آینده ی طراحی کابل ها و تجهیزات جانبی آن، فشار متوسط به فوق فشار قوی

در حالی که پیش بینی کلیه روندها و تحولات مربوط به کاربردهای بعدی کابل های برق زیرزمینی دشوار است، اما می‌توان به طور منطقی پیش بینی نمود که سطح ولتاژ همچنان به ولتاژهای بالاتر افزایش خواهد یافت. در حال حاضر، مهمترین عامل در تصمیم گیری بین خطوط هوایی و کابل کماکان هزینه است و هنوز مورد قبول وسیله‌ای ارجح برای انتقال توان باقی مانده است. اما این اختلاف هزینه به دلیل داشتن و استفاده از مواد جدید و بهبود شرایط تولید، به نفع کابل در حال تغییر می‌باشد. در عین حال، سایر معیارهای تصمیم گیری اهمیت بیشتری پیدا می‌کنند، از جمله زیبایی شناسی، قابلیت اطمینان شبکه، قوانین و مقررات دولت‌ها و مخالفت عمومی با خطوط هوایی. به خصوص در مناطق شهری ، جنبه زیبایی شناسی اهمیت بیشتری خواهد یافت. به طور فزاینده ، خطوط هوایی فشار متوسط در شبکه های شهری ناپدید می شوند در حالی که احتمالاً سهم خطوط هوایی در مقایسه با کابل ها در مناطق روستایی نیز کاهش می یابد. دلیل این امر، قابلیت اطمینان بیشتر است. میزان و نرخ قطع برق کابل های جدید XLPE بسیار برجسته است و بسیار برتر از کابل‌های PE قدیمی یا کابل هایی با عایق کاغذی و همچنین بهتر از یک خط هوایی فشار متوسط می‌باشد (به جدول ۱ مراجعه کنید).

جدول ۱ میانگین ارزش در دسترس نبودن را با نرخ کابل در کشورهای هلند ، آلمان ، ایتالیا و اسپانیا مقایسه می کند و آشکار می سازد که نرخ کابل شبکه فشار متوسط بالاتر دارای نفوذ زیادی در قابلیت اطمینان سیستم است. در واقع، سوئد با هدف کاهش تأثیر حوادث و شرایط آب و هوایی دشوار، افزایش استفاده از کابل فشار متوسط خود را آغاز کرده است. به همین دلیل سهم کابل فشار متوسط به افزایش خود ادامه خواهد داد.

با این حال، وضعیت در سطح ولتاژ فشار قوی و فوق فشار قوی کاملاً متفاوت است. به دلیل هزینه بالاتر ، خطوط هوایی، همچنان سیستم انتقال قدرت برای انتقال توان باقی خواهند ماند. هنوز هم در کلانشهر‌های معین ، برنامه های کاربردی کابل تا سطح ولتاژ ۴۰۰ کیلوولت برای قسمت هایی از سیستم ادامه خواهد یافت و تعداد پروژه هایی از این دست افزایش می‌یابد. گزینه دیگر استفاده از خطوط عایق بندی شده با گاز (GIL) است. اما در حالی که GIL مزایای کابل فوق فشار قوی را با ظرفیت خط هوایی فوق فشار قوی به صورت ترکیبی دارا می‌باشد، اما هزینه سرمایه گذاری بسیار بالاتری نسبت به کابل دارد.

در دسترس نبودن و نرخ کابل‌های فشار متوسط در کشور هلند، آلمان، ایتالیا و اسپانیا

طراحی کابل
طراحی کابل‌های ولتاژ متوسط می‌تواند به طور منطقی بالغ تلقی شود. با این وجود ، به دلیل وجود تعداد بالا و متفاوت ساخت کابل‌هایی که در سراسر جهان مورد استفاده قرار می‌گیرد ، این صنعت را ملزم می‌کند تا به برخی از طرح های استاندارد ، بدون نیاز به تعمیرات و نگهداری و سازگار با محیط زیست، همگرا شود. از میان تقریباً ۱۰۰ نوع کابل فشار متوسط مختلف که در حال حاضر در دسترس است، می‌توان از مس یا آلومینیوم و یا آلومینیوم محکم شده استفاده کرد. ماده‌ی عایق می تواند XLPE یا EPR باشد که دارای یک لایه نیمه رسانا خارجی کاملاً باند شده یا قابل لایه برداری شدن است. صفحه کابل می‌تواند یک سیم مسی یا صفحه نوار یا یک صفحه آلومینیومی چند لایه باشد که توسط یک غلاف خارجی ساخته شده از PVC یا PE پوشانده شده است. یک سیستم فشار متوسط می‌تواند از سه کابل تک هسته ای یا یک کابل سه هسته ای تشکیل شود. در مورد حالت دومی، پوش سیم فولادی رایج است. انتخاب در بین این ساختار‌های گوناگون موجود برای کابل جایگزین، بستگی به سنت و همچنین متغیرهای محلی و اقتصادی دارد.

برخی از کابل های مختلف فشار متوسط موجود مختلف در سراسر اروپا.

نمونه هایی از ساخت های مختلف کابل فشار متوسط AC.

طرح های کابل فشار متوسط و فوق فشار قوی AC همچنین می‌توانند در واقع بالغ تلقی شوند. در اینجا ، هادی از جنس آلومینیوم یا مس رشته‌ای است و مواد عایق آن XLPE است و همیشه با یک لایه نیمه رسانا بیرونی کاملاً باند شده است. صفحه می‌تواند یک غلاف یا آلومینیوم جوش داده شده ، صفحه مسی سیمی و یا ترکیبی از صفحه مسی سیمی و روکش آلومینیومی چند لایه باشد.

راه حل کابل زیر دریایی AC جایگزین سه هسته‌ای.

برای اتصال در زیر دریا و اتصال بیشتر و بیشتر مزرعه‌های بادی ساحلی به شبکه ، کابل‌های زیردریایی AC و DC در حال افزایش هستند و این امر در مورد کابل های زمینی DC نیز صدق می‌کند. کابل زیر دریایی سه هسته ای برای برنامه های AC و کابل های تک هسته ای برای کاربردهای DC استفاده می‌شود.
قیمت و مزایای وزنی آلومینیوم در سطح ولتاژ متوسط دلیل اصلی افزایش استفاده از رساناهای آلومینیومی محکم شده است. در برخی موارد ، ضریب وزنی هادی‌های آلومینیومی، کاربرد فشار متوسط و همچنین برخی از برنامه های کابلی زیر دریایی را حمایت می‌کند. اما در سیستم فوق فشار قوی، یک هادی آلومینیومی برای رسیدن به همان ظرفیت انتقال برای سیستم کابلی به مواد عایقی بسیار بیشتری احتیاج دارد. به همین دلیل است که مس ماده‌ی رسانای ارجح، به ویژه برای محدوده بالای مقاطع باقی مانده است. به منظور کاهش اثر پوستی در کابل های AC ، رشته های عایق بندی شده به صورت جداگانه و تحت عنوان “رسانای Milliken” یا سیم های لعاب داده شده مورد استفاده قرار می‌گیرد و ممکن است به اتصال دهنده‌های خاصی احتیاج داشته باشد.
مواد عایقی برای کابل‌های فشار متوسط بطور عمده XLPE و EPR با استفاده روزافزون از پلی پروپیلن به عنوان نوعی عایق کابل “سبز” می‌باشد. حد عایق EPR در سطح فشار متوسط به دلیل ضریب تلفات آن است که بسیار بیشتر از XLPE است. کابل های پلیمری فشار قوی DC و فوق فشار قوی AC تنها از نوع XLPE خواهند بود، در حالی که برخی از کابل‌های زیردریایی فوق فشار قوی DC همچنان شاهد استفاده از عایق مخصوص آغشته به کاغذ هستند.
به دلایل کاهش هزینه ، انتظار می رود طراحی صفحه کابل فشار متوسط به سمت صفحه های آلومینیومی روکش شده برود. در مورد کابل‌های فشار قوی ، ترکیبی از صفحه‌ی سیم مسی و آلومینیومی روکش شده یک راه حل بهینه و نصبی مناسب به شمار می‌رود. برای کاهش تلفات صفحه در کابل های تک هسته ای، اتصال به صفحه از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است و یک صفحه سیمی یک راه آسان برای خارج کردن صفحه از اتصالات می باشد. ترمینال‌هایی با شش صفحه‌ خارجی را می‌توان به یک جعبه اتصال صفحه وصل نمود. برای اعمال اتصال متقاطع برای سایر صفحه ها، یک دستگاه ارتباطی اضافی مورد نیاز است که این خود نصب را پیچیده تر می‌کند.

راه حل کابل زیر دریایی تک هسته ای DC
استفاده از کابلهای ابررسانای با درجه حرارت بالا برای ولتاژی با سطح متوسط و فشار قوی از مرحله اولیه به نصب اولیه میدانی رسیده است. به عنوان مثال ، یک کابل کواکسیال سه هسته‌ای ۱۰ کیلوولت با طول یک کیلومتر و جریان نامی ۳۱/۲ کیلو آمپر در اسن آلمان نصب شده است.

اتصالات
اتصال هادی‌های کابل را می‌توان با لحیم کاری یا جوشکاری یا با استفاده از اتصالات فشرده یا نوعی پیچ برشی انجام داد. از آنجا که گرما برای عایق XLPE اشکال به حساب می‌آید ، استفاده از فشرده سازی یا اتصالات مکانیکی در تمام سطح ولتاژ تبدیل به یک استاندارد قابل قبول شده است. برای کاربردهای فشار ضعیف و فشار متوسط، اتصال به کمک فشرده سازی کلاسیک به طور فزاینده ای توسط اتصال با پیچ برشی جایگزین می شود. با توجه به طیف وسیعی از اندازه، مواد و شکل های هادی کابل‌ها، مزیت اتصال دهنده مکانیکی مشهود است. اتصالات پیچ و مهره برش دار بیشتر در سیستم‌های فشار قوی و حتی فوق فشار قوی و برای مقاطع تا ۲۵۰۰ میلی متر مربع، هم اکنون در دسترس هستند و فناوری اتصالات همچنان در این جهت حرکت می‌کند.

مفصل اتصال متقاطع و جعبه‌ی صفحه اتصال برای کاربرد فشار قوی.

اتصال یکی از مهمترین اجزای سیستم است و می‌تواند موجب تخریب حرارتی عایق آن شود. به همین دلیل است که کانکتور باید به منظور به حداقل رساندن خطر خطاها هنگام نصب مورد استفاده قرار گیرد. یک اتصال دهنده مکانیکی بهتر از یک اتصال دهنده فشرده شده است و می‌تواند این نیاز را برآورده کند. هر نوع اتصال دهنده باید بتواند جریان نامی کابل و همچنین حداکثر جریان اتصال کوتاه شبکه را برای یک دوره زمانی معین و بدون اینکه بیش از حد گرم شود ، تحمل کند. این باید توسط آزمایش های طولانی مدت و همچنین اتصال کوتاه تأیید شود.

نمونه ای از کابل ابررسانا با قابلیت کار در دمای بالای ۱۰ کیلوولت (۴۰ مگاولت آمپر) که در اسن آلمان نصب شده است.

اتصالات و پیچ‌های مختلف برای ولتاژ فشار متوسط

آستین اتصال دهنده‌ی فشرده ساز قبل از فشرده سازی (۳۲۰۰ میلی متر مربع) و اتصالات پیچ برش دار (۲۵۰۰ میلیمتر مربع).

مفاصل اتصال
اتصال مستقیم، اتصال دو انتهای کابل تک یا سه هسته‌ای یکسان است. این شامل یک کانکتور، بدنه عایق، دستگاه کنترل تنش، اتصال صفحه و محافظت بیرونی در برابر رطوبت و آسیب مکانیکی می باشد. مفصل، اتصال دو کابل مختلف است که اغلب برای پیوند یک کاغذ و کابل عایق پلیمری استفاده می‌شود. در سطح فشار متوسط، اتصالات انقباض گرمایی امروزه به طور گسترده برای کاربردهای مشترک و مستقیم مورد استفاده قرار می‌گیرد. این موضوع احتمالاً در آینده نیز وجود خواهد داشت، زیرا این یک راه حل مقرون به صرفه، قوی و مناسب برای انواع و اندازه‌های مختلف کابل است. نقطه ضعف اصلی، تعداد قطعات و مراحل نصب گوناگون است.
اگر استفاده از کاربرد حرارتی امکان پذیر نباشد و یا اشکال دیگری در اتصال انقباض گرمایی وجود داشته باشد، استفاده از اتصال slip-on (یا انقباض سرمایی) نیز برای کاربردهای فشار متوسط متداول است. ماده ای که برای بدنه عایق مشترک استفاده می‌شود، می‌تواند یک تک قطعه یا یک تجهیز سه تکه‌ای باشد که به طور معمول سیلیکون یا EPDM است.

مراحل اصلی نصب اتصالات انقباض گرمایی.

EPDM مفصل تک قطعه‌ای slip-on (کنترل تنش هندسی با شکل بدنه‌ی مفصل).

برای کابل های فشار قوی وفوق فشار قوی، هیچ گونه کاربردی از اتصالات انقباض گرمایی وجود ندارد. در عوض، استفاده از بدنه عایق بندی شده از جنس سیلیکون یا EPDM از پیش ساخته شده، با توجه به کارآیی آن ضروری است و روند بازار رفتن از فناوری slip-on به فناوری انقباض سرمایی است. دلیل اصلی، نصب آسان تر لوازم جانبی کوچک و سرد است.
راه حل استفاده از یک تک قطعه پیچیده تر است، هم در تولید و هم در نصب و راه اندازی، و همچنین به یک موقعیت parking روی عایق کابل احتیاج دارد. با این وجود، می‌توان آن را کاملاً از قبل آزمایش کرد. فن آوری انقباض سرمایی، مزیت تجهیز تک قطعه عایق بندی شده از پیش آزمایش شده را با یک روش نصب آسان ترکیب می‌کند.
برای محافظت در برابر رطوبت و حفاظت مکانیکی اتصالات ، امروزه از اجزای انقباض گرمایی یا پوسته های آغشته شده با رزین ریخته گری شده به همراه موانع ورود آب شعاعی فلزی استفاده می شود. استفاده از یک عنصر کنترل تنش در انتهای لایه نیمه رسانای بیرونی در کلیه اتصالات و ترمینال ضروری است. در مورد کابل-هایی با عایق پلیمری، دو راه حل متفاوت با طراحی و مواد مختلف توسط کاربران پذیرفته شده است که هر کدام دارای مزیت های متفاوت و محدودیت‌های کاربردی هستند – سیستم کنترل تنش هندسی کلاسیک که برای همه ولتاژ ها و کنترل تنش انکساری مناسب است و عمدتاً برای ولتاژهای فشار متوسط مورد استفاده قرار می‌گیرد.

مفصل انقباض سرمایی و slip-on فشار قوی.

ترمینال و اتصالات پلاگین
برای اتصال انتهای کابل‌ها به یک خط هوایی یا تابلوی برق یا ترانسفورماتور ، اتصالات و ترمینال پلاگین ضروری است. همه نوع فن آوری‌های نصب در سطح ولتاژ متوسط، از انقباض حرارتی گرفته تا Slip-on تا انقباض سرمایی استفاده می‌شود. برای کابل های فشار قوی XLPE، ترمینال کلاسیک در فضای باز با عایق چینی مجهز شده است. این نوع ترمینال دارای تجربه طولانی در خدمات رسانی بوده و مقاومت بسیار خوبی در برابر ردیابی، تابش و حمله پرندگان دارد. با این وجود، در سال‌های اخیر، محفظه های نوع کامپوزیتی به دلیل مزایایی مانند آبگریزی ، وزن کم ، مقاومت در برابر زلزله و حالت خرابی ایمن تر، سهم فزاینده‌ای از این برنامه را به خود اختصاص داده است. طراحی جدید ترمینال مخصوصا برای کابل‌های پلیمری شامل یک کنترل تنش و یک عایق کامپوزیت که با ژل سیلیکونی یا گاز عایق بندی شده است، می باشد.

ترمینال فشار متوسط برای کار در فضای باز.

نسل جدیدی از ترمینال‌ها ، ناشی از تجربه در ولتاژ های فشار متوسط، “نوع خشک” است و مزایای استفاده از آن نصب آسان تر ، مقاومت در برابر زلزله و انفجار و عدم نیاز به روغن زائد است.
به خصوص در ولتاژهای متوسط، کابل های زیادی به تابلو عایق شده با گاز SF6 وصل می شوند. در این حالت از اتصالات پلاگین استفاده می شود. دو سیستم پلاگین استاندارد در بازار وجود دارد: سیستم اتصال دهنده مخروط بیرونی که به طور گسترده در واحدهای اصلی حلقه‌ای فشار متوسط استفاده می‌شود. و دیگری سیستم مخروط داخلی مورد استفاده در پستهای اصلی فشار متوسط و همچنین برای کاربردهای ولتاژ بالا می‌باشد. سیستم دوم ، برای کاربردهای فشار قوی تا سطح ولتاژ ۴۰۰ کیلوولت، برای خاتمه دادن به اتصالات در فضای باز نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. پیش بینی می‌شود در تمام مقادیر ولتاژ به یکی از عناصر اصلی لوازم جانبی کابل در آینده تبدیل شود.

(الف) ترمینال فشار قوی با عایق چینی پر شده از مایع. (ب) ترمینال فشار قوی با عایق کامپوزیت پر شده با مایع. ج) عنصر کنترل تنش، عایق پر شده با ژل یا گاز. (د) ترمینال نوع خشک فشار قوی. (ه) ترمینال نوع خشک نوع فشار قوی انقباض سرمایی.

پلاگین های فشار متوسط و فشار قوی راه حل های اتصال. (الف) مخروط داخلی فشار متوسط. (ب) سیستم مخروط بیرونی فشار متوسط با عایق ، کنترل تنش و ساختار ارتباطی. (ج) سیستم مخروط داخلی فشار قوی با بوشینگ که شامل سیستم ارتباطی می باشد.