Stożek naprężeniowy (stress cone) przy głowicy kablowej średniego napięcia — dlaczego przycięty ekran sam w sobie tworzy problem pola elektrycznego

Poradnik o mufach kablowych omawia budowę mechaniczną i wymagania uszczelniające (zgodnie z IEC 61442) kompletnego połączenia między dwoma końcami kabla. Ten artykuł omawia leżący u podstaw problem, który musi zostać rozwiązany przy każdej głowicy kablowej średniego napięcia — i przy każdej mufie — niezależnie od zastosowanego typu mufy czy głowicy: silną koncentrację pola elektrycznego powstającą w miejscu, gdzie przewodzący ekran kabla zostaje przycięty, oraz techniki (zgrupowane pod pojęciem sterowania naprężeniem, stress control) służące jej usunięciu. IEC 60502-4 określa wymagania badawcze dla osprzętu kablowego — głowic, muf i złączy rozłącznych — dla kabli o napięciu znamionowym od 6 kV do 30 kV włącznie.

Dlaczego ekran kabla w ogóle utrzymuje pole równomiernym

Kabel średniego napięcia z izolacją wytłaczaną (na przykład XLPE) ma przewodzący ekran otaczający izolację, utrzymywany na potencjale ziemi. Dopóki ten ekran w pełni i w sposób ciągły otacza izolację, pole elektryczne między żyłą (pod wysokim napięciem) a ekranem (na potencjale ziemi) pozostaje promieniowe i równomiernie rozłożone — dokładnie ten rozkład pola, dla którego zaprojektowano grubość izolacji kabla.

Problem: skoncentrowane pole w miejscu zakończenia ekranu

Przy głowicy lub mufie ekran musi zostać przycięty w określonym miejscu, aby odsłonić żyłę do połączenia. Dokładnie w tym miejscu potencjał ziemi ekranu kończy się nagle, podczas gdy żyła nadal biegnie pod pełnym napięciem — w wyniku czego linie ekwipotencjalne pola elektrycznego silnie się tam zagęszczają. Bez dalszych środków lokalne natężenie pola na krawędzi przyciętego ekranu może być wielokrotnie wyższe niż natężenie pola w reszcie izolacji kabla — znacznie powyżej tego, co izolacja może trwale wytrzymać w tym miejscu, ze zwiększonym ryzykiem wyładowań niezupełnych (zob. poradnik o badaniu PD i tan-delta) i, docelowo, przebicia.

Cztery powszechne metody usuwania tej koncentracji pola

• Geometryczne sterowanie polem (stress cone): przewodzący, stożkowo ukształtowany element umieszcza się bezpośrednio na krawędzi przyciętego ekranu, a jego kształt zwęża się stopniowo nad częścią odsłoniętej izolacji. Ten kształt zmusza linie ekwipotencjalne do stopniowego odłączania się od izolacji na większej powierzchni, zamiast zagęszczać się na jednej ostrej krawędzi.
• Rezystywne sterowanie polem: warstwa o nieliniowej rezystancji elektrycznej wokół przejścia rozkłada spadek napięcia na przejściu bardziej stopniowo, zamiast koncentrować go na krawędzi ekranu.
• Refrakcyjne sterowanie polem: materiał o odmiennej stałej dielektrycznej wokół przejścia "załamuje" linie pola w sposób podobny do załamania optycznego, dzięki czemu zbiegają się one mniej ostro na krawędzi ekranu.
• Pojemnościowe sterowanie polem (stress control o wysokim K): warstwa o wysokiej stałej dielektrycznej wokół przejścia ekranu rozprasza naprężenie elektryczne poprzez sprzężenie pojemnościowe wzdłuż powierzchni izolacji, zamiast pozwalać napięciu koncentrować się na krawędzi ekranu.

Te cztery metody nie są dowolnie wymienne: typ osprzętu kablowego (prefabrykowana głowica koudkrimp, mufa żywiczna, głowica termokurczliwa) zwykle określa, którą metodę — lub jaką kombinację — stosuje producent, dlatego ekranu nigdy nie należy przycinać bez zamontowania elementu sterowania naprężeniem zaprojektowanego specjalnie dla danego produktu.

Dlaczego jest to szczególnie krytyczne przy średnim napięciu, a zwykle nie przy niskim

Przy kablu niskiego napięcia napięcie na izolacji jest na tyle niskie, że koncentracja pola przy przyciętym ekranie zwykle pozostaje znacznie poniżej wytrzymałości przebiciowej izolacji, nawet bez specjalnych środków sterowania naprężeniem — dlatego połączenia niskiego napięcia rzadko wymagają osobnego stożka naprężeniowego. Przy średnim napięciu (i wyższym) ta sama koncentracja pola, przy tej samej ostrości geometrycznej przejścia, staje się jednak krytyczna, po prostu dlatego, że napięcie bezwzględne — a zatem natężenie pola bezwzględnego w każdym punkcie — jest proporcjonalnie wyższe.

Uwaga: dokładny kształt i wymiary stożka naprężeniowego oraz wybór między geometrycznym, rezystywnym, refrakcyjnym lub pojemnościowym sterowaniem polem (lub ich kombinacją) wynikają z konstrukcji konkretnego osprzętu kablowego i są testowane przez producenta zgodnie z IEC 60502-4; ten artykuł omawia leżącą u podstaw zasadę, a nie gotową instrukcję montażu dla każdego produktu.

Znaczenie praktyczne

Przy montażu głowicy lub mufy średniego napięcia element sterowania naprężeniem musi zawsze być pozycjonowany dokładnie zgodnie z instrukcją montażu producenta względem krawędzi przyciętego ekranu — stożek naprężeniowy przesunięty zbyt daleko do przodu lub do tyłu względem krawędzi ekranu nie przywraca prawidłowo równomiernego rozkładu pola i może nadal prowadzić do przedwczesnych wyładowań niezupełnych i przebicia, nawet jeśli wszystkie pozostałe elementy głowicy są zamontowane prawidłowo.

Częste błędy

1. Przycięcie ekranu kabla średniego napięcia bez zamontowania elementu sterowania naprężeniem zaprojektowanego dla danego produktu — pozostawia to nierozwiązaną ostrą koncentrację pola na krawędzi ekranu.
2. Zastosowanie stożka naprężeniowego jednego produktu lub marki na osprzęcie kablowym innej marki — sterowanie polem jest specyficznie dopasowane do geometrii i materiałów odpowiadającego produktu i nie jest po prostu wymienne.
3. Nieprawidłowe pozycjonowanie elementu sterowania naprężeniem względem krawędzi przyciętego ekranu — błąd pozycjonowania nawet o kilka centymetrów może w dużej mierze zniweczyć zamierzone sterowanie polem.
4. Założenie, że stożek naprężeniowy jest równie konieczny przy połączeniu niskiego napięcia, jak przy średnim napięciu — przy niskim napięciu koncentracja pola przy przyciętym ekranie zwykle pozostaje znacznie poniżej wytrzymałości przebiciowej izolacji, co nie oznacza, że to samo założenie dotyczy średniego napięcia.

Powiązane materiały

• Mufy kablowe — podziemne połączenia i naprawy kabli (IEC 61442)
• Cross-bonding ekranów kabli na długich trasach kabli SN/WN
• Uziemianie ekranu kabla — jednostronne lub dwustronne
• Pomiar wyładowań niezupełnych (PD) i tan-delta na kablach SN