Higher-stress Designed XLPE Insulated Cable in Japan

تتعرض التي المشبك ايتلين بالبولي المعزولة الكابلات تصميمالعالية للإجهادات

مقدمة- :1الرئيسي المدن مناطق في الطاقة نقل تحت ةيتم اليابان في

والقنوات . األنفاق في المثال سبيل على األرضوتحسين البناء تكلفة لتخفيض سنوات عدة خالل جهود توجهت

بالتوترا الطاقة نقل خطوط الطاقة توثوقية لنقل العاليةالمستهلكين . إلى التوليد أماكن من الكهربائية

الوزن وخفض المستخدمة النواقل أطوال زيادة إلى والحاجةالتركيب . في التقنية وتطوير

تم حيث اليابان في األبحاث تطوير تم االحتياجات هذه على رداذلك وأدى الكابالت أنواع بعض في كعازل ايتلين البولي استخدام

لنقل الكابالت هذه استخدام إمكانية مع العازل سماكة خفض إلىبحدود باستخدام . KV500توترات الكبل عزل تقنية وسنناقش

تقنية حيث من العزل سماكة لتخفيض ايتلين البولي مادةلإلجهادات , , , الكبل وتحمل التصنيع نوعية المواد تقنية التصميم

. ينهار أن دون عليه المطبقة

البولي- 2 بمادة المعزولة للكابالت التصميم تقنيةالمشبك : ايتلين

المعزول الكبل انهيار احتمال لتوترات XLPE ڊإن تعرضه عندكهربائي حقل أجل من برقية نبضية توترات أو E[KV/mm]متناوبة

التالية : بالعالقة يعطى

حيث :E. : الكهربائي الحقل

EL. : الموقع أو المكان بارامترES. : قياس بارامترm. : الشكل بارامتر

النبضي والتوتر المتناوب للتوتر األدنى االنهيار إجهاد قيمة قررت واالنهيا بيانات إلى استنادا اليابان في العزل رالبرقي و العديدة

ا تصميم XLPE للكابالت تم ذلك على سماكة . ELواستنادا حيثوتتالءم البرقية النبضية التوترات و متناوبة التوترات تقاوم العازل

معها .قيمة تحسين قيمة , ELويتم وتعتبر الجودة مراقبة مستوى برفع

عن األعظمي اإلجهاد قيمة تحديد يتم بينما متوسط إجهاد اإلجهاداالستثمار . ومكان التصنيع مكان في المراقبة مستوى رفع طريق

المتناوبة التوترات إلى استنادا العزل سماكة تعطي التالية والعالقة:

E. : للنظام األعظمي التوترK1=1.2. : الحرارة درجة عاملK2=2.3 : االنهيار .n=15معاملK3=1.1. وأمان : تسامح أو خطأ عامل

البرقية : النبضية التوترات إلى استنادا العزل سماكة عالقة

LIWV. :البرقي النبضي التوترK1=1.2. : الحرارة درجة عامل

K2=1. متكرر : بشكل التوتر تطبيق بسبب االنهيار معاملK3=1.1. وأمان : تسامح أو خطأ عامل

الجدول لكابالت 1يبين العزل لتصميم لمستويات XLPEمثالاليابان في من التوتر مستوى لكل العازل سماكة إلى باإلضافةالتوتر . مستويات

اتلين .1الجدول بالبولي المعزولة الكابالت تصميم

اإلسمي 50027515466 ]KV[التوتر

55030016872العمل توتر

[األعلىKV[

توتر الثبات

المتناوب سمك24.3158.53.6

العازل

14251050750350الثبات توتر

[النبضيKV[

توتر الثبات

النبضيالبرقي سمك24.519.313.86.4

العازلالعازل 2723159 ]mm[سمك

بتخفيضسماكة- 3 الكبل تخفيضحجم فوائدالعزل :

الجدول العزل 2يبين سماكة خفض عند عليها نحصل التي الفوائدباإلضافة . العازل سماكة وتخفيض المنتقلة القدرة زيادة إمكانية و

أن يمكن الذي األقصى والحجم العزل سماكة بين عالقة وجود إلىالشكل حسب القناة ضمن .1يوضع

الشكل سماكة 2ويبين بإنقاص النقل مسافة طول زيادة يمكن أنهاإلرسال قدرة تزداد حيث للشبكة االسمي بالتوتر وعالقتها العزل

طول(% 30-10من ) من ويزداد أكثر تخفيض% 50النقل في يفيد مماأقصر . بناء وفترات ثلثين بحدود المفاصل عدد

العازل 2الجدول سماكة إنقاص فوائد

العازل سماكة إنقاص فوائدالوثوقية زيادة

أطول لمسافات النقل إمكانيةأقصر إنشاء وزمن االقتصادية الكلفة خفض

وقنوات ألنفاق الالزم الحجم إنقاصالكابالت

عملية وتسهيل العمل شروط تحسيناإلنشاء

للكبل وزن أقل و قطر أصغر

الذي يبين 1الشكل األقصى والحجم العزل سماكة بين العالقةالقناة . ضمن يوضع أن يمكن

النقل .يبين 2الشكل مسافة وطول العزل سماكة بين العالقة

بتوتر 3الشكل الكهربائية القدرة لنقل المستخدم الكبل [500يبينKV[

1000]mm^2[ ,العازل .]m[1800وطول , ]mm[27وسماكة

ونتائج- :4 نظرياتاألساسية- :4-1 العناصر تعريف

طرق استخدام يتطلب العالية لإلجهادات الكابالت تعرض نتيجةللعازل . تحدث التي االنفراغات عن للكشف

PPD حدوث قبل الجزئية االنفراغات عن الكشف طريقة خالل مناالنهيار

انهيار قبل العازلة المادة في الحاصلة االنفراغات تتابع إيقاف تمالخدمة عن وخروجه . الكبل

the pre-breakdown partial discharge detection method

في تحدث التي االنفراغات سبب أن االختبارات نتائج أظهرتهذه بتحليل تبين وقد العازلة المادة في شوائب وجود الكابالت

اإلجراءات اتخاذ ويجب التلوث هو األساسي السبب أن الشوائب. المضادة

الجزئية 4الشكل العازلة االنفراغات المادة فيالمادة في الموجودة الشوائب حجم معرفة المهم ومن

ايتلين , للبولي الكهربائية المتانة قيمة من التحقق وتم العازلةتجريبي . بشكل العزل في المستخدم

طريقة إلجراء PPDحسب كنماذج الكابالت هذه مثل تستعمل التياالختبارات .

قبل ايتلين بالبولي معزول لكبل الكهربائية المتانة حددت وقدبقيمة العازل في التشجر ظاهرة Ei=300[KV/mm] . حدوث

توتر بقيمة السماح قررت التجريبية الدراسة نتائج ]KV[500منعزل إجهاد ] mm[27بسماكة لتحمل الكبل تصميم يتم [40وبالتالي

KV/mm[, متناوبنبضي . ]KV/mm[80و توتر

عيوبها- :4-2 إزالة وتقنية األداء عالية الموادكابالت عيوب إلزالة التالية التقنيات أقصى XLPEتستعمل إلى

ممكنة : درجةالعازل . في الشوائب كتخفيض

الجافة . المعالجة خالل الفراغات تخفيضالتصنيع . عمليات خالل المجهرية النتوءات تخفيض

أثناء- 4-3 العازلة المادة على السيطرة تقنيةالتصنيع :

بدون معزولة كابالت على للحصول الجهود من مجموعة بذل تمعلى . السيطرة يتم ولكي األولية المواد بمعالجة وذلك عيوب

عن التفتيش مثل فحوص إجراء يتم األولية المواد في الشوائب , وأجهزة التصنيع من البدائية المراحل في الراتنج مادة طريق

الضوئية . البصرية الكشفالمستوى في معزولة كابالت إنتاج إلى تؤدي التقنيات هذه كل

المطلوب .كابالت فحص األجهزة ]KV[500وعند أفضل استخدام يجب

العازلة . المادة في العيوب لكشفكافيين وضغط حرارة درجة تطبيق الكبل تصنيع عملية خالل ويتم

اإلنفراغات حدوث من الكبل في العازلة المادة حماية لضمانالضارة . الجزئية

التصميم- :4-4 بارامترات تقييم إعادةمن العازلة المادة تقادم ومعامل الحرارة درجة معامل يعتبر

البارامترات , وهذه الكابالت تصميم في المستخدمة البارامتراتبشك اختبارها يتم البيانات لالمهمة وتقييم التحليل أثناء دوريوالجدول , الكبل 3المختلفة عمر خالل البارامترات هذه تغير يبين

n=9

التطبيقية .3الجدول التصميم بارامترات

التغيير القيمةسببالحالية

القيمةالسابقة

جاف نظاممثالي,

الماء ضد طبقة)n=9 - n=15(

المتناوب 2.34 التقادم عامل

البيانات تطبيقالتجريبية

النبضي 11.1 التقادم عامل

البيانات تطبيقالتجريبية

الحرارة 1.21.1 درجة معاملالمتناوب

البيانات تطبيقالتجريبية

الحرارة 1.251.25 درجة معاملالنبضي

اإلجهادالمطبق

التوتر * تطبيق زمنالنموذجي .5الشكل الكبل على االختبار نتائج

المطبق 5والشكل واإلجهاد التوتر تطبيق زمن بين العالقة يبينالنتوءات و الشوائب وتأثير الزمني العمر وحسب الكبل على

الكبل . عمر على األولى بالدرجةبداية 6الشكل نقطة من والمسافة الكهربائي اإلجهاد بين العالقة

الميل . زاوية حسب اإلجهاد مخروط

نصف * مطاط المطاط عزلموصل

الشكل * المحسن الشكل دائري قوسالمنحدر التقليدي زاوية

المطاطي* المخروط بداية نقطة من المسافة

الموجودة والنتوءات الشوائب بنسبة للكابالت الزمني العمر يتعلقأثناء المطبق المعالجة بنظام يتعلق والذي العازلة المادة في

ا , كابالت متانة تكون أن المتوقع ومن التصنيع أكبر XLPE لعملياتعلى , المدى طويلة اختبارات أجريت ولذلك أطول الزمني والعمر

أن المتوقع من وكان الكابالت وبالنتيجة n=20هذه منطقية قيمةأن تبين

n=15 , من الرغم وعلى للكبل آمن استخدام تحقق مقبولة قيمةيمكن أنه إال الكبل لها يتعرض التي الرطوبة بنتيجة المخاوف

الماء . اختراق تمنع تقنيات استخداما- 4-5 كابالت أداء :XLPE ل تحسين

كابالت أداء تحسين عالية XLPE لاإن بوثوقية وصل نقاط يتطلبعلب , لتصميم طرق عدة وهناك نفسه الكبل وثوقية إلى إضافةطريقة ) وهي الوصل لعلب محسنة طريقة وهناك ( .PJالوصلالجهاد وتحمل المتانة وزيادة للكابالت الكهربائي األداء ولتحسين

اإلجهاد لمخروط الناقلة نصف الطبقة ميل زاوية تغيير تموالشكل , اإلجهاد 6المطاطي لمخروط مختلفة ميل زوايا يبين

يتحمله الذي الكهربائي باإلجهاد الميل تغيرات وعالقة المطاطيبنصف , قوس مع مخروط استخدام هي المحسنة والطريقة الكبل

تقوس ميليمتر . 150قطر

األخيرة- :4-6 السنوات الكابالتخالل تطورالشكل العازلة 7يبين المادة سماكة على طرأت التي التغيرات

كابالت في المستخدمةالكهربائي . XLPE لا اإلجهاد وقيم سنوات عدة خالل

عام كابالت 1965ففي أجل KV[( t=15 mm, 2.5 KV/mm)[66منكابالت أجل )KV[ 77 ) t=17 mm, 2.6 KV/mm[ومن

إلى اإلجهاد يصل تستعمل KV/mm 12 واليوم متوسطة كقيمللتصميم ,

األعظمي توترات KV/mm 19واإلجهاد .]KV[500عند

وسماكة يبين 7الشكل األخيرة السنوات خالل الكابالت تطورالعازلة . المادة

العالي :– 5 التوتر كابالت استخدام نتائجاليابان- 5-1 الكابالتفي تصميم من التحقق برامج

:على تطرأ التي والتعديالت للكابالت العزل سماكة خفض إن

و المستخدم النظام من الشامل التحقق تتطلب الكابالت تصميما , كابالت اختبار وطرق النظام هذا وثوقية من في XLPE لالتأكد

لمقاومة تحقق االختبار 30اليابان وهذا النظام توتر من سنةحسب . االختبار برنامج النظام أمان من التأكد بهدف مدروس

النظام IEC 3408-1996: . بنود أربع حسب تتم االختبارات و

تصميم ومفاهيم النوع على تطرأ التي التطويرات االختبار ويعكسالكبل . عمر وطول العزل

المادة عيوب على السيطرة و اإلنتاج مستوى بين العالقة وإعطاءالشوائب , , العازلة

واختبار , النوع اختبار بواسطة المطبقة النتوءات اختبارات فراغاتالقبول.

بشروط- : 1 واحد نموذج على تجرى اختبارات نموذجية اختباراتمواصفات ) الكبل في تعديل حصل إذا إال االختبار هذا يعاد وال معينة

المثالية (. الحالة من أعلىللشروط- : 2 مطابقة بأنها المنتجات من للتأكد روتينية اختبارات

في والفراغات الشوائب وجود اختبار يتم حيث مسبقا المحددةبسماحي , وتكون التجهيزات كامل على تجرى والنتوءات ةالعازل

السابقة . الحالة من أكبر3 : ) مكان- ) في تجرى التي االختبارات استالم موقع اختبارات

) أن) طالما العازلة المادة عيوب لكشف التركيب أماكن االستثمارلفترة العمل بتوتر اختباره فيتم روتينية اختبارات إلى تعرض المنتج

التركيب . بعد الزمن من معينةوالهدف- : 4 إضافية بشروط اختبارات اجراء يتم خاصة اختبارات

في الكبل وضع إمكانية من للتأكد للمنتج الزمني العمر زيادةالعملي . االستعمال

ا 8والشكل عوازل على االختبارات نتائج نظام XLPE ليبين في.]KV[275توتر

الزمن .8الشكل مع التوتر لخصائص االختبار نتائجالنتائج- :5-2

في المتوسط اإلجهاد ناحية اإلجهاد 38من قيمة [ 2.6سنةKV/mm[

اإلجهاد 23 قيمة ]KV/mm[ 6سنةاإلجهاد 13 قيمة ]KV/mm[ 10سنة

التوالي على العالي اإلجهاد ناحية ]KV/mm[ 16.9 – 10.1 – 5.4من

وثقة التصنيع عمليات أثناء الدائمة الجودة لمراقبة نتيجة وذلكللخطوط أنجزت عالية

مع لكابالت 0.4الفعلية من ]KV[ 66حادث أكثر كيلومتر 100أوسنة لكل بكرة

جدا . منخفضة الحوادث نسبة. االختبار برامج وجودة التصميم كفاية على تأكيد النتائج هذه تظهر

اإلجهاد- :6 قيمة تحديد نحو الهدفمثل الكبل مادة على طرأت التي التحسينات أثر أعاله معنا مر كما

خالل تطورت مساعدة تصميم وتقنيات الجودة مراقبة تقنيةرفع على والقدرة العزل سماكة في تخفيض إلى ذلك أدى سنوات

والشوائب العيوب تخفيض استطعنا حال في التصميم إجهادالوصل علب تطوير إلى باإلضافة العازلة المادة في الموجودة

هذا في جارية األبحاث تزال وما الكابالت في االنهيار لمنع والنهايةاإلطار .

واجهادا النتائج بعض نقدم في تلذلك المحتملة التصميمكابالت في في XLPEالمستقبل االنهيار حدوث يفترض حيث

والنتوءات . الشوائب وجود بسبب الكهربائي الحقل تركيز منطقةفي الجزيئية السلسلة قطع هي االنهيار آلية أن نظرية وقدمت

البلورية . البنيةلعازل االنهيار عتبة دراسة يتم تركيز XLPEلذلك منطقة ضمن

الكهربائي . الحقلإجهاد عتبة عند أن يعتقد كان فإن ]KV/mm[60وقد فوق وما

مستوى ) على والشوائب العازل سماكة على يؤثر األقصى اإلجهادعام ( 250 في وذلك تقريبا متر حوالي 1965ميكرو كانت واآلن61]KV/mm[ من أدنى الحجم الجدول . 80باعتبار مربع 5ميليمتر

النتائج . يبينالمواد على السيطرة يجب الجديدة التقنية على فللحصول وهكذا

في الجودة ومراقبة فيها الموجودة الشوائب المستخدمةالصناعية . المؤسسات

االختبارات .5الجدول ونتائج شروط

الحرارة RT° 60°90درجة السنواتالمكافئة

سنة 1.1 سنة 3.4 سنة 21.4

140] KV/mm[ االنهيار االنهيار-

120] KV/mm[ االنفراغات بدءاالنهياراالنهيارالكهربائية

100] KV/mm[االنفراغات أكسدة بدءاالنهيارالكهربائية

80] KV/mm[ تغيير يوجد االنفراغات أكسدةال بدءالكهربائية

60] KV/mm[- تغيير يوجد تغيير ال يوجد ال

الخاتمة- :7وبرنامج اليابان في العالي التوتر كابالت تطوير عملية مناقشة تم

كابالت , تطوير تأثيره لتأييد بشكل XLPE 500 [KV]االختبارمتوسط لفع بإجهاد مراقبة , ]KV/mm[ 12ي تقنيات توسيع وسيتم

باإلضافة , كبيرة بنسب والنتوءات الشوائب تخفض والتي الجودةوتطويرها . الوصل نقاط تحسين إلى

References(1) H.Suzuki, T.Endo, et.al., "Experimental Study on Causes of Electrical Breakdown of EHV-XLPE Insulation using 'Pre-breakdown Partial Discharge Detection Method'", 1990 CEIDP 5-2, 1990(2) T.Kubota, Y.Takahashi, S.Sakuma, M.Watanabe, M.Kanaoka, H.Yamanouchi, "Development of 500-kV XLPE Cables and Accessories for Long Distance Underground Transmission Line –Part I: Insulation Design of Cables-", IEEE Trans. on Power Delivery, Vol.9, No.4, pp.1741-1749, 1994(3) M.Fukawa, T.Kawai, Y.Okano, S.Sakuma, S.Asai, M.Kanaoka, H.Yamanouchi, "ibid. -Part III: Electrical Properties of 500kV Cables-",IEEE Trans. on Power Delivery, Vol.11, No.2, pp.627-634, 1996(4) H.Ohno, S.Sakuma, S.Fukunaga, K.Osozawa, H.Yamanouchi, "Construction of the world's first long-distance 500 kV XLPE cable line", CIGRE 2000, No.21-106, 2000(5) Electric Technology Research Association's Report, Vol.51, No.1, 1995 [in Japanese](6) J.M.Oudin, Ch.A.Flamand, "The use of thermoplastic insulated materials in the manufacture of DC and AC-Cables", CIGRE 1962, No.209, 1962(7) F.H.Kreuger, "Endurance tests with polymeric insulated cables, materials and criteria", CIGRE 1968, No.21-02, 1968(8) T.Kubota, Y.Takahashi, T.Hasegawa, H.Noda, M.Yamaguchi, M.Tan, "Development of 500-kV XLPE Cables and Accessories for Long Distance Underground Transmission Line –Part II: Jointing Techniques -", IEEE Trans. on Power Delivery, Vol.9, No.4, pp.1750-1756, 1994(9) M.Okada, M.Sato, Y.Yamashita, M.Hara, H.Niinobe, "Development of prefabricated joint for 500kV XLPE cable", Jicable 99, A5.2, 1999