سرکابل چیست؟

در ابتدا قبل از اینکه بخواهیم به این سوال پاسخ بدهیم لازم است توضیحی در مورد اینکه چرا نیاز به اتصالات کابل می باشد داده شود.

با فاصله گرفتن نیروگاههای تولید انرژی الکتریکی و مصرف کننده ها از یک دیگر نیاز به تغییرات ولتاژ، جهت بهبود شرایط انتقال و کاهش تلفات در مسیر انتقال انرژی الکتریکی، موجب احداث خطوط انتقال و پست های برق شده است. در شکل زیر نحوه تغییر ولتاژ را ملاحظه می کنید. 

 

خط انتقال برق از تولید تا توزیع

 

پست های برق 63/20 کیلوولت به عنوان آخرین ایستگاههای فشار قوی، جز مهمترین ایستگاهای تغییر ولتاژ برای مصرف کننده های انرژی الکتریکی در ایران هستند که تغذیه شرکت های توزیع نیروی برق برعهده دارند.

ورودی این پست ها به صورت صورت خطوط هوایی (هادی لخت) و یا خطوط زمینی (کابل) با ولتاژ 63 کیلوولت می باشد. خروجی این پست ها نیز عمدتا خطوط زمینی و در موارد کمتر خطوط هوایی با ولتاژ 20 کیلوولت می باشد.

وجود خطوط زمینی به معنی وجود اتصالات کابل است. با یک حساب سرانگشتی و با در نظر گرفتن حداقل دو مدار کابلی برای هر ترانس و وجود حداقل 2 ترانس در هر پستو تعداد پست ها (هزارن پست 20/63 کیلوولت) تعداد زیادی اتصالات کابل موجود در پست ها محاسبه خواهد شد.

► اما چرا برای اتصال شبکه کابل های زمینی به خطوط هوایی و یا ترانسفورماتورها و سایر تجهیزات شبکه نیاز به سرکابل می باشد؟

جهت اتصال کابل های قدرت زمینی به شبکه های هوایی، ترانسفورماتورها، ادوات شبکه  باید از تجهیزی استفاده شود که علاوه بر کنترل میدان الکتریکی در اطراف کابل های قدرت،باعث کاهش تخلیه جزئی در محل اتصال، مانع از ورود رطوبت به داخل کابل قدرت و همچنین افزایش فاصله خزشی گردد. این تجهیز را سرکابل می گویند. 

برای درک بهتر از تعریف سرکابل، جدول زیر، نقش و وظایف یک سرکابل و اینکه این وظایف به چه طریقی انجام می گیرد را نمایش میدهد. 

 

وظایف سرکابل

با توجه به اینکه ما با ولتاژ فشار قوی سر و کار داریم. قطعا مباحث عایق و فشار قوی مطرح می گردد. ساختمان کابل، شدت میدان الکتریکی و شکل خطوط میدان الکتریکی اهمیت پیدا میکند. در ادامه قصد داریم شما را با دنیای عایق و فشار قوی در ساختمان کابل آشنا کنیم. تا آخر مقاله با ما همراه باشد.

 

از میدان الکتریکی در کابل فشار قوی تا انتخاب سرکابل. چرا سرکابل و مفصل کابل فشار قوی مهم هستند؟

 

در اولین قدم ممکن است این سوال مطرح شود چرا درک درستی از میدان های الکتریکی اینقدر مهم است ؟ در جواب باید گفت هر عایق الکتریکی (مانند XLPE، هوا، روغن، کاغذ و غیره) می‌تواند میدان الکتریکی را فقط تا حد مشخصی تحمل کند. اگرشدت میدان از این حد تجاوز کند، عایق دچار شکست عایقی میشو.د.

به همین دلیل است که ما به موارد زیر در مباحث عایق و فشار قوی علاقه‌مندیم:

  1. شکل و خطوط میدان الکتریکی (خطوط شار)  از این جهت حائز اهمیت است مکان‌های بحرانی را به ما نشان می‌دهد.
  2. شدت میدان الکتریکی (خطوط هم پتانسیل الکتریکی) : از این جهت حائز اهمیت است که قدرت میدان الکتریکی از قدرتِ تحملِ شکستِ عایق، تجاوز خواهد کرد یا خیر.

 

میدان الکتریکی

وقتی ولتاژ الکتریکی به دو الکترود وصل شود یک میدان الکتریکی بین دو الکترود به وجود می آید. برای نشان دادن میدان الکتریکی باید از خطوط شار الکتریکی استفاده کرد که در شکل زیر مشاهده میکنید. جهت خطوط شار الکتریکی که به اختصار به آنها خطوط میدان الکتریکی گفته میشود از بار مثبت به بار منفی (پتانسیل صفر) می باشد.

 

 

خطوط هم پتانسیل الکتریکی :

 

 

 

همانطور که در شکل بالا ملاحظه میکنید، با اعمال ولتاژ (یا همان اختلاف پتانسیل)  بین دو الکترود، میدان الکتریکی بین آنها ایجاد می شود. (جهت میدان از الکترود با پتانسیل بیشتر به سمت الکترود با پتانسیل کمتر)

 ما میتوانیم اختلاف پتانسیل بین الکترودها را اندازه گیری کنیم. این اختلاف پتانسیل در داخل عایق نیز وجود دارد. (در شکل بالا از 4 کیلوولت تا 0 کیلوولت)

  نقاط هم پتانسیل در عایق توسط خطوطی به همدیگر متصل میشوند که به آنها خطوط هم پتانسیل الکتریکی گفته میشود این خطوط همیشه بر خطوط میدان الکتریکی عمود هستند. (مانند خطوط نقطه چین 3،2،1 کیلوولت شکل بالا )

با فرض اینکه فاصله خطوط هم پتانسیل از هم دیگر 2 میلیمتر باشد شدت میدان الکتریکی در خطوط هم پتاسیل 1 کیلوولت عددی معادل 0.5 کیلولت بر میلیمتر می باشد یعنی E=0.5 KV/mm 

این مثال ساده در واقع توضیح معادله پیچیده E=-grad V میباشد. این معادله به ما میگوید شدت میدان الکتریکی در جهت عکس ولتاژ هست و هرچه از الکترد با ولتاژ بالا فاصله بگیریم شدت میدان الکتریکی کمتر میشود. 

در اینجا ما با یک مثال ساده ساختمان کابل را برای شما توضیح دادیم. در کابل های فشار قوی ما دو الکترود داریم. هادی و شیلد کابل.  هادی به ولتاژ بالای شبکه اتصال پیدا میکند و شیلد کابل به زمین سیستم وصل میشود. ما برای عایق این دو الکترود از عایق XLPE استفاده میکنیم. در این صورت خطوط میدان الکتریکی و خطوط هم پتانسیل در یک کابل قدرت به صورت کل زیر می باشد. 

 

 

 

در شکل بالا میبینید با ایجاد یک سیستم دقیق و عایق بندی مناسب میدان الکتریکی و خطوط هم پتانسیل در داخل یک کابل قدرت فشار قوی به خوبی مهار شدند. ما هم خطوط میدان الکتریکی منظم داریم و هم خطوط هم پتاسیل الکتریکی منظم. حالا اگر به هر دلیلی مجبور شویم به ساختمان کابل دست ببریم. با چالش جدیدی مواجه میشویم و این چالش به هم ریختن نظم فوق می باشد. اینجا نیاز به تجهیزی داریم تحت عنوان استرس کنترل.

 

 

 

استرس کنترل میدان الکتریکی چیست؟

برای نصب اتصالات کابل ناگزیر هستیم که تغییراتی در ساختار کابل اعمال نماییم برای این منظور باید طبق دستورالعمل نصب سرکابل و مفصل به میزانی که در آن اشاره شده است شیلد کابل و لایه نیمه هادی روی عایق کابل یا همان گرافیت کابل، به عقب رانده شود. در این صورت تمرکز میدان الکتریکی و خطوط هم پتانسیل الکتریکی در نقطه پایانی باقی مانده شیلد رخ خواهد داد. که همین موضوع باعث بالا رفتن شدت استرس الکتریکی در این نقطه می گردد.

شکل میدان در کابل بدون سرکابل

همانطور که در تصویر بالا رویت میکنید، برداشتن لایه گرافیت کابل موجب به هم ریختن خطوط میدان الکتریکی در کابل های فشار متوسط و قوی می شود. تجمع خطوط میدان الکتریکی در لبه گرافیت باقی مانده می باشد. شدت میدان در این نقطه به حدی بالا می رود که موجب بروز دو پدیده تخلیه جزئی داخلی ( در داخل عایق XLPE کابل) و تخلیه جزئی خارجی در روی سطح عایق XLPE کابل می گردد. این تخلیه جزئی تا آنجایی ادامه پیدا می کند که در نهایت منجر به شکست عایقی کابل می گردد. بنابراین در این محل به تجهیزی نیاز داریم که بتوانیم به تجمع خطوط میدان الکتریکی را از این محل دور کرده و به نوعی استرس الکتریکی را در این نقطه بحرانی کاهش دهیم. نام این تجهیز استرس کنترل می باشد.

استرس کنترل تجهیزی است برای کنترل کردن میدان های الکتریکی در اتصالات کابل های فشار متوسط و قوی.

 

انواع استرس کنترل میدان الکتریکی در سرکابل

1- استرس کنترل هندسی مخروطی  

یکی از انواع استرس کنترل ها برای کاهش میدان الکتریکی متمرکز شده در قسمت انتهای گرافیت باقی مانده، استرس کنترل هندسی مخروطی می باشد. در این استرس کنترل، شدت میدان با افزایش شعاع انحنای الکترودها کاهش می یابد. به نوعی لبه گرافیت باقی مانده که لبه ای تیز است توسط این استرس کنترل پوشیده می شود. نکته مهم این است که ضریب دی الکتریک ماده به کار رفته در این استرس کنترل حدودا یکسان است.

استرس کنترل هندسی مخروطی

در استرس کنترل هندسی مخروطی، شدت میدان با افزایش شعاع انحنای الکترودها کاهش می یابد.

2- استرس کنترل انحرافی 

یکی از انواع استرس کنترل ها، با ضریب دی الکتریک بالا برای کاهش میدان الکتریکی متمرکز شده در قسمت انتهای لایه نیمه هادی باقی مانده در اتصالات کابل می باشد. در این استرس کنترل یک لایه عایق بر روی نقطه بحرانی قرار میگیرد که دارای ضریب دی الکتریک بالاتری می باشد.

این روش در اتصالات کابل به طرق مختلف مورد استفاده قرار می گیرد به عنوان مثال به صورت نواری و یا به صورت یک تیوب حرارتی در محل مورد نظر نصب می گردد. همچنین می توان از موادی نظیر پلی اتیلن ،سیلیکون و ... در این روش استفاده کرد. تمام راههایی که بخواهیم از این روش برای کنترل میدان استفاده کنیم بر اساس این است که دی الکتریک آن ماده εr2 باید بزرگتر از  εr1 یعنی عایق کابل و εr3 عایق محیط باشد. یعنی : 

εr2>εr1≥εr3

در شکل زیر این مقادیر مشخص می باشند :

استرس-کنترل-انحرافی

لازم به ذکر است تکنولوژی انحرافی قابل استفاده در سرکابل سرد و سرکابل حرارتی نیز می باشد. اما باید بدانیم در ایران بیشتر در سرکابل های حرارتی مورد استفاده قرار می گیرد.

3- استرس کنترل مقاومتی 

یک روش معمول دیگر اضافه کردن یک لایه با مقاومتی مشخص به لایه ی نیمه هادی باقی مانده (محل بحرانی) در اتصالات کابل می باشد.این لایه اصولا توسط تیوب های حرارتی و یا نوارها ساخته می شود.

برای توضیح این روش باید گفت کابل های قدرت اساسا به صورت یک خازن استوانه ای می باشند.وقتی که استرس کنترل مقاومتی به این محل اضافه می گردد، ظرفیت خازنی کابل با ویژگی های ماده ی استرس کنترل مقاومتی ترکیب می شود.امپدانس لایه ی نیمه هادی با امپدانس استرس کنترل اضافه شده به این محل متفاوت است،و همین امر باعث می شود که چیدمانی شبیه به خطوط انتقال که شامل المان های موازی و سری هستند حاصل شود که در شکل زیر دیده می شود.

استرس کنترل مقاومتی

مهم ترین المان در کنترل میدان الکتریکی در  نقطه ی بحرانی در این نوع استرس کنترل مقدار امپدانس  Z می باشد،که سه فرضیه در این مورد صادق است. مقدار امپدانس ∞=Zباشد .مقدار 0=Z باشد و مقدار امپدانس متوسط باشد.تاثیر امپدانس در سه حالت فوق بررسی و نتایج خروجی به صورت زیر می باشد.

بنا به نتایج استخراجی بهتر است استرس کنترلی با رسانایی در حدود 10-10 تا 5-10 در واحد (S/M) مورد استفاده قرار گیرد.

مهم ترین مزیت این روش ساخت و تولید استرس کنترل های حرارتی با ضخامت کم و ساختاری فشرده مستقل از اندازه و سایزینگ کابل می باشد.

استرس کنترل مقاومتی با اعمال مقاومت در ساختار خازنی کابل،توزیع پتانسیل الکتریکی در داخل استرس کنترل را تغییر داده و لذا موجب کاهش شدت میدان الکتریکی در نقطه ی بحرانی می شود.

بهترین رسانایی برای این انرژی الکتریکی در حدود 10-10 تا 5-10 در واحد (S/M) می باشد.

4-استرس کنترل غیر خطی 

مواد غیرخطی موادی هستند که با اعمال ولتاژهای متفاوت، مقاومت های مختلفی از خود نشان می دهند. این تکنولوژی آخرین تکنولوژی توسعه یافته برای استرس کنترل های الکتریکی است.محصولات نهایی قابل ارائه به مصرف کننده اصولا پلیمرهای عایقی با افزودنی های غیرخطی از جمله Zno می باشند.پلیمر ترکیب شده با Zno در محصولات مختلف به شکل تیوب های حرارتی ،پوشش ها و نوارها و همچنین به صورت تکه های تزریقی و اکسترود شده قابل ارائه هستند .لازم به ذکر است انعطاف پذیری پلیمر عایقی افزوده شده توسط Zno امکان استفاده از این استرس کنترل در حالت های غیر استوانه ای را ازجمله در سیم پیچ های ژنراتور تسهیل کرده است.از طرف دیگر ترکیب Zno در ساختار پلیمری عایق نیاز به یک فرایند خاص جهت تولید دارد. و همچنین بهره گیری از آن در اتصالات کابل به صورت ماهیت اصلی آن که به صورت پودر است امکان پذیر نمی باشد. 

Zno یک عملکرد الکتریکی را فراهم می آورد. نکته ی اصلی و مهم در به کارگیری استرس کنترل های غیر خطی این است :

در یک حد مشخص ولتاژ، Zno از خود یک مقاومت خطی نشان می دهد و بالاتر از آن حد Zno غیر خطی شده و لذا مسیر هدایت متفاوت در ترکیب پلیمر Zno آشکار می شود. شکل زیر شدت میدان الکتریکی درکابل های قدرت را در سه حالت نشان می دهد.

عملکرد استرس کنترل مقاومتی

حالت اول در صورت نبود استرس کنترل شدت میدان Ea می شود ،این مقدار منجر به تخلیه ی جزئی و از بین رفتن عایق کابل می شود(منحنی a).در حالت دوم با قرار دادن استرس کنترل Zno در نقطه ی بحرانی شدت میدان الکتریکی در سطح Es محدود می شود(منحنی b).این مقدار Es حتی با اعمال ولتاژ بالاتر هم تغییر نمی کند(منحنی c). واین اصول عملکرد یک استرس کنترل غیرخطی می باشد.

عملکرد استرس کنترل غیر خطی

استرس کنترل غیر خطی در اعمال ولتاژهای مختلف،مقاومت متفاوتی از خود نشان می دهد که منجر به ثابت نگه داشتن شدت میدان الکتریکی در داخل استرس کنترل می شود. 

 

همانطور که گفته شد در صنعت برق به منظور اتصال کابل ها در مسیرهای طولانی و در انشعابات و در انتها خطوط از تجهیزاتی به نام سرکابل و مفصل استفاده می شود که قادرند محل اتصال را در برابر رطوبت، فشار مکانیکی و عوامل الکتریکی حفظ کنند. همچنین شبکه های فشار قوی سهم گسترده ای در توزیع برق کشور دارند کابل ها با توجه به ساختار درونی خود و تجهیزات جانبی خود در مواردی باعث بروز حوادث در سیستم توزیع می شود.خسارات ناشی از خرابی نه تنها باعث تعمیر و بازیابی نمی شود بلکه گاهی سیستم را از مدار خارج می کنند.لذا بررسی علل خرابی ها بسیار مهم است.یکی از این دلایل عدم نصب صحیح سرکابل می باشد.  

انواع سرکابل 

انواع سرکابل بنا به محل مصرف وشرایط موجود به انواع زیر تقسیم بندی می شود:

  1. سرکابل حرارتی
  2. سرکابل سرد
  3. سرکابل plug in
  4. سرکابل فشاری قوی (شامل سرکابل حرارتی تا 72.5 کیلوولت و سرکابل slip-on تا 400 کیلوولت)
  5. سرکابل connex
  6. سرکابل هوشمند 

توجه: هرگونه کپی برداری از مقاله با ذکر منبع و ارائه ی لینک مقاله بلامانع است.