Στα σύγχρονα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας, τα καλώδια υψηλής τάσης διαδραματίζουν ζωτικό ρόλο. Από τα υπόγεια δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας στις πόλεις έως τις γραμμές μεταφοράς μεγάλων αποστάσεων που διασχίζουν βουνά και ποτάμια, τα καλώδια υψηλής τάσης εξασφαλίζουν αποτελεσματική, σταθερή και ασφαλή μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτό το άρθρο θα διερευνήσει σε βάθος τις διάφορες τεχνολογίες που σχετίζονται με τα καλώδια υψηλής τάσης, συμπεριλαμβανομένης της δομής, της ταξινόμησης, της διαδικασίας κατασκευής, των χαρακτηριστικών απόδοσης, της εγκατάστασης και της συντήρησης.
1. Βασική δομή καλωδίων υψηλής τάσης
Τα καλώδια υψηλής τάσης αποτελούνται κυρίως από αγωγούς, μονωτικά στρώματα, στρώματα θωράκισης και προστατευτικά στρώματα.
Ο αγωγός είναι το κανάλι μετάδοσης ρεύματος και συνήθως κατασκευάζεται από χαλκό ή αλουμίνιο. Ο χαλκός έχει καλή αγωγιμότητα και ολκιμότητα, ενώ το αλουμίνιο είναι σχετικά χαμηλού κόστους και ελαφρού βάρους. Αυτοί οι αγωγοί έχουν γενικά τη μορφή πολύκλωνων συνεστραμμένων συρμάτων για αυξημένη ευκαμψία.
Το μονωτικό στρώμα είναι ένα βασικό μέρος του καλωδίου υψηλής τάσης, το οποίο παίζει ρόλο στην πρόληψη διαρροών ρεύματος και στην απομόνωση του αγωγού από τον εξωτερικό κόσμο. Κοινά μονωτικά υλικά περιλαμβάνουν το διασταυρωμένο πολυαιθυλένιο (XLPE), το λαδόχαρτο κ.λπ. Το XLPE έχει εξαιρετικές ηλεκτρικές ιδιότητες, αντοχή στη θερμότητα και μηχανική αντοχή και χρησιμοποιείται ευρέως στα σύγχρονα καλώδια υψηλής τάσης.
Το στρώμα θωράκισης χωρίζεται σε εσωτερική θωράκιση και εξωτερική θωράκιση. Η εσωτερική θωράκιση χρησιμοποιείται για να κάνει το ηλεκτρικό πεδίο ομοιόμορφο και να αποτρέψει την καταστροφή του μονωτικού στρώματος από τοπική εκκένωση. Η εξωτερική θωράκιση μπορεί να μειώσει την παρεμβολή του εξωτερικού ηλεκτρομαγνητικού πεδίου στο καλώδιο και επίσης να αποτρέψει το καλώδιο από το να έχει ηλεκτρομαγνητική επίδραση στον έξω κόσμο.
Το προστατευτικό στρώμα προστατεύει κυρίως το καλώδιο από ζημιές από εξωτερικούς παράγοντες, όπως μηχανικές βλάβες, χημική διάβρωση και διείσδυση νερού. Συνήθως αποτελείται από μεταλλική θωράκιση και εξωτερικό περίβλημα. Η μεταλλική θωράκιση μπορεί να παρέχει μηχανική αντοχή και το εξωτερικό περίβλημα έχει αδιάβροχες και αντιδιαβρωτικές λειτουργίες.
2. Ταξινόμηση καλωδίων υψηλής τάσης
Ανάλογα με το επίπεδο τάσης, τα καλώδια υψηλής τάσης μπορούν να χωριστούν σε καλώδια μέσης τάσης (γενικά 3-35kV), καλώδια υψηλής τάσης (35-110kV), καλώδια υπερυψηλής τάσης (110-500kV) και καλώδια υπερυψηλής τάσης (άνω των 500kV). Τα καλώδια διαφορετικών επιπέδων τάσης διαφέρουν ως προς τον δομικό σχεδιασμό, τις απαιτήσεις μόνωσης κ.λπ.
Από την άποψη των μονωτικών υλικών, εκτός από τα καλώδια XLPE και τα καλώδια από λαδόχαρτο που αναφέρθηκαν παραπάνω, υπάρχουν επίσης καλώδια από καουτσούκ αιθυλενίου-προπυλενίου. Τα καλώδια από λαδόχαρτο έχουν μακρά ιστορία, αλλά λόγω του υψηλού κόστους συντήρησης και άλλων λόγων, έχουν σταδιακά αντικατασταθεί από καλώδια XLPE. Τα καλώδια από καουτσούκ αιθυλενίου-προπυλενίου έχουν καλή ευκαμψία και αντοχή στις καιρικές συνθήκες και είναι κατάλληλα για ορισμένες ειδικές περιστάσεις.
3. Διαδικασία κατασκευής καλωδίου υψηλής τάσης
Η κατασκευή καλωδίων υψηλής τάσης είναι μια πολύπλοκη και λεπτή διαδικασία.
Η κατασκευή αγωγών απαιτεί πρώτα την τάνυση, τη συστροφή και άλλες διαδικασίες των πρώτων υλών χαλκού ή αλουμινίου για να διασφαλιστεί η ακρίβεια των διαστάσεων και οι μηχανικές ιδιότητες του αγωγού. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας συστροφής, οι κλώνοι των κλώνων πρέπει να είναι τοποθετημένοι σε κοντινή απόσταση μεταξύ τους για να βελτιωθεί η αγωγιμότητα του αγωγού.
Η εξώθηση του μονωτικού στρώματος είναι ένα από τα βασικά βήματα. Για το μονωτικό στρώμα XLPE, το υλικό XLPE εξωθείται σε υψηλή θερμοκρασία και τυλίγεται ομοιόμορφα στον αγωγό. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας εξώθησης, παράμετροι όπως η θερμοκρασία, η πίεση και η ταχύτητα εξώθησης πρέπει να ελέγχονται αυστηρά για να διασφαλιστεί η ομοιομορφία ποιότητας και πάχους του μονωτικού στρώματος.
Το στρώμα θωράκισης κατασκευάζεται συνήθως με ύφανση μεταλλικού σύρματος ή περιτύλιξη μεταλλικής ταινίας. Οι διαδικασίες κατασκευής των εσωτερικών και εξωτερικών ασπίδων είναι ελαφρώς διαφορετικές, αλλά και οι δύο πρέπει να διασφαλίζουν την ακεραιότητα του στρώματος θωράκισης και την καλή ηλεκτρική σύνδεση.
Τέλος, η παραγωγή του προστατευτικού στρώματος περιλαμβάνει την τοποθέτηση της μεταλλικής θωράκισης και την εξώθηση του εξωτερικού μανδύα. Η μεταλλική θωράκιση θα πρέπει να εφαρμόζει σφιχτά στο καλώδιο και η εξώθηση του εξωτερικού μανδύα θα πρέπει να εξασφαλίζει ομαλή εμφάνιση χωρίς ελαττώματα όπως φυσαλίδες και ρωγμές.
4. Χαρακτηριστικά απόδοσης καλωδίων υψηλής τάσης
Όσον αφορά την ηλεκτρική απόδοση, τα καλώδια υψηλής τάσης πρέπει να έχουν υψηλή αντίσταση μόνωσης, χαμηλή διηλεκτρική απώλεια και καλή αντίσταση τάσης. Η υψηλή αντίσταση μόνωσης μπορεί να αποτρέψει αποτελεσματικά τη διαρροή ρεύματος, η χαμηλή διηλεκτρική απώλεια μειώνει την απώλεια ηλεκτρικής ενέργειας κατά τη μετάδοση και η καλή αντίσταση τάσης διασφαλίζει ότι το καλώδιο μπορεί να λειτουργεί με ασφάλεια σε περιβάλλον υψηλής τάσης.
Όσον αφορά τις μηχανικές ιδιότητες, το καλώδιο θα πρέπει να έχει επαρκή αντοχή σε εφελκυσμό, ακτίνα κάμψης και αντοχή σε κρούση. Κατά την εγκατάσταση και τη λειτουργία, το καλώδιο ενδέχεται να υποστεί τέντωμα, κάμψη και κρούση από εξωτερικές δυνάμεις. Εάν οι μηχανικές ιδιότητες δεν είναι επαρκείς, είναι εύκολο να προκληθεί ζημιά στο καλώδιο.
Η θερμική απόδοση είναι επίσης μια σημαντική πτυχή. Το καλώδιο θα παράγει θερμότητα κατά τη λειτουργία, ειδικά όταν λειτουργεί υπό υψηλό φορτίο. Επομένως, το καλώδιο πρέπει να έχει καλή αντοχή στη θερμότητα και να είναι σε θέση να λειτουργεί κανονικά εντός ενός συγκεκριμένου εύρους θερμοκρασιών χωρίς προβλήματα όπως η γήρανση της μόνωσης. Το καλώδιο XLPE έχει σχετικά καλή αντοχή στη θερμότητα και μπορεί να λειτουργεί για μεγάλο χρονικό διάστημα σε υψηλότερες θερμοκρασίες.
5. Εγκατάσταση και συντήρηση καλωδίων υψηλής τάσης
Όσον αφορά την εγκατάσταση, το πρώτο πράγμα που πρέπει να κάνετε είναι να σχεδιάσετε τη διαδρομή ώστε να διασφαλίσετε ότι η διαδρομή τοποθέτησης καλωδίων είναι λογική και ασφαλής. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας τοποθέτησης, πρέπει να λαμβάνεται μέριμνα ώστε να αποφεύγεται η υπερβολική τάνυση, η κάμψη και η εξώθηση του καλωδίου. Για την τοποθέτηση καλωδίων σε μεγάλες αποστάσεις, συνήθως χρησιμοποιείται εξοπλισμός όπως οι μεταφορικοί ιμάντες καλωδίων για την υποβοήθηση της κατασκευής.
Η παραγωγή συνδέσεων καλωδίων αποτελεί βασικό κρίκο στη διαδικασία εγκατάστασης. Η ποιότητα της σύνδεσης επηρεάζει άμεσα την αξιοπιστία λειτουργίας του καλωδίου. Κατά την κατασκευή συνδέσεων, το καλώδιο πρέπει να απογυμνωθεί, να καθαριστεί, να συνδεθεί και να μονωθεί. Κάθε βήμα πρέπει να εκτελείται αυστηρά σύμφωνα με τις απαιτήσεις της διαδικασίας, ώστε να διασφαλίζεται ότι οι ηλεκτρικές και μηχανικές ιδιότητες της σύνδεσης πληρούν τις απαιτήσεις.
Οι εργασίες συντήρησης είναι απαραίτητες για τη μακροπρόθεσμη σταθερή λειτουργία των καλωδίων υψηλής τάσης. Οι τακτικοί έλεγχοι μπορούν να εντοπίσουν άμεσα εάν η εμφάνιση του καλωδίου ή το περίβλημα είναι κατεστραμμένα. Ταυτόχρονα, μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί κάποιος εξοπλισμός δοκιμών για τον έλεγχο της απόδοσης της μόνωσης και της μερικής εκφόρτισης του καλωδίου. Εάν εντοπιστούν προβλήματα, θα πρέπει να επισκευαστούν ή να αντικατασταθούν εγκαίρως.
6. Βλάβη και ανίχνευση καλωδίων υψηλής τάσης
Συνήθεις βλάβες των καλωδίων υψηλής τάσης περιλαμβάνουν βλάβη της μόνωσης, αποσύνδεση αγωγού και βλάβη των συνδέσεων. Η βλάβη της μόνωσης μπορεί να προκληθεί από γήρανση της μόνωσης, μερική εκφόρτιση ή εξωτερική υπέρταση. Η αποσύνδεση του αγωγού συνήθως προκαλείται από μηχανική εξωτερική δύναμη ή μακροχρόνια υπερφόρτωση. Η βλάβη των συνδέσεων μπορεί να προκληθεί από κακή διαδικασία κατασκευής συνδέσεων ή σοβαρή θέρμανση κατά τη λειτουργία.
Για την ανίχνευση αυτών των σφαλμάτων, υπάρχουν πολλές μέθοδοι ανίχνευσης. Η ανίχνευση μερικής εκφόρτισης είναι μια συνήθως χρησιμοποιούμενη μέθοδος. Ανιχνεύοντας το σήμα που παράγεται από τη μερική εκφόρτιση στο καλώδιο, μπορεί να προσδιοριστεί εάν υπάρχουν ελαττώματα μόνωσης στο εσωτερικό του καλωδίου. Η δοκιμή αντοχής τάσης μπορεί να ανιχνεύσει την ικανότητα αντοχής τάσης του καλωδίου και να εντοπίσει πιθανά προβλήματα μόνωσης. Επιπλέον, η τεχνολογία υπέρυθρης θερμικής απεικόνισης μπορεί να ανιχνεύσει την κατανομή της θερμοκρασίας στην επιφάνεια του καλωδίου, ώστε να διαπιστωθεί εάν το καλώδιο παρουσιάζει προβλήματα όπως τοπική υπερθέρμανση.
7. Τάση εφαρμογής και ανάπτυξης καλωδίων υψηλής τάσης σε συστήματα ισχύος
Στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας, τα καλώδια υψηλής τάσης χρησιμοποιούνται ευρέως στον μετασχηματισμό των αστικών δικτύων ηλεκτρικής ενέργειας, στις εξερχόμενες γραμμές μεγάλων σταθμών παραγωγής ενέργειας, στη μεταφορά υποβρυχίων καλωδίων και σε άλλους τομείς. Στα αστικά δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας, λόγω του περιορισμένου χώρου, η χρήση υπόγειων καλωδίων μπορεί να εξοικονομήσει χώρο και να βελτιώσει την ομορφιά της πόλης. Οι εξερχόμενες γραμμές μεγάλων σταθμών παραγωγής ενέργειας απαιτούν τη χρήση καλωδίων υψηλής τάσης για τη μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας σε απομακρυσμένους υποσταθμούς. Η μεταφορά υποβρυχίων καλωδίων μπορεί να πραγματοποιήσει διαθαλάσσια μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας και να παρέχει σταθερή παροχή ηλεκτρικής ενέργειας σε νησιά και παράκτιες περιοχές.
Με τη συνεχή ανάπτυξη της τεχνολογίας ενέργειας, τα καλώδια υψηλής τάσης έχουν επίσης παρουσιάσει ορισμένες τάσεις ανάπτυξης. Η μία είναι η έρευνα, ανάπτυξη και εφαρμογή καλωδίων με υψηλότερα επίπεδα τάσης. Με την αύξηση της ζήτησης για μεταφορά ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις, η ανάπτυξη καλωδίων εξαιρετικά υψηλής τάσης θα αποτελέσει επίκεντρο. Η δεύτερη είναι η νοημοσύνη των καλωδίων. Με την ενσωμάτωση αισθητήρων και άλλου εξοπλισμού στο καλώδιο, μπορεί να επιτευχθεί παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο της κατάστασης λειτουργίας του καλωδίου και προειδοποίηση σφαλμάτων, βελτιώνοντας έτσι την αξιοπιστία λειτουργίας του καλωδίου. Η τρίτη είναι η ανάπτυξη φιλικών προς το περιβάλλον καλωδίων. Καθώς οι απαιτήσεις των ανθρώπων για προστασία του περιβάλλοντος αυξάνονται, η έρευνα και η ανάπτυξη υλικών καλωδίων χαμηλής ρύπανσης και ανακυκλώσιμων θα αποτελέσει μια μελλοντική κατεύθυνση ανάπτυξης.
Ώρα δημοσίευσης: 24 Σεπτεμβρίου 2024