سرکابل و انواع آن!

برای توضیح سرکابل و انواع آن باید ابتدا بدانیم که اتصالات کابلی چه هستند و چرا به آنها نیاز داریم؟
اصولا با فاصله گرفتن مصرف کننده‌ها از نیروگاه‌ها و منابع تولید انرژی الکتریکی جهت بهبود شرایط انتقال و کاهش تلفات در مسیر انتقال انرژی الکتریکی نیاز به احداث خطوط انتقال و پست های برق بیش از پیش شده است.
نحوه تغییر ولتاژ از نیروگاه تا مصرف کننده نهایی در شکل زیر مشخص است.

پست های برق 63/20 کیلوولت به عنوان آخرین ایستگاههای فشار قوی، جزء مهمترین ایستگاهای تغییر ولتاژ برای مصرف کننده های انرژی الکتریکی در ایران هستند که تغذیه شرکت های توزیع نیروی برق برعهده دارند.
ورودی این پست ها به صورت صورت خطوط هوایی (هادی لخت) و یا خطوط زمینی (کابل) با ولتاژ 63 کیلوولت می باشد. خروجی این پست ها نیز عمدتا خطوط زمینی و در موارد کمتر خطوط هوایی با ولتاژ 20 کیلوولت می باشد.
وجود خطوط زمینی به معنی وجود اتصالات کابل است. با یک حساب سرانگشتی و با در نظر گرفتن حداقل دو مدار کابلی برای هر ترانس و وجود حداقل 2 ترانس در هر پستو تعداد پست ها (هزارن پست 20/63 کیلوولت) تعداد زیادی اتصالات کابل موجود در پست‌ها محاسبه خواهد شد.
اما چرا برای اتصال شبکه کابل های زمینی به خطوط هوایی و یا ترانسفورماتورها و سایر تجهیزات شبکه نیاز به سرکابل می باشد؟
جهت اتصال کابل های قدرت زمینی به شبکه های هوایی، ترانسفورماتورها، ادوات شبکه باید از تجهیزی استفاده شود که علاوه بر کنترل میدان الکتریکی در اطراف کابل های قدرت،باعث کاهش تخلیه جزئی در محل اتصال، مانع از ورود رطوبت به داخل کابل قدرت و همچنین افزایش فاصله خزشی گردد. این تجهیز را سرکابل می گویند.
برای درک بهتر از تعریف سرکابل، جدول زیر، نقش و وظایف یک سرکابل و اینکه این وظایف به چه طریقی انجام می گیرد را نمایش میدهد.

استرس کنترل میدان الکتریکی چیست؟

برای نصب اتصالات کابل ناگزیر هستیم که تغییراتی در ساختار کابل اعمال نماییم برای این منظور باید طبق دستورالعمل نصب سرکابل و مفصل به میزانی که در آن اشاره شده است شیلد کابل و لایه نیمه هادی روی عایق کابل یا همان گرافیت کابل، به عقب رانده شود. در این صورت تمرکز میدان الکتریکی و خطوط هم پتانسیل الکتریکی در نقطه پایانی باقی مانده شیلد رخ خواهد داد. که همین موضوع باعث بالا رفتن شدت استرس الکتریکی در این نقطه می گردد.

همانطور که در تصویر بالا رویت میکنید، برداشتن لایه گرافیت کابل موجب به هم ریختن خطوط میدان الکتریکی در کابل های فشار متوسط و قوی می شود. تجمع خطوط میدان الکتریکی در لبه گرافیت باقی مانده می باشد. شدت میدان در این نقطه به حدی بالا می رود که موجب بروز دو پدیده تخلیه جزئی داخلی ( در داخل عایق XLPE کابل) و تخلیه جزئی خارجی در روی سطح عایق XLPE کابل می گردد. این تخلیه جزئی تا آنجایی ادامه پیدا می کند که در نهایت منجر به شکست عایقی کابل می گردد. بنابراین در این محل به تجهیزی نیاز داریم که بتوانیم به تجمع خطوط میدان الکتریکی را از این محل دور کرده و به نوعی استرس الکتریکی را در این نقطه بحرانی کاهش دهیم. نام این تجهیز استرس کنترل می باشد.

انواع استرس کنترل میدان الکتریکی در سرکابل

1- استرس کنترل هندسی مخروطی
یکی از انواع استرس کنترل ها برای کاهش میدان الکتریکی متمرکز شده در قسمت انتهای گرافیت باقی مانده، استرس کنترل هندسی مخروطی می باشد. در این استرس کنترل، شدت میدان با افزایش شعاع انحنای الکترودها کاهش می یابد. به نوعی لبه گرافیت باقی مانده که لبه ای تیز است توسط این استرس کنترل پوشیده می شود. نکته مهم این است که ضریب دی الکتریک ماده به کار رفته در این استرس کنترل حدودا یکسان است.

2- استرس کنترل انحرافی
یکی از انواع استرس کنترل ها، با ضریب دی الکتریک بالا برای کاهش میدان الکتریکی متمرکز شده در قسمت انتهای لایه نیمه هادی باقی مانده در اتصالات کابل می باشد. در این استرس کنترل یک لایه عایق بر روی نقطه بحرانی قرار میگیرد که دارای ضریب دی الکتریک بالاتری می باشد.
این روش در اتصالات کابل به طرق مختلف مورد استفاده قرار می گیرد به عنوان مثال به صورت نواری و یا به صورت یک تیوب حرارتی در محل مورد نظر نصب می گردد. همچنین می توان از موادی نظیر پلی اتیلن ،سیلیکون و … در این روش استفاده کرد. تمام راههایی که بخواهیم از این روش برای کنترل میدان استفاده کنیم بر اساس این است که دی الکتریک آن ماده εr2 باید بزرگتر از εr1 یعنی عایق کابل و εr3 عایق محیط باشد. یعنی :  εr2>εr1≥εr3
در شکل زیر این مقادیر مشخص می باشند :

لازم به ذکر است تکنولوژی انحرافی قابل استفاده در سرکابل سرد و سرکابل حرارتی نیز می باشد. اما باید بدانیم در ایران بیشتر در سرکابل های حرارتی مورد استفاده قرار می گیرد.

3- استرس کنترل مقاومتی
یک روش معمول دیگر اضافه کردن یک لایه با مقاومتی مشخص به لایه ی نیمه هادی باقی مانده (محل بحرانی) در اتصالات کابل می باشد.این لایه اصولا توسط تیوب های حرارتی و یا نوارها ساخته می شود.
برای توضیح این روش باید گفت کابل های قدرت اساسا به صورت یک خازن استوانه ای می باشند.وقتی که استرس کنترل مقاومتی به این محل اضافه می گردد، ظرفیت خازنی کابل با ویژگی های ماده ی استرس کنترل مقاومتی ترکیب می شود.امپدانس لایه ی نیمه هادی با امپدانس استرس کنترل اضافه شده به این محل متفاوت است،و همین امر باعث می شود که چیدمانی شبیه به خطوط انتقال که شامل المان های موازی و سری هستند حاصل شود که در شکل زیر دیده می شود.

مهم ترین المان در کنترل میدان الکتریکی در  نقطه ی بحرانی در این نوع استرس کنترل مقدار امپدانس  Z می باشد،که سه فرضیه در این مورد صادق است. مقدار امپدانس ∞=Zباشد .مقدار 0=Z باشد و مقدار امپدانس متوسط باشد.تاثیر امپدانس در سه حالت فوق بررسی و نتایج خروجی به صورت زیر می باشد.
بنا به نتایج استخراجی بهتر است استرس کنترلی با رسانایی در حدود ^10-10 تا ^5-10 در واحد (S/M) مورد استفاده قرار گیرد.
مهم ترین مزیت این روش ساخت و تولید استرس کنترل های حرارتی با ضخامت کم و ساختاری فشرده مستقل از اندازه و سایزینگ کابل می باشد.
استرس کنترل مقاومتی با اعمال مقاومت در ساختار خازنی کابل،توزیع پتانسیل الکتریکی در داخل استرس کنترل را تغییر داده و لذا موجب کاهش شدت میدان الکتریکی در نقطه ی بحرانی می شود.
بهترین رسانایی برای این انرژی الکتریکی در حدود ^10-10 تا ^5-10 در واحد (S/M) می باشد.