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Apr 18, 2023

Entwicklung der Mittelspannungskabelgarnituren

Von Patrick O'Halloran, Chefingenieur für Zustandsüberwachung bei City Power,

Von Patrick O'Halloran, Chefingenieur für Zustandsüberwachung bei City Power, Johannesburg, Südafrika

Die Zubehörteile für Mittelspannungskabel (MV) haben sich verändert, seit unsere Großväter vor vielen Jahren Kabel angeschlossen und verbunden haben, und haben sich weiterentwickelt, um mit den technologischen Veränderungen bei Schaltanlagen und Kabelkonstruktionen Schritt zu halten. In Südafrika sind NRS 053/SABS 1332 und NRS 012/SANS 876 sowie die Einführung kompakter Mittelspannungsschaltanlagen die wichtigsten treibenden Faktoren für die Veränderung der Mittelspannungskabelgarnituren. Dieser Artikel bietet einen Überblick über die Entwicklung der Mittelspannungskabelabschlüsse und identifiziert die Herausforderungen, die der südafrikanischen Industrie bevorstehen (Widerstand gegenüber Veränderungen, mangelnde Kompetenz und fehlendes Verständnis für neue Technologien).

Zu Beginn wurden elektrische Geräte (Schaltanlagen und Transformatoren) mit massegefüllten Metallkabelkästen ausgestattet. Diese Art der Kabelterminierung war technisch gut, allerdings war sie sehr schwierig und gefährlich für das Außendienstpersonal. Die damaligen papierisolierten MV-Kabel (PILC) hatten eine Gürtelkonstruktion und gewischte Erdungsanschlüsse. Der mit Verbundmaterial gefüllte Kabelkasten war so konzipiert, dass sich keine Luft im Inneren befand, sodass Kriechströme bei der Konstruktion der Kabeldurchführung keine große Rolle spielten. Dies erklärt, warum die Durchführungen von mit Verbundmaterial gefüllten Kabelkästen im Vergleich zu luftgefüllten Kabelkastendurchführungen, die in metallverkleideten Schaltanlagen und Freilufttransformatoren zu finden sind, klein sind.

Compoundboxen wurden mit vielen unterschiedlichen Massen befüllt, überwiegend wurde jedoch eine Heißvergussmasse verwendet. Diese Masse war schwer zu handhaben und gab beim Erhitzen vor dem Gießen schädliche Dämpfe ab. Mit Verbundwerkstoffen gefüllte Kästen bestanden aus einem Metallgehäuse mit Porzellandurchführungen an den Stellen, an denen die Kabel aus dem Verbundkasten austraten.

Zu den Nachteilen von mit Verbundmaterial gefüllten Kabelkästen gehören: Um eine ordnungsgemäße Isolierung (keine Luftporen) zu gewährleisten, ist eine Nachfüllung der Masse erforderlich, lange Installationszeiten und Ausfälle von Kabelkästen führen zu großen Schäden, wenn sie platzen (heiß brennende Masse könnte austreten). Mittlerweile stehen jedoch Kaltvergussmassen neuer Technologie zur Verfügung, die umweltfreundlich, sicher einzubauen und wiederbegehbar sind.

Mit der Einführung von Klebebändern, Wärmeschrumpf- und später Kaltschrumpf-Endverschlüssen wurden mit Verbundstoff gefüllte Kästen im Laufe der Zeit durch luftisolierte Endverschlüsse ersetzt. Diese Art des Mittelspannungskabelabschlusses wird von 95 % des südafrikanischen Marktes verwendet.

Um die elektrischen Spannungen innerhalb der Kabelkonstruktionen zu kontrollieren, wurden abgeschirmte, papierisolierte Kabel eingeführt, insbesondere dort, wo höhere Kabelnennspannungen erforderlich waren. Derzeit sind mit Gürteldesign und Papier isolierte Kabel auf 12 kV begrenzt. Geschirmte, papierisolierte Kabel sind normalerweise bis einschließlich 36 kV gemäß SANS 97 ausgelegt. Das abgeschirmte Kabeldesign sorgt für eine verbesserte MV-Kabelabschlussleistung, insbesondere dort, wo bei Gürtelkabeln die Krücke ein Bereich mit hoher Belastung ist.

Beim papierisolierten Kabel mit Banddesign ist die Wahrscheinlichkeit von Krückenausfällen höher als beim neueren papierisolierten Kabel mit Siebdesign, bei dem der gesamte Krückenbereich abgeschirmt ist. Dies ist auf den spezifischen Widerstand der Materialien und das Eindringen von Luft zwischen ungeschirmten isolierten Leitern zurückzuführen. Weitere Einzelheiten zu den Unterschieden zwischen Riemen und abgeschirmtem, papierisoliertem MV-Kabel finden Sie in Bild 3.

Spezielle Spannungskontrollrohre wurden entwickelt, um die hohe elektrische Spannung am Schirmschnitt in luftisolierten Mittelspannungskabelanschlüssen zu kontrollieren.

Mit der Einführung von Luft in die Kabelkästen müssen wir nun Kriechstrecken, Kriechstrecken und Erosion sowie Luftstrecken (Phase zu Phase und Phase zu Erde) berücksichtigen. Diese technischen Überlegungen müssen korrekt sein, wenn ein luftgefüllter Abschluss eine Lebensdauer von mehr als 30 Jahren haben soll. Wenn unzureichende Kriech-, Kriechstrom- und Erosionseigenschaften sowie Luftabstände vorhanden sind, fällt der Mittelspannungskabelabschluss vorzeitig aus. Ausfälle von Mittelspannungskabelanschlüssen sind gefährlich und führen zu langen Stromunterbrechungen. Bild 5 zeigt einen typischen luftisolierten 11-kV-Wärmeschrumpfanschluss mit Kitt- und Klebebandabdeckungen.

Internationale Markttrends (hauptsächlich 24-kV-Systeme) erforderten immer kleinere Schaltanlagen. Dies wiederum führt zu geringeren Sammelschienenabständen und Kabelkästen. Luft war das erste Isoliermedium für Stromschienen. Dies wurde durch Öl ersetzt und mit der Einführung der SF6-Isolierung konnten die Sammelschienenabstände enorm reduziert werden. Dies zwang dazu, die Größe der Kabelboxen zu reduzieren. Zusammen mit den kleineren Kabelkästen verringerten sich die Abstände zwischen den Phasen und der Phase zur Erde. Die Verringerung der Abstände erforderte neue Mittelspannungskabelanschlüsse.

Als die Hersteller von Schaltanlagen zusammen mit Mittelspannungskabeln kleinere luftgefüllte Kabelkästen mit reduzierten Abständen entwickelten, mussten die Zubehörhersteller die Durchführungen und Mittelspannungskabelanschlüsse neu konstruieren, um die Kabelkästen und Kabelanschlüsse für diese verringerten Abstandsanforderungen kompatibel zu machen.

In Südafrika hat sich die Industrie auf eine Buchse vom Typ C 630A mit M16-Gewinde genormt. Diese Typ-C-Durchführung findet sich in allen neuen SF6-isolierten Schaltanlagen, die derzeit nur von den Gemeinden City Power, Eskom und Ethekwini verwendet werden.

Die Typ-C-Buchse ermöglichte es Endbenutzern, von herkömmlichen Kitt- und Klebebandabdeckungen zu werkseitig hergestellten, vollständig isolierten Abdeckungen überzugehen. Diese Abdeckungen werden jedes Mal auf die gleiche Weise installiert und stellen sicher, dass die Kabel auch an Typ-C-Durchführungen ordnungsgemäß angeschlossen werden (siehe Abbildung 6). Dies ist ein Produkt, das für den Einsatz in südafrikanischen papierisolierten Kabelsystemen konzipiert ist.

Auch papierisolierte Kabel, die anfällig für das Eindringen von Feuchtigkeit sind, die zu Isolationsschäden führen kann, waren gezwungen, alternative Kabeldesigns zu finden. Mit der Einführung abgeschirmter XLPE-Kabel haben sich die Wärmeschrumpf-Mittelspannungsanschlüsse erneut weiterentwickelt.

International wurde beschlossen, die Kabelschnittstelle zu standardisieren und auch geschirmte Kabelanschlüsse einzuführen. Abgeschirmte MV-Kabelanschlüsse konnten nur an MV-XLPE-Kabeln verwendet werden und beseitigten nach der Installation die Probleme von Kriech-, Kriech- und Kriechwegen, Erosion und Luftstrecken, die bei den meisten luftisolierten MV-Kabelanschlüssen auftreten. Der Begriff „geschirmt“ bedeutet geerdet. Sobald ein Kabelabschluss vollständig abgeschirmt ist, kann er ohne Funkenüberschlag vollständig in Wasser eingetaucht werden. Eskom verwendet abgeschirmte Steckverbinder für 24-kV-Systeme beim Anschluss innerhalb der neuen kompakten Schaltanlage. Darüber hinaus haben größere interne Versorgungsunternehmen von dreiadrigen Kabeln abgewichen und verwenden nun einadrige XLPE-isolierte Kabel. Dies ist keine einfache Änderung, da alle elektrischen Aspekte des Netzwerks überprüft und das Personal in der Installation und dem Anschluss von einadrigen XLPE-isolierten Kabeln geschult werden müssen. Der südafrikanische Markt verwendet aus vielen Gründen hauptsächlich 3-adrige Kabelkonstruktionen (siehe Abbildung 7).

Bild 8 zeigt eine Querschnittsansicht eines nicht erweiterbaren Schirmverbinders und einer erweiterbaren Rücken-an-Rücken-Doppelkabelverbindung. Das Bild zeigt auch das internationale Erdungskonzept, bei dem Kupferdrähte anstelle von Kupferbändern verwendet werden, wie sie derzeit in Südafrika verwendet werden. Das Design des abgeschirmten Steckverbinders kontrolliert die elektrische Belastung vom XLPE-Kabel über die Typ-C-Buchse bis in die Schaltanlage. Da die Oberfläche des Kabels und des abgeschirmten Steckverbinders abgeschirmt ist, entsteht kein Leckstrom entlang der Oberfläche der abgeschirmten Steckverbinder. Durch die Installation dieser abgeschirmten Steckverbinder im Kabelkasten können der Kabelkasten und alle elektrischen Abstände drastisch reduziert werden. Die Lebenserwartung abgeschirmter MS-Kabelendverschlüsse ist doppelt so hoch wie die erwartete Lebenserwartung ungeschirmter Kabelendverschlüsse, insbesondere bei geringeren Abständen in neuen, reduzierten Kabelkästen. Bei papierisolierten Kabeln ist die Verwendung eines abgeschirmten Steckers nicht möglich.

Um Fehler im Mittelspannungskabelraum zu verhindern, wurden die folgenden nationalen Normen veröffentlicht:

Diese Normen sind noch nicht verbindlich, so dass der Endbenutzer sie beim Kauf von Mittelspannungs-Schaltanlagen und Mittelspannungs-Kabelzubehör angeben muss. NRS 012 / SANS 876 deckt die Anforderungen an Kabelanschlüsse und stromführende Leiter in luftgefüllten Gehäusen (Isolierungskoordination) für Nennwerte ab Wechselspannungen von 7,2 kV bis einschließlich 36 kV. Alle kritischen Maße sind in der Norm für die folgenden Anschlussarten angegeben:

Typ 1 – blank, Typ 2 – ummantelt, Typ 3 – ungeschirmte trennbare Steckverbinder. Typ 4 – mit Außenkonus abgeschirmte trennbare Steckverbinder. Typ 5 – mit Innenkonus abgeschirmte trennbare Steckverbinder

Ummantelter Isolationsabschluss: Luftisolierter Abschluss, der über eine zusätzliche, ungeschirmte, lokale Isolationsverbesserung verfügt, die typischerweise aus einem Durchführungsschutz oder Klebeband zusammen mit einer geeigneten Wärmeschrumpf-, Kaltschrumpf- oder Aufsteckabdeckung an den Anschlussanschlüssen besteht. Ungeschirmter trennbarer Steckverbinderabschluss (USC) : luftisolierter Abschluss, der mit ungeschirmten trennbaren Steckverbindern ausgestattet ist. Screened Separable Connector Termination (SSC): luftgefülltes Gehäuse, in dem die Kabeladern mit abgeschirmten trennbaren Steckverbindern abgeschlossen sind

– Die Kabeladern sind mit einer dem Kabeldesign und der Spannung entsprechenden Spannungskontrolle abgeschlossen. – Luft ist das einzige Isoliermedium für die Anschlussverbindungen. – Der Mindestabstand zu allen stromführenden blanken Metallen (z. B. Buchse, Stützisolator, stromführender Leiter, Kabelschuh, Anschlussstück usw.) zu einer benachbarten Phase oder zur Erde, abhängig von der Stoßspannungsanforderung

– Die Kabeladern sind mit einer dem Kabeldesign und der Spannung entsprechenden Spannungskontrolle abgeschlossen. – Ungeschirmte lokale Isolationsverbesserung an den Klemmenanschlüssen. – Der Mindestabstand von ungeschirmtem, ummanteltem, stromführendem Metall (z. B. Ummantelungen und Kabeladern) zu einer benachbarten Phase oder zur Erde wurde bestimmt nach Netzfrequenz (z. B. Einsetzen und Erlöschen der Korona) und Überlegungen zur Stoßspannungsfestigkeit

– Kabeladern werden durch Spannungskontrolle entsprechend der Kabelkonstruktion und Spannung abgeschlossen – USC an Klemmenanschlüssen – Der Mindestabstand von ungeschirmtem, stromführendem Metall (z. B. USC und Kabeladern) zu einer benachbarten Phase oder zur Erde, bestimmt durch die Netzfrequenz (z. B. Korona). (Beginn und Erlöschen) und Überlegungen zur Stoßspannungsfestigkeit – Leckstrom begrenzt durch die Qualität der Schnittstelle zwischen USC und Buchse – Presspassung

–Die Abstände werden durch den mechanischen Abstand bestimmt, der für den Einbau der SSCs in die Kabelbox erforderlich ist. – Berührungssicher, da die Oberfläche geerdet ist. – Der Leckstrom wird durch die Qualität der Schnittstelle zwischen SSC und Buchse begrenzt – Presspassung. Beachten Sie, dass herkömmliche PILC-Kabel SSC nicht verwenden konnten , sektorförmige Kerne oder lose Kernsiebe

Es ist auch wichtig sicherzustellen, dass Kabelkästen in der richtigen Größe mitgeliefert werden, da fast alle installierten Mittelspannungskabel dreiadrig sind und daher Platz benötigen.

Da sich die Technologien bei abgeschirmten Kabeln verbessert haben, werden in Mittelspannungskabelkästen Niederspannungsstromtransformatoren für Mess- und Schutzanwendungen eingesetzt. Diese Niederspannungs-Stromwandler müssen unbedingt in einem abgeschirmten Bereich installiert werden, da es sonst bei unzureichenden Luftabständen zu Entladungen kommen kann.

Die Abmessungen von der Oberseite des Niederspannungs-Stromtransformators bis zum Abschirmungsschirm werden durch die Abmessungen der Anschlüsse Typ 2 (ummantelt) und Typ 3 (ungeschirmte trennbare Steckverbinder) abgedeckt.

Alle MV-Kabelzubehörteile sollten den Anforderungen der NRS 053-Norm entsprechen, die Zubehörbereiche abdeckt; Kündigungsvoraussetzungen; Schwanzlängen; drinnen, draußen und dreifach gegabelt; umhüllt, USC und SSC; Erdungsanforderungen; gemeinsame Anforderungen; Reparaturhülsen und Endkappen; Anforderungen an die Typprüfung; Umfang der Zulassungen; Verpackung und Dokumentation.

Künftige Herausforderungen für den südafrikanischen Markt In der Vergangenheit wurden sämtliche Mittelspannungskabelgarnituren und Kabelverlegungen von den Stromversorgern selbst durchgeführt. Durch die Privatisierung und den Verlust qualifizierter Arbeitskräfte werden fast alle Mittelspannungskabelgarnituren heute von Subunternehmern gefertigt.

Bei der Verkabelung eines Niederspannungshauses oder einer Niederspannungsfabrik muss der Elektriker laut Arbeitsministerium über eine gültige Elektrikerlizenz (SANS 10142-1) verfügen. Dies gilt nicht für Mittelspannungskabelanschlüsse, bei denen die Kabelspannung bis zu 36 kV beträgt. Es gibt keine nationale Norm für den Abschluss von Mittelspannungskabeln. Aus diesem Grund wird auf nationaler Ebene keine formalisierte Schulung für die grundlegenden Fähigkeiten angeboten, die von Monteuren benötigt werden, die an diesen Mittelspannungskabelsystemen arbeiten. Angesichts des Kompetenzverlusts in Südafrika ist eine MV-Kabelfachlizenz für MV-Kabelgarnituren und Kabelverlegung unerlässlich, um die Qualität der Versorgung sicherzustellen.

Die TC66-Kabel-Arbeitsgruppe von STANSA überarbeitet derzeit SANS 10198 Teile 1-14. Diese nationale Norm soll zum Kursinhalt für eine MV-Verkabelungslizenz werden und den Erwerb angemessener Fertigkeiten erleichtern, wenn für Monteure eine obligatorische Anforderung für den Besitz einer MV-Verkabelungslizenz für die Ausführung von MV-Kabelgarnituren und das Verlegen von Kabeln besteht. Eine zweijährliche Schulung der MV-Kabelgarniturverbinder ist ein Muss, um sicherzustellen, dass die MV-Kabelgarnituren gleich beim ersten Mal ordnungsgemäß ausgeführt werden.

Die Qualität des Materials bei MS-Kabelgarnituren ist auch ein wesentlicher Faktor dafür, dass die MS-Kabelgarnitur ihre erwarteten 30 Jahre hält, da in dieser Zeit bei elektrischen Geräten viel passieren kann. NRS 053 deckt die technischen Anforderungen für MV-Kabelgarnituren in Südafrika ab und legt die Typprüfungen fest, denen eine MV-Kabelgarnitur standhalten muss.

Es ist auch wichtig, die bisherige Erfolgsbilanz von MV-Kabelzubehör zu prüfen, bevor Sie ein MV-Kabelzubehör kaufen. Alle MV-Schaltanlagen sollten den Anforderungen von NR 012 / SANS 876 entsprechen, um sicherzustellen, dass ausreichende Luftabstände und elektrische Parameter vorhanden sind, damit Monteure die Qualitätsabschlüsse ordnungsgemäß installieren können.

MV-Kabelzubehör hat sich im Laufe der Jahre definitiv weiterentwickelt. Bei der Spezifikation eines Kabelzubehörs ist es wichtig, dass es sich um das richtige Mittelspannungskabelzubehör für die zu installierende Schaltanlage und das zu installierende Kabel handelt. Es ist auch wichtig, Berichte über Konformitätstests gemäß NRS 053/SABS 1332 anzufordern. Wenn keine Konformitätstests verfügbar sind, wie können Sie dann wissen, dass das Produkt für alle Bedingungen typgeprüft ist, denen es während seiner erwarteten 30-jährigen Lebensdauer ausgesetzt sein kann? Zyklus?

Die Schulung des Personals sollte im Mittelpunkt aller Endbenutzer und Auftragnehmer stehen, die täglich Mittelspannungskabelgarnituren ausführen. Schulungskurse werden von namhaften Anbietern von MV-Kabelzubehör angeboten und sind auch für erfahrene Monteure zu empfehlen, die glauben, dass sie bereits kompetent sind.

Alle Mittelspannungsschaltanlagen sollten den Anforderungen von NRS 012 / SANS 876 entsprechen.

Schließlich besteht ein erheblicher Druck, das zu ändern, was der Rest der Welt nutzt. Wir müssen jedoch die Gründe überprüfen, warum der Rest der Welt seine neuen Technologien fördert. Liegt es an den Kabelkonstruktionen, Spannungsebenen oder Schaltanlagenkonstruktionen?

Neue Technologien sollen aktuelle Probleme lösen, Sicherheitsrisiken verringern, Umweltanforderungen erfüllen und unser Leben einfacher machen.

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