Nos sistemas de energia modernos, os cabos de alta tensão desempenham um papel vital. Desde as redes elétricas subterrâneas nas cidades até as linhas de transmissão de longa distância que atravessam montanhas e rios, os cabos de alta tensão garantem a transmissão eficiente, estável e segura de energia elétrica. Este artigo explorará em profundidade as diversas tecnologias relacionadas aos cabos de alta tensão, incluindo sua estrutura, classificação, processo de fabricação, características de desempenho, instalação e manutenção.
1. Estrutura básica de cabos de alta tensão
Os cabos de alta tensão são compostos principalmente por condutores, camadas de isolamento, camadas de blindagem e camadas de proteção.
O condutor é o canal de transmissão da corrente elétrica e geralmente é feito de cobre ou alumínio. O cobre possui boa condutividade e ductilidade, enquanto o alumínio tem um custo relativamente baixo e é leve. Esses condutores geralmente são compostos por fios trançados de múltiplos filamentos para aumentar a flexibilidade.
A camada isolante é uma parte fundamental do cabo de alta tensão, desempenhando um papel importante na prevenção de fugas de corrente e no isolamento do condutor do meio externo. Materiais isolantes comuns incluem polietileno reticulado (XLPE), papel oleado, etc. O XLPE possui excelentes propriedades elétricas, resistência ao calor e resistência mecânica, sendo amplamente utilizado em cabos de alta tensão modernos.
A camada de blindagem é dividida em blindagem interna e blindagem externa. A blindagem interna serve para uniformizar o campo elétrico e evitar que descargas localizadas danifiquem a camada isolante; a blindagem externa reduz a interferência do campo eletromagnético externo no cabo e também impede que o cabo sofra impactos eletromagnéticos no ambiente externo.
A camada protetora protege principalmente o cabo contra danos causados por fatores externos, como danos mecânicos, corrosão química e infiltração de água. Geralmente, é composta por uma armadura metálica e uma bainha externa. A armadura metálica proporciona resistência mecânica, enquanto a bainha externa oferece proteção contra água e corrosão.
2. Classificação de cabos de alta tensão
De acordo com o nível de tensão, os cabos de alta tensão podem ser divididos em cabos de média tensão (geralmente de 3 a 35 kV), cabos de alta tensão (35 a 110 kV), cabos de ultra-alta tensão (110 a 500 kV) e cabos de ultra-alta tensão (acima de 500 kV). Cabos de diferentes níveis de tensão diferem em projeto estrutural, requisitos de isolamento, etc.
Do ponto de vista dos materiais isolantes, além dos cabos XLPE e dos cabos de papel-óleo mencionados anteriormente, existem também os cabos de borracha de etileno-propileno. Os cabos de papel-óleo têm uma longa história, mas devido aos seus altos custos de manutenção e outros motivos, foram gradualmente substituídos pelos cabos XLPE. O cabo de borracha de etileno-propileno possui boa flexibilidade e resistência às intempéries, sendo adequado para algumas aplicações especiais.
3. Processo de fabricação de cabos de alta tensão
A fabricação de cabos de alta tensão é um processo complexo e delicado.
A fabricação de condutores exige, primeiramente, que as matérias-primas de cobre ou alumínio sejam esticadas, torcidas e submetidas a outros processos para garantir a precisão dimensional e as propriedades mecânicas do condutor. Durante o processo de torção, os filamentos devem ser dispostos de forma compacta para melhorar a condutividade do condutor.
A extrusão da camada isolante é uma das etapas principais. No caso da camada isolante de XLPE, o material é extrudado a alta temperatura e aplicado uniformemente sobre o condutor. Durante o processo de extrusão, parâmetros como temperatura, pressão e velocidade de extrusão devem ser rigorosamente controlados para garantir a qualidade e a uniformidade da espessura da camada isolante.
A camada de blindagem geralmente é feita por meio de entrelaçamento de fios metálicos ou enrolamento de fita metálica. Os processos de fabricação das blindagens interna e externa são ligeiramente diferentes, mas ambos precisam garantir a integridade da camada de blindagem e uma boa conexão elétrica.
Por fim, a produção da camada protetora inclui a colocação da armadura metálica e a extrusão da bainha externa. A armadura metálica deve ajustar-se firmemente ao cabo, e a extrusão da bainha externa deve garantir uma aparência lisa, sem defeitos como bolhas e rachaduras.
4. Características de desempenho de cabos de alta tensão
Em termos de desempenho elétrico, os cabos de alta tensão precisam ter alta resistência de isolamento, baixa perda dielétrica e boa resistência à tensão. A alta resistência de isolamento pode prevenir eficazmente a fuga de corrente, a baixa perda dielétrica reduz a perda de energia elétrica durante a transmissão e a boa resistência à tensão garante que o cabo possa operar com segurança em um ambiente de alta tensão.
Em termos de propriedades mecânicas, o cabo deve apresentar resistência à tração, raio de curvatura e resistência ao impacto suficientes. Durante a instalação e operação, o cabo pode ser submetido a alongamento, flexão e impacto de forças externas. Se as propriedades mecânicas forem insuficientes, é fácil ocorrerem danos ao cabo.
O desempenho térmico também é um aspecto importante. O cabo gera calor durante a operação, especialmente sob alta carga. Portanto, o cabo precisa ter boa resistência ao calor e ser capaz de funcionar normalmente dentro de uma determinada faixa de temperatura, sem problemas como o envelhecimento do isolamento. O cabo XLPE possui resistência ao calor relativamente boa e pode operar por longos períodos em temperaturas mais elevadas.
5. Instalação e manutenção de cabos de alta tensão
Em termos de instalação, o primeiro passo é planejar o trajeto para garantir que o percurso do cabo seja adequado e seguro. Durante o processo de instalação, deve-se ter cuidado para evitar o estiramento, a curvatura e a extrusão excessivos do cabo. Para a instalação de cabos em longas distâncias, geralmente são utilizados equipamentos como transportadores de cabos para auxiliar na construção.
A produção de emendas de cabos é uma etapa fundamental no processo de instalação. A qualidade da emenda afeta diretamente a confiabilidade operacional do cabo. Ao realizar as emendas, o cabo precisa ser desencapado, limpo, conectado e isolado. Cada etapa deve ser executada rigorosamente de acordo com os requisitos do processo para garantir que as propriedades elétricas e mecânicas da emenda atendam às exigências.
A manutenção preventiva é essencial para o funcionamento estável e a longo prazo de cabos de alta tensão. Inspeções regulares permitem detectar prontamente danos na aparência ou no revestimento do cabo. Além disso, equipamentos de teste podem ser utilizados para verificar o desempenho do isolamento e a descarga parcial do cabo. Caso sejam encontrados problemas, estes devem ser reparados ou substituídos imediatamente.
6. Falhas e detecção de cabos de alta tensão
As falhas comuns em cabos de alta tensão incluem ruptura do isolamento, desconexão do condutor e falha da junta. A ruptura do isolamento pode ser causada pelo envelhecimento do isolamento, descarga parcial ou sobretensão externa. A desconexão do condutor geralmente é causada por força mecânica externa ou sobrecarga prolongada. A falha da junta pode ser causada por um processo de fabricação inadequado ou aquecimento excessivo durante a operação.
Para detectar essas falhas, existem muitos métodos de detecção. A detecção de descarga parcial é um método comumente utilizado. Ao detectar o sinal gerado pela descarga parcial no cabo, é possível determinar se existem defeitos de isolamento em seu interior. O teste de tensão suportável permite detectar a capacidade de tensão suportável do cabo e identificar potenciais problemas de isolamento. Além disso, a tecnologia de imagem térmica infravermelha pode detectar a distribuição de temperatura na superfície do cabo, permitindo identificar problemas como superaquecimento localizado.
7. Aplicação e tendência de desenvolvimento de cabos de alta tensão em sistemas de energia
Em sistemas de energia, cabos de alta tensão são amplamente utilizados na transformação de redes elétricas urbanas, linhas de transmissão de grandes usinas, transmissão por cabos submarinos e outras aplicações. Em redes elétricas urbanas, devido ao espaço limitado, o uso de cabos subterrâneos permite economizar espaço e melhorar a estética da cidade. As linhas de transmissão de grandes usinas exigem o uso de cabos de alta tensão para levar eletricidade a subestações distantes. A transmissão por cabos submarinos possibilita a transmissão de energia através do oceano e fornece energia estável para ilhas e áreas costeiras.
Com o desenvolvimento contínuo da tecnologia de energia, os cabos de alta tensão também têm apresentado algumas tendências de desenvolvimento. Uma delas é a pesquisa, o desenvolvimento e a aplicação de cabos com níveis de tensão mais elevados. Com o aumento da demanda por transmissão de energia a longa distância, o desenvolvimento de cabos de ultra-alta tensão se tornará um foco. A segunda é a inteligência dos cabos. Ao integrar sensores e outros equipamentos ao cabo, é possível monitorar em tempo real o status operacional do cabo e emitir alertas de falhas, melhorando assim a confiabilidade operacional do cabo. A terceira é o desenvolvimento de cabos ecologicamente corretos. À medida que as exigências da população por proteção ambiental aumentam, a pesquisa e o desenvolvimento de materiais para cabos que sejam pouco poluentes e recicláveis serão uma direção futura de desenvolvimento.
Data da publicação: 24/09/2024