In moderne energiesystemen spelen hoogspanningskabels een essentiële rol. Van ondergrondse elektriciteitsnetten in steden tot langeafstandsleidingen over bergen en rivieren, hoogspanningskabels zorgen voor een efficiënte, stabiele en veilige overdracht van elektrische energie. Dit artikel gaat dieper in op de verschillende technologieën die verband houden met hoogspanningskabels, waaronder hun structuur, classificatie, fabricageproces, prestatiekarakteristieken, installatie en onderhoud.
1. Basisstructuur van hoogspanningskabels
Hoogspanningskabels bestaan hoofdzakelijk uit geleiders, isolatielagen, afschermingslagen en beschermingslagen.
De geleider is het kanaal voor stroomoverdracht en is meestal gemaakt van koper of aluminium. Koper heeft een goede geleidbaarheid en buigzaamheid, terwijl aluminium relatief goedkoop en licht van gewicht is. Deze geleiders zijn over het algemeen uitgevoerd als meeraderige, in elkaar gedraaide draden om de flexibiliteit te vergroten.
De isolatielaag is een essentieel onderdeel van de hoogspanningskabel. Deze laag voorkomt stroomlekkage en isoleert de geleider van de buitenwereld. Veelgebruikte isolatiematerialen zijn onder andere verknoopt polyethyleen (XLPE) en oliepapier. XLPE heeft uitstekende elektrische eigenschappen, is hittebestendig en mechanisch sterk, en wordt veelvuldig gebruikt in moderne hoogspanningskabels.
De afschermingslaag is verdeeld in een binnenste en een buitenste afscherming. De binnenste afscherming zorgt voor een gelijkmatig elektrisch veld en voorkomt dat lokale ontladingen de isolatielaag beschadigen; de buitenste afscherming vermindert de interferentie van externe elektromagnetische velden op de kabel en voorkomt tevens dat de kabel een elektromagnetische invloed uitoefent op de buitenwereld.
De beschermlaag beschermt de kabel voornamelijk tegen schade door externe factoren zoals mechanische beschadiging, chemische corrosie en waterindringing. Deze laag bestaat meestal uit een metalen pantser en een buitenmantel. Het metalen pantser zorgt voor mechanische sterkte, terwijl de buitenmantel waterdicht en corrosiebestendig is.
2. Classificatie van hoogspanningskabels
Afhankelijk van het spanningsniveau kunnen hoogspanningskabels worden onderverdeeld in middenspanningskabels (doorgaans 3-35 kV), hoogspanningskabels (35-110 kV), ultrahoogspanningskabels (110-500 kV) en ultrahogespanningskabels (boven 500 kV). Kabels van verschillende spanningsniveaus verschillen in constructie, isolatie-eisen, enzovoort.
Vanuit het perspectief van isolatiematerialen zijn er, naast de eerder genoemde XLPE-kabels en olie-papierkabels, ook ethyleen-propyleenrubberkabels. Olie-papierkabels hebben een lange geschiedenis, maar vanwege de hoge onderhoudskosten en andere redenen worden ze geleidelijk vervangen door XLPE-kabels. Ethyleen-propyleenrubberkabels hebben een goede flexibiliteit en weerbestendigheid en zijn geschikt voor bepaalde speciale toepassingen.
3. Productieproces van hoogspanningskabels
De productie van hoogspanningskabels is een complex en delicaat proces.
Voor de productie van geleiders moeten de koperen of aluminium grondstoffen eerst worden uitgerekt, gedraaid en op andere manieren bewerkt om de juiste afmetingen en mechanische eigenschappen van de geleider te garanderen. Tijdens het draaien moeten de draden dicht op elkaar worden geplaatst om de geleidbaarheid van de geleider te verbeteren.
Het extruderen van de isolatielaag is een van de belangrijkste stappen. Voor de XLPE-isolatielaag wordt het XLPE-materiaal bij hoge temperatuur geëxtrudeerd en gelijkmatig om de geleider gewikkeld. Tijdens het extrusieproces moeten parameters zoals temperatuur, druk en extrusiesnelheid nauwlettend worden gecontroleerd om de kwaliteit en dikte-uniformiteit van de isolatielaag te garanderen.
De afschermingslaag wordt meestal gemaakt door middel van metaaldraadweven of het omwikkelen met metaaltape. De productieprocessen van de binnen- en buitenafscherming verschillen enigszins, maar beide moeten de integriteit van de afschermingslaag en een goede elektrische verbinding garanderen.
Tot slot omvat de productie van de beschermlaag het aanbrengen van de metalen pantsering en het extruderen van de buitenmantel. De metalen pantsering moet strak om de kabel sluiten en het extruderen van de buitenmantel moet een glad uiterlijk garanderen, zonder defecten zoals luchtbellen en scheuren.
4. Prestatiekarakteristieken van hoogspanningskabels
Wat de elektrische prestaties betreft, moeten hoogspanningskabels een hoge isolatieweerstand, een laag diëlektrisch verlies en een goede spanningsbestendigheid hebben. Een hoge isolatieweerstand voorkomt effectief stroomlekkage, een laag diëlektrisch verlies vermindert het verlies van elektrische energie tijdens de transmissie en een goede spanningsbestendigheid zorgt ervoor dat de kabel veilig kan functioneren in een hoogspanningsomgeving.
Wat de mechanische eigenschappen betreft, moet de kabel voldoende treksterkte, buigradius en slagvastheid hebben. Tijdens de installatie en het gebruik kan de kabel worden blootgesteld aan rek, buiging en externe krachten. Als de mechanische eigenschappen onvoldoende zijn, kan de kabel gemakkelijk beschadigd raken.
De thermische prestaties zijn ook een belangrijk aspect. De kabel genereert warmte tijdens gebruik, vooral bij hoge belasting. Daarom moet de kabel een goede hittebestendigheid hebben en binnen een bepaald temperatuurbereik normaal kunnen functioneren zonder problemen zoals veroudering van de isolatie. XLPE-kabel heeft een relatief goede hittebestendigheid en kan langdurig bij hogere temperaturen functioneren.
5. Installatie en onderhoud van hoogspanningskabels
Wat de installatie betreft, is het eerste wat gedaan moet worden het traject plannen om ervoor te zorgen dat de kabellegroute redelijk en veilig is. Tijdens het leggen moet erop gelet worden dat de kabel niet te veel wordt uitgerekt, gebogen of vervormd. Voor het leggen van kabels over lange afstanden worden doorgaans hulpmiddelen zoals kabeltransporteurs gebruikt om de werkzaamheden te vergemakkelijken.
Het maken van kabelverbindingen is een cruciale schakel in het installatieproces. De kwaliteit van de verbinding heeft direct invloed op de bedrijfszekerheid van de kabel. Bij het maken van verbindingen moet de kabel worden gestript, gereinigd, aangesloten en geïsoleerd. Elke stap moet strikt volgens de procesvereisten worden uitgevoerd om te garanderen dat de elektrische en mechanische eigenschappen van de verbinding aan de eisen voldoen.
Onderhoud is essentieel voor de stabiele werking van hoogspanningskabels op de lange termijn. Regelmatige inspecties kunnen snel aan het licht brengen of de kabel beschadigd is of dat de mantel beschadigd is. Tegelijkertijd kan met behulp van testapparatuur de isolatieprestaties en de partiële ontlading van de kabel worden gecontroleerd. Indien problemen worden geconstateerd, moeten deze tijdig worden gerepareerd of vervangen.
6. Storingen en detectie van hoogspanningskabels
Veelvoorkomende defecten aan hoogspanningskabels zijn isolatiebreuk, loskoppeling van geleiders en defecten aan verbindingen. Isolatiebreuk kan worden veroorzaakt door veroudering van de isolatie, partiële ontlading of externe overspanning. Loskoppeling van geleiders wordt meestal veroorzaakt door externe mechanische krachten of langdurige overbelasting. Defecten aan verbindingen kunnen worden veroorzaakt door een gebrekkig fabricageproces of ernstige verhitting tijdens bedrijf.
Om deze defecten op te sporen, zijn er diverse detectiemethoden. Partiële ontladingsdetectie is een veelgebruikte methode. Door het signaal te detecteren dat door partiële ontlading in de kabel wordt gegenereerd, kan worden vastgesteld of er isolatiedefecten in de kabel aanwezig zijn. De spanningsbestendigheidstest kan de spanningsbestendigheid van de kabel bepalen en potentiële isolatieproblemen opsporen. Daarnaast kan infrarood thermische beeldvormingstechnologie de temperatuurverdeling op het oppervlak van de kabel detecteren, om zo te achterhalen of de kabel problemen vertoont zoals plaatselijke oververhitting.
7. Toepassing en ontwikkelingstrend van hoogspanningskabels in energiesystemen
In energiesystemen worden hoogspanningskabels veelvuldig gebruikt voor de transformatie van stedelijke elektriciteitsnetten, de uitgaande leidingen van grote energiecentrales, onderzeese kabeltransport en andere toepassingen. In stedelijke elektriciteitsnetten kan het gebruik van ondergrondse kabels, vanwege de beperkte ruimte, ruimte besparen en het stadsbeeld verbeteren. De uitgaande leidingen van grote energiecentrales vereisen het gebruik van hoogspanningskabels om elektriciteit naar verder gelegen onderstations te transporteren. Onderzeese kabeltransport maakt stroomtransport over zee mogelijk en zorgt voor een stabiele stroomvoorziening voor eilanden en kustgebieden.
Met de voortdurende ontwikkeling van energietechnologie vertonen ook hoogspanningskabels een aantal ontwikkelingstrends. Ten eerste is er onderzoek, ontwikkeling en toepassing van kabels met hogere spanningsniveaus. Door de toenemende vraag naar stroomtransport over lange afstanden zal de ontwikkeling van ultrahoogspanningskabels een belangrijk aandachtspunt worden. Ten tweede is er de intelligentie van kabels. Door sensoren en andere apparatuur in de kabel te integreren, kan de bedrijfsstatus van de kabel in realtime worden gemonitord en kunnen storingen worden gemeld, waardoor de bedrijfszekerheid van de kabel wordt verbeterd. Ten derde is er de ontwikkeling van milieuvriendelijke kabels. Naarmate de eisen van mensen aan milieubescherming toenemen, zal onderzoek en ontwikkeling van milieuvriendelijke, recyclebare kabelmaterialen een toekomstige ontwikkelingsrichting zijn.
Geplaatst op: 24 september 2024