در سیستم‌های قدرت مدرن، کابل‌های ولتاژ بالا نقش حیاتی ایفا می‌کنند. از شبکه‌های برق زیرزمینی در شهرها گرفته تا خطوط انتقال راه دور در کوهستان‌ها و رودخانه‌ها، کابل‌های ولتاژ بالا انتقال کارآمد، پایدار و ایمن انرژی الکتریکی را تضمین می‌کنند. این مقاله به طور عمیق به بررسی فناوری‌های مختلف مربوط به کابل‌های ولتاژ بالا، از جمله ساختار، طبقه‌بندی، فرآیند تولید، ویژگی‌های عملکرد، نصب و نگهداری آنها خواهد پرداخت.
۱. ساختار اساسی کابل‌های ولتاژ بالا
کابل‌های فشار قوی عمدتاً از هادی‌ها، لایه‌های عایق، لایه‌های محافظ و لایه‌های محافظ تشکیل شده‌اند.
هادی، کانال انتقال جریان است و معمولاً از مس یا آلومینیوم ساخته می‌شود. مس رسانایی و شکل‌پذیری خوبی دارد، در حالی که آلومینیوم نسبتاً کم‌هزینه و سبک وزن است. این هادی‌ها عموماً به شکل سیم‌های چند رشته‌ای پیچ خورده هستند تا انعطاف‌پذیری بیشتری داشته باشند.
لایه عایق بخش کلیدی کابل ولتاژ بالا است که در جلوگیری از نشت جریان و جداسازی هادی از دنیای خارج نقش دارد. مواد عایق رایج شامل پلی اتیلن متقاطع (XLPE)، کاغذ روغنی و غیره است. XLPE خواص الکتریکی، مقاومت در برابر حرارت و مقاومت مکانیکی عالی دارد و به طور گسترده در کابل‌های ولتاژ بالای مدرن استفاده می‌شود.
لایه محافظ به دو بخش محافظ داخلی و محافظ خارجی تقسیم می‌شود. محافظ داخلی برای یکنواخت کردن میدان الکتریکی و جلوگیری از آسیب تخلیه موضعی به لایه عایق استفاده می‌شود؛ محافظ خارجی می‌تواند تداخل میدان الکترومغناطیسی خارجی روی کابل را کاهش دهد و همچنین از تأثیر الکترومغناطیسی کابل بر دنیای خارج جلوگیری کند.
لایه محافظ عمدتاً کابل را از آسیب ناشی از عوامل خارجی مانند آسیب مکانیکی، خوردگی شیمیایی و نفوذ آب محافظت می‌کند. این لایه معمولاً از زره فلزی و غلاف بیرونی تشکیل شده است. زره فلزی می‌تواند مقاومت مکانیکی را فراهم کند و غلاف بیرونی دارای عملکردهای ضد آب و ضد خوردگی است.
۲. طبقه‌بندی کابل‌های ولتاژ بالا
با توجه به سطح ولتاژ، کابل‌های ولتاژ بالا را می‌توان به کابل‌های ولتاژ متوسط (عموماً ۳-۳۵ کیلوولت)، کابل‌های ولتاژ بالا (۳۵-۱۱۰ کیلوولت)، کابل‌های ولتاژ فوق فشار قوی (۱۱۰-۵۰۰ کیلوولت) و کابل‌های ولتاژ فوق فشار قوی (بالای ۵۰۰ کیلوولت) تقسیم کرد. کابل‌های با سطوح ولتاژ مختلف از نظر طراحی ساختاری، الزامات عایق‌بندی و غیره با هم متفاوت هستند.
از دیدگاه مواد عایق، علاوه بر کابل‌های XLPE و کابل‌های روغنی-کاغذی که در بالا ذکر شد، کابل‌های لاستیکی اتیلن-پروپیلن نیز وجود دارند. کابل‌های روغنی-کاغذی سابقه طولانی دارند، اما به دلیل هزینه‌های بالای نگهداری و دلایل دیگر، به تدریج جای خود را به کابل‌های XLPE داده‌اند. کابل لاستیکی اتیلن-پروپیلن انعطاف‌پذیری و مقاومت خوبی در برابر آب و هوا دارد و برای برخی موارد خاص مناسب است.
۳. فرآیند تولید کابل ولتاژ بالا
تولید کابل ولتاژ بالا یک فرآیند پیچیده و ظریف است.
ساخت هادی‌ها ابتدا نیاز به کشش، پیچاندن و سایر فرآیندهای مواد اولیه مس یا آلومینیوم دارد تا از دقت ابعادی و خواص مکانیکی هادی اطمینان حاصل شود. در طی فرآیند پیچاندن، رشته‌های رشته‌ها باید از نزدیک چیده شوند تا رسانایی هادی بهبود یابد.
اکستروژن لایه عایق یکی از مراحل کلیدی است. برای لایه عایق XLPE، ماده XLPE در دمای بالا اکسترود شده و به طور یکنواخت روی هادی پیچیده می‌شود. در طول فرآیند اکستروژن، پارامترهایی مانند دما، فشار و سرعت اکستروژن باید به شدت کنترل شوند تا کیفیت و یکنواختی ضخامت لایه عایق تضمین شود.
لایه محافظ معمولاً با بافت سیم فلزی یا پیچیدن نوار فلزی ساخته می‌شود. فرآیندهای تولید محافظ‌های داخلی و خارجی کمی متفاوت است، اما هر دو باید از یکپارچگی لایه محافظ و اتصال الکتریکی خوب اطمینان حاصل کنند.
در نهایت، تولید لایه محافظ شامل قرار دادن زره فلزی و اکستروژن غلاف بیرونی است. زره فلزی باید محکم روی کابل قرار گیرد و اکستروژن غلاف بیرونی باید ظاهری صاف و بدون نقص مانند حباب و ترک را تضمین کند.
۴. ویژگی‌های عملکرد کابل‌های ولتاژ بالا
از نظر عملکرد الکتریکی، کابل‌های ولتاژ بالا باید مقاومت عایقی بالا، تلفات دی‌الکتریک کم و مقاومت ولتاژ خوبی داشته باشند. مقاومت عایقی بالا می‌تواند به طور موثر از نشت جریان جلوگیری کند، تلفات دی‌الکتریک کم، تلفات انرژی الکتریکی را در حین انتقال کاهش می‌دهد و مقاومت ولتاژ خوب تضمین می‌کند که کابل می‌تواند با خیال راحت در محیط ولتاژ بالا کار کند.
از نظر خواص مکانیکی، کابل باید از استحکام کششی، شعاع خمشی و مقاومت در برابر ضربه کافی برخوردار باشد. در حین نصب و بهره‌برداری، کابل ممکن است در معرض کشش، خمش و ضربه نیروی خارجی قرار گیرد. اگر خواص مکانیکی کافی نباشد، به راحتی می‌توان به کابل آسیب رساند.
عملکرد حرارتی نیز یک جنبه مهم است. کابل در حین کار، به خصوص هنگام کار تحت بار زیاد، گرما تولید می‌کند. بنابراین، کابل باید مقاومت حرارتی خوبی داشته باشد و بتواند در یک محدوده دمایی خاص بدون مشکلاتی مانند فرسودگی عایق، به طور معمول کار کند. کابل XLPE مقاومت حرارتی نسبتاً خوبی دارد و می‌تواند برای مدت طولانی در دماهای بالاتر کار کند.
۵. نصب و نگهداری کابل‌های ولتاژ بالا
از نظر نصب، اولین کاری که باید انجام شود، برنامه‌ریزی مسیر است تا از منطقی و ایمن بودن مسیر کابل‌کشی اطمینان حاصل شود. در طول فرآیند کابل‌کشی، باید مراقب بود که از کشش، خمیدگی و بیرون‌زدگی بیش از حد کابل جلوگیری شود. برای کابل‌کشی در مسافت‌های طولانی، معمولاً از تجهیزاتی مانند نقاله‌های کابل برای کمک به ساخت و ساز استفاده می‌شود.
تولید اتصالات کابل، حلقه‌ای کلیدی در فرآیند نصب است. کیفیت اتصال مستقیماً بر قابلیت اطمینان عملیاتی کابل تأثیر می‌گذارد. هنگام ساخت اتصالات، کابل باید لخت، تمیز، متصل و عایق‌بندی شود. هر مرحله باید کاملاً مطابق با الزامات فرآیند انجام شود تا اطمینان حاصل شود که خواص الکتریکی و مکانیکی اتصال، الزامات را برآورده می‌کند.
کار تعمیر و نگهداری برای عملکرد پایدار و طولانی مدت کابل‌های ولتاژ بالا ضروری است. بازرسی‌های منظم می‌تواند به سرعت تشخیص دهد که آیا ظاهر کابل آسیب دیده است یا غلاف آن آسیب دیده است. در عین حال، می‌توان از برخی تجهیزات تست نیز برای آزمایش عملکرد عایق و تخلیه جزئی کابل استفاده کرد. در صورت مشاهده مشکلات، باید به موقع تعمیر یا تعویض شوند.
۶. خرابی و تشخیص کابل‌های ولتاژ بالا
خرابی‌های رایج کابل‌های ولتاژ بالا شامل خرابی عایق، قطع شدن هادی و خرابی اتصالات است. خرابی عایق ممکن است در اثر فرسودگی عایق، تخلیه جزئی یا اضافه ولتاژ خارجی ایجاد شود. قطع شدن هادی معمولاً در اثر نیروی خارجی مکانیکی یا اضافه بار طولانی مدت ایجاد می‌شود. خرابی اتصالات ممکن است در اثر فرآیند تولید ضعیف اتصالات یا گرمای شدید در حین کار ایجاد شود.
برای تشخیص این عیوب، روش‌های تشخیص زیادی وجود دارد. تشخیص تخلیه جزئی یک روش رایج است. با تشخیص سیگنال تولید شده توسط تخلیه جزئی در کابل، می‌توان مشخص کرد که آیا نقص عایقی در داخل کابل وجود دارد یا خیر. تست ولتاژ تحمل می‌تواند ظرفیت ولتاژ تحمل کابل را تشخیص داده و مشکلات احتمالی عایق را پیدا کند. علاوه بر این، فناوری تصویربرداری حرارتی مادون قرمز می‌تواند توزیع دما در سطح کابل را تشخیص دهد تا مشخص شود که آیا کابل مشکلاتی مانند گرمای بیش از حد موضعی دارد یا خیر.
۷. کاربرد و روند توسعه کابل‌های ولتاژ بالا در سیستم‌های قدرت
در سیستم‌های قدرت، کابل‌های ولتاژ بالا به طور گسترده در تبدیل شبکه برق شهری، خطوط خروجی نیروگاه‌های بزرگ، انتقال کابل زیردریایی و سایر زمینه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. در شبکه‌های برق شهری، به دلیل فضای محدود، استفاده از کابل‌های زیرزمینی می‌تواند در فضا صرفه‌جویی کرده و زیبایی شهر را بهبود بخشد. خطوط خروجی نیروگاه‌های بزرگ برای انتقال برق به پست‌های برق دوردست نیاز به استفاده از کابل‌های ولتاژ بالا دارند. انتقال کابل زیردریایی می‌تواند انتقال برق از طریق دریا را محقق کرده و منبع تغذیه پایدار را برای جزایر و مناطق ساحلی فراهم کند.
با توسعه مداوم فناوری برق، کابل‌های ولتاژ بالا نیز برخی روندهای توسعه را نشان داده‌اند. یکی از آنها تحقیق و توسعه و کاربرد کابل‌هایی با سطوح ولتاژ بالاتر است. با افزایش تقاضا برای انتقال برق در مسافت‌های طولانی، توسعه کابل‌های ولتاژ فوق بالا مورد توجه قرار خواهد گرفت. دوم، هوشمندسازی کابل‌ها است. با ادغام حسگرها و سایر تجهیزات در کابل، می‌توان نظارت بلادرنگ بر وضعیت عملکرد کابل و هشدار خطا را محقق کرد و در نتیجه قابلیت اطمینان عملکرد کابل را بهبود بخشید. سوم، توسعه کابل‌های سازگار با محیط زیست است. با افزایش نیازهای مردم برای حفاظت از محیط زیست، تحقیق و توسعه مواد کابل با آلودگی کم و قابل بازیافت، جهت توسعه آینده خواهد بود.
زمان ارسال: ۲۴ سپتامبر ۲۰۲۴