legata al solfato o ossidarsi per formare uno strato di ossido verde (verdigris) a causa dell'intrusione di umidità.

Invecchiamento combinato da molteplici stress

Nel funzionamento effettivo, l'invecchiamento dei cavi XLPE spesso non è causato da un singolo fattore, ma dagli effetti combinati di molteplici sollecitazioni: calore, elettricità, sollecitazioni meccaniche e umidità.

Essendo un polimero semicristallino, i cavi XLPE subiscono inevitabilmente un invecchiamento graduale durante il funzionamento.esposizione all'umiditàNel corso del tempo, questi fattori indeboliscono gradualmente le proprietà dielettriche, portando infine al fallimento dell'isolamento.

VI. Come rilevare e valutare la salute dei cavi XLPE
Nel funzionamento e nella manutenzione effettivi, esistono diversi metodi per determinare se i cavi XLPE presentano i problemi sopra menzionati.

AC Test di resistenza alla tensione e rilevamento delle scariche parziali

Un richiamo molto importante: i cavi XLPE non devono essere testati con alta tensione di corrente continua.

La ragione è che durante una prova di resistenza alla tensione in corrente continua, la carica spaziale può essere iniettata nello strato di isolamento attraverso "alberi" esistenti nell'isolamento del cavo.Il materiale isolante XLPE ha una resistenza estremamente elevataQuesta carica residua genera un campo elettrico che si sovrappone al campo elettrico AC in funzione,rendendo il cavo più suscettibile a guasti dopo aver superato la prova di resistenza alla tensione in CC e essere stato messo in funzione.

Pertanto, per i cavi di alimentazione XLPE, si raccomanda di utilizzare per la valutazione una combinazione di prova di resistenza alla tensione CA e di rilevamento delle scariche parziali.

Misurazione della resistenza all'isolamento: misurare la resistenza all'isolamento dell'isolamento del cavo principale è efficace nel rilevare l'assorbimento complessivo dell'umidità dell'isolamento, il deterioramento complessivo,e difetti di penetrazioneTuttavia, si deve notare che quando la guaina esterna in PVC di un cavo direttamente sepolto è soggetta a una immersione a lungo termine nelle acque sotterranee o ad un danno da forze esterne, ma non a un guasto completo,una diminuzione della resistenza dell'isolamento da sola non può determinare direttamente che la guaina esterna è stata danneggiata e infiltrata dall'acqua.

Misurazione delle perdite dielettriche: come accennato in precedenza, il fattore di perdita dielettrica del materiale isolante XLPE aumenta significativamente quando il tenore di umidità raggiunge lo 0,1%.La misurazione regolare delle perdite dielettriche è un importante mezzo per monitorare l'assorbimento di umidità e lo stato di invecchiamento dell'isolamento.

VII. Perché i clienti stranieri devono prestare attenzione a questi problemi

Finora abbiamo discusso in dettaglio i vari problemi che i cavi XLPE possono incontrare nelle applicazioni pratiche.

La comprensione di questi problemi non significa che si abbia "paura" di utilizzare i cavi XLPE..La vera professionalità non consiste nell'imballare un prodotto come perfetto, ma nel sapere in quali condizioni il prodotto fallirà, perché fallirà e aiutare i clienti a evitare questi problemi.

Per i clienti stranieri, quando si acquista un lotto di cavi XLPE, la preoccupazione non è "Questo cavo è difettoso?", ma piuttosto "Se lo installa e lo utilizzo secondo le specifiche,Qual è la sua durata prevista??", "A quali segnali anormali devo prestare attenzione durante l'operazione?", e "Quando si devono effettuare le analisi preventive?"

Un fornitore in grado di rispondere a queste domande merita fiducia a lungo termine.

VIII. Riassunto

I problemi comuni con i cavi XLPE possono essere riassunti in diversi livelli.

Il problema più fondamentale è l'arboricoltura. Gli alberi elettrici, acquatici ed elettrochimici sono segnali di pre-rottura che precedono la rottura dell'isolamento.essi erodono gradualmente l'integrità del materiale isolante a livello microscopico.

Durante la fase di produzione, i difetti iniziali come le lacune dell'aria, le impurità e le irregolarità nello strato semiconduttore sono debolezze intrinseche nei cavi.La fonte di tali difetti può essere ricondotta a un controllo inadeguato del processo di incrocio o alla pulizia dei materiali..

Durante la fase di installazione e posa, gli accessori e le giunzioni dei cavi sono le aree più colpite dai guasti.Fabbricazione impropria delle giunzioni, l'intrusione dell'umidità e i raggi di piegatura dei cavi eccessivamente piccoli sono fattori comuni che contribuiscono.

Durante la fase di funzionamento, l'invecchiamento termico accelera il deterioramento dell'isolamento, mentre l'umidità e la corrosione chimica danneggiano ulteriormente lo strato di schermatura e il conduttore.L'effetto cumulativo di molteplici sollecitazioni porta alla rottura.

Nel corso della sua vita, il danno dell'isolamento è la causa principale del guasto del cavo XLPE, che rappresenta l'86,7% di tutti i guasti.e il sollevamento superficiale sono i principali modi di guasto dei materiali isolanti XLPE.

Per quanto riguarda le prove, è opportuno evitare le prove di tensione di resistenza a corrente continua dei cavi XLPE; invece, le prove di tensione di resistenza a corrente alternata combinate con le prove di scarica parziale sono più affidabili.

Se attualmente si utilizzano o si stanno acquistando cavi XLPE, si consiglia di concentrarsi su tre aspetti chiave:la relazione di ispezione della qualità prima della consegna (in particolare i risultati delle prove di scarico parziale), la qualità degli accessori durante l'installazione (scelta di un team di costruzione qualificato),e i metodi di monitoraggio dello stato durante il funzionamento (ispezioni regolari quali l'imaging termico a infrarossi e il rilevamento delle scariche parziali).