Water treeing w kablach średniego napięcia XLPE — podstępny mechanizm starzenia stojący za awariami kabli po latach eksploatacji

Przewodnik o pomiarze wyładowań niezupełnych i tan delta oraz przewodnik o badaniach kabli metodą VLF opisują dwie metody badawcze stosowane do oceny starzejących się kabli średniego napięcia. Ten artykuł opisuje leżący u ich podstaw mechanizm degradacji, który te metody badawcze właśnie starają się wykryć: water treeing w izolacji XLPE (usieciowany polietylen) kabli średniego napięcia, znormalizowany w zakresie IEC 60502-2.

Czym jest water treeing

Water treeing to powolny, postępujący w czasie proces degradacji, który zachodzi, gdy wilgoć i pole elektryczne działają na izolację XLPE jednocześnie. Pod wpływem tej kombinacji w izolacji powstają mikroskopijnie małe, rozgałęzione struktury, które kształtem przypominają gałęzie drzewa — stąd nazwa. Te "drzewka" same w sobie zwykle nie stanowią bezpośredniej drogi przebicia, ale stopniowo osłabiają lokalną wytrzymałość dielektryczną izolacji przez okres, który może rozciągać się od lat do dziesięcioleci, aż pozostała wytrzymałość przebicia spadnie poniżej krytycznego progu.

Dwa typy: drzewka bow-tie i drzewka wentylowane

Literatura rozróżnia dwa główne typy water trees, które powstają w różnych miejscach izolacji i mają odmienny profil ryzyka:

• Drzewka bow-tie: powstają wewnątrz samej izolacji, zwykle wokół mikroskopijnego zanieczyszczenia lub pustki, w której zgromadziła się wilgoć. Rosną od tego centralnego punktu w dwóch kierunkach jednocześnie (stąd kształt przypominający muszkę) i zazwyczaj pozostają ograniczone rozmiarem.
• Drzewka wentylowane: powstają na granicy między izolacją a warstwą ekranu przewodnika lub ekranu izolacji, często przy mikropęknięciach wypełniających się wilgocią. Rosną od tej granicy do wnętrza izolacji i w literaturze są ogólnie uważane za bardziej ryzykowne niż drzewka bow-tie, ponieważ mogą wnikać głębiej w izolację z punktu o wyższym lokalnym natężeniu pola.

Uwaga: dokładna zależność między typem water tree, pozostałą wytrzymałością przebicia a praktycznym ryzykiem awarii jest przedmiotem trwających badań materiałoznawczych i zależy od konkretnego kompozytu izolacyjnego, konstrukcji kabla oraz warunków eksploatacji. Ten artykuł poradnikowy opisuje ogólny mechanizm, a nie ilościową prognozę żywotności dla konkretnego kabla.

Dlaczego ten mechanizm degradacji pozostaje długo niewidoczny

Water treeing wpływa na izolację bez żadnych widocznych zewnętrznie uszkodzeń: powłoka kabla i zewnętrzna powierzchnia izolacji mogą wyglądać całkowicie normalnie, podczas gdy wewnątrz utworzyła się już rozległa sieć water trees. Sprawia to, że mechanizm ten jest szczególnie trudny do wykrycia samą kontrolą wzrokową, i jest to dokładnie powód, dla którego techniki diagnostyczne oceniające właściwości elektryczne samej izolacji — takie jak pomiar wyładowań niezupełnych, pomiar tan delta oraz badanie VLF — mają praktyczną wartość przy szacowaniu pozostałej żywotności eksploatacyjnej starszych kabli średniego napięcia.

Ograniczanie zjawiska: konstrukcja blokująca wodę i TR-XLPE

Stosowane są dwa praktyczne środki ograniczające water treeing:

• Konstrukcja blokująca wodę (taśma blokująca wodę lub podłużne blokowanie wody w konstrukcji kabla) ogranicza wnikanie i rozprzestrzenianie się wilgoci wzdłuż kabla, zmniejszając dostępność wilgoci potrzebnej do tworzenia water trees.
• Usieciowany polietylen opóźniający tworzenie drzewek (TR-XLPE), kompozyt izolacyjny specjalnie opracowany, by spowolnić tworzenie się i tempo wzrostu water trees w porównaniu ze standardowym XLPE, jest stosowany w nowszych konstrukcjach kabli jako dodatkowy środek — szczególnie w "mokrych" zastosowaniach podziemnych, gdzie długotrwałej ekspozycji na wilgoć nie można całkowicie wykluczyć.

Żaden z tych środków nie eliminuje mechanizmu całkowicie; spowalniają go, wydłużając tym samym praktyczną żywotność kabla w wilgotnych warunkach eksploatacyjnych.

Znaczenie praktyczne

Przy ocenie ryzyka awarii starszego kabla średniego napięcia (zob. też przewodnik o pomiarze wyładowań niezupełnych i tan delta oraz przewodnik o badaniach kabli metodą VLF) ważne jest, by rozumieć, że water treeing jest mechanizmem wewnętrznym, powoli postępującym, który nie jest wykrywany samą kontrolą wzrokową powłoki i głowic kablowych — właśnie okresowa diagnostyka elektryczna samej izolacji jest potrzebna, aby uzyskać wskazanie pozostałego stanu, szczególnie w przypadku kabli, które przez długi czas (lata do dziesięcioleci) leżały w wilgotnej ziemi.

Częste błędy

1. Zakładanie, że kabel bez widocznych zewnętrznych uszkodzeń jest również w dobrym stanie wewnętrznym — water treeing wpływa na izolację właśnie bez żadnego widocznego zewnętrznie znaku.
2. Traktowanie drzewek bow-tie i drzewek wentylowanych jako jednakowo ryzykownych, podczas gdy drzewka wentylowane są w literaturze ogólnie uważane za bardziej ryzykowny typ ze względu na kierunek wzrostu od granicy o wyższym lokalnym natężeniu pola.
3. Postrzeganie konstrukcji blokującej wodę lub TR-XLPE jako pełnej gwarancji przed water treeing, podczas gdy oba środki spowalniają proces, ale go nie eliminują całkowicie.
4. Pomijanie okresowej diagnostyki elektrycznej przy starszych kablach o bezproblemowej historii eksploatacji, podczas gdy właśnie stopniowy, podstępny charakter water treeing oznacza, że kabel może funkcjonować przez lata bez awarii, zanim pozostała wytrzymałość przebicia osiągnie punkt krytyczny.

Powiązane

• Pomiar wyładowań niezupełnych i tan delta w kablach ŚN
• Badanie kabli metodą VLF (Very Low Frequency) dla kabli ŚN
• Materiał izolacyjny kabli: PVC, XLPE, EPR i temperatura robocza