معنی ۱۲/۲۰ (۲۴) کیلوولت روی کابل چیست؟

معنی ۱۲/۲۰ (۲۴) کیلوولت روی کابل چیست؟ رمزگشایی ولتاژ نامی کابل‌ها

هنگامی که به کاتالوگ‌های فنی، نقشه‌های تک‌خطی (SLD) پست‌های برق یا مشخصات هک‌شده روی روکش کابل‌های قدرت صنعتی نگاه می‌کنید، با عباراتی نظیر 12/20 (24) kV یا 6/10 (12) kV یا 18/30 (36) kV مواجه می‌شوید. برای بسیاری از تکنسین‌ها و حتی خریداران تجهیزات الکتریکی این پرسش مطرح است که چرا یک کابل دارای سه عدد مجزای ولتاژی است؟ آیا این کابل برای ۱۲ کیلوولت ساخته شده، یا ۲۰ کیلوولت، یا حداکثر تا ۲۴ کیلوولت را تحمل می‌کند؟ اگر شبکه ما ۲۰ کیلوولت است، چرا عدد ۱۲ روی آن نوشته شده است؟ انتخاب نادرست رده ولتاژی کابل بر اساس نوع سیستم زمین شبکه، یکی از دلایل اصلی انفجار سرکابل‌ها، شکست دی‌الکتریک عایق XLPE و سوختن کابل‌های فشار متوسط در شبکه توزیع برق است. در این مقاله تفصیلی و مرجع از دپارتمان مهندسی سپهران کابل فیدار کابل فشار متوسط، با کالبدشکافی استاندارد بین‌المللی IEC 60502-2، مفاهیم حیاتی U₀، U، U_m، سطح عایقی ضربه صاعقه (BIL) و تاثیر سیستم‌های نوترال زمین‌شده و ایزوله را تشریح می‌کنیم.

۱. رمزگشایی علائم ولتاژی: تعریف مقادیر U₀ ، U و U_m طبق استاندارد IEC

استاندارد بین‌المللی IEC 60502-2 سطوح ولتاژ نامی کابل‌های فشار متوسط را به صورت رابطه سه‌گانه U₀ / U (U_m) تعریف می‌کند که در آن:

• مقدار U₀ (ولتاژ فاز به زمین - Phase to Earth Voltage): ولتاژ موثر نامی فرکانس قدرت بین هر هادی فاز و شیلد فلزی یا زمین سیستم در شرایط کارکرد عادی است. در یک سیستم متقارن سه‌فاز، رابطه تئوریک این ولتاژ برابر است با:
  U₀ = U / √(3) = 20 / √(3) ≈ 11.55 ≈ 12 kV
  بنابراین عدد ۱۲ کیلوولت نشان‌دهنده فشاری است که عایق پلیمری بین هادی مرکزی و لایه شیلد بیرونی به طور پیوسته در طول شبانه‌روز تحمل می‌کند.
• مقدار U (ولتاژ فاز به فاز - Phase to Phase Voltage): ولتاژ موثر نامی فرکانس قدرت میان دو هادی فاز مجاور در شبکه سه‌فاز است. در شبکه توزیع سراسری ایران، ولتاژ نامی خط به خط معادل ۲۰ کیلوولت (20 kV) است.
• مقدار U_m (حداکثر ولتاژ مجاز پایدار تجهیزات - Maximum System Voltage): بالاترین ولتاژ کاری مجازی است که کابل و تجهیزات سرکابل و مفصل می‌توانند به طور نامحدود و مداوم در شرایط نوسانات شبکه بدون آسیب به عایق تحمل کنند. برای شبکه ۲۰ کیلوولت، این عدد برابر ۲۴ کیلوولت (24 kV) است (معادل ۲۰ درصد بالاتر از ولتاژ نامی خط).

۲. جدول استانداردهای رده‌بندی ولتاژ کابل‌های فشار متوسط طبق IEC 60502-2

جدول زیر سطوح مختلف ولتاژ نامی، حداکثر ولتاژ کارکرد و ولتاژ آزمون صاعقه (BIL) را برای کابل‌های فشار متوسط نشان می‌دهد:

۳. اهمیت نوع سیستم زمین خنثی (Earthing System) در انتخاب کابل ۱۲/۲۰ یا ۱۸/۳۰ کیلوولت

یکی از ظریف‌ترین و حیاتی‌ترین تصمیمات مهندسی در طراحی پست‌های فشار متوسط، تطابق کابل با نحوه زمین‌کردن نقطه صفر (نوترال) ترانسفورماتور قدرت است. طبق استاندارد IEC 60502-2، شبکه‌های الکتریکی به سه دسته عملکردی تقسیم می‌شوند:

1. دسته اول (Category A): شبکه‌هایی که در صورت بروز خطای اتصال کوتاه فاز به زمین، رله‌های حفاظتی خطا را در کمتر از ۱ دقیقه قطع و ایزوله می‌کنند (شبکه‌های زمین‌شده مستقیم Solidly Earthed یا مقاومت کم Low Resistance Earthed). در این شبکه‌ها کابل 12/20 kV برای خط ۲۰ کیلوولت کاملاً استاندارد است.
2. دسته دوم (Category B): شبکه‌هایی که نقطه خنثی آن‌ها ایزوله است (Isolated Neutral) یا با کویل پترسن (Petersen Coil) زمین شده‌اند و در هنگام وقوع خطای تک‌فاز به زمین، سیستم برای مدت چند ساعت (تا ۸ ساعت متوالی و سالانه حداکثر ۱۲۵ ساعت) خاموش نمی‌شود تا فرآیند کارخانه متوقف نگردد! در این وضعیت، ولتاژ دو فاز سالم دیگر نسبت به زمین از ۱۲ کیلوولت به ۲۰ کیلوولت (U₀ o U) پرش می‌کند!

   اگر برای این شبکه از کابل ۱۲/۲۰ استفاده شده باشد، عایق کابل تحت تنش الکتریکی شدیدی قرار گرفته و دچار شکست دی‌الکتریک می‌شود. بنابراین در سیستم‌های ایزوله، مهندسان ملزم هستند یک رده ولتاژی بالاتر، یعنی کابل 18/30 (36) kV را برای شبکه ۲۰ کیلوولت انتخاب نمایند!

۴. پدیده میدان الکتریکی شعاعی و نقش لایه‌های نیمه‌هادی (Semiconductive Layers)

در کابل‌های فشار متوسط ۱۲/۲۰ کیلوولت، شدت میدان الکتریکی در سطح هادی به بیش از ۳ تا ۴ کیلوولت بر میلی‌متر می‌رسد. اگر هادی مستقیماً با عایق پلی‌اتیلن تماس داشته باشد، پستی و بلندی‌های تارهای مس باعث تجمع بار و جرقه‌های ریز تخلیه جزئی (Corona) شده و در مدت چند ماه عایق را سوراخ می‌کند. برای یکنواخت‌سازی این میدان، ساختار سه‌لایه همزمان (Triple Extrusion) اجرا می‌شود:

• لایه نیمه‌هادی داخلی (Conductor Screen): سطحی کاملاً صیقلی روی هادی مس ایجاد می‌کند تا شدت میدان الکتریکی کاملاً شعاعی و یکنواخت شود.
• عایق دی‌الکتریک XLPE: لایه ۵.۵ میلی‌متری پلیمر کراس‌لینک برای تحمل تنش ولتاژ نامی.
• لایه نیمه‌هادی خارجی (Insulation Screen): روی عایق قرار گرفته و خطوط میدان الکتریکی را در داخل عایق مهار می‌کند و از ایجاد جرقه میان عایق و شیلد مسی محافظ جلوگیری می‌نماید.

۵. سطح استقامت ضربه صاعقه (BIL - Basic Insulation Level) کابل ۱۲/۲۰ کیلوولت

علاوه بر ولتاژهای فرکانس قدرت ۵۰ هرتز، کابل‌های ۲۰ کیلوولت در معرض امواج ولتاژی بسیار خطرناک ناشی از برخورد صاعقه به خطوط هوایی یا کلیدزنی بریکرها قرار دارند. طبق جدول استاندارد، کابل 12/20 (24) kV باید سطح عایقی ضربه صاعقه BIL معادل ۱۲۵ کیلوولت (125 kV Peak) را با شکل موج استاندارد 1.2 / 50 μ s با موفقیت پشت سر بگذارد. عدم رعایت ضخامت ۵.۵ میلی‌متر عایق یا وجود آلودگی در خط تولید، استقامت BIL را کاهش داده و با اولین صاعقه بهاری، سرکابل منفجر می‌شود.

۶. دستورالعمل آزمون‌های ولتاژ بالای راه‌اندازی در سایت (SAT / VLF Testing)

پس از اتمام عملیات کابل‌کشی کابل‌های ۱۲/۲۰ کیلوولت و نصب سرکابل‌ها در پست برق، نباید کابل را مستقیماً زیر بار شبکه برد. مهندسان موظف به اجرای آزمون‌های پیش از راه‌اندازی هستند:

1. تست فرکانس فوق‌العاده پایین (VLF Test 0.1 Hz): طبق استاندارد IEEE 400.2، کابل‌های عایق XLPE نباید تحت تست ولتاژ DC مستقیم قرار گیرند زیرا بارهای فضایی (Space Charges) مخرب درون عایق انباشته می‌شود. آزمون ولتاژ بالا باید با ژنراتور VLF در فرکانس ۰.۱ هرتز با ولتاژ موثر تا ۳ برابر U₀ (حدود ۲۴ تا ۳۶ کیلوولت) به مدت ۱۵ تا ۶۰ دقیقه اجرا شود.
2. اندازه‌گیری زاویه تلفات عایقی (an δ): سنجش میزان پیرشدگی و نفوذ رطوبت به داخل عایق کابل.

۵. معادلات توزیع میدان الکتریکی در عایق استوانه‌ای کابل فشار متوسط

عایق کابل قدرت تک‌رشته یا رشته‌های سه‌رشته یک ساختار خازنی هم‌محور استوانه‌ای تشکیل می‌دهد. طبق قانون گاوس در الکترومغناطیس، شدت میدان الکتریکی شعاعی (E) در فاصله r از مرکز هادی از رابطه لگاریتمی زیر پیروی می‌کند:

که در آن:

• U₀: ولتاژ فاز به زمین نامی (معادل ۱۲,۰۰۰ ولت برای کابل ۱۲/۲۰ کیلوولت)
• r₀: شعاع خارجی لایه نیمه‌هادی روی هادی مس
• R: شعاع لایه خارجی نیمه‌هادی زیر شیلد مسی (مجموع شعاع هادی و ضخامت عایق)
• r: فاصله نقطه مورد نظر از مرکز کابل (r₀ ≤ r ≤ R)

نتیجه‌گیری حیاتی مهندسی: معادله فوق نشان می‌دهد که حداکثر شدت تنش الکتریکی (E_max) در نزدیک‌ترین نقطه به سطح هادی (r = r₀) رخ می‌دهد. در یک کابل ۱۲/۲۰ کیلوولت استاندارد با ضخامت ۵.۵ میلی‌متر، شدت میدان در این نقطه حدود 3.2 kV/mm است که بسیار کمتر از حد شکست عایق XLPE نو (> 20 kV/mm) است. اما اگر در خط تولید ضخامت عایق نامتقارن شود (Eccentricity بالای ۵ درصد)، شدت میدان موضعی جهش یافته و تخریب دی‌الکتریک آغاز می‌شود.

۶. پاتولوژی تخلیه جزئی (Partial Discharge) و پدیده درختچه‌های آبی و الکتریکی

دو عامل پنهان در کابل‌های ۱۲/۲۰ کیلوولت وجود دارند که بدون ایجاد اتصال کوتاه فوری، عایق را در طول چند سال تخریب می‌کنند:

1. پدیده درختچه‌های آبی (Water Treeing): نفوذ رطوبت از خاک به داخل عایق XLPE در حضور میدان الکتریکی متناوب ۱۲ کیلوولت، باعث تشکیل کانال‌های میکروسکوپی شبیه به شاخه‌های درخت می‌شود. این درختچه‌ها با کاهش استقامت عایقی، راه را برای جرقه باز می‌کنند. کابل‌های فشار متوسط مدرن مجهز به نوارهای مسدودکننده آب (Water Blocking) هستند تا این پدیده را متوقف سازند.
2. درختچه‌های الکتریکی ناشی از تخلیه جزئی (Electrical Treeing): جرقه‌های میکروسکوپی در حباب‌های هوای داخل عایق به مرور پلیمر کراس‌لینک را سوزانده و کانال‌های کربنی رسانا می‌سازند که در نهایت با یک صدای انفجار مهیب به اتصال کوتاه فاز به شیلد زمین می‌انجامد. آزمون حساسیت زیر ۵ پیکوکولن (< 5 pC) در تست کارخانه‌ای تضمین می‌کند هیچ درختی در عایق شکل نخواهد گرفت.