Composti per cavi ad alta tensione: requisiti di isolamento per i produttori di cavi elettrici

Quando un cavo da 132 kV non supera la normale schermata di scarica parziale a 5 pC, la linea di estrusione viene esaminata per prima e il composto per ultimo. L'ordine è solitamente invertito. Scariche parziali, hot-set e rotture sui cavi ad alta tensione sono riconducibili a tre proprietà che un certificato del composto non mostra: pulizia, umidità e completezza della reticolazione. Per un produttore di cavi elettrici industriali, tutti e tre vengono decisi nelle specifiche di acquisto, mesi prima che venga estruso il primo metro.

Cosa deve offrire un composto per cavi ad alta tensione

Un composto isolante per cavi ad alta tensione deve soddisfare quattro requisiti contemporaneamente: bassa perdita dielettrica, rigidità dielettrica che sopravvive ai test CA standard e agli impulsi, resistenza termica e meccanica alla temperatura di progetto del conduttore e comportamento di lavorazione che non aggiunga difetti durante l'estrusione. Un grado che non rispetta uno di essi fallisce nella fase di test del cavo, non nella fase composta.

• Perdita dielettrica: il fattore di dissipazione deve rimanere basso e stabile nell'intero intervallo di temperature di servizio, poiché la perdita governa lo spessore dell'isolamento e la corrente nominale all'estremità superiore dell'intervallo di tensione.
• Rigidità dielettrica: l'isolamento polimerizzato deve sostenere il test di tensione CA e i livelli di impulso di fulmine dello standard sui cavi e supportare il limite di scarica parziale di routine, ad esempio 10 pC ai sensi della norma CEI 60502-2.
• Resistenza termica e meccanica: 90C di temperatura continua del conduttore e 250 C durante un corto circuito, con deformazione controllata mediante test hot-set nella norma CEI 60811-507.
• Lavorabilità: il composto deve funzionare sulla linea qualificata alla temperatura di fusione e all'output qualificati e rimanere privo di contaminazioni durante il trasporto, l'essiccazione e lo stoccaggio.

La classe di tensione decide il grado del composto

Gli standard sui cavi dividono il mercato in tre regimi di isolamento: IEC 60502-2 copre da 1 kV a 30 kV, CEI 60840 copre da 30 kV a 150 kV da sopra e CEI 62067 copre da 150 kV a 500 kV da sopra. Il livello di qualificazione complessiva cambia ad ogni confine, così come le prove che un fornitore deve fornire.

Al di sotto di 36 kV, la parete isolante è relativamente sottile e lo stress elettrico è moderato, quindi l'XLPE reticolato con silano rimane una scelta pratica. Al di sopra di 36 kV, lo spessore delle pareti e lo stress sull'interfaccia dello schermo aumentano e solo i gradi di perossido superpuliti con livelli di sottoprodotti controllati si adattano al progetto.

La linea di base dell'XLPE e il punto in cui si arresta la reticolazione del silano

L'XLPE reticolato con perossido è l'isolamento predefinito sopra i 30 kV. L'XLPE reticolato con silano serve 35 kV e livelli inferiori, dove una polimerizzazione in bagno d'acqua è sufficiente e il costo delle apparecchiature pesa più del margine dielettrico.

La differenza è la chimica, non il marketing. Il perossido di dicumile si decompone durante la polimerizzazione in acetofenone, alcool cumilico, metano e alfa-metilstirene. Questi residui aumentano il fattore di dissipazione e devono essere rimossi mediante degasaggio prima che si possano raggiungere i limiti tan delta nella parte superiore della classe di tensione. L'affidabilità di questo percorso dipende tanto dalle condizioni di cura quanto dalla formulazione, che è trattata in questa nota ciò che rende i composti XLPE perossidici affidabili per i cavi di alimentazione .

I portafogli di isolamento destinati a progetti industriali e di distribuzione in genere si fermano al limite di 35 kV, quindi l'elenco dei gradi da cui un produttore acquista è più ristretto di quanto suggerisce la gamma standard. Un esempio rappresentativo è questo grado XLPE al perossido per l'isolamento di cavi fino a 35 kV, dove il comportamento di reticolazione e i valori di hot-set sono i criteri di acquisto piuttosto che i dati dielettrici principali.

Composto isolante XLPE al perossido ML-YJ35 per cavi da 35 kV Perossido XLPE insulation compound for power cables up to 35 kV, listed to JB/T 10437-2004; a representative grade when crosslinking and hot-set values guide specification. Visualizza il prodotto →

Contaminazione, umidità e degasaggio: cosa omette la scheda tecnica

Tre fonti di difetto determinano se un composto conforme diventa un cavo conforme: contaminazione trattenuta, umidità assorbita e degasaggio incompleto. Nessuno di essi appare su una tipica scheda tecnica, quindi tutti e tre devono essere scritti nelle specifiche di acquisto.

• Contaminazione: le particelle al di sopra delle dimensioni concordate creano concentrazioni di stress che danno origine ad alberi e scariche parziali. I gradi ad alta tensione sono specificati in base alla dimensione massima delle particelle e controllati mediante ispezione di pellet o nastro, non mediante un conteggio medio.
• Umidità: l'acqua assorbita forma vuoti durante l'estrusione e alimenta l'alberatura d'acqua in servizio. Stabilire un limite di umidità Karl Fischer nelle specifiche e richiedere un imballaggio con barriera all'umidità, poiché un sacchetto di alluminio aperto su un pavimento umido ritorna rapidamente all'equilibrio.
• Degasaggio: i sottoprodotti residui di perossido devono essere rimossi dopo l'indurimento e il livello accettabile dipende dalla classe di tensione e dallo spessore dell'isolamento. Si verifica sul cavo finito, mai sui pellet.

Gli schermi semiconduttivi rappresentano la metà del sistema di isolamento

Lo schermo del conduttore e lo schermo isolante controllano lo stress elettrico su entrambe le interfacce di isolamento. Al di sopra di 30 kV, la levigatezza, l'adesione e la spellabilità dello schermo influenzano le prestazioni di impulso e scarica parziale tanto quanto il composto isolante stesso.

I composti per screening sono formulazioni reticolabili caricate con nero di carbonio. Ciò che conta nell'acquisto non è il contenuto nero ma la superficie finita: le sporgenze sull'interfaccia isolante fungono da punti di sollecitazione, la resistività del volume deve rimanere sufficientemente bassa da equalizzare il campo lungo il conduttore e lo schermo isolante deve essere rimuovibile in corrispondenza del giunto senza strappare l'isolamento sottostante. L'estrusione simultanea di tre strati è una pratica standard per un motivo, perché in seguito non è possibile creare un'interfaccia uniforme.

Schermo conduttore semiconduttivo ML-PSD per cavi XLPE da 10 kV Schermo conduttore reticolabile semiconduttivo per cavi di alimentazione XLPE fino a 10 kV, elencato secondo JB/T 10738; rilevante quando si specificano i composti dello schermo e gli assegni in entrata. Visualizza il prodotto →

Ispezione in entrata prima dell'estrusione

Quattro controlli in entrata coprono la maggior parte dei rischi in un composto ad alta tensione: presa a caldo, umidità, contaminazione e consistenza del pellet. Ciascuno ha un metodo definito che può essere scritto in un ordine di acquisto e ripetuto all'entrata della merce.

Oltre ai dati del test, richiedi il pacchetto di report e lo stato di calibrazione degli strumenti ad esso relativi. Un fornitore che pubblica le sue apparecchiature per le analisi di laboratorio e l'ambiente di produzione è più facile da controllare rispetto a uno che invia un certificato senza un metodo tracciabile.

Prestazioni di guaine e fiamme su percorsi industriali

La guaina non comporta alcun carico dielettrico ma determina se il cavo resiste all'ingresso di acqua, all'abrasione, ai roditori e all'esposizione al fuoco. I composti della guaina vengono selezionati in base allo standard di installazione e alla classe di incendio del cavo finito, non in base al grado di isolamento.

Nei siti industriali dominano tre famiglie di guaine. Il polietilene ignifugo viene utilizzato su percorsi ad alta tensione dove la resistenza all'umidità e la bassa trasmissione del vapore acqueo contano più della flessibilità. I gradi di PVC a 70 C e 90 C rimangono comuni laddove il costo e la resistenza meccanica guidano la decisione. Le guaine prive di alogeni compaiono laddove la densità del fumo e la corrosività sono controllate sul cavo, non sul composto. In ogni caso la quantità di mescola da specificare è quella riportata a disegno: spessore della guaina, adesione allo schermo e classe di prova al fuoco del cavo finito.

Guaina in polietilene ignifugo ML-ZRPE-H per cavi ad alta tensione Guaina in PE ignifuga, priva di alogeni e a bassa generazione di fumi, per cavi ad alta tensione, conforme a GB/T 11017 ST12 e combustione a fascio A/B; rilevante quando viene specificata la prestazione al fuoco della guaina. Visualizza il prodotto →

Domande pratiche dai produttori di cavi

Quale composto si adatta ad un alimentatore industriale da 33 kV?

Un alimentatore da 33 kV si trova all'interno dello standard IEC 60502-2, che funziona a 30 kV nominali e Um 36 kV. A questo livello vengono utilizzati sia XLPE reticolato con perossido che con silano: perossido dove il margine di scarico parziale è ridotto, silano dove l'attrezzatura di polimerizzazione è a base d'acqua. Specificare le proprietà di hot-set, umidità e schermatura in un unico pacchetto, poiché il grado di isolamento da solo non determina il risultato del test.

In che modo il degasaggio viene verificato anziché ipotizzato?

Non si applica alcun limite numerico unico alle classi di tensione. Il degasaggio viene verificato sul cavo finito attraverso la misurazione del fattore di dissipazione a frequenza industriale e a temperatura elevata, oltre a test di sviluppo di sottoprodotti residui o gas concordati con il cliente. Lo spessore della parete e la temperatura di polimerizzazione determinano il tempo di degasaggio richiesto, quindi il programma rientra nelle specifiche del processo.

Al composto isolante si applicano le classificazioni B2ca o Cca?

N. Le classi EN 13501-6 come B2ca e Cca vengono assegnate al cavo finito in base ai risultati delle prove antincendio e sono determinate principalmente dalla guaina e dalla struttura complessiva. L'isolamento contribuisce attraverso il contenuto di alogeni, fumo e acidità, ma la classe è una proprietà del cavo, non una proprietà composta.

Cosa rientra nelle specifiche di acquisto oltre alla rigidità dielettrica?

Come minimo: limite di umidità con metodo di test, limite di contaminazione e metodo di ispezione, valori hot-set secondo IEC 60811-507, resistività del volume dello schermo semiconduttivo e levigatezza della superficie, condizioni di imballaggio e conservazione e il rapporto di test sulla confezione per consegna. Questi sono gli elementi che decidono se il composto sopravvive ai test di routine di scarica parziale a 10 pC.