V moderních energetických systémech hrají kabely vysokého napětí zásadní roli. Od podzemních elektrických sítí ve městech až po dálkové přenosové vedení přes hory a řeky, kabely vysokého napětí zajišťují efektivní, stabilní a bezpečný přenos elektrické energie. Tento článek se podrobně zabývá různými technologiemi souvisejícími s kabely vysokého napětí, včetně jejich struktury, klasifikace, výrobního procesu, výkonnostních charakteristik, instalace a údržby.
1. Základní struktura vysokonapěťových kabelů
Vysokonapěťové kabely se skládají hlavně z vodičů, izolačních vrstev, stínící vrstvy a ochranné vrstvy.
Vodič je přenosový kanál pro proud a je obvykle vyroben z mědi nebo hliníku. Měď má dobrou vodivost a tažnost, zatímco hliník je relativně levný a lehký. Tyto vodiče mají obvykle podobu vícepramenných kroucených drátů pro zvýšení flexibility.
Izolační vrstva je klíčovou součástí vysokonapěťového kabelu, která hraje roli v prevenci úniku proudu a izolaci vodiče od okolního světa. Mezi běžné izolační materiály patří zesítěný polyethylen (XLPE), olejový papír atd. XLPE má vynikající elektrické vlastnosti, tepelnou odolnost a mechanickou pevnost a je široce používán v moderních vysokonapěťových kabelech.
Stínicí vrstva se dělí na vnitřní stínění a vnější stínění. Vnitřní stínění slouží k rovnoměrnému rozložení elektrického pole a k zabránění poškození izolační vrstvy lokálním výbojem; vnější stínění může snížit rušení vnějšího elektromagnetického pole na kabelu a také zabránit elektromagnetickému ovlivňování kabelu okolním světem.
Ochranná vrstva chrání kabel především před poškozením vnějšími faktory, jako je mechanické poškození, chemická koroze a vniknutí vody. Obvykle se skládá z kovového pancíře a vnějšího pláště. Kovový pancíř může poskytnout mechanickou pevnost a vnější plášť má vodotěsné a antikorozní funkce.
2. Klasifikace kabelů vysokého napětí
Podle napěťové úrovně lze kabely vysokého napětí rozdělit na kabely středního napětí (obecně 3–35 kV), kabely vysokého napětí (35–110 kV), kabely ultra vysokého napětí (110–500 kV) a kabely ultra vysokého napětí (nad 500 kV). Kabely různých napěťových úrovní se liší konstrukčním provedením, požadavky na izolaci atd.
Z hlediska izolačních materiálů existují kromě výše zmíněných kabelů z XLPE a olejového papíru také kabely z ethylen-propylenového kaučuku. Kabely z olejového papíru mají dlouhou historii, ale kvůli vysokým nákladům na údržbu a dalším důvodům byly postupně nahrazeny kabely z XLPE. Kabel z ethylen-propylenového kaučuku má dobrou flexibilitu a odolnost vůči povětrnostním vlivům a je vhodný pro některé zvláštní příležitosti.
3. Výrobní proces vysokonapěťového kabelu
Výroba vysokonapěťových kabelů je složitý a choulostivý proces.
Výroba vodičů vyžaduje nejprve natahování, kroucení a další procesy měděných nebo hliníkových surovin, aby se zajistila rozměrová přesnost a mechanické vlastnosti vodiče. Během procesu kroucení musí být prameny vodičů těsně uspořádány, aby se zlepšila vodivost vodiče.
Extruze izolační vrstvy je jedním z klíčových kroků. U izolační vrstvy XLPE se materiál XLPE extruduje za vysoké teploty a rovnoměrně se navíjí na vodič. Během procesu extruze musí být přísně kontrolovány parametry, jako je teplota, tlak a rychlost extruze, aby byla zajištěna kvalita a rovnoměrnost tloušťky izolační vrstvy.
Stínicí vrstva se obvykle vyrábí tkaním kovovým drátem nebo omíláním kovovou páskou. Výrobní procesy vnitřního a vnějšího stínění se mírně liší, ale oba musí zajistit integritu stínící vrstvy a dobré elektrické spojení.
Konečně, výroba ochranné vrstvy zahrnuje položení kovového pancíře a vytlačení vnějšího pláště. Kovový pancíř by měl pevně přiléhat ke kabelu a vytlačení vnějšího pláště by mělo zajistit hladký vzhled bez vad, jako jsou bubliny a praskliny.
4. Výkonové charakteristiky vysokonapěťových kabelů
Z hlediska elektrických vlastností musí mít vysokonapěťové kabely vysoký izolační odpor, nízké dielektrické ztráty a dobrý napěťový odpor. Vysoký izolační odpor může účinně zabránit úniku proudu, nízké dielektrické ztráty snižují ztráty elektrické energie během přenosu a dobrý napěťový odpor zajišťuje, že kabel může bezpečně fungovat ve vysokonapěťovém prostředí.
Pokud jde o mechanické vlastnosti, kabel by měl mít dostatečnou pevnost v tahu, poloměr ohybu a odolnost proti nárazu. Během instalace a provozu může být kabel vystaven natahování, ohýbání a působení vnějších sil. Pokud jsou mechanické vlastnosti nedostatečné, snadno dojde k poškození kabelu.
Důležitým aspektem je také tepelný výkon. Kabel během provozu generuje teplo, zejména při vysokém zatížení. Proto musí mít kabel dobrou tepelnou odolnost a musí být schopen normálně fungovat v určitém teplotním rozsahu bez problémů, jako je stárnutí izolace. Kabel XLPE má relativně dobrou tepelnou odolnost a může dlouhodobě fungovat i při vyšších teplotách.
5. Instalace a údržba kabelů vysokého napětí
Pokud jde o instalaci, je třeba nejprve naplánovat trasu, aby byla zajištěna rozumná a bezpečná trasa pokládky kabelu. Během procesu pokládky je třeba dbát na to, aby se zabránilo nadměrnému natahování, ohýbání a extruzi kabelu. Pro pokládku kabelů na dlouhé vzdálenosti se obvykle používají zařízení, jako jsou kabelové dopravníky, které pomáhají při stavbě.
Výroba kabelových spojek je klíčovým článkem v instalačním procesu. Kvalita spoje přímo ovlivňuje provozní spolehlivost kabelu. Při výrobě spojek je třeba kabel odizolovat, vyčistit, připojit a izolovat. Každý krok je nutné provést striktně v souladu s procesními požadavky, aby bylo zajištěno, že elektrické a mechanické vlastnosti spoje splňují požadavky.
Údržba je nezbytná pro dlouhodobý stabilní provoz kabelů vysokého napětí. Pravidelné kontroly mohou včas odhalit, zda není poškozen vzhled kabelu nebo plášť. Zároveň lze pomocí testovacích zařízení otestovat izolační vlastnosti a částečné vybití kabelu. Pokud se zjistí problémy, měly by být včas opraveny nebo vyměněny.
6. Poruchy a detekce vysokonapěťových kabelů
Mezi běžné poruchy vysokonapěťových kabelů patří porucha izolace, odpojení vodiče a selhání spoje. Porušení izolace může být způsobeno stárnutím izolace, částečným výbojem nebo vnějším přepětím. Odpojení vodiče je obvykle způsobeno mechanickou vnější silou nebo dlouhodobým přetížením. Selhání spoje může být způsobeno špatným výrobním procesem spoje nebo silným zahřátím během provozu.
Pro detekci těchto poruch existuje mnoho detekčních metod. Detekce částečného výboje je běžně používaná metoda. Detekcí signálu generovaného částečným výbojem v kabelu lze určit, zda se uvnitř kabelu nacházejí izolační vady. Zkouška výdržným napětím dokáže detekovat výdržnou kapacitu kabelu a odhalit potenciální problémy s izolací. Technologie infračerveného termovizního zobrazování navíc dokáže detekovat rozložení teploty na povrchu kabelu, aby se zjistilo, zda kabel má problémy, jako je lokální přehřátí.
7. Aplikace a vývojový trend vysokonapěťových kabelů v energetických systémech
V energetických systémech se vysokonapěťové kabely široce používají při transformaci městských elektrických sítí, pro odchozí vedení velkých elektráren, podmořské kabelové přenosy a další oblasti. V městských elektrických sítích může použití podzemních kabelů kvůli omezenému prostoru ušetřit místo a zkrášlit město. Odchozí vedení velkých elektráren vyžaduje použití vysokonapěťových kabelů pro přenos elektřiny do vzdálených rozvoden. Podmořské kabelové přenosy mohou realizovat přenos energie přes moře a poskytovat stabilní dodávky energie pro ostrovy a pobřežní oblasti.
S neustálým rozvojem energetické technologie vykazují i kabely vysokého napětí určité vývojové trendy. Prvním je výzkum, vývoj a aplikace kabelů s vyššími napěťovými hladinami. S rostoucí poptávkou po přenosu energie na dlouhé vzdálenosti se vývoj kabelů ultra vysokého napětí stane středem zájmu. Druhým je inteligence kabelů. Integrací senzorů a dalšího zařízení do kabelu lze dosáhnout monitorování provozního stavu kabelu v reálném čase a varování před poruchami, čímž se zlepší provozní spolehlivost kabelu. Třetím je vývoj ekologických kabelů. S rostoucími požadavky lidí na ochranu životního prostředí bude výzkum a vývoj kabelových materiálů s nízkým znečištěním a recyklovatelnými materiály pro kabely budoucím vývojovým směrem.
Čas zveřejnění: 24. září 2024