Technologie

Badania głowic kablowych wtykowych SN

W miejscu ogólnie dostępnym, zwanym często przestrzenią publiczną, umieszczana jest infrastruktura techniczna. Nie może pogorszyć bezpieczeństwa publicznego, a także nie może przyczynić się do pogorszenia warunków bezpiecznej pracy pracowników wykonujących czynności przy infrastrukturze technicznej. Jednym z częściej spotykanych urządzeń, w zurbanizowanej przestrzeni publicznej, są wnętrzowe stacje transformatorowe średniego na niskie napięcia (SN/nn) i złącza kablowe średniego napięcia (SN), do których przyłączone są kable SN zakończone głowicami kablowymi.

Ograniczenie awarii spowodowanych głowicami kablowymi SN można uzyskać przez odpowiednie szkolenie pracowników montujących osprzęt kablowy, ale przede wszystkim poprzez właściwe zaprojektowanie konstrukcji elementów głowicy i wykonanie ich z odpowiednich materiałów. Poprawność konstrukcji głowicy kablowej i zastosowanie właściwych materiałów przez producenta można potwierdzić badaniami typu w akredytowanych laboratoriach. Zakres badań reprezentatywnych, odwzorowujących warunki rzeczywiste, jest określony w normach przedmiotowych, traktowanych jako jeden z ważniejszych elementów zasad wiedzy technicznej, na którą powołuje się Prawo budowlane [1].

Materiały stosowane do produkcji głowic kablowych średniego napięcia

Do produkcji głowic obecnie powszechnie stosowane są elastomery na bazie węglowodorów (EPDM) lub gumy silikonowe. Materiały te charakteryzują się wysoką wytrzymałością elektryczną oraz odpornością na warunki środowiskowe. Poniżej przedstawiono porównanie wybranych właściwości (tab. 1) i parametrów elektrycznych (tab. 2) dla EPDM i silikonu.

Tab. 1. Porównanie wybranych właściwości EPDM i silikonu stosowanych do produkcji głowic kablowych SN (źródło: oprac. wł. na podst. [7])
Lp. Wybrane właściwości EPDM Silikon
Izolacja Przewodnik Izolacja
1. Ciężar właściwy (kg/dm3) 1,33 1,12 1,15
2. Wytrzym. na rozciąganie (N/mm2) 4,8 11 8,5
3. Twardość Shore’a (Shore A) 65 80 47
4. Wydłużenie (%) 400 450 700
5. Odporność na ścieranie dobra znakomita słaba
6. Starzenie cieplne dobra dobra dobra
7. Zakres temperaturowy pracy (o C) -60 do +130 -60 do +130 -80 do +200
8 Odporność na:      
  – UV dobra dobra dobra
  – ozon znakomita znakomita znakomita
  – promieniowanie słoneczne wybitna wybitna wybitna
  – absorbcję wody bardzo dobra bardzo dobra znakomita
  – rozpuszczalniki słaba słaba słaba
  – olej na bazie węglowodorów słaba słaba dobra
  – olej silikonowy dobra dobra dobra

 

Tab. 2. Porównanie parametrów elektrycznych EPDM i silikonu stosowanych do produkcji głowic kablowych SN (źródło: oprac. wł. na podst. [7])
Lp. Parametry elektryczne EPDM Silikon  
    Izolacja Przewodnik Izolacja
1. Wytrzymałość dielektryczna

(kV/mm)

33   24
2. Stała dielektryczna 2,7 – 3,1   2,6
3. Współczynnik rozproszenia (x 10-3) 2,5   4
4 Rezystancja skrośna (Ω/cm) 1014 50 1015

 

Oba materiały charakteryzują się dobrą odpornością na ściskanie, cięcie, uderzenia, rozdarcia i ścieranie w szerokim zakresie temperatur. Są odporne na działanie ozonu i innych związków chemicznych powstających w wyniku wyładowań niezupełnych. Mogą pracować w środowisku narażonym na wyziewy chemiczne dzięki temu, że są odporne na: kwasy, alkalia, detergenty, fosforany, estry, ketony, alkohole i glikole. Zachowują swoje parametry i właściwości w narażeniu na różne rozpuszczalniki i oleje. Zapewniają poprawną pracę w obecności promieniowania jonizującego, wysokiej temperatury, w tym także gorącej pary wodnej. Nawet długie zanurzenie kauczuku EPDM lub silikonu w gorącej wodzie powoduje tylko minimalną utratę wytrzymałości na rozciąganie. Badania potwierdzają również bardzo niski stopień absorbcji wody. Izolacja wykonana z EPDM charakteryzuje się większą o 9 kV/mm wytrzymałością dielektryczną i dziesięć razy mniejszą rezystancją skrośną w porównaniu do izolacji silikonowej. Ma lepszą odporność na ścieranie, mniejszy zakres temperatur pracy i mniejszą odporność na olej na bazie węglowodorów.

Oba materiały charakteryzują się odpowiednimi parametrami elektrycznymi i odpowiednimi właściwościami, wystarczającymi do produkcji głowic kablowych SN o niskiej awaryjności.

Sterowanie polem elektrycznym w głowicach kablowych średniego napięcia

Konstruktor przy projektowaniu osprzętu do kabli elektroenergetycznych SN oprócz uwzględnieniu właściwości fizykochemicznych musi również brać pod uwagę naprężenie elektryczne. Opiera się to głównie na dwóch rodzajach naprężeń elektrycznych: naprężeniu promieniowym, które może być reprezentowane przez linie strumieniowe i naprężeniu wzdłużnym występującym na powierzchni izolacji kabla, w miejscu gdzie usunięto ekran półprzewodzący. Naprężenie promieniowe i wzdłużne kabla elektroenergetycznego SN z zamontowaną głowicą wtykową kątową przedstawiono na rys. 1.

Rys. 1. Naprężenie promieniowe i wzdłużne kabla elektroenergetycznego SN z zamontowaną głowicą wtykową kątową (źródło: oprac. wł. na podst. [7])

Warto zwrócić uwagę na miejsce odcięcia ekranu półprzewodzącego na izolacji. Rozkład pola elektrycznego zmienia się radykalnie. Powietrze otaczające materiał dielektryczny w pobliżu zakończenia ekranu ulegną bardzo dużemu naprężeniu. W tym miejscu może nastąpić awaria kabla. Aby tego uniknąć, kontroluje się linie ekwipotencjalne poprzez montaż rury sterującej głowicy z liniowym odprężeniem (ryc. 2a) lub głowicy wtykowej kątowej ze zintegrowanym sterowaniem pola (ryc. 2b).

Rys. 2a. Sterowanie pola elektrycznego na końcu kabla SN z zainstalowaną rurą sterującą głowicy z liniowym odprężaniem pola elektrycznego, 2b. Sterowanie pola elektrycznego na końcu kabla SN z zainstalowaną głowicą wtykową kątową ze zintegrowanym sterowaniem pola elektrycznego (źródło: oprac. wł. na podst. [7])

Takie wysterowanie pola elektrycznego daje pewność, że linie ekwipotencjalne są wystarczająco daleko od siebie, kiedy przejdą do izolacji powietrznej, aby nie spowodować wyładowań niezupełnych. Z kolei w głowicy wtykowej kątowej utrzymuje się linie ekwipotencjalne wewnątrz zespołu kabel/ głowica w kontrolowany sposób. Odprężenie pola jest uzyskiwane poprzez półprzewodzący element sterujący na stałe zintegrowany z izolacyjnym korpusem głowicy.

Budowa głowic kablowych wtykowych średniego napięcia

Głowice kablowe proste wnętrzowe i napowietrzne SN to ważne elementy linii kablowej i muszą charakteryzować się dużym stopniem niezawodności. Ma to ogromne znaczenie w liniach kablowych średniego napięcia. Właściwa budowa zapewnia właściwą wytrzymałość zarówno mechaniczną jak i elektryczną. Najpowszechniej stosowane głowice są zaprojektowane do zakończenia kabli jednożyłowych o izolacji wytłaczanej z tworzywa sztucznego i z żyłą powrotną z drutów lub taśm miedzianych.

Od wielu lat konstruktorzy głowic poszukują takich rozwiązań aby zredukować koszty podyktowane błędami montażowymi. Rozwiązania stosowane obecnie w osprzęcie kablowym charakteryzują się wysokim stopniem prefabrykacji, dzięki czemu montaż jest stosunkowo łatwy i przebiega w ograniczonym czasie, co pozwala uniknąć znacznej części błędów związanych z montażem. Dzięki takiemu podejściu można również zredukować koszty związane ze szkoleniami elektromonterów w zakresie montażu osprzętu kablowego.

Osprzęt kablowy dostępny na rynku można montować w różnych technologiach: termo- i zimnokurczliwej, nasuwanej, z czego w tej ostatniej najczęściej montuje się głowice kablowe wtykowe. Widok przykładowej głowicy wtykowej kątowej SN przedstawiono na rys. 3a, a jej budowę przedstawiono na rys. 3b.

Rys. 3a. Widok przykładowej głowicy wtykowej kątowej nasuwanej SN (źródło: [9]), 3b. Budowa przykładowej głowicy wtykowej kątowej nasuwanej SN (źródło: [10]): 1 – stożek wewnętrzny typu C, 2 – śruba mocująca, 3 – warstwa sterująca, 4 – warstwa izolacyjna, 5 – dodatkowa warstwa zewnętrzna, 6 – kapturek, 7 – zaślepka izolacyjna, 8 – szczelna końcówka kablowa, 9 – reduktor kabla, 10 – żyła powrotna wraz z końcówka kablową.

Osprzęt kablowy termo i zimnokurczliwy do montażu jest dostarczany w stanie rozciągniętym, co ułatwia jego nakładanie na odpowiednio przygotowane końce kabli. Obkurczanie, w przypadku technologii termokurczliwej, odbywa się przy użyciu niskotemperaturowego palnika, najczęściej gazowego, Obkurczanie, w przypadku technologii zimnokurczliwej, odbywa się poprzez usunięcie spirali lub innej kształtki, dzięki czemu następuje wyzwolenie nadanej w procesie produkcyjnym pamięci kształtu (obkurczenie elementu).

Należy podkreślić, że większość producentów stosuje zasadę, aby warstwa izolacyjna (korpus głowicy) była zintegrowana z elementem sterującym pole. Pozwala to uzyskać dużą powtarzalność dzięki czemu minimalizuje się błędy związane z montażem.

Osprzęt nasuwany do montażu dostarczany jest w stanie nierozciągniętym. Montaż odbywa się poprzez nasuwanie na odpowiednio przygotowane końce kabli osprzętu, który chroniony jest przed uszkodzeniem mechanicznym odpowiednią kształtką, którą usuwa się po procesie nasuwania.

Wymagania normatywne w zakresie badań typu głowic kablowych wtykowych prostych i kątowych średniego napięcia

Badanie typu głowic kablowych wtykowych (konektorowych) prostych i kątowych wnętrzowych i napowietrznych SN zestawiono w tablicy 7 normy PN HD 629.1 S2:2006E Badania osprzętu przeznaczonego do kabli na napięcie znamionowe od 3,6/6 (7,2) kV do 20,8/36 (42) kV – Część 1: Kable o izolacji wytłaczanej [3]. Poszczególne próby należy wykonać, podobnie jak dla głowic prostych wnętrzowych i napowietrznych SN, zgodnie z normą PN-EN 61442 [2].

Badanie typu tych głowic kablowych podzielone zostały na trzy sekwencje: D1, D2 i D3. Układy do badań głowic dla kabli jednożyłowych o izolacji wytłaczanej dla poszczególnych sekwencji przedstawiono na rys. 4. Długość kabli w układach pomiarowych, mierzona pomiędzy punktami wejścia do głowic, aby pomiary wyładowań niezupełnych można uznać za wiarygodne, powinna wynosić powyżej 2 m.

Rys. 4. Układy do badań głowic wtykowych ekranowanych dla kabli jednożyłowych dla poszczególnych sekwencji. Opr. wł. na podstawie [3].

Zamawiający wymagając dokumenty potwierdzające wymagania techniczne dla głowic kablowych wtykowych głównie skupiają się na potwierdzeniu zgodności wyrobu z dokumentem harmonizacyjnym PN HD 629.1 S2:2006E+A1:2008E Badania osprzętu przeznaczonego do kabli na napięcie znamionowe od 3,6/6 (7,2) kV do 20,8/36 (42) kV – Część 1: Kable o izolacji wytłaczanej [10, 11] nie zwracając przy tym uwagi w jakim zakresie, wg jakich sekwencji, zostały przebadane głowice kablowe. Wymagania normatywne znacząco różnią się w zakresie badań dla sekwencji D1, D2 czy też D3. Dla głowic wtykowych, zarówno prostych jak i kątowych, powinno się wymagać badań w zakresie wszystkich sekwencji dla głowic wtykowych dostosowanych do izolatorów przepustowych ze stożkiem zewnętrznym typu A oraz sekwencji D1 i D2 dla głowic wtykowych dostosowanych do izolatorów przepustowych ze stożkiem zewnętrznym typu C. Wymagania normatywne w zakresie badań typu głowic kablowych prostych wnętrzowych i napowietrznych SN przedstawiono w uproszczony sposób na wspólnym diagramie na rys. 5.

Aktualnie trwają prace nad projektem HD 629.1 S3 2018-03-15 Test requirements for accessories for use on power cables of rated voltage from 3,6/6(7,2) kV up to 20,8/36(42) kV. Part 1: Accessories for cables with extruded insulation [5]. W zakresie badania typu głowic kablowych wtykowych (konektorowych) prostych i kątowych SN zaproponowano zmiany. Zmiany ograniczają się do: rezygnacji z pierwszej próby w sekwencji D1 i D2 – próby napięciowej napięciem stałym, na zmianie parametrów próby napięciowej „na sucho” oraz na dodatkowym pomiarze wyładowań niezupełnych po tej próbie w sekwencji D1. Zmiany w sekwencjach badania typu głowic kablowych wtykowych (konektorowych) prostych i kątowych SN w projekcie dokumentu harmonizacyjnego zaznaczono na wspólnym diagramie, który przedstawiono na rys. 5.

Mimo, że zmian nie jest dużo, to po włączeniu dokumentu harmonizacyjnego do zasobów norm i po upływie okresu przejściowego, dla potwierdzenia parametrów technicznych głowic kablowych wtykowych SN konieczne będzie wykonanie badań typu wg nowych sekwencji.

Podsumowanie

Zamawiający wymagając dokumenty potwierdzające wymagania techniczne dla głowic kablowych powinni skupić się nie tylko na potwierdzeniu zgodności wyrobu z dokumentem harmonizacyjnym PN HD 629.1 S2:2006E+A1:2008E, ale również na sprawdzeniu sekwencji, zgodnie z którymi przebadano głowice kablowe.

Dla głowic wtykowych, biorąc pod uwagę typy powszechnie stosowane w polskiej elektroenergetyce, powinno się wymagać badań: w zakresie wszystkich sekwencji – dla głowic przystosowanych do izolatora ze stożkiem zewnętrznym rozmiaru A, w zakresie sekwencji D1 i D2 – dla głowic przystosowanych do izolatora ze stożkiem zewnętrznym rozmiaru C.

Rys. 5. Wymagania normatywne w zakresie badań typu głowic kablowych wtykowych prostych i kątowych SN umieszczone na wspólnym diagramie wraz z zaznaczonymi proponowanymi zmianami

 

Warto przygotować się do zmian wynikających z zastąpienia dokumentu harmonizacyjnego PN-HD 629.1 S2:2003E Badania osprzętu przeznaczonego do kabli na napięcie znamionowe od 3,6/6 (7,2) kV do 20,8/36 (42) kV – Część 1: Kable o izolacji wytłaczanej, który na koniec przyszłego roku może stać się dokumentem archiwalnym. Obecnie dostępny jest już projekt dokumentu harmonizacyjnego Pr. HD 629.1 S3:2018-03 Test requirements for accessories for use on power cables of rated voltage from 3,6/6(7,2) kV up to 20,8/36(42) kV. Part 1: Accessories for cables with extruded insulation [5].

Literatura

[1] Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. Prawo budowlane (t.j. Dz.U.2013.1409 z pózn. zm.)
[2] PN-EN 61442:2005E Metody badań osprzętu przeznaczonego do kabli energetycznych na napięcia znamionowe od 6 kV (Um = 7,2 kV) do 36 kV (Um = 42 kV)
[3] PN-HD 629.1 S2:2006E+A1:2008E Badania osprzętu przeznaczonego do kabli na napięcie znamionowe od 3,6/6 (7,2) kV do 20,8/36 (42) kV – Część 1: Kable o izolacji wytłaczanej
[4] PN-HD 628 S1:2003E Badania osprzętu przeznaczonego do kabli na napięcie znamionowe od 3,6/6 kV (Um = 7,2 kV) do 20,8/36 kV (Um = 42 kV) włącznie
[5] Pr. OVE HD 629.1 S3 2018-03-15 Test requirements for accessories for use on power cables of rated voltage from 3,6/6(7,2) kV up to 20,8/36(42) kV. Part 1: Accessories for cables with extruded insulation
[6] IEC 60986:2000E+A1:2008E Short-circuit temperature limits of electric cables with rated voltages from 6 kV (Um = 7,2 kV) up to 30 kV (Um = 36 kV)
[7] EUROMOLD. Accessories for medium voltage power cables. Technical information. Catalogue 2017.
[8] Stawiamy na najlepsze połączenia. Katalog Euromold, GPH. Wydanie 06/2009
[9] http://www.gph.pl/images/katalog_Euromold_2016.pdf, data odczytu: 2018-10-04
[10] http://www.energotest.pl, data odczytu: 2018-10-04
[11] http://www.gph.pl/images/Nowosci/MONOi_-_2015.pdf, data odczytu: 2018-10-04

Mirosław Schwann

Click to comment

Leave a Reply

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

To Top