Mikä on virtakaapeli? Different Types of Power Cables Explained

Mikä on a Virtakaapeli — Määritelmä ja ydinrakenne

A virtajohto on kokoonpano yhdestä tai useammasta eristetystä sähköjohtimesta, jotka on suljettu suojaavaan ulkovaippaan ja jotka on suunniteltu siirtämään sähköenergiaa lähteestä kuormaan. Toisin kuin signaali- tai datakaapelit, jotka kuljettavat matalan tason jännitteitä ja virtoja tiedonsiirtoa varten, tehokaapelit on suunniteltu erityisesti käsittelemään sähkönjakeluun ja laitteiden syöttöön liittyviä virransiirtokapasiteettia, jänniterasitusta ja lämpöolosuhteita.

Virtakaapelin perusrakenne koostuu kolmesta toiminnallisesta kerroksesta. The kapellimestari — tyypillisesti säikeinen tai kiinteä kupari tai alumiini — tarjoaa matalaresistanssisen virtatien. The eristys Johdinta ympäröivä kerros kestää käyttöjännitteen, mikä estää virran vuotamisen viereisiin johtimiin tai ympäröiviin rakenteisiin. The ulkotakki tai vaippa suojaa sisäosia mekaanisilta vaurioilta, kosteudelta, kemikaaleilta, UV-säteilyltä ja muilta asennusympäristön kannalta merkittäviltä ympäristötekijöiltä.

Eristyksen ja vaipan välissä monet tehokaapelirakenteet sisältävät lisäkerroksia: metalliset suojukset tai suojukset keski- ja korkeajännitekaapeleille hallitsevat sähkökentän jakautumista johtimen ympärillä; teräslangan tai nauhan panssarikerrokset tarjoavat mekaanisen suojan suoraan hautaamiseen tai raskaaseen teolliseen käyttöön; ja täytemateriaalit säilyttävät kaapelin pyöreän poikkileikkauksen ja estävät sisäistä kosteuden kulkeutumista. Näiden kerrosten erityinen yhdistelmä määrittää kaapelin nimellisjännitteen, virtakapasiteetin, asennustavan ja palveluympäristön – minkä vuoksi erityyppisten virtakaapeleiden ymmärtäminen on tärkeää ennen määrittelyä tai hankintaa.

Erilaisia virtajohtotyyppejä jänniteluokan mukaan

Perustavanlaatuisin luokitus virtakaapeleiden tyypit on jännitteen mukaan, koska jännite määrää vaaditun eristeen paksuuden, suojan suunnittelun ja asennusvaatimukset. Kolme kansainvälisten standardien pääjänniteluokkaa ovat:

• Pienjännitekaapelit (LV) – 1 kV asti: Käytetään rakennusten kaapelointiin, laiteliitäntöihin, teollisuuspaneelien johdotukseen ja loppujakelupiireihin. Rakentaminen on suhteellisen yksinkertaista: eristetyt johtimet, usein PVC- tai LSOH-ulkovaipalla, ilman metallisuojaa. Yleisiä nimityksiä ovat NYY, YJV (Kiina), N2XY (IEC) ja THHN/THWN (Pohjois-Amerikka). Johdinpoikkipinta-alat vaihtelevat 1,5 mm²:stä valaistuspiireissä 400 mm²:iin tai suurempiin pääjakelun syöttöjohtoihin.
• Keskijännitteiset (MV) kaapelit - 1 kV - 35 kV: Käytetään sähkönjakeluverkoissa, teollisuuslaitosten syöttöjärjestelmissä, tuuli- ja aurinkovoimaloiden keräysjärjestelmissä sekä maanalaisessa kaupunkijakelussa. MV-kaapelit vaativat johdinsuojat, eristyssuojat ja metallivaipat tai lankasuojat sähkökentän ohjaamiseksi ja osittaisen purkauksen estämiseksi. XLPE-eriste (crosslinked polyethylene) on suurelta osin korvannut paperiöljyeristeen uusissa MV-asennuksissa pienemmän asennuspainonsa, öljyvuotoriskin puuttumisen ja helpomman liittämisen ansiosta.
• Korkeajännite- (HV) ja erittäin korkeajännitekaapelit (EHV) – yli 35 kV: Käytetään irtovoiman siirtoon, merenalaisten yhteyksien ja maanalaisten kaapeleiden siirtoon tiheillä kaupunkialueilla, joissa ilmajohdot ovat epäkäytännöllisiä. Rakentaminen muuttuu huomattavasti monimutkaisemmaksi näillä jännitetasoilla, mikä vaatii tarkkuusekstrudoitua eristystä, jossa on erittäin alhainen huokospitoisuus, lyijyä tai aallotettua alumiinivaippaa kosteuden poistamiseksi sekä johtimen ja eristyssuojan pinnan tasaisuuden huolellista valvontaa, jotta vältetään sähkökentän vahvistuminen vioissa. XLPE-eristetyt kaapelit toimivat nyt kaupallisessa käytössä jopa 525 kV jännitteellä.

Erilaisia virtajohtotyyppejä eristysmateriaalin mukaan

Eristysmateriaali on toinen pääakseli, jota pitkin virtakaapelityypit eroavat toisistaan, koska se määrittää lämpötilaluokituksen, kemiallisen kestävyyden, joustavuuden, palosuojan ja pitkäaikaisen ikääntymisen. Nykyisessä käytössä vallitsevat eristysjärjestelmät ovat:

• PVC (polyvinyylikloridi): Maailmanlaajuisesti eniten käytetty LV-kaapeleiden eristys. Taloudellinen, helppo prosessoida ja saatavana laajalla valikoimalla yhdisteformulaatioita erilaisiin lämpötila- ja joustavuusvaatimuksiin. Vakio PVC-eristys on mitoitettu 70 °C:n johtimen lämpötilaan; lämmönkestävät laatuluokat saavuttavat 90 °C. Tärkeimmät rajoitukset ovat huono suorituskyky matalissa lämpötiloissa (muuttuu hauraaksi alle -15 °C - -20 °C), syövyttävän kloorivetykaasun vapautuminen palaessaan ja suhteellisen suuret dielektriset häviöt kohotetuilla jännitteillä - minkä vuoksi PVC:tä ei käytetä yli 6 kV:n jännitteellä.
• XLPE (ristisidottu polyeteeni): Nyt vakioeristys MV-, HV- ja EHV-kaapeleille, ja sitä käytetään yhä enemmän myös pienjännitekaapeleissa. Silloitus muuttaa kestomuovisen polyeteenin kertamuoviseksi materiaaliksi, joka säilyttää ominaisuutensa korkeissa lämpötiloissa — XLPE-kaapelit ovat tyypillisesti mitoitettuja 90 °C jatkuvaan ja 250 °C oikosulkuolosuhteisiin, mikä on huomattavasti korkeampi kuin PVC. XLPE tarjoaa myös pienemmät dielektriset häviöt, paremman kosteudenkestävyyden ja erinomaisen pitkäaikaisen vanhenemisen PVC:hen verrattuna. Kompromissi on korkeammat materiaalikustannukset ja vaativampi suulakepuristusprosessi.
• EPR (etyleenipropeenikumi): Lämpökovettuva kumieriste, joka tarjoaa erinomaisen joustavuuden laajalla lämpötila-alueella (-50 °C - 90 °C), erinomaisen otsonin- ja UV-kestävyyden sekä erittäin hyvän suorituskyvyn märissä olosuhteissa. EPR on ensisijainen eristys offshore-, meri- ja kaivoskaapeleille, joissa yhdistyvät toistuva taipuminen, kosteat ympäristöt ja äärimmäiset lämpötilat. Sen korkeammat kustannukset ja hieman suuremmat dielektriset häviöt verrattuna XLPE:hen rajoittavat sen käyttöä staattisissa sähkökaapeleissa.
• LSOH / LSZH (matala savuton halogeeni): Ei yksittäinen materiaali vaan yhdistelmäluokka – polyolefiinipohjaiset eristeet ja vaipat, jotka on suunniteltu tuottamaan mahdollisimman vähän savua eikä halogeenipitoisia kaasuja poltettaessa. Pakollinen tai erittäin suositeltava ahtaissa tiloissa, kuten tunneleissa, metrojärjestelmissä, offshore-alustoissa, datakeskuksissa ja julkisissa rakennuksissa, joissa evakuointi tulipalotilanteessa riippuu näkyvyyden ja hengittävän ilman säilyttämisestä. LSOH-yhdisteitä käytetään sekä eristykseen että ulkovaippaan LV-kaapeleissa näissä ympäristöissä.
• Mineraalieristys (MICC-kaapelit): Kuparijohtimet, joita ympäröi tiivistetty magnesiumoksidijauhe saumattomassa kupariputkessa. Mineraalieristetyt kaapelit ovat luonnostaan ​​palonkestäviä – ne toimivat edelleen jopa 1 000 °C:n lämpötiloissa – mikä tekee niistä vaaditun kaapelityypin palokriittisissä piireissä, mukaan lukien hätävalaistus, palohälytysjärjestelmät ja sprinkleripumpputarvikkeet monissa kansallisissa rakennusmääräyksissä.

Oikean virtajohdon valinta: asennusmenetelmä ja ympäristötekijät

Jänniteluokan ja eristysmateriaalin lisäksi asennusympäristö määrittää, mitä kaapelin lisäominaisuuksia tarvitaan. Sama johtimen poikkipinta-ala ja eristystyyppi voi olla sopiva tai täysin sopimaton riippuen siitä, miten ja missä kaapeli on asennettu.

Suora hautaus maaperässä edellyttää joko panssaroitua kaapelia (teräslankapanssarointi tai teräsnauhapanssarointi) kestämään maan liikkeen ja louhinnan aiheuttamia mekaanisia vaurioita, tai asennusta putkiin, joka tarjoaa mekaanisen suojan. Suoraan haudatut kaapelit vaativat myös UV-suojatut ulkovaipat, jos jokin osa juoksusta on maanpinnan yläpuolella, ja kosteutta kestävän rakenteen, joka estää veden pääsyn sisään vuosikymmenten käytön aikana.

Kaapelihyllyt ja ulkoilmaasennukset teollisuuslaitoksissa palonsuoja sekä tarkastuksen ja vaihdon helppous. Monijohtimiset kaapelit, joissa on LSOH- tai FR-PVC-ulkovaippa kaapelitikkaitajärjestelmissä, ovat vakiona. Kun kaapelit kulkevat rinnakkain alustalla, virran alentumiskertoimet - tyypillisesti 0,7–0,85 yhden kaapelin arvoista ryhmittelystä riippuen — on käytettävä vierekkäisten kaapelien keskinäisen kuumenemisen huomioon ottamiseksi.

Joustavat ja vedettävät kaapelit liikkuvat koneet, nosturit ja kannettavat laitteet edellyttävät hienosäikeisiä johtimia (luokka 5 tai luokka 6 IEC 60228:n mukaan) ja erittäin joustavaa kumi- tai TPE-eristystä ja -vaippaa, joka kestää toistuvan taivutuksen ilman väsymishalkeamia. Nämä kaapelit on mitoitettu määritellylle vähimmäistaivutussäteelle ja rajalliselle määrälle joustojaksoja – kiinteän asennuskaapelin määrittäminen flex-sovelluksessa on yksi yleisimmistä ja niistä aiheutuvista valintavirheistä teollisuuden sähkötekniikassa.

Merenalainen ja offshore-kaapelit yhdistä useita suojausvaatimuksia samanaikaisesti: paineenkestävyys syvyydessä, meriveden kemiallinen kestävyys, mekaaninen suojaus ankkurivastusta ja kalastusvälineitä vastaan sekä pitkien AC-merikaapeleiden tapauksessa huolellinen kapasitiivinen latausvirran hallinta. Korkeajännitteisistä tasajännitekaapeleista (HVDC) on tullut standardi pitkille offshore-tuulipuistojen vientiyhteyksille juuri siksi, että DC-siirto eliminoi latausvirtahäviöt, jotka tekevät pitkistä AC-merikaapeleista epäkäytännöllisiä noin 80–100 kilometrin etäisyydellä.