مشکلات رایج کابل های XLPE چیست؟
I. یک سوال صادقانه اجتناب ناپذیر
در پروژه های خارجی، پلی اتیلن متقاطع(XLPE) کابل ها تقریباً تجهیزات استاندارد در سیستم های برق ولتاژ متوسط و بالا هستند. خواص دی الکتریک عالی آنها، مقاومت گرمایی بالا، ظرفیت انتقال بزرگ، وزن کم،و آسان نصب آنها را به یک جایگزین برای کابل های کاغذی عایق شده برای دهه ساخته شده است.
با این حال، آنها شکست ناپذیر نیستند.
بر اساس آمار عملیاتی چندین شرکت برق بین المللی، آسیب عایق عامل اصلی خرابی کابل XLPE است که حدود 86.7٪ از تمام خرابی ها را تشکیل می دهد.از این، خرابی ناشی از پیری تخلیه جزئی، پیری الکتریکی و درختان آب 65.7٪ را تشکیل می دهد؛ خرابی ناشی از پیری حرارتی و تغییر شکل ترمو مکانیکی 10.5٪ را تشکیل می دهد؛و خرابی ناشی از آسیب مکانیکی و پیری ترکیبی الکترومکانیکی در 10 درصد باقی مانده.۵ درصد
به عبارت دیگر، اگر کابل XLPE شما مشکلی داشته باشد، به احتمال زیاد مربوط به پیری عایق است. علاوه بر این، خرابی کابل معمولاً از سه مرحله ناشی می شود:نقص هایی که در مرحله تولید باقی مانده اند، آسیب وارد شده در طول نصب و قرار دادن، و پیری که به تدریج در طول کار توسعه می یابد.
در زیر، ما این رایج ترین مشکلات را برای وضوح تجزیه خواهیم کرد.
II. درختان ۰ علامت هشدار دهنده قبل از خراب شدن عایق
اول، درک یک مفهوم اصلی ضروری است: درخت زدن.
در مهندسی کابل های برق، "درختی شدن" به ترک های میکروسکوپی، مانند درخت و کانال های تخلیه ای که در داخل محیط عایق جامد قبل از شکستن کامل تشکیل می شوند، اشاره دارد.درخت زدن اساساً یک پدیده قبل از شکستن استوقتی درخت از یک الکترود به الکترود دیگر رشد می کند، عایق شکسته می شود و کابل شکست می خورد.
بر اساس شکل گیری آن، درختان به سه نوع طبقه بندی می شوند:
درختان الکتریکی: هنگامی که نقص های کوچک در داخل عایق وجود دارد، مانند شکاف های هوا، ناخالصی ها، یا بیرون کشیدن در سطح هدایت کننده، تحت ولتاژ کار طولانی مدت،میدان الکتریکی در آن مکان دچار تحریف شدید می شود.درختان الکتریکی به سرعت رشد می کنند و هنگامی که شکل می گیرند، برگشت آن دشوار است و به طور مستقیم عمر باقیمانده کابل را کوتاه می کند..
در زیر ولتاژ متناوب، درختان الکتریکی می توانند دو شکل معمول را نشان دهند: یکی یک ساختار شاخه دار شبیه شاخه های درخت است و دیگری یک ساختار متراکم تر مانند بوته است.هرچه آسان تر است که درختان مانند بوته ها شکل بگیرند.
یک مطالعه در مورد شکست عایق در کابل های 33kV XLPE نشان داد که درختان الکتریکی یک پدیده پیش از خرابی است که منجر به شکست زودرس کابل های ولتاژ بالا می شود.تاثیر منفی قابل توجهی بر عمر طراحییک مطالعه دیگر بر اساس توزیع ویبول نشان داد که هرچه ولتاژ اعمال شده بالاتر باشد، سرعت گسترش درختان الکتریکی سریعتر و عمر عایق کابل کوتاه تر است.
درختان آب: شکل گیری درختان آب به سه شرط نیاز دارد: رطوبت، یک میدان الکتریکی و ناخالصی های محلول.
تحت اثرات ترکیبی یک میدان الکتریکی بالا، یک سطح رطوبت خاص (رطوبت نسبی بالاتر از 70٪) و حضور نمک یا آلاینده ها در آب، یک شبکه متراکم از بسیار کوچک،حفره ها و کانال های پر از آب در داخل عایق XLPE رشد می کننددرختان آب خودشان کانال تخلیه نیستند، اما به طور قابل توجهی مقاومت حجم مواد عایق را کاهش می دهند، به طور قابل توجهی از دست دادن دی الکتریک را افزایش می دهند.و باعث آسیب مکانیکی در سطح میکروسکوپی می شود.
خطر واقعی درختان آبی در "نگاه" آنهاست. آنها معمولاً به آرامی رشد می کنند، به چشم غیرمسلح نامرئی هستند و بلافاصله باعث خراب شدن نمی شوند.درختان آب می توانند به تدریج به درختان الکتریکی تبدیل شوندوقتی رطوبت و ناخالصی های کافی در ناحیه درخت آب جمع می شوند، تحریف میدان الکتریکی تشدید می شود.در نهایت باعث رشد سریع درختان الکتریکی می شود و باعث شکست عایق ناگهانی در طول کار می شود..
مهم است که توجه داشته باشید که در حالی که خشک کردن کابل می تواند به طور موقت مشکل را کاهش دهد، درختان آب به طور کلی به عنوان دائمی در نظر گرفته می شود و فقط با گذشت زمان بدتر می شود.
در یک مورد واقعی، یک درخت آب در نهایت باعث خراب شدن درخت برق شد، که منجر به هزینه مستقیم بیش از ۲۰۰ هزار دلار برای جایگزینی ۷۰۰ متر کابل شد.
درختان الکتروشیمی
درختان الکتروشیمیایی معمولاً با ناخالصی های موجود در مواد عایق مرتبط هستند.هنگامی که ناخالصی های غیر ارگانیک (مانند نمک و ذرات فلزی) در لایه عایق یا نیمه رسان باقی می مانند، آنها تحت تأثیر یک میدان الکتریکی تخریب الکتروشیمی را تجربه می کنند و ساختارهای مانند درخت را تشکیل می دهند. این ناخالصی های شیمیایی در میدان الکتریکی جدا می شوند وهمراه با مقدار کمی رطوبت، سرعت تخریب محلی را افزایش می دهد
تجزیه و تحلیل میکروسکوپی، حفره هایی را نشان داد که از ۱۵ تا ۱۵۰ میکرومتر در اندازه در لایه نیمه رسانا هستند.این حفره ها از لحاظ فضایی با نقاط شروع دندریت های الکتروشیمی مرتبط هستند، و ناخالصی های NaCl نیز در اطراف آنها وجود داشت.
III. نقص های اولیه وارد شده در طول تولید
نقص های اولیه وارد شده در طول تولید ضعف های ذاتی کابل هستند.کنترل ناکافی فرآیند در طول اکستروزن عایق XLPE و پیوند متقابل می تواند چندین مشکل معمول را در عایق باقی بگذارد.
خالی ها
خال ها شایع ترین نوع نقص میکروسکوپی هستند. آنها به طور معمول به دلیل شکست محصولات تجزیه پروکسید های آلی (متان، استوفنون و غیره) ایجاد می شوند.) برای فرار کامل در طول پیوند متقابلاین حباب ها معمولا بین 15 تا 150 میکرومتر اندازه دارند.
مطالعات نشان می دهد که اندازه، تعداد، مساحت و توزیع حفره ها مستقیماً قدرت الکتریکی کابل را تعیین می کند.حفره های بزرگتر منجر به کاهش قابل توجهی در قدرت شکست AC می شوددر زیر ولتاژ کار، تخلیه جزئی در فضای خالی رخ می دهد و به تدریج مواد عایق اطراف را از بین می برد.
ناخالصی ها (ملوث کننده ها)
اگر محصولات جانبی متقاطع به طور کامل حذف نشوند یا اگر ناخالصی های خارجی (مانند گرد و غبار یا ذرات فلزی) به مواد عایق مخلوط شوند،این ناخالصی ها به نقاط ضعیف در عایق تبدیل می شوند.تحت تاثیر یک میدان الکتریکی، شارژ در اطراف ناخالصی ها تجمع می کند و باعث تمرکز میدان الکتریکی می شود و بنابراین پیری محلی را تسریع می کند.
پروترژیس های رسانا و ناهنجاری های لایه نیمه رسانا
اگر در لایه محافظ رسانای کابل ناهنجاری ها یا تپش ها وجود داشته باشد، آنها خود را در لایه عایق مانند "گودال ها" قرار می دهند." که قدرت میدان الکتریکی بسیار بالایی تحت ولتاژ عملیاتی تولید می کند، به نقطه شروع درختان الکتریکی تبدیل می شود. تجزیه و تحلیل شبیه سازی شکاف های هوایی کروی، سوراخ های سوزن،و ناهنجاری در لایه نیمه هادی داخلی پایانه های کابل نشان می دهد که این نقص ها باعث تغییرات قابل توجهی در قدرت میدان الکتریکی می شودبه عنوان مثال، یک شکاف هوا 2 میلی متری می تواند قدرت میدان الکتریکی را تا 2.45 × 106 V / mm در نزدیکی هادی تولید کند.
IV. مشکلات کیفیت در طول نصب و قرار دادن
اگر نقص های سازمانی "کمی های ذاتی" کابل ها باشند،پس مشکلات کیفیت نصب "سوء تغذیه به دست آمده" است و این مشکلات در کار روزانه کارکنان تعمیر و نگهداری شایع تر است.بر اساس آمار عملیاتی چندین شرکت شبکه برق بین المللی، لوازم جانبی و مفاصل کابل شایع ترین منابع خرابی هستند.
خرابی لوازم جانبی: یک گزارش تجزیه و تحلیل جامع منتشر شده در سال 2025 در مورد علل خرابی کابل های 35kV XLPE نشان می دهد که خرابی های پایانی 58٪ از تمام حوادث خرابی را تشکیل می دهند.شکست های اصلی عایق بندی برای 32٪، و عوامل خارجی برای 10٪.
در یک مورد دیگر از یک اپراتور شبکه برق واقعی، ۲۴ ایستگاه فرعی ۱۲۹ کابل برق 10kV و ۳۵kV XLPE را کار می کردند.تجزیه و تحلیل داده های عملیاتی نشان داد که خرابی ها عمدتاً به دلیل پیری الکتریکی است، پیری حرارتی و آسیب مکانیکی که بخش قابل توجهی از آن به طور مستقیم با کیفیت نصب لوازم جانبی (جفت ها و پایان ها) مرتبط بود.
مجموعه ای دیگر از آمار این روند را تایید می کند: در گزارش بررسی مربوط به 6،214 خطای کابل (2010-2020) ،خطاهای عایق کابل 57٪ را تشکیل می دهد (که کابل های XLPE عمدتاً توسط درختان آب ایجاد شده است)، خطاهای اتصال کابل 23٪، آسیب های حفاری توسط شخص ثالث 11٪ و خطاهای زیر ایستگاه ثانویه 9٪ را تشکیل می دهد.
ساخت نادرست مفاصل
کار نادرست در طول ساخت اتصال کابل یک عامل مهم در ایجاد نقص است. مشکلات رایج عبارتند از: قطع نامناسب لایه نیمه رسانا،خراش ها یا پارگی ها در سطح عایق XLPEاز بین بردن ناقص مواد خارجی باقی مانده، شکاف های هوا بین رابط های عایق و پیچیدن نادرست هادی.یک مطالعه نشان داد که حتی خراش های کوچک بر روی سطح عایق یا ذرات نیمه رسانا باقی مانده یا گرد و غبار فلزی می تواند تمرکز استرس الکتریکی محلی را بر روی سطح عایق ایجاد کند، که باعث ترشحات جزئی می شود.
نفوذ رطوبت
نفوذ رطوبت یکی دیگر از خطرات دست کم گرفته شده است. در محیط های زیرزمینی، اگر پوشش کابل در طول نصب آسیب ببیند یا مفاصل به خوبی بسته شوند،آب های زیرزمینی می توانند به تدریج به لایه عایق نفوذ کنندوقتی رطوبت وارد مفصل شود، با میدان الکتریکی ترکیب می شود تا خوردگی الکتروشیمی و رشد درخت آب را ایجاد کند.
مطالعات نشان داده اند که وقتی مقدار رطوبت عایق XLPE به 0.1٪ برسد، ضریب از دست دادن دی الکتریک آن به بیش از سه برابر حالت خشک افزایش می یابد.که منجر به اتلاف انرژی و افزایش درجه حرارت غیر طبیعی می شود..
بنابراین، آزمایش عملکرد عایق باید قبل از راه اندازی کابل، پس از بازسازی پایان ها یا مفاصل میانگین و پس از شک به آسیب پوشش و ورود آب انجام شود.اندازه گیری نسبت مقاومت سپر مس به مقاومت هادی یک مرحله حیاتی است.
کیفیت قرار دادن
فرآیند قرار دادن در محل نیز بر عمر کابل تأثیر می گذارد. اگر کابل فراتر از حداقل شعاع خم مشخص شده قرار گیرد، ممکن است فشار نامتناسبی در عایق ایجاد شود،که منجر به آسیب مکانیکی و پیری ترکیبی الکترومکانیکی در طول زمان می شودعلاوه بر این، طول خاصی از کابل باید اختصاص داده شود تا در صورت تصادف امکان بازسازی پای کابل را فراهم کند.
V. فشارهای محیطی در طول عملیات
پیری گرمی
در طول کار عادی، دمای کار هدایت کننده کابل های XLPE به طور معمول 90 °C است (دمای کار مجاز طولانی مدت XLPE).هنگامی که کابل ها در شرایط بیش از حد برای مدت طولانی کار می کنند، یا در محیط هایی که انتشار گرما ضعیف است (مانند تاسیسات لوله های متراکم) ، دمای عایق به طور مداوم ممکن است از مقدار طراحی بیشتر باشد.
پیری حرارتی باعث تغییرات ساختاری در مواد عایق کننده می شود، از جمله شکستن زنجیره مولکولی، تشکیل رادیکال های آزاد، کاهش وزن مولکولی و قطعه بندی پلیمر،که منجر به تخریب برگشت ناپذیر مواد فیزیکی می شود.جمع آوری بار فضایی یکی از مکانیسم های کلیدی است که پیر شدن حرارتی بر کیفیت عایق تاثیر می گذارد: بار فضایی توزیع میدان الکتریکی را تحریف می کند.تشدید عدم یکسانی میدان الکتریکی، در نتیجه افزایش سرعت پیری عایق کابل و ایجاد خرابی زودتر.
مطالعات نشان داده است که در دمای پیری مرطوب 160 درجه سانتیگراد، توزیع بار فضایی در عایق پلیمر به طور مستقیم با تجزیه شیمیایی مرتبط است.,هر دو تراکم سطح گیر و تراکم بار فضایی به طور قابل توجهی افزایش می یابد، به این معنی که توانایی مواد عایق برای گیر گرفتن بار افزایش می یابد، عملکرد عایق را بیشتر کاهش می دهد.
رطوبت و خوردگی شیمیایی
علاوه بر درخت آبی که قبلاً ذکر شد، نفوذ رطوبت نیز یک نتیجه مستقیم دیگر دارد: خوردگی هادی مس.
در کابل های زیرزمینی که در تاسیسات صنعتی ساحلی یا مناطق رطوبت بالا کار می کنند،هادی های مس ممکن است به دلیل خوردگی مرتبط با سولفات سیاه شوند یا به دلیل ورود رطوبت اکسید سبز (verdigris) تشکیل دهند.
پیری ترکیبی با استرس های متعدد
در عملیات واقعی، پیری کابل های XLPE اغلب به دلیل یک عامل واحد نیست، بلکه به دلیل اثرات ترکیبی از استرس های متعدد: گرما، برق، استرس مکانیکی و رطوبت است.
به عنوان یک پلیمر نیمه بلوری، کابل های XLPE ناگزیر در طول کار دچار پیری تدریجی می شوند. این پیری ناشی از اثرات ترکیبی از استرس های مختلف زیست محیطی، از جمله چرخه حرارتی،قرار گرفتن در معرض رطوبتبا گذشت زمان، این عوامل به تدریج خواص دی الکتریک را تضعیف می کنند و در نهایت منجر به شکست عایق می شوند.
VI. چگونگی تشخیص و ارزیابی سلامت کابل های XLPE
در عملیات و نگهداری واقعی، روش های مختلفی وجود دارد که به تعیین اینکه آیا کابل های XLPE مشکلات ذکر شده را دارند، کمک می کند.
آزمایش ولتاژ مقاومت AC و تشخیص تخلیه جزئی
یک یادآوری بسیار مهم: کابل های XLPE نباید با استفاده از ولتاژ بالا DC آزمایش شوند.
دلیل این امر این است که در طول آزمایش ولتاژ مقاومت DC ، بار فضایی می تواند از طریق "درختان" موجود در عایق کابل به لایه عایق تزریق شود.مواد عایق XLPE دارای مقاومت بسیار بالا هستنداین بار باقیمانده باعث ایجاد یک میدان الکتریکی می شود که بر روی میدان الکتریکی AC کار می کند،باعث می شود که کابل پس از عبور از آزمون ولتاژ مقاومت DC و استفاده از آن، بیشتر در معرض خرابی قرار گیرد..
بنابراین، برای کابل های برق XLPE، توصیه می شود از ترکیبی از تست ولتاژ مقاومت AC و تشخیص تخلیه جزئی برای ارزیابی استفاده شود.
اندازه گیری مقاومت عایق بندی: اندازه گیری مقاومت عایق بندی عایق بندی کابل اصلی در تشخیص جذب رطوبت عایق کلی، تخریب کلی،و نقص های نفوذبا این حال، باید توجه داشته باشید که زمانی که پوشش بیرونی PVC یک کابل به طور مستقیم دفن شده در معرض غوطه ور شدن طولانی مدت در آب های زیرزمینی یا آسیب نیروی خارجی است اما شکست کامل ندارد،کاهش مقاومت عایق به تنهایی نمی تواند به طور مستقیم تعیین کند که پوشش بیرونی آسیب دیده و توسط آب نفوذ کرده است.
اندازه گیری از دست دادن دی الکتریک: همانطور که قبلاً ذکر شد، عامل از دست دادن دی الکتریک مواد عایق XLPE به طور قابل توجهی افزایش می یابد هنگامی که محتوای رطوبت به 0.1٪ برسد.اندازه گیری منظم از دست دادن دی الکتریک یک وسیله مهم برای نظارت بر جذب رطوبت و وضعیت پیری عایق است.
VII. چرا مشتریان خارجی باید به این مسائل توجه کنند
تا کنون، ما به طور مفصل در مورد مشکلات مختلفی که کابل های XLPE ممکن است در کاربردهای عملی روبرو شوند، بحث کرده ایم.
درک این مسائل به این معنا نیست که شما از استفاده از کابل های XLPE "ترسید". برعکس، این دانش مهندسی است که یک تولید کننده کابلی با تجربه باید به مشتریان خود ارائه دهد..حرفه ای بودن واقعی در مورد بسته بندی یک محصول به عنوان کامل نیست، بلکه در مورد دانستن شرایطی که محصول شکست می خورد، چرا شکست می خورد، و کمک به مشتریان برای جلوگیری از این مشکلات است.
برای مشتریان خارج از کشور، هنگام خرید یک دسته از کابل های XLPE، نگرانی شما این نیست که "آیا این کابل معیوب است؟" بلکه "اگر من آن را بر اساس مشخصات نصب و استفاده کنم،طول عمر انتظار شده اش چقدر است؟؟" "در طول عمل به چه سیگنال های غیرطبیعی باید توجه کنم؟" و "چه زمانی باید آزمایش های پیشگیرانه انجام شود؟"
یک تامین کننده که می تواند به این سوالات پاسخ دهد سزاوار اعتماد طولانی مدت است.
VIII. خلاصه
مشکلات رایج با کابل های XLPE را می توان به چندین سطح خلاصه کرد.
اساسی ترین مشکل این است که درختان الکتریکی، درختان آب و درختان الکتروشیمی سیگنال های پیش از خرابی هستند که قبل از خرابی عایق هستند.آنها به تدریج تمامیت مواد عایق را در سطح میکروسکوپی از بین می برند..
در طول مرحله تولید، نقص های اولیه مانند شکاف های هوا، ناخالصی ها و ناهنجاری ها در لایه نیمه رسانا ضعف های ذاتی در کابل ها هستند.منبع این نقص ها ممکن است به کنترل ناکافی بر فرآیند پیوند متقابل یا تمیز بودن مواد مرتبط باشد..
در طول مرحله نصب و قرار دادن، لوازم جانبی و مفاصل کابل سخت ترین مناطق آسیب دیده برای خرابی هستند. خرابی های پایانی 58٪ و خرابی های مفصل 23٪ را تشکیل می دهند.ساخت نادرست مفصل، نفوذ رطوبت و شعاع های خم شدن کابل بیش از حد کوچک عوامل مشترک کمک کننده هستند.
در طول مرحله کار، پیری حرارتی باعث سرعت تخریب عایق می شود، در حالی که رطوبت و خوردگی شیمیایی به لایه محافظ و هادی آسیب می رساند.اثر تجمعی استرس های متعدد منجر به خرابی نهایی می شود.
در طول طول عمر آن، آسیب عایق عامل اصلی شکست کابل XLPE است که 86.7٪ از تمام شکست ها را تشکیل می دهد.و کشش سطح، حالت های اصلی شکست مواد عایق XLPE هستند.
از نظر آزمایش، آزمایش ولتاژ مقاومت DC از کابل های XLPE باید اجتناب شود؛ در عوض، آزمایش ولتاژ مقاومت AC در ترکیب با آزمایش تخلیه جزئی قابل اطمینان تر است.
اگر در حال حاضر از کابل های XLPE استفاده می کنید یا در حال خرید آن هستید، توصیه می شود که بر سه جنبه کلیدی تمرکز کنید:گزارش بازرسی کیفیت قبل از تحویل (به ویژه نتایج آزمایش تخلیه جزئی)کیفیت لوازم در طول نصب (انتخاب یک تیم ساخت و ساز واجد شرایط)و روش های نظارت بر وضعیت در طول کار (بررسی های منظم مانند تصویربرداری حرارتی مادون قرمز و تشخیص تخلیه جزئی).
