نقص در پوشش کابل: علل، خطرات، روش های تشخیص و راه حل

نقص در پوشش کابل: علل، خطرات، روش های تشخیص و راه حل

مقدمه

در سیستم های برق مدرن، کابل های برق به عنوان ستون فقرات انتقال انرژی عمل می کنند. از شبکه های توزیع شهری تا پارک های صنعتی، از ایستگاه های انرژی تجدید پذیر تا سیستم های حمل و نقل ریلی،برنامه های کاربردی کابل همچنان در سناریوهای مختلف گسترش می یابدبر اساس آمار شرکت شبکه دولتی، طول کل کابل های برق با قدرت 10 کیلو ولت و بالاتر در چین تا پایان سال 2025 از 1.5 میلیون کیلومتر فراتر رفته است.به عنوان کابل های سن و محیط های عملیاتی به طور فزاینده ای پیچیده می شوند، نقص های پوشش کابل به عنوان یک عامل حیاتی که بر قابلیت اطمینان تامین برق تاثیر می گذارد، ظاهر شده است.

یک واقعیت که اغلب نادیده گرفته می شود این است که اکثر شکست های عایق اصلی کابل را می توان به آسیب پوشش ردیابی کرد. پوشش کابل به عنوان اولین مانع دفاعی فیزیکی عمل می کند.يه بار نقض شد، رطوبت، مواد شیمیایی و میکروارگانیسم ها به داخل کابل نفوذ می کنند و به تدریج سپر فلزی و لایه های عایق اصلی را از بین می برند.در نهایت منجر به نقص های زمین یا مدار کوتاه فاز به فاز می شودبر اساس داده های موسسه تحقیقات برق چین، حدود 42 درصد از خط های توزیع 10kV-35kV به طور مستقیم با آسیب پوشش ارتباط دارند.

این مقاله یک تجزیه و تحلیل مهندسی سیستماتیک از علل نقص پوشش کابل، خطرات، روش های تشخیص و استراتژی های پیشگیرانه را ارائه می دهد.تجهیز پرسنل تعمیر و نگهداری سیستم برق با یک چارچوب دانش جامع برای مدیریت سلامت پوشش.

بخش اول: درک پوشش کابل

1.1 ساخت پایه کابل

با استفاده از کابل برق عایق شده 10kV XLPE YJV22 به عنوان مثال، ساختار از داخلی ترین تا بیرونی ترین عبارت است از:

• راننده: هسته مس یا آلومینیوم، مسئول انتقال جریان
• سپر هدايت کننده: لایه نیمه رسانا که توزیع میدان الکتریکی را یکنواخت می کند
• عایق اصلی: پلی اتیلن متقاطع (XLPE) ، مقاومت در برابر ولتاژ کار
• سپر عایق: لایه نیمه رسانا در ارتباط با محافظ فلزی
• سپر فلزی: نوار مس یا سیم تراش، جریان مدار کوتاه را حمل می کند و مدار زمین را تشکیل می دهد
• پوشش داخلی: از لایه فلزی محافظت می کند
• لایه زره: نوار یا سیم فولادی، حفاظت مکانیکی را فراهم می کند
• پوشش بیرونی: بیرونی ترین لایه که کل کابل را از خطرات محیطی خارجی محافظت می کند

1.2 عملکردهای اصلی پوشش بیرونی

پوشش بیرونی به عنوان پوست محافظ کابل عمل می کند و سه عملکرد اساسی را انجام می دهد:

حفاظت مکانیکی: محافظت در برابر سایش در طول نصب، فشرده سازی از سنگ های backfill و استرس خاک در طول کار.یک کابل بدون پوشش سالم لایه های فلزی سپر و زره را مستقیماً در معرض محیط خوردنی زیرزمینی قرار می دهد.

ضد آب و موانع رطوبت: از ورود آب و رطوبت به داخل کابل جلوگیری می کند. در حالی که مواد عایق XLPE به طور ذاتی جذب آب بسیار پایین را نشان می دهد، هنگامی که رطوبت از طریق یک پوشش آسیب دیده وارد کابل می شود،می تواند درختان آب را در داخل لایه عایق ایجاد کند، به تدریج کاهش قدرت دی الکتریک.

عزل شیمیایی: مانع از تماس مستقیم مواد اسیدی، قلیایی و شور در خاک با لایه های فلزی سپر و زره می شود.این عملکرد به ویژه در مناطقی که سطح آب های زیرزمینی بالا و یا آلودگی قابل توجهی از خاک وجود دارد، بسیار مهم است..

1.3 مواد مشترک پوشش

بخش دوم: علل اصلی نقص پوشش کابل

نقص های پوشش به ندرت ناشی از یک عامل است. آنها به طور معمول از تعامل تجمعی مکانیسم های متعدد در طول دوره های طولانی ناشی می شوند. بر اساس تجزیه و تحلیل آماری موارد نقص،علل اصلی را می توان به شرح زیر طبقه بندی کرد::

2.1 آسیب مکانیکی (تقریباً در 35 درصد موارد)

آسیب مکانیکی همچنان علت اصلی نقص های پوشش است.

آسیب در طول نصب: تنش کششی بیش از حد، شعاع خم شدن کمتر از حداقل مشخصات، یا اصطکاک با حفره های لوله و لبه های براکت پشتیبان می تواند همه باعث شکستن یا پاره شدن پوشش شود.در طول یک پروژه مترو در یک پایتخت استان، یک قطعه کابل ۲٫۳ کیلومتری ۱۱۰ کیلو ولت پس از قرار دادن آزمایش عایق بندی پوشش را انجام داد و سه نقطه آسیب را نشان داد.همه آنها به تماس با لبه های تیز براکت های پشتیبانی کابل در طول عملیات کشش نشان داده شده اند..

خسارت ساختمانی توسط شخص ثالث: حفاری جاده های شهری، اصلاح خط لوله گاز، نصب خطوط مخابراتی،و سایر فعالیت های ساختمانی شخص ثالث، علت اصلی آسیب به پوشش کابل های توزیع شهری است.نیروی ضربه ای که از سطل حفاری به وجود می آید، از تحمل مکانیکی پوشش بسیار بیشتر است.

فشار خاک و قرارگیری: در خاک نرم یا مناطق پسپیمایی، رسوب خاک نابرابر باعث ایجاد فشار خم شدن محلی در کابل ها می شود که می تواند در معرض بارگذاری طولانی مدت باعث ترک پوسته شود.اثرات غلظت استرس به ویژه در مکان هایی که کابل ها از رابط های زمین شناسی مختلف عبور می کنند، برجسته است.، مانند انتقال از خاک نرم به لایه های سنگی.

2.2 فاکتورهای محیطی (تقریباً 28 درصد موارد)

تخریب اشعه UV: برای قطعات کابل در معرض زمین در پایان های بیرونی، اشعه ماوراء بنفش باعث پیری پوشش PVC می شود و باعث شکنندگی و ترک می شود.قرار گرفتن طولانی مدت در معرض اشعه UV برای ایجاد میکرو ترک های سطحی کافی است..

چرخه حرارتی: تغییرات دمای روزانه و فصلی باعث گسترش و انقباض مکرر حرارتی مواد پوشش می شود. در مناطق شمالی، دمای زمستان می تواند به -30 درجه سانتیگراد کاهش یابد.زمانی که برخی از مواد PVC به نقطه شکنش خود نزدیک می شوند و تحت فشار مکانیکی بسیار مستعد ترک شدن می شوند.

ورود رطوبت و شکل گیری درختان آب: وقتی سطح آب زیرزمینی نوسان می کند، تفاوت فشار رطوبت را از طریق نقص های میکروسکوپی پوشش به سمت داخل کابل هدایت می کند.درختان آب ٬ کانال های کوچک دندریت ٬ به تدریج تحت تأثیر میدان الکتریکی شکل می گیرند، به شدت قدرت دی الکتریک را به خطر می اندازد.

2.3 خوردگی شیمیایی (تقریباً 20 درصد موارد)

محیط شیمیایی خاک: خاک های اسیدی (pH < 5) ، مناطق آلی و شور و خاک های آلوده صنعتی حاوی غلظت بالای یون های خوردنی (Cl، SO) هستند.که سرعت پیری و تخریب مواد PE/PVC را افزایش می دهد.

خوردگی جریان منحرف: در نزدیکی سیستم های مترو و خطوط انتقال DC، جریان های منحرف به سپر فلزی کابل های زیرزمینی جریان می دهند و در نقص های پوشش خارج می شوند و باعث خوردگی الکتروشیمی در نقاط خروج می شوند.این مکانیسم خوردگی بسیار سریعتر از خوردگی طبیعی است، گاهی اوقات باعث تخریب شدید سپر فلزی در عرض چند هفته می شود.

2.4 عوامل نصب و عملیاتی (تقریباً 17 درصد موارد)

کیفیت کم پر کردن: مواد پرکننده که حاوی سنگ های تیز یا زباله های ساختمانی هستند یا عدم نصب لایه محافظ شن نازک مشخص شده در اطراف کابل ها.در طول یک تحقیقات نقص در یک پارک صنعتی در شانگهای، مشخص شد که پوشش در نقطه نقص توسط قطعه ای از خرابه های بتنی با لبه تیز سوراخ شده است.که در ظرف سه سال کار با آب مخلوط شده بود و به تدریج آسیب را بیشتر کرده بود..

پیری عملیاتی طولانی مدت: در حالی که طول عمر طراحی کابل معمولاً 30 سال است، سرعت واقعی پیری پوشش بستگی به محیط عملیاتی دارد.و اسپری نمک بالا، عمر واقعی پوشش می تواند به 15-20 سال کاهش یابد.

بخش سوم: خطرات نقص های پوشش کابل

آسیب به پوشش ممکن است سطحی به نظر برسد، اما باعث واکنش زنجیره ای می شود که کل سیستم کابل را تهدید می کند:

ورودی رطوبت که منجر به کاهش عایق اصلی می شودوقتی که پوشش شکسته شود، رطوبت ابتدا با محافظ فلزی تماس می گیرد، سپس در طول کابل گسترش می یابد.درختان آب تحت میدان الکتریکی شکل می گیرند، باعث کاهش مقاومت عایق می شود.داده های تجربی نشان می دهد که یک کابل XLPE حاوی درختان آب می تواند کاهش ولتاژ شکستن فرکانس قدرت را از چهار برابر ارزش نامی به کمتر از 1 تجربه کند..5 بار

خوردگی سپر فلزی که منجر به خرابی سیستم زمین گیری می شود: محافظ مس در محیط های مرطوب و خوردنی دچار خوردگی الکتروشیمیایی می شود. همانطور که محافظ خوردگی و نازک می شود، ظرفیت حمل جریان کوتاه آن کاهش می یابد.موارد شدید می تواند منجر به شکستن سپر شوددر چنین شرایطی، نقص یک فاز زمین نمی تواند به موقع پاک شود.

تخلیه جزئی که منجر به شکستن عایق می شود: محصولات خوردگی مس (verdigris، اکسید مس) در نقاط آسیب به پوشش لایه های نیمه رسانا را تشکیل می دهند که توزیع محلی میدان الکتریکی را تحریف می کنند و تخلیه سطحی را ایجاد می کنند.تخليه جزئي پايدار به تدريج عایق اصلي را از بين مي برد، که در نهایت باعث شکست دی الکتریک می شود.

کاهش عمر کابل: یک کابل با پوشش سالم می تواند زندگی طراحی 30 ساله را به دست آورد. با این حال، اگر آسیب پوشش درمان نشود، عمر عملی ممکن است به 8 تا 12 سال کاهش یابد.از منظر مدیریت دارایی، این نشان دهنده دو برابر افزایش نیازهای سرمایه گذاری است.

بخش چهارم: چگونه عیب های پوشش کابل را تشخیص دهیم؟

4.1 روش های شناسایی سنتی

بازرسی بصری: فقط برای مناطق قابل دسترسی مانند پایانه ها و مفاصل کابل قابل استفاده است. برای کابل های به طور مستقیم دفن شده، حفاری برای بازرسی بصری مورد نیاز است.و مستعد تشخیص اشتباه هستند..

آزمایش مقاومت عایق: یک مگومتر برای اندازه گیری مقاومت عایق بندی بین محافظ فلزی و زمین استفاده می شود. هنگامی که پوشش آسیب می بیند، مقادیر مقاومت عایق بندی به طور قابل توجهی کاهش می یابد.بر اساس DL/T 596-2021 "کد آزمایش پیشگیرانه برای تجهیزات الکتریکی"مقاومت عایق پوشش کابل نباید کمتر از 0.5M / km باشد. در حالی که این روش می تواند تعیین کند که آیا آسیب پوشش وجود دارد، نمی تواند موقعیت آسیب را پیدا کند.

آزمایش روی زمین: مقاومت زمین گیری سپر فلزی کابل را برای ارزیابی یکپارچگی سیستم زمین گیری اندازه گیری می کند. با این حال، این روش نیز نمی تواند محل نقص را مشخص کند.

4.2 روش های تشخیص حرفه ای

ثابت مقاومت در برابر تست ولتاژ: ولتاژ بالا DC (معمولاً 5-10kV) را به پوشش کابل اعمال می کند در حالی که جریان نشت را کنترل می کند.نشان دهنده وجود نقاط ضعف عایق پوشش است.این روش می تواند با یک مکان شناس خطای پوشش برای دستیابی به تشخیص یکپارچه و مکان ترکیب شود.

روش ولتاژ مرحله ای: یک سیگنال آزمایش به زمین بالای مسیر کابل تزریق می شود. در نقطه نقص، جریان به زمین جریان می یابد و یک شیب بالقوه را در مرکز محل نقص تشکیل می دهد.استفاده از یک A-Frame و گیرنده برای تشخیص در امتداد مسیر کابل، نشانگر تفاوت پتانسیل قطب را معکوس می کند زیرا اپراتور مستقیماً بالای نقطه خطا عبور می کند. روش ولتاژ مرحله ای به طور معمول به دقت موقعیت در حدود 0.5m می رسد.

روش مکان گیری سیگنال صوتی: یک سیگنال صوتی با فرکانس خاصی بین پوشش کابل و زمین تزریق می شود. در نقطه خطا، جریان سیگنال از کابل به زمین نفوذ می کند.یک کاوشگر با حساسیت بالا، تغییرات قدرت و جهت سیگنال را در سطح زمین تشخیص می دهدموقعیت با قوی ترین سیگنال نقطه خطا را نشان می دهد.

4.3 مکان دقیق در مقابل ارزیابی خشن

یک آزمایش مقاومت عایق ساده فقط می تواند نشان دهد که آسیب پوشش وجود دارد، نه جایی که آسیب واقع شده است. blind excavation to locate the fault is not only prohibitively expensive—urban road excavation costs can reach tens of thousands of RMB per occurrence—but may also cause traffic disruption and damage to adjacent municipal utilities.

ارزش موقعیت دقیق در محدود کردن دامنه حفاری از صدها متر به 0.5 متر، کاهش زمان تعمیر از روزها به ساعت ها و کاهش هزینه های تعمیر بیش از 80٪ است.

بخش پنجم: اصول عملکرد تجهیزات تشخیص خطای پوشش کابل

به عنوان مثال، با استفاده از سیستم های اصلی موقعیت خطای پوشش مبتنی بر ولتاژ مرحله ای، فرآیند عملیاتی را می توان به چهار مرحله تقسیم کرد:

5.1 تولید سیگنال

ژنراتور سیگنال (معمولاً در یک منبع برق پالس ولتاژ بالا ادغام شده است) یک سیگنال ولتاژ پالس فرکانس پایین را بین سپر فلزی کابل و زمین تزریق می کند.فرکانس سیگنال معمولا بین 0.۱-۱۰ هرتز، با دامنه ولتاژ قابل تنظیم از ۰-۱۵ کیلو ولت بسته به شدت آسیب پوشش.انتخاب سیگنال فرکانس پایین تضمین نفوذ از طریق لایه های خاکی ضخیم در حالی که اجتناب از فشار الکتریکی غیر ضروری بر روی سیستم عایق مرکزی کابل.

5.2 مسیر جریان نقص

جریان سیگنال تزریق شده در امتداد سپر فلزی کابل جریان می یابد در قسمت هایی که پوشش سالم باقی می ماند جریان در داخل سپر محدود می شودباعث می شود که سیگنال تقریباً در سطح زمین تشخیص داده نشود.وقتی که جریان به نقطه شکستن پوشش می رسد، بخشی از جریان از طریق آسیب به خاک اطراف فرار می کند و یک میدان جریان ایجاد می کند که از نقطه نقص به بیرون تابش می کند.

5.3 تغییرات بالقوه سطح

جريان خارج از نقطه ي خطا، گراديانت ولتاژ در زمين را ایجاد مي کند. هرچه به نقطه ي خطا نزديک تر باشد، گراديانت پتانسيل بزرگتر خواهد بود.این ویژگی فیزیکی پایه اصلی روش مکان ولتاژ مرحله ای را تشکیل می دهد، جهت نقطه نقص را می توان تعیین کرد.

5.4 فرآیند دریافت و یافتن

اپراتور گیرنده و A-Frame را در امتداد مسیر کابل حمل می کند.و گیرنده مقدار و جهت تفاوت پتانسیل را در زمان واقعی نشان می دهد.

یک فرآیند مکان گذاری معمولی به شرح زیر انجام می شود: اپراتور تشخیص را حدود 15 متر از نقطه خطا آغاز می کند، در این مرحله گیرنده یک تفاوت پتانسیل مثبت ضعیف را نشان می دهد.در حالی که اپراتور به نقطه خطا نزدیک می شود، مقدار تفاوت پتانسیل به تدریج افزایش می یابد. هنگامی که فریم A مستقیماً بالای نقطه خطا عبور می کند، جهت تفاوت پتانسیل معکوس می شود و مقدار به طور ناگهانی تغییر می کند.با حرکت مکرر A-Frame به جلو و عقب، اپراتور می تواند محل نقص را با دقت 0.5 متر مشخص کند.

مطالعه موردی مهندسی: در سال 2024، یک شرکت برق استان در حال بررسی یک نقص پوشش در یک کابل توزیع شهری 35kV (YJV32-26/35kV، طول 3.8 کیلومتر) بود.مقاومت عایق بندی پوشش فقط 0 اندازه گیری شده است.02M، خیلی پایین تر از الزامات قانونی. با استفاده از یک مکان شناس خطای پوشش کابل برای بررسی کل مسیر کابل، تیم نقطه آسیب پوشش را در 1 قرار داد.7 کیلومتر از ترمینال کابل در حدود 2.5 ساعت. بررسي حفاري نشان داد که قطعه اي از تخته هاي ارتجاعي که در طول ساخت و ساز باقي مونده بود، پوشش را سوراخ کرده بودکل پروسه، از محل تا اتمام تعمیر کمتر از 6 ساعت طول کشید. اگر روش های حفاری قطعی معمولی مورد استفاده قرار می گرفت، تخمین زده می شد 2-3 روز مورد نیاز باشد.

بخش ششم: چگونه از نقص در پوشش کابل جلوگیری کنیم؟

روش های استاندارد نصب: قرار دادن و نصب کابل اولین خط دفاعی برای حفاظت از پوشش را تشکیل می دهد. اقدامات زیر باید به طور دقیق اجرا شود:تنش کششی نباید از مقدار نامی کابل بیشتر باشد.شعاع خم شدن باید با مشخصات استاندارد مطابقت داشته باشد یا بیشتر از آن باشد، حفره های لوله باید با محافظ محافظت شده باشند، پر کردن پشت باید از سنگ های تیز پاک باشد.و یک لایه محافظ شن 10 سانتی متری باید در اطراف کابل نصب شود.

آزمایش پس از نصب: پس از قرار دادن کابل اما قبل از پر کردن، آزمایش ولتاژ مقاومت DC و اندازه گیری مقاومت عایق بندی پوشش باید انجام شود.این آخرین فرصت برای تشخیص آسیب های مربوط به نصب است.

آزمایش دوره ای و ارزیابی وضعیت: برای کابل های در حال استفاده، آزمایش عایق بندی پوشش هر ۳ تا ۵ سال توصیه می شود. برای کابل های مسن، مدارهای تغذیه حیاتی یا کابل هایی که در محیط های خشن کار می کنند،مدت زمان آزمایش باید به 1-2 سال کاهش یابد..

ایجاد سوابق سلامت کابل: اجرای مستندات مدیریت چرخه عمر کامل برای هر کابل، ثبت تاریخ نصب، مسیرهای مسیریابی، داده های تست تاریخی و سوابق تعمیر.تجزیه و تحلیل داده ها می تواند روند پیری پوشش را شناسایی کند، امکان برنامه ریزی فعال برای تعویض یا تعمیر.

بخش هفتم: تجهیزات تشخیص حرفه ای در مدیریت سلامت پوشش

مکان دقیق نقص های پوشش کابل اساساً به تجهیزات تشخیص تخصصی بستگی دارد.این ابزارها به الزامات اصلی زیر می پردازند::

سناریوهای کاربرد: مناسب برای محل نقص عایق پوشش بر روی کابل های برق 10kV-220kV، شامل دفن مستقیم، بانک لوله، خندق کابل، تونل و سایر پیکربندی های نصب.

عملکرد اصلی: با ادغام روش ولتاژ مرحله ای و سیگنال صوتی، این دستگاه ها می توانند هر دو تعیین کنند که آیا آسیب پوشش وجود دارد و به طور دقیق موقعیت جغرافیایی نقض را نشان می دهد.برخی از مدل ها همچنین قابلیت ردیابی مسیر را دارند.، امکان نقشه برداری همزمان مسیر کابل.

مزیت های فنی: دقت موقعیت معمولاً در حدود 0.5m، به حداقل رساندن حفاری غیرضروری.عملیات یک اپراتور قادر به تکمیل یک بررسی کامل یک کابل توزیع شهری معمولی در مدت ۲ تا ۴ ساعتکار با صفحه لمسی با ذخیره سازی موج، اسناد و اسناد در محل و تجزیه و تحلیل را تسهیل می کند.

بهبود کارایی: در کاربردهای مهندسی عملی، استفاده از مکان شناسان نقص پوشش می تواند زمان جستجوی نقص را بیش از 70٪ کاهش دهد.آمار از یک شرکت شبکه برق نشان می دهد که پس از معرفی تجهیزات موقعیت دقیق، متوسط تعداد حفاری ها در هر تعمیر خطای پوشش از 3.2 به 1 کاهش یافته است.1، و متوسط زمان تعمیر از 14 ساعت به 4.5 ساعت کاهش یافته است، که مدت قطع و هزینه های عملیاتی را به طور قابل توجهی کاهش می دهد.

نتیجه گیری

ممکن است پوشش کابل به نظر می رسد پوشیده ترین لایه در ساخت کابل باشد، اما مسئولیت حیاتی حفاظت از کل کابل از خطرات خارجی را بر عهده دارد.یکپارچگی پوشش به طور مستقیم زندگی عملیاتی کابل و قابلیت اطمینان از منبع تغذیه را تعیین می کنددر حالی که سیستم های برق به سمت تحول هوشمند و دیجیتال پیشرفت می کنند، فلسفه نگهداری پیشگیرانه باید به طور محکم پذیرفته شودو تعمیر به موقع به طور مداوم اقتصادی تر است، کارآمد و امن تر از واکنش واکنش اضطراری پس از وقوع خطا.

برای هر مهندس تعمیر و نگهداری کابل، تسلط بر تکنولوژی تشخیص خطای پوشش، استفاده از تجهیزات تست حرفه ای به طور موثر،و ایجاد یک سیستم علمی مدیریت سلامت کابل، پایه محکم برای اطمینان از عملکرد امن و پایدار شبکه های برق است.

این مقاله برای متخصصان صنعت برق طراحی شده است و هدف آن انتشار دانش مهندسی و فنی در زمینه آزمایش و نگهداری کابل است.پارامترهای فنی و موارد مهندسی ذکر شده در اینجا از استانداردهای عمومی صنعت برق و تجربه عملیاتی واقعی مشتق شده است..