Cavi di alimentazione isolati XLPE: valutazioni, installazione e test

La chimica dietro la superiorità termica

Le prestazioni di Isolamento XLPE ha origine nella sua struttura molecolare. A differenza del polietilene termoplastico, che si ammorbidisce e scorre a temperature elevate, l’XLPE subisce un processo di reticolazione che lega le singole catene polimeriche in una rete tridimensionale. Questa trasformazione converte un materiale che si scioglierebbe a circa 105°C in un materiale termoindurente che mantiene l'integrità meccanica e la rigidità dielettrica ben oltre il limite continuo nominale di 90°C.

La reticolazione stessa viene ottenuta attraverso uno dei tre metodi industriali. Il processo di innesto al silano utilizza l'umidità per polimerizzare l'isolamento a temperatura ambiente, producendo un dielettrico pulito e privo di vuoti adatto per cavi di media tensione fino a 35 kV. Il processo al perossido, applicato attraverso un tubo di vulcanizzazione continua ad alta pressione, decompone il perossido di dicumile a temperatura e pressione elevate per avviare la reticolazione e rimane il metodo dominante per i cavi di trasmissione ad alta e altissima tensione. Un metodo di irradiazione meno comune utilizza il bombardamento con fasci di elettroni per applicazioni a pareti sottili. Ciascuna tecnica produce lo stesso target di contenuto di gel: frazione di gel minima al 70%. come misurato mediante estrazione a caldo con xilene, garantendo la densità della rete richiesta per la resistenza al creep sotto pressione meccanica sostenuta a temperature elevate.

Costruzione di conduttori e ingegneria dello schermo

Nessun dielettrico XLPE funziona in modo isolato. Le interfacce tra il conduttore e l'isolamento e tra l'isolamento e la schermatura metallica determinano in modo critico il comportamento di scarica parziale del cavo e la durata utile finale. Queste interfacce sono gestite da schermi semiconduttori, spesso indicati semplicemente come schermi conduttori e isolanti, estrusi contemporaneamente all'isolamento XLPE in un processo di estrusione a tripla testa.

Uno schermo del conduttore applicato correttamente riempie gli interstizi di un conduttore a trefolo e presenta una superficie equipotenziale cilindrica perfettamente liscia all'interno dello strato XLPE. Qualsiasi sporgenza o vuoto in corrispondenza di questo confine concentra lo stress elettrico, avviando una scarica parziale che erode l'isolamento dall'interno verso l'esterno. Il materiale dello schermo stesso è un composto di polietilene caricato con nerofumo con una resistività di volume tipica inferiore a 500 ohm-metri a 90°C. All'esterno dell'isolamento, lo schermo isolante svolge la funzione inversa, impedendo spazi d'aria tra la superficie XLPE e il nastro metallico o la schermatura del filo. Nei moderni cavi a tripla estrusione con potenza nominale di 15 kV e superiore, tutti e tre gli strati (schermo del conduttore, isolamento XLPE e schermo isolante) vengono applicati in un unico passaggio attraverso una matrice a croce, quindi reticolati insieme. Questa costruzione coestrusa elimina i confini discreti degli strati che storicamente causavano cedimenti di delaminazione in caso di espansione termica del ciclo di carico.

Portata e resistenza termica al cortocircuito

Il vantaggio della temperatura operativa dell'XLPE è ben noto, ma la sua capacità di resistenza termica al cortocircuito è altrettanto importante e spesso trascurata durante la specifica. Quando scorre una corrente di guasto, la temperatura del conduttore aumenta in millisecondi. XLPE tollera una temperatura del conduttore di cortocircuito di 250°C , mentre l'isolamento standard in PVC è limitato a 160°C per lo stesso evento transitorio. Questo tetto termico più elevato consente a una sezione trasversale del conduttore più piccola di sopravvivere a una determinata entità della corrente di guasto e tempo di ripristino, con implicazioni dirette sui costi per l’approvvigionamento di rame o alluminio.

La tabella seguente confronta la densità di corrente di cortocircuito massima consentita per conduttori in rame con isolamento XLPE e PVC per un tempo di eliminazione del guasto di un secondo, dimostrando il margine ingegneristico guadagnato.

Il valore di cortocircuito più elevato di circa 143 ampere per millimetro quadrato per conduttori in rame sotto XLPE, rispetto a 115 A/mm² per PVC, significa che un cavo XLPE può sopportare una corrente di guasto superiore del 24% per la stessa dimensione del conduttore e tempo di apertura senza degrado dell'isolamento. In pratica, questo spesso consente al progettista di selezionare un conduttore di una dimensione standard più piccola pur mantenendo la piena conformità ai guasti con la norma IEC 60949.

Water Treeing e il caso della costruzione rivestita

Il meccanismo di invecchiamento dominante per i cavi XLPE di media tensione in ambienti umidi è l'alberatura dell'acqua. Questo fenomeno si verifica quando l'umidità penetra nell'isolante in presenza di un campo elettrico, formando microscopici canali a forma di albero di polimero chimicamente degradato. Nell'arco di un periodo compreso tra sette e quindici anni, questi alberi acquatici crescono dai punti di concentrazione dello stress fino a superare uno spessore dell'isolamento sufficiente a causare una rottura dielettrica alla tensione operativa.

Due contromisure comprovate definiscono ora le migliori pratiche per i cavi XLPE destinati all'interramento diretto o agli ambienti umidi. La prima è tipicamente una barriera contro l'umidità metallica estrusa e senza giunzioni nastro di rame con cucitura saldata e ondulata o guaina di piombo applicata in modo continuo , accoppiato al rivestimento esterno in polietilene. Questa barriera blocca fisicamente l'ingresso radiale dell'acqua nello schermo isolante e negli strati isolanti. Il secondo è l’uso di composti XLPE ritardanti l’albero acquatico, che incorporano additivi polari che immobilizzano chimicamente le molecole d’acqua all’interno delle regioni amorfe del polimero, riducendo il tasso di crescita degli alberi acquatici ventilati di un ordine di grandezza. Per qualsiasi cavo con tensione nominale di 15 kV e superiore installato in un tombino soggetto a immersione periodica, specificare sia una barriera metallica radiale contro l'umidità che un XLPE ritardante per gli alberi non è più un'opzione premium; è la costruzione minima necessaria per raggiungere una durata di servizio di quaranta anni.

Controllo dello stress di terminazione e pressione di interfaccia

Le statistiche sui guasti dei sistemi di cavi XLPE indicano costantemente le terminazioni e le giunzioni come l'anello debole, non il cavo stesso. Il problema è la brusca interruzione dello schermo isolante, che crea un'estrema sollecitazione elettrica tangenziale in corrispondenza del bordo tagliato dello schermo. Senza una classificazione controllata, questo stress può raggiungere 50 kV per pollice o superiore alla tensione nominale fase-terra per un cavo da 15 kV, avviando un tracciamento superficiale che carbonizza e distrugge la terminazione.

Il rimedio è un elemento di controllo dello stress integrato nella terminazione. Le terminazioni ad alta tensione utilizzano in genere un cono di sollecitazione geometrico realizzato in gomma conduttiva e isolante che riforma le linee di campo equipotenziali in un leggero gradiente attraverso la superficie XLPE. I connettori separabili di media tensione svolgono la stessa funzione con un alloggiamento elastomerico stampato ad iniezione che applica un adattamento con interferenza radiale controllata di dal 15% al 25% sopra l'isolamento del cavo. Questo adattamento con interferenza mantiene la pressione dell'interfaccia durante tutti i cicli termici, mantenendo le superfici elettriche interne in intimo contatto ed escludendo l'aria dalla giunzione critica a triplo punto dove si incontrano conduttore, isolamento e ambiente. Qualsiasi installatore che ometta il lubrificante siliconico specificato per il corpo del connettore o che non smussi lo schermo isolante tagliato all'angolo specificato, crea un vuoto che si trasformerà in un sito di scarica parziale e infine in un guasto linea-terra.

Protocolli di test sul campo e di messa in servizio

Il circuito completo del cavo XLPE richiede un test di messa in servizio che dimostri che l'isolamento non è stato danneggiato durante il tiro e la terminazione, e allo stesso tempo non ha invecchiato o indebolito il cavo audio. L’approccio tradizionale dei test DC ad alto potenziale è stato definitivamente screditato per l’XLPE estruso. I test CC guidano la carica spaziale nella massa isolante; quando la tensione di prova viene rimossa e il cavo viene rienergizzato con CA, questa carica spaziale intrappolata si sovrappone alla forma d'onda CA e può provocare un guasto che il cavo non avrebbe subito durante il servizio.

Il protocollo moderno accettato per la messa in servizio del nuovo cavo XLPE è a Test di resistenza alla frequenza molto bassa (VLF) a 0,1 Hz , generalmente applicato per 30-60 minuti a un livello di tensione compreso tra 2,0 e 3,0 volte la tensione operativa linea-terra. Per un cavo da 15 kV con un valore nominale fase-terra di 8,7 kV, la tensione di prova è comunemente impostata a 22 kV di picco . Accompagnare il test di resistenza con una misurazione tan delta a più gradini di tensione fornisce una base quantitativa di perdita dielettrica che può essere confrontata con futuri test diagnostici per monitorare l'invecchiamento dell'isolamento. Un nuovo cavo XLPE in buone condizioni dovrebbe presentare un delta marrone chiaro di seguito 0,2 × 10⁻³ con una deviazione delta-tan-delta minima attraverso i gradini di tensione. I valori che superano questa soglia prima che il cavo entri in servizio suggeriscono contaminazione, ingresso di umidità o scarsa qualità di estrusione che richiede un'indagine prima che il circuito venga accettato dall'installatore.