Poređenje kablovskih vodova (KV) i nadzemnih vodova (NV) Za najviše napone još uvek su dominantni NV Za napajanje gradskih jezgara koriste se i visokonaponski KV Prenosna moć:

- prirodna snaga KV je veća - ali termički dozvoljena snaga KV je znatno ispod prirodne snage - kod NV je obrnuto

KV imaju veću kapacitivnu struju, što utiče na prenosnu moć (naročito kod visokonaponskih kablova)

NV u gradovima narušavaju estetski izgled, pa ih KV potiskuju Investicije u NV generalno su manje (ali su u nekim slučajevima neophodni KV,

zavisno od izbora trase, postrojenja, ekoloških uslova, urbanističkih planova...) Životni vek je veći kod NV veći (35 – 50 god.) nego kod KV (30 – 40 god.) Lakše se zamene oštećeni elementi kod NV KV su pouzdaniji od NV

1. Konstruktivni elementi i vrste elektroenergetskih kablova Osnovni konstruktivni elementi:

Provodnik Izolacija Žila Jezgro Ispuna Električna zaštita Metalni plašt Armatura Separacioni plašt Plašt

1.1 Provodnik

Od bakra, aluminijuma i legura aluminijuma Karakteristične veličine bakra i aluminijuma date su u Tabeli 1.1 Po obliku mogu biti (slika 1.1)

kružni sektorski segmentni šuplji puni

jednožični i višežični (slika 1.2)

1.1 Izolacija 1.1.1 Papir

Vlaknasta struktura čiji je osnovni sastojak celuloza Celuloza je prirodni polimer ugljenikhidrata (C6H10O5) sa linijsko lančanom

raspodelom molekula Celuloza je polarni dielektrik – sadrži slabo povezane hidroksilne grupe koje

rotiraju pod dejstvom napona Dobija se iz drveta, najčešće četinara (smreke, jele, bora):

Odstranjuje se lignin , usitnjeno drvo se kuva u alkalnom rastvoru Natrijum-sulfata

Dobija natron-sulfatna celuloza Dobijena masa se ispire više puta i presuje u ploče Dobijene ploče se melju i obrađuju u prisustvu vode, čime se razdvajaju

vlakna Zatim se vrši centrifugiranje radi odvajanja teških primesa (npr. peska) Na kraju se vrši ceđenje i upredanje celuloznih vlakana, koja se pomoću

valjaka zgušnjavaju a zatim suše Debljina kablovskog papira je 0,08 – 20 mm. Dielektrična čvrstoća je, zavisno od gustine, 8kV/mm do 14kV/mm tgδ papira naglo raste na višim temperaturama: 600C do 800C, pa je radna

temperatura ovih kablova 650C (za kablove 10kV) i 600C (za 35kV) za radnu jačinu električnog polja papirnih kablova se uzima 4-5 kV/mm, jer iznad

5kV/mm tgδ naglo raste

1.1.1 Sintetička izolacija – čvrsti dielektrik

o Polimerni materijali: polivinilhlorid (PVC) polietilen (PE) umreženi polietilen (XPE) etilenpropilen (EPR)

o Polimeri imaju velike molekule (makromolekule) u vidu lanaca, koji su sačinjeni od malih molekula monomera, i njihovih grupa

o Homopolimeri su polimeri koji se dobijaju kada se polimerizacijom dobijaju iz molekula samo jedne vrste monomera (PVC, PE, XPE)

o Kopolimeri su polimeri koji se dobijaju polimerizacijom dva različita monomera (EPR)

o Homopolimeri se prema toplotnim i mehaničkim osobinama dele na: plastomere i ( pri normalnim temperaturama su krti i žilavi a pri višim

temperaturama su plastični, to su PVC i PE) elastomere (menjaju elastičnost pri promeni temperature - EPR i XPE)

o Kopolimeri mogu biti: plastomeri, elastomeri i duroplasti Duroplasti su jako umreženi polimeri koji svoju tvrdoću i žilavost ne menjaju sa promenom temperature

1.2.2.1 Polivinilhlorid (PVC)

Termoplastični polimer lančano-linijske amorfne strukture (slika) Dobija se polimerizacijom gasnog monomera vinilhlorida (C2H3Cl) Polarni dielektrik (ima veće dielektrične gubitke od nepolarnih) Na temperaturi 75-800C dolazi do omekšavanja PVC-a Gori u prisustvu plamena ali ne potpomaže gorenje Sadrži dodatke: stabilizatore, punila, plastifikatore Zavisno od dodataka podešavaju se osobine, posebno toplotna izdržljivost.

1.2.2.2 Polietilen (PE)

Termoplastični polimer dobijen polimerizacijom tečnog etilena C2H4. Pri normalnoj temperaturi ima kristalnu (uređenu) strukturu Strukturna formula je data na slici.... Sa slike se vidi da je struktura PE jednostavna i simetrična, a to znači da je PE

nepolaran Pošto je nepolaran, ima male dielektrične gubitke (tgδ = (1-2)10-4 i εr=2,3) PE ima veliku dielektričnu čvrstoću (na tankim folijama do 700 kV/mm) PE ima veliku specifičnu otpornost ρ = 1017 Ωcm PE se dobija na sledeće načine:

1. Polimerizacijom etilena pod visokim pritiscima (120 – 150 MPa) i visokoj temperaturi (oko 2000) u prisustvu katalizatora (kiseonika). To je PE male gustine

2. Polimerizacijom etilena pod pritiskom od 3-4 MPa i temperaturi nižoj od 1500C uz prisustvo metalnih oksida kao katalizatora

3. Polimerizacijom etilena pod niskim pritiskom (nižim od 1 MPa) i temperaturi nižoj od 800C uz primenu metalorganskih jedinjenja kao katalizatora. To je PE velike gustine .

PE je osetljiv na dejstvo parcijalnih pražnjenja. Zbog toga, tehnologija izrade ove izolacije mora obezbediti: - veliku čistoću izolaciju - oblikovanje električnog polja izradom slaboprovodnih slojeva ispod i iznad

izolacije (za napone iznad 6 kV) - PE je zapaljiv i kada se upali, nadalje sam gori

1.2.2.3 Umreženi polietilen (XPE)

Dobija se umrežavanjem PE male gustine, tj linearnih delimično razgranatih molekula. Molekuli XPE su povezani u trodimenzionu mrežu (slika)

Metode umrežavanja PE su (slika): - hemijsko umrežavanje - silansko umrežavanje - radijaciono umrežavanje

Pri umrežavanju poboljšavaju se mehaničke karakteristike i povećava se toplotna izdržljivost (trajna radna temperatura se povećava sa 700C (za PE) na 900C)

Hemijsko umrežavanje se vrši tokom nanošenja izolacije (ekstruzije) na provodnik pod dejstvom dodatka od 3% organskog peroksida (dicumyl peroxide), pri visokom pritisku i visokoj temperaturi.

Tehnologije hemijskog umrežavanja su: - U vulkanizacionoj cevi pod pritiskom 2 MPa i sa vodenom parom kao

prenosiocem toplote (medijumom u kome se izolacija nalazi) na 2000C (slika) - U vulkanizacionoj cevi u gasnom medijumu (azot ili neki inertni gas) pri

pritisku od 0,5 do 2 MPa (slika) - U produženoj matrici (za nanošenje izolacije) gde je prenosilac toplote ulje

velike viskoznosti (slika) Visoki pritisak je potreban da bi se sprečilo formiranje mikro šupljina u izolaciji

pri hemijskoj reakciji umrežavanja

Proces umrežavanja dodavanjem organskih silana vrši se za niske i srednje napone. Odvija se u dve faze: u prvoj fazi molekuli silana se vezuju sa molekulima PE pri ekstruziji; u drugoj fazi se vrši umrežavanje pod dejstvom vodene pare pri atmosferskom pritisku. (slika)

Radijaciono umrežavanje se, za sada, vrši na manjim debljinama izolacije. U budućnosti treba da zameni druge načine. Vrši se pod dejstvom elektronskog snopa (iz akceleratora) pri premotavanju kabla.

Istovremeno sa nanošenjem izolacije nanose se i prvi i drugi slaboprovodni sloj. Time se sprečavaju parcijalna pražnjenja u izolaciji i pojave električnog i vodenog triinga (slika)

Kod niskonaponskih kablova (samonosećih kablovskih snopova) izolaciji XPE dodaje se čađ u cilju zaštite od starenja pod dejstvom ultraljubičastih sunčanih zraka.

XPE ima slične dielektrične karakteristike kao PE niske gustine

1.2.2.4 Etilen propilen (EPR)

EPR guma je elastomer koji ima dobre električne, mehaničke i toplotne osobine EPR je otporan na parcijalna pražnjenja i ozon Prema dielektričnim osobinama (Epr, tgδ, εr) može se koristiti za srednje i visoke

napone EPR je izuzetno fleksibilan materijal u velikom temperaturnom opsegu

1.2.2.5.Izolaciona ulja i uljni kompaundi

Kablovska izolaciona ulja mogu biti mineralna i sintetička Mineralna ulja se sastoje od različitih zasićenih i nezasićenih ugljovodonika

(parafin, naften, olefin, aromatični ugljovodonici, i dr) Dobijaju se iz treće i četvrte frakcione destilacije sirove nafte Zatim se vrši rafinacija (odstranjenje nečistoća) pomoću sumporne kiseline Zatim se odstranjuje sumporna kiselina, isparenje i sušenje Po potebi se dodaju adsorbenti, koji se posle toga filtriranjem odstranjuju Imaju malu viskoznost Zapaljiva su Da bi se poboljšala svojstva kablovskih ulja, izrađuju se sintetička ulja Uljni kompaundi se koriste za impregnaciju papirne izolacije To su mineralna ulja sa dodacima za povećanje viskoznosti Kao dodaci koriste se kalofonijum i polizobutilen Za tzv naročite kompaunde koji ostaju u polučvrstom stanju i pri 900C dodaju

se i drugi specijalni dodaci

1.2.2.6 Gasovi

Kao dielektrik kabla koriste se gasovi: SF6 (sumporheksafluorid), N2, He SF6 je bezbojan inertan gas, izuzetnih dielektričnih karakteristika Kablovi punjeni ovim gasom imaju malu C, male dielektrične gubitke, dobro

hlađenje, i relativno jednostavnu konstrukciju 1.2.2.7 Starenje izolacije

Na starenje izolacije kabla utiču faktori: Električno polje, termičko naprezanje, mehaničko naprezanje, okolna sredina (slika)

Kod papirne izolacije dominantan uticaj na starenje imaju termička naprezanja Jedna od formula koja daje vezu između temperature i veka trajanja kabla je:

Ti = Ce- mT

θp

gde je: Ti – vek trajanja izolacije pri temperaturi θp mT – temperaturna konstanta (za papirnu izolaciju mT = 0,0865 K-1 C – konstanta starenja

Kod sintetičke izolacije vrši se (pored električnog i termičkog starenja) i hemijsko starenje, mehanička naprezanja pri polaganju, prisustvo vlage, šupljina, nečistoća u izolaciji.

U mikrošupljinama se odvijaju parcijalna pražnjenja (slika – mehanizam) Nastanak električnog triinga sprečava se odgovarajućom tehnologijom izrade

(slika triinga) Uticaj vlage sa istovremenim dejstvom električnog polja izaziva vodeni triing

(slika mehanizma i izgled) Veličine probojnih električnih polja izolacije kabla se rasejavaju, pa se može

primeniti Weibulova raspodela:

P(E,t) = 1 – exp(-kEbta) gde su: P(E,t) – verovatnoća proboja izolacije; E – električno polje proboja; t – vreme proboja; b i a – konstante koje zavise od vrste i dimenzija izolacije.

Za određenu, konstantnu verovatnoću proboja P(E,t) sledi:

taEb = K odnosno Eb/a t = EN t = K gde su K i N konstante koje zavise od vrste materijala izolacije (tabela 1.2 )

Zavisnost veka trajanja t od probojne jačine električnog polja data je na sl.1.8

1.2.2.8 Uporedne karakteristike pojedinih izolacionih materijala

Najvažnije fizičke veličine izolacionih materijala (tabela 1.3) 1.1 Slaboprovodni slojevi

Nanose se ispod i iznad izolacije i služe za oblikovanje električnog polja u izolaciji

Izrađuju se od ekstrudovanog sloja polimera sa dodatkom ugljenika ili od kombinacije slaboprovodne trake i ekstrudovanog slaboprovodnog sloja ili kombinacije slaboprovodne trake i slaboprovodnog premaza.

1.1 Plaštevi, električne zaštite armature

Pod plaštom se podrazumeva metalni plašt kabla ili zaštitni spoljni omotač kabla

Metalni plašt kabla se obično izrađuje kod papirnih i uljnih kablova. On štiti kabl od vlage, hemijskih i mehaničkih dejstva.

Služi i za oblikovanje polja i kao uzemljivač. Izrađuje se od olova ili od aluminijuma

Električna zaštita se izrađuje kod kablova sa izolacijom od PE, XPE i EPR Izrađuju se od bakarnih i aluminijumskih žica ili traka postavljenih preko žila,

odnosno jezgra kabla Uloga električne zaštite je da propusti struju odvoda i struje jednopolnog

kratkog spoja. Takođe, zajedno sa slaboprovodnim slojem ograničava polje unutar izolacije.

Kod papirnih kablova metalni plaštevi mogu obavljati ulogu električne zaštite Armatura štiti kabl od mehaničkih oštećenja. Kod trožilnih kablova armatura se izrađuje od čeličnih žica i traka Armatura jednožilnih kablova izrađuje se od nemagnetnih metala i legura Između metalnog plašta (električne zaštite) i armature nalazi se unutrašnji

zaštitni sloj Ako se ne koristi armatura, preko električne zaštite postavlja se plašt (zaštitni

spoljni omotač) Plašt se izrađuje od PVC-a, PE-a ili bitumenske jute.

2. Tehnologija izrade izolacije i plašta kabla

Izolacija, plašt, ispina i slaboprovodni slojevi kabla nanose se ekstruzijom Ekstruziona linija, ekstruder i alat kroz koji se rastopljena polimerna masa

nanosi na kabl, prikazani su na slikama Temperatura prerade polietilena iznosi: 2000C u glavi ekstrudera i 100 d0 1800C

u zonama cilindra Temperatura prerade PVC-a iznosi: 160 - 1800C u glavi ekstrudera i 100 d0 1600C

u zonama cilindra Pri izradi XPE izolacije tehnološka linija sadrži dugu cev za umrežavanje kroz

koju žila prolazi određenom brzinom i umrežava se pod dejstvom pritiska i toplote u njoj (slike)

To su tzv linije za kontinualno umrežavanje Umrežavanje u produženoj matrici omogućuje manje mikro pore u izolaciji zbog

većeg pritiska u matrici nego u cevi.

3. Vrste elektroenergetskih kablova

Prema visini napona elektroenergetski kablovi mogu biti: niskonaponski, srednjenaponski, visokonaponski i kablovi vrlo visokog napona.

3.1 Niskonaponski kablovi

Izolacija im je od PVC-a ili XPE-a (za veća opterećenja) Provodnici se izrađuju od Al i Cu ali preporučuje se Al Slike 1.9 i 1.10

3.2 Srednjenaponski kablovi (za napone od 1 - 60kV)

Kablovi sa izolacijom od impregnisanog papira (papirni kablovi) Pojasni kablovi su papirni kablovi za napone do 10 kV

Preko použenih žila imaju zajedničku papirnu izolaciju (sl 1.11) Električno polje u izolaciji nije radijalno (nepravilne su linije polja)

Ekranizovani papirni kablovi (za napone iznad 15 kV) (sl 1.12) Svaka žila ima svoj ekran Ekran radijalno raspoređuje električno polje

Problem kod ovih kablova je tečenje uljnog kompaunda za impregnisanje, pri visinskim razlikama trase polaganja

Ovaj problem se u nekoj meri otklanja korišćenjem polučvrstog kompaunda Papirni kablovi imaju dobra uzemljivačka svojstva Kablovi sa XPE izolacijom (slika 1.13) Njihove prednosti u odnosu na papirne su:

Manji dielektrični gubici Veća strujna izdržljivost (viša radna temperatura) Mogućnost primene za velike visinske razlike trase

Nedostaci kablova sa XPE izolacijom Nedovoljno su otporni na udare Osetljivi su na prodor vode Zbog više radne temperature isušavaju zemljište, pa se smanjuje str. opt. Imaju veći redukcioni faktor u odnosu na papirne

Za sprečavanje prodiranja vlage u XPE kablove koriste se bubreće trake i Al-kopolimer folije (to su Al trake presvučene kopolimerom etilena i akrilne kiseline) i metalni omotači od olova ili aluminijuma, a takođe spoljašnji plašt od PE umesto PVC-a.

3.3 Visokonaponski kablovi 3.3.1 Uljni kabl niskog pritiska

Najčešća konstrukcija: jednožilni kabl sa šupljim provodnikom u kome se nalazi ulje male viskoznosti pod pritiskom od 0,5 – 0,8 MPa (sl.1.14..) Šuplji provodnik se izr. od okruglih žica sa kanalom od spiralno omotane

trake ili segmentnih žica koje obrazuju kanal Za veće preseke koristi se ’’miliken’’ konstrukcija provodnika Izolacija je od papira Metalni omotač je od olova ili Al Olovni omotač se pojačava bronzanim trakama Pritisak ulja zavisi od visinske razlike Zaprečne (’’stop’’) spojnice razdvajaju kablovski vod radi smanjenja pritiska

(hidraulički nezavisne deonice) Kontroliše se nivo ulja preko sudova, i ako znatnije opadne isključi se kabl

Trožilni uljni kablovi niskog pritiska (slika 1.15) Ulje se kreće kroz posebne cevi u međuprostoru između žila

3.3.2 Uljni kablovi visokog pritiska

Žile se nalaze u čeličnoj cevi u kojoj je ulje pod pritiskom od 1,5 – 1,7 MPa (sl Ulje pod pritiskom deluje na izolaciju u ne dozvoljava stvaranje praznina Duže su hidraulički nezavisne deonice od prethodnih Nemagnetne čelične ili bakarne žice štite žile od mehaničkih opterećenja pri

polaganju u cev

3.3.3 Kablovi sa unutrašnjim pritiskom gasa Slični su uljnim kablovima niskog pritiska (sl 1.17) Kao gas se obično koristi azot pod pritiskom od 1,5 MPa Kod jednožilnih konstrukcija gas prolazi kroz šuplji provodnik ili kroz prostor

između metalnog omotača i izolacije Izolacija je od papira impregnisanog uljnim kompaundom veće viskoznosti

3.3.4 Kablovi sa spoljašnjim pritiskom gasa

To je kombinacija trožilnog olovnog kabla i čelične cevi u kojoj je on uvučen Koristi se azot pod pritiskom od 1,5 MPa Pritisak gasa se prenosi na izolaciju preko olovnog omotača kabla koji se

skuplja i širi pri zagrevanju 3.3.5 Kablovi sa sintetičkom izolacijom

Izolacija je od XPE-a, PE-a ili EPR-a (slika 1.18) Za podužno zaptivanje kabla pri prodoru vlage koriste se bubreće trake, a za

poprečno zaptivanje Al-kopolimer trake. Slaboprovodni slojevi se ekstruduju istovremeno sa izolacijom čime se

sprečava stvaranje šupljina između njih i izolacije Spoljašnji omotač je od PE jer on ima bolje mehaničke i zaptivne karakteristike

od PVC-a (koji se koristi kod srednjenaponskih kablova)

3.3.6 Kablovi sa prinudnim hlađenjem

Sredstvo za hlađenje je ulje ili voda Ulje se može koristiti istovremeno i kao izolaciono sredstvo Voda ima bolja rashladna svojstva (mala viskoznost i bolji toplotni kapacitet) ali

vrši eroziju cevi Kod kablovskih glava izrađuju se kablovski završetci na cevi za vodu, čime se u

kablovskoj glavi prekida veza preko vode: provodnik – postrojenje za potiskivanje vode.

Kabl sa direktnim hlađenjem (slika 1.19) Kabl sa indirektnim hlađenjem – cev kroz koju struji voda je u blizini kablova

(slika 1.20) 3.3.7 Cevni kablovi

Kao izolaciono sredstvo koriste SF6 gas. Njima se prenose vrlo velike snage Mogu biti vrlo velikih preseka Konstrukcije ovih kablova mogu biti krute i savitljive Savitljivi kablovi se mogu polagati sa većim dužinama (slika 1.21.) Držači i potporni izolatori se izrađuju od materijala otpornih na produkte

raspadanja SF6 gasa (obično od epoksida)

3.3.8 Kriogenski kablovi

Služe za prenos velikih snaga Zavisno od materijala za provodnike mogu biti superprovodni i kriorezistivni k. Provodnici superprovodnih kablova su od superprovodne legure:

Niobijum-kalaj Nb3Sn2 Niobijum-germanijum Nb3Ge Niobijum-aluminijum-germanijum Niobijum-titan NbTi

Na niskim temperaturama (ispod 20 K) ove legure postaju superprovodne Kabl mora da ima rashladni sistem za postizanje ovako niskih temperatura Hlađenje ovih kablova se vrši tečnim helijumom Kabl mora da bude dobro toplotno izolovan od okoline Toplotno izolovanje se obično vrši vakuumom (slike superpr. kablova i prenosa) Krorezistivni kablovi imaju provodnik od aluminijuma velike čistoće Za rashlađivanje se korist azot, koji ima kritičnu temperaturu ispod 77K i koji je

daleko jeftiniji od helijuma

3.3.9 Kablovi za jednosmernu struju

Prenos pri supervisokim naponima vrši se naizmeničnom strujom ali i jednosmernom

Tada postoje pretvaračka postrojenja na početku i na kraju voda Vrste kablova su: papirni, cevni, uljni i gasni Prednosti kablova pri prenosu jednosmerne struje u odnosu na naizmeničnu:

Zanemaruju se dielektrični gubici Nema uticaja blizine kablova pa je konstrukcija jednostavnija Gubici u metalnom omotaču su vrlo mali Prenosna snaga za isti presek može biti i do tri puta veća od prenosne

snage naizmeničnom strujom Izolacija je manje električni napregnuta Ne utiču na telekomunikacione kablove