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Vergleich von Kabelisoliermaterialien

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Anonim

XLPE isolierte Hochspannungskabel

Elektrische Isolationsmaterialien werden bei allen Spannungswerten über den metallischen Leitern von Erdkabeln verwendet. Polymere Materialien werden als die Isolierung verwendet, aber die Art des Polymers kann mit der Spannungsklasse variieren.

Da die Papierisolierung zuerst in der Energiewirtschaft verwendet wurde und später in Nieder- und Mittelspannungsanwendungen ersetzt wurde, verwendet jeder Vergleich der Eigenschaften gewöhnlich das Papier-Fluid-System als Standard.
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Übertragungskabel, die als Kabel definiert sind, die oberhalb von 46 kV arbeiten, haben traditionell Papier / Öl-Systeme als Isolierung verwendet. Das Papier wird als dünner Film über den Kabelkern gewickelt. Vor einigen Jahren wurde eine Variante dieser Papierisolierung entwickelt, bei der es sich um ein Laminat aus Papier mit Polypropylen (PPP oder PPLP) handelt.

Seit dem Aufkommen der Entwicklung synthetischer Polymere wurde Polyethylen (PE) als Isoliermaterial verwendet, und in den meisten Ländern (Frankreich ist die Ausnahme) war die Verwendung von Polyethylen auf die vernetzte Version (XLPE) beschränkt.

XLPE wird aufgrund seiner einfachen Verarbeitbarkeit und Handhabung als das Material der Wahl angesehen, obwohl Papier / Öl-Systeme eine viel längere Nutzungsgeschichte haben und viel mehr Information über Zuverlässigkeit vorhanden ist.

Hauptunterschiede zwischen Papier und Polyolefinisolierungen

Papier / ZellulosePolyethylen
NatürlichSynthetik
Kohlenstoff / Wasserstoff / SauerstoffKohlenstoff / Wasserstoff / Sauerstoff
Mehr polare / mittlere VerlusteWeniger polar, geringe Verluste
Ketten linearKetten verzweigt
FibrillenNicht-Fibrillen
Teilkristallin / Relativ konstantTeilweise kristallin / Variiert mit Grad eingesetzt
Keine Wärmeausdehnung beim ErhitzenSignifikante thermische Ausdehnung
Nicht vernetztNicht vernetzt
Thermischer Abbau durch Spaltung an schwacher BindungVerschlechtert sich bei schwachen Verbindungen

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Vernetztes PolyethylenEthylen-Propylen-Kautschuk
SynthetikSynthetik
Kohlenstoff / WasserstoffKohlenstoff / Wasserstoff
Weniger polar, geringe VerlusteVerluste aufgrund von Zusatzstoffen
Ketten verzweigt, vernetztKetten verzweigt, vernetzt
Nicht-FibrilleNicht-Fibrille
Etwas weniger Kristallin PEAm wenigsten kristallin von allen
Gleiche Wärmeausdehnung wie PEGeringe thermische Ausdehnung
VernetzteVernetzte
Verschlechtert sich bei schwachen VerbindungenWie XLPE

Diese Tabelle zeigt einen Vergleich der Eigenschaften von Papier, Polyethylen, vernetztem Polyethylen und Ethylen-Propylen-Kautschuk-Isolierungen. Nur das Papier ist ein natürliches Polymer und wird daher anders verarbeitet. Papier wird aus einer Holz- oder Baumwollquelle gewonnen.

Die synthetischen Polymere werden durch Polymerisation von aus Erdöl abgeleiteten Monomeren hergestellt. Alle bestehen aus Kohlenstoff und Wasserstoff, aber Papier enthält auch Sauerstoff. Letzteres liegt als funktionelle Hydroxyl- oder Ethergruppen vor. Sie tragen zu einem Maß an Polarität bei, das in den synthetischen Polymeren fehlt. (Polarität bedeutet erhöhte dielektrische Verluste.)

Von besonderer Bedeutung ist das Konzept der Wärmeausdehnung während des Erhitzens. Während alle synthetischen Polymere während des Erhitzens eine Wärmeausdehnung erfahren, tritt dies bei Cellulose nicht auf - obwohl das Öl dies tut. Wie diese Isolierungen auf Alterung reagieren, ist ein gut untersuchtes Thema, da es direkt mit der Zuverlässigkeit des Kabels nach der Installation und Erregung zusammenhängt. Wenn Cellulose abgebaut wird, geschieht dies an einer "schwachen Verbindung", dem Bereich der Sauerstoffbindung zwischen den Ringen. Wenn dies geschieht, wird der DP reduziert.

Auf der anderen Seite werden Polyolefine durch einen völlig anderen Mechanismus abgebaut - durch oxidativen Abbau an bestimmten Stellen.

Polyolefinen wird Schutz gegen Abbau verliehen, indem den Pellets vor der Extrusion ein Antioxidationsmittel zugesetzt wird. Beachten Sie, dass die Zugabe von Antioxidantien zu Öl, um deren Abbau zu verhindern, eher üblich ist. Ein weiterer Punkt sollte in der Grafik notiert werden: die unterschiedliche Reaktion der Isolationstypen auf DC-Tests. Die Gleichstromprüfung von Kabeln wurde traditionell durchgeführt, um den Zustand des Kabels zu bestimmten Zeiten während ihrer Verwendung zu ermitteln, beispielsweise vor der Spitzenlastsaison. Dies ist eine Technik, die vor vielen Jahren für PILC-Kabel übernommen wurde.

Dies wurde später auf extrudierte dielektrische Kabel übertragen. Forschung und Entwicklung haben in den letzten Jahren gezeigt, dass PE und XLPE durch den Einsatz eines DC-Tests geschädigt werden können, was bei Papierölsystemen nicht der Fall ist.

EPR-Kabel wurden nicht im gleichen Umfang untersucht, und es können derzeit keine Schlussfolgerungen über die Wirkung von DC-Tests auf die Isolierung gezogen werden.

oben

Vorteile von Polyethylen

  • Niedrige Permittivität (niedrige Dielektrizitätskonstante)
  • Geringes tan delta (geringer dielektrischer Verlust)
  • Hohe Anfangsdielektrizitätsfestigkeit

Vorteile von vernetztem Polyethylen (zusätzlich zu den oben genannten)

  • Verbesserte mechanische Eigenschaften bei erhöhter Temperatur
  • Kein Schmelzen über 105 ° C, aber thermische Ausdehnung tritt auf
  • Reduzierte Anfälligkeit für Wasserbäume

Vorteile von EPR

  • Reduzierte Wärmeausdehnung gegenüber XLP
  • Reduzierte Empfindlichkeit gegenüber Wasserbäumen
  • Erhöhte Flexibilität

Vorteile von PILC

  • Mangel an Empfindlichkeit gegenüber DC-Tests
  • Bekannte Geschichte der Zuverlässigkeit

Besondere Vorteile von synthetischen Polymerisolierungen gegenüber PILC

  • Reduziertes Gewicht
  • Zubehör leichter angewendet
  • Einfachere Reparatur von Fehlern
  • Keine hydraulischen Druck- / Pumpanforderungen
  • Reduziertes Risiko der Flammenausbreitung
  • Reduzierte Anschaffungskosten

Einige dieser Vorteile sind elektrisch und andere nicht. Es muss sorgfältig darauf geachtet werden, dass EPR mit XLPE mit TR-XLPE verglichen wird. Es gibt viele verschiedene EPR-Formulierungen.

Die Art der nicht-polymeren Additive einschließlich der Füllstoffe spielt eine Hauptrolle bei der Beeinflussung der Eigenschaften sowie der Art des Mischprozesses. Es ist klar, dass jede EPR-Formulierung höhere Verluste als ein nicht mit Mineralien gefülltes PE- oder XLPE-System haben wird. Einige EPR-Systeme können sehr hohe Verluste aufweisen. Dies kann den Widerstand gegen Wasserbildung beeinflussen. EPR-Systeme sind jedoch aufgrund ihrer fehlenden Kristallinität im Allgemeinen "weicher" und daher auf dem Feld - insbesondere bei sehr niedrigen Temperaturen - leichter zu handhaben.

Zu den Nachteilen von PILC gehört die Tatsache, dass Blei gewöhnlich als äußerer Mantel verwendet wird und die Motivation, Blei für neue Installationen nicht zu verwenden, sehr hoch ist. Papier ist auch sehr anfällig für Verschlechterung durch Feuchtigkeit.

Autor: Bruce S. Bernstein

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