Integrovaný spojovací systém pro kabely vn s plastovou izolací

Integrovaný spojovací systém pro kabely vn s plastovou izolací

Dipl.- Ing. Manfred Wilck, Dipl.-Ing. Wolfgang Haverkamp,
Výzkum a vývoj kabelových souborů Tyco, Electronics Raychem GmbH,
Divize silnoproud, Ottobrunn

1. Úvod

Navzdory nepřetržitým snahám o unifikaci kabelů stanovením odpovídajících norem se neustále používá velké množství jejich různých konstrukcí. Pro oslovení co největšího možného počtu zájemců při mezinárodních výběrových řízeních je často považováno za nezbytné předkládat omezující podrobné popisy konstrukcí. Ve specifikacích je tak popis výrobku (kabelu) často redukován např. na: „Jednožilový XLPE-kabel 150 mm Al, 12/20 kV podle IEC 60502-2 nebo CENELEC HD 620-1.„

Interpretace tohoto popisu může vést kromě jiného k těmto odchylkám v konstrukci:

• jádro: kruhové-plné (RE) nebo kruhové-lanované (RM); pro lanovaná jádra stupeň komprimování, tvrdost materiálu jádra a podélné utěsnění jádra proti vlhkosti,

• vnější polovodivá vrstva: nesloupatelná nebo snadno sloupatelná,

• stínění: průřez a konstrukce,

• plášť: bariéra proti radiálnímu pronikání vodních par, podélné těsnění proti vodě, plášť z PVC nebo HDPE, tloušťka pláště.

Nejsou-li k dispozici skutečné parametry, zvolit správné kabelové soubory je obtížné. Problematická jsou spojení jader a stínění. Stále ve větší míře je vyžadována dodávka kompletního souboru včetně spojovačů. Správná volba např. lisovacích spojovačů je opět poměrně nesnadná, protože údaje o jejich použití v praxi a standardu nářadí v místě montáže většinou nejsou k dispozici.

Tento článek popisuje spojovací systém pro jmenovitá napětí až do 36 kV (U_m = 42 kV), který řeší zmíněné problémy.

2. Požadavky

Ucelený spojovací systém musí splňovat tyto požadavky:

• použitelnost pro všechny konstrukce kabelů,
• jednoduchá a bezpečná montáž bez nutnosti speciálního školení montéra,
• montáž bez potřeby speciálního nářadí,
• krátká a kompaktní konstrukce pro pokládku nebo zatažení kabelu do průchodu, včetně namontovaných spojek,
• mechanická pevnost ekvivalentní plášťům HDPE pro pokládku i bez použití podsypu (pískového lože),
• použitelnost pro provoz do teploty jádra až 130 °C,
• rozsah použití pokrývající několik průřezů kabelů pro možnost přechodů průřezů a minimalizaci skladovacích nákladů,
• dodávky kompletních kabelových souborů včetně spojovačů jader a propojení stínění.

3. Popis spojky a jejích součástí (obr. 1)

Uvedené požadavky jsou splněny použitím vyzkoušených dílů, které již prokázaly svoji kvalitu dlouhodobě spolehlivým provozem. Minimální změny jejich rozměrů a montážního postupu podporují koncepci integrální spojky, kterou uživatelé rychle akceptují. Proto je stále vyšší počet spojek montován a uváděn do provozu.

Po náležité přípravě kabelů jsou elektrické pole řídicí trubice (výrobek zkoušený v praxi déle než dvacet let pro maximální úroveň napětí 72 kV) smrštěny na oba konce kabelů. Trubice spojuje vnější polovodivou vrstvu v místě jejího ukončení a celou délku izolace. Tím je odstraněno přechodné parkování dílů před montáží šroubovacího spojovače, což vede k vyšší bezpečnosti montáže. Pouze izolační tělo spojky a vnější ochranná trubice jsou přechodně uloženy na jednom z konců kabelu.

Součástí dodávaného vícerozsahového spojovače jsou šrouby s trhací hlavou. Ty jsou vhodné pro každý specifický průměr jádra. Zajišťují požadovanou kontaktní sílu, jež je nezávislá na konstrukci jádra a použitém kovu. Výška utržení šroubu je na úrovni těla spojovače.

Zde je třeba podotknout, že délka lisovacích spojovačů – zejména pro větší průměry jader – je velká. Délky izolací, určené třídou napětí, jsou v podstatě konstantní. To znamená, že délka spojovacího prvku určuje celkovou délku spojky. Spojky při použití vícerozsahových šroubovacích spojovačů jsou výrazně kratší, což je při montáži velmi výhodné.

Vodivá ovíjecí hmota s přesahem zakrývá spojovač a přilehlé části pole řídicí trubice. Zvolené mezní velikosti spojovačů umožňují jednodílné tělo spojky bezpečně uložit do prostoru mezi konci pláště kabelu a teplem ho smrštit. Hlavní část spojky, prověřovaná po desítky let, se skládá z koextrudovaného předepjatého elastomeru a vodivého teplem smrštitelného polymerového materiálu. Vlivem tepla vyvinutého při montáži je spolehlivě zajištěno smrštění elastomeru dokonce i po jeho dlouhodobém skladování.

Přímé spojky rovněž zaručují propojení stínění bez použití pájení či lisování. Uvedené propojení využívá kruhová pera a měděnou síťku. Díky tomu je možné realizovat univerzální spojení stínění kabelů tvořené z měděných drátů do průřezu až 50 mm², měděných pásek i hliníkových fólií. Měděnou síťkou je spojka v celé délce stíněna. Na tělo spojky je nakonec smrštěna vnější plášťová trubice, opatřená lepidlem, která potom přesahuje konce pláště kabelů do předem stanovené vzdálenosti. Její dostatečná délka je řešením ukončení dvojplášťů. Tak je zajištěno přiměřené utěsnění proti vnějším vlivům i mechanická ochrana.

4. Spojení jader

Spojení jader musí splňovat tyto požadavky (obr. 2):

• bezpečná montáž bez speciálního nářadí,
• použitelné pro hliníková i měděná plná, lanovaná, kruhová a sektorová jádra,
• použitelné pro podélně vodotěsná jádra a jádra obsahující impregnační hmotu,
• krátká, kompaktní konstrukce,
• optimální přizpůsobení průřezu spojovače rozsahu spojky (tab. 1),
• vhodné pro nouzový provoz při teplotě jádra 130 °C.

Tab. 1. Přehled velikostí spojovače EXRM-1260

Materiálem upínacího těla spojovače je slitina hliníku s dobrou vodivostí a dostatečnou pružností. Uspořádání otvorů se závity do tvaru písmene V umožňuje krátké vzdálenosti mezi šrouby a omezuje vzájemné působení kontaktního tlaku jednotlivých párů šroubů. Správná volba průměru šroubu vylučuje uvolnění jednotlivých drátů jádra. Jsou použity šrouby s trhací hlavou ze slitiny hliníku. Tak může být odstraněna zoxidovaná vrstva z jádra beze změny jeho potřebného průřezu. Jemný závit se stoupáním 1 mm vyvíjí velký kontaktní tlak s příznivým trhacím momentem. U lanovaných jader je vysoký kontaktní tlak nezbytný pro dostatečnou paralelní vodivost mezi dráty jádra.

Pro dosažení odpovídající osové polohy malých jader je použita vložka vhodná pro vnitřní průměr těla spojovače a jádra. Vložka je vedena pomocí dvou drážek, které zajišťují její správnou polohu. Vnitřní povrch těla spojovače a vložky je opatřen drážkováním, proto mohou při montáži proniknout skrz vrstvy oxidu hliníku.

Spojovače jsou dodávány s již nanesenou vrstvou kontaktní vazelíny, nenarušující izolaci jádra kabelu. Vazelína zamezuje opětnému vzniku oxidačních vrstev a podporuje dlouhodobou stálost kontaktu.

5. Zkoušení spojení jader

Standardizace zkušebních postupů pro spojení jader dosud není považována za dokončenou.

V tab. 2 jsou uvedeny údaje ze srovnání zkušebních kritérií norem pro spojovače používaných v současné době.

Tab. 2. Srovnání zkušebních norem pro spojovače a jejich hlavní kritéria; T_c – teplota jádra, T_con – teplota spojovače

Tab. 3. Zkušební napětí včetně doby trvání zkoušky a maximální dovolené částečné výboje pro napěťovou hladinu U⁰/U (U^m) = 12/20 (24) kV (spojky)

Norma IEC 61238-1:1993 (třída A) je nyní celosvětově preferovaným standardem pro spojení jader kabelů. Je projednáván požadavek mnoha uživatelů na rozšíření tohoto dokumentu o zkoušku pro ověření chování při přetížení.

Od roku 1999 existuje doplněný návrh IEC 61238, verze 2, stejně tak i shodný návrh CENELEC prEN 61238-1:2001. Ty omezují použitelnost spojovačů pro kabely do 36 kV (U_m = 42 kV) a umožňují v průběhu zkoušky více zvýšit přechodový odpor spojovače (zvýšení maximálního koeficientu odporu l z 1,5 na 2,0). Avšak zamýšlené omezení požadavků se nesetkává pouze s kladným ohlasem.

V zájmu hodnocení dlouhodobých parametrů a chování byl pro zkoušení spojovače EXRM-1260 při přetížení rozšířen požadavek IEC o další cyklické zatěžování při teplotě spojovače 100 a 130 °C a o další zkraty při maximální teplotě jádra 330 °C.

Postup zkoušení:

1. 200 cyklů, teplota spojovače 100 °C,
2. 4 zkratové zkoušky, teplota jádra 330 °C,
3. 2 zkratové zkoušky, teplota jádra 250 °C,
4. 800 cyklů, teplota spojovače 100 °C,
5. 250 cyklů, teplota spojovače 130 °C,
6. 350 cyklů, teplota spojovače 100 °C,
7. 6 zkratových zkoušek, teplota jádra 250 °C,
8. 800 cyklů, teplota spojovače 100 °C.

Během zkušebních sekvencí 1, 4 a 5 byla řízena teplota spojovače. V sekvencích 6 a 8 byla řízena teplota jádra (obr. 3).

Podle tohoto postupu byly zkoušeny spojovače typu EXRM-1260 120/240 na lanovaných, komprimovaných hliníkových jádrech o průřezu 240 mm².

V uvedeném uspořádání, kdy je rozdíl hmot spojovače a jádra malý a paralelní vodivost jádra se zvětšuje s vyšším počtem vrstev drátů, jsou požadavky na spojovače nejvyšší.

Požadavky podle IEC 61238-1:1993, tabulka 2, byly splněny i při zmíněné přísnější zkoušce. Při velikosti 1,1 byla maximální hodnota l výrazně pod dovolenou hodnotou 1,5. (obr. 4).

Na konci zkoušky byla teplota spojovače o 20 °C nižší než teplota měřená na referenčním jádru.

Graf na obr. 5 ukazuje teploty naměřené během zkratového zatížení a okamžitě po něm. Teplota spojovače dosáhla pouze 75 °C, zatímco jádro mělo požadovanou teplotu 250 °C.

Další zkoušky s jinými průřezy jader, přechody průřezů a měděnými jádry byly vedeny podle IEC 61238-1:1993. Podrobné údaje z nich jsou obsaženy v příslušných zkušebních protokolech.

6. Zkoušky kompletního spojovacího systému

Standardizace zkušebních postupů pro kabelové soubory vn je národně i mezinárodně považována za ukončenou.

V tab. 3 jsou ukázány údaje při porovnávání zkušebních napětí a doby jejich trvání v normách používaných v současné době pro zesítěné izolace kabelů (XLPE, EPR) – pořadí v tabulce je náhodné.

Zkušební normy CENELEC jsou platné pro všechny státy Evropského společenství, Norska, Švýcarska, Malty a České republiky i Slovenska a budou akceptovány i dalšími zeměmi střední a východní Evropy; normy IEC jsou používány mezinárodně. V Severní a Jižní Americe jsou preferovány dokumenty IEEE.

Tyto tři typy standardů jsou srovnatelné z hlediska zkušebních postupů a poměrů zkušebních napětí v nich uvedených. Výrazně se však odlišují ohledně doby trvání zkoušek cyklickým zatížením: CENELEC – 1 008 h, IEC – 504 h, IEEE – 720 h.

Typové zkoušky kabelových souborů nejsou zkoušky životnosti. Pro stanovení životnosti – v současnosti je očekávána provozní životnost alespoň 40 let – jsou nezbytné dlouhodobé zkušební cykly při působení nepříznivých vlivů okolního prostředí.

V 70. letech dvacátého století byla zjištěna velmi vysoká poruchovost u typově zkoušených kabelů s izolací PE a XLPE. Aby nedocházelo k podobným situacím, byl uživateli a potřebami průmyslu dán podnět k vytvoření normy pro dlouhodobé provozní zkoušky, které předepisují dvouleté zkušební období.

V tab. 4 je přehled typů dlouhodobých zkoušek kabelů, jež jsou nyní používány.

Tab. 4. Porovnání dlouhodobých zkoušek

Spojka musí být pokládána za krátkou část kabelu. Z toho logicky vyplývá, že i spojky by měly úspěšně procházet obdobnými zkouškami životnosti. Dlouhodobá zkouška popsaná v následujícím textu byla vykonána jako zkouška s cyklickým zatížením. Vzhledem k vyšším požadavkům zkoušky lze akceptovat zkrácení zkušebního cyklu na jeden rok. Závěrečné elektrické zkoušky by měly vyhovět alespoň požadavkům podle CENELEC HD629.1.S1 na napěťové úrovni 12,7/22 (24) kV pro střídavé, stejnosměrné a impulsní napětí a částečné výboje.

Zkoušené vzorky: čtyři spojky, typ POLJ-24/1 × 120 až 240 se šroubovacími spojovači typu EXRM-1260 a propojením stínění pomocí kruhových per.

Spojky byly montovány ve zkušebně. Pro možnost vyhodnocení jejich bezpečného použití byly zkoušené vzorky instalovány různými montéry.

Kabel:

• typ NA2X2Y, 12/20 kV, 1 × 240 RM/25,
• jádro Al 240 mm², lanované, Ć 18,5 mm,
• vnitřní polovodivá vrstva: vytlačovaná,
• vnější polovodivá vrstva: vytlačovaná, nesloupatelná,
• stínění: měděné dráty, 40 drátů, 0,8 mm, 25 mm,
• plášť: PE, tloušťka 2,5 mm, vnější 40, 50 mm.

Předběžné zkoušky
Pro tento test byly použity vzorky, které byly předtím zkoušeny v náročnějších typových zkouškách:

1. typová zkouška CENELEC podle HD628.S1 a HD629.1.S1, hladina napětí 12,7/22 (24) kV,
2. 100 teplotních cyklů podle HD628.S1, část 9, ve vzduchu, ale při teplotě jádra 130 °C.

Uspořádání zkoušky
Zkoušené vzorky byly vybaveny novými kabelovými uzávěry, které umožňovaly průnik vody (voda z vodovodního kohoutku) do jader (obr. 6). Na obou stranách spojky byly odstraněny pláště v délce přibližně 5 cm tak, že voda mohla pronikat mezi pláštěm a žílou. Spojky byly zkoušeny pod vodou (voda z kohoutku). Úroveň vody byla nastavena na 8 ±3 cm nad povrchem spojky.

Dlouhodobá zkouška
Hodnoty výsledků dlouhodobé zkoušky jsou uvedeny v tab. 5. Po dokončení všech zkoušek byly testované vzorky rozebrány. Všechny komponenty byly v přijatelném stavu. Dokonce i v části namáhání velkou intenzitou elektrického pole izolace kabelu nevykazovala žádné zásadní změny (obr. 7).

Tab. 5. Dlouhodobá zkouška

Ani koroze v oblasti spojovače nebyla zjištěna. To je výsledek řešení konstrukce využívající jednoho kovu (šrouby a tělo jsou z hliníkové slitiny). Tak se tedy zamezuje vzniku elektrochemických potenciálů.

7. Zkušenosti z praxe

Od poloviny 90. let dvacátého století byl popisovaný kompletní spojovací systém používán v distribučních sítích na celém světě. Doposud bylo namontováno více než 96 000 spojek zmiňovaného typu. Tento údaj zahrnuje přechodové spojky pro spojení kabelů s plastovou izolací s kabely s papírovou izolací a olověným pláštěm, spojky na přechodech průřezů a spojení kabelů různých tvarů jader a materiálů.

Výrobky byly často montovány v extrémních klimatických podmínkách a při působení nepříznivého vnějšího prostředí:

V trvale zamrzlých oblastech byly v průběhu montáže naměřeny teploty až –20 °C. V tomto případě zejména hořák prokázal, že je velmi užitečným nářadím pro přípravu kabelů. V uvedených podmínkách nemůže být také dosaženo odpovídající kvality zasypání kabelového výkopu. Spojka prokázala, že je rovněž velice odolná proti mechanickému působení při opětném zasypávání výkopu.

V tropech byly spojky montovány v podmínkách vysoké vlhkosti, v silných deštích a zčásti při vysokých úrovních hladiny spodní vody. V pouštních oblastech zase extrémně jemný písek často komplikuje montáž. Montážní stany, které se občas používají ve střední Evropě, mnohdy nejsou k dispozici. Pro instalaci v tak nepříznivých podmínkách je krátká doba montáže pro její kvalitní provedení velmi důležitým faktorem.

V rámci shrnutí lze konstatovat, že splnění požadavků kladených na vývoj a konstrukci popisovaných souborů – uvedených v části 2 – bylo úspěšně potvrzeno jejich použitím v praxi. Nová koncepce spojek je v souladu s novými trendy postupu montáže a provozu.