علت‌های افزایش تخلیه جزئی در سرکابل‌های هوایی ۲۰ کیلوولت و راهکارهای پیشگیری
شکل توضیحی اختصاصی: ۱ـ حفره و تماس ناقص در فصل مشترک؛ ۲ـ عیب محل قطع نیمه‌هادی و کنترل میدان؛ ۳ـ کرونا در اطراف کابلشو؛ ۴ـ تخلیه سطحی در حضور آلودگی و رطوبت. سمت چپ، برش لایه‌های داخلی و سمت راست، بدنه و چترک‌ها را نشان می‌دهد. شکل مقیاس ندارد، نمودار محاسبه میدان نیست و جایگزین نقشه نصب محصول نمی‌شود.
۶ آبان ۱۴۰۵
واحد فنی و مهندسی پارس مفصل آسیا
تخلیه جزئی در سرکابل معمولاً نتیجه تمرکز میدان الکتریکی در یک نقطه ضعیف است؛ این نقطه می‌تواند حفره‌ای کوچک، فصل مشترکی نامناسب، لبه تیز فلزی یا سطح آلوده و مرطوب باشد. جلوگیری از آن فقط با افزایش ضخامت عایق یا تعداد چترک‌ها امکان‌پذیر نیست؛ طراحی، انتخاب صحیح کیت، کیفیت نصب و شرایط بهره‌برداری باید هم‌زمان بررسی شوند.
دامنه این مقاله، سرکابل‌های نصب‌شده در فضای آزاد شبکه‌های AC بیست کیلوولت است؛ «هوایی» در اینجا به محل نصب سرکابل اشاره دارد، نه لزوماً به کابل خودنگهدار هوایی. یافته‌های پژوهش‌های مربوط به سایر ولتاژها یا کاربردهای ریلی با ذکر محدودیت آن‌ها آورده شده‌اند. متن، راهنمای توضیحی است؛ روش اجرایی و حدود پذیرش باید از استاندارد محصول، مشخصات پروژه و دستورالعمل همان سازنده انتخاب شوند.
۱. تخلیه جزئی چیست و چه تفاوتی با جریان نشتی دارد؟
تخلیه جزئی یا Partial Discharge ــ PD، تخلیه‌ای موضعی است که فقط بخشی از عایق بین قسمت‌های دارای اختلاف پتانسیل را درگیر می‌کند و هنوز مسیر کامل اتصال کوتاه را برقرار نکرده است. اندازه‌گیری الکتریکی آن معمولاً بر مبنای «بار ظاهری» و با واحد پیکوکولن انجام می‌شود. استاندارد IEC 60270:2025 مبانی اندازه‌گیری، کالیبراسیون و تفکیک سیگنال تخلیه از تداخل‌های خارجی را بیان می‌کند. [۱]
وجود جریان نشتی سطحی، به‌تنهایی اثبات‌کننده PD نیست؛ همچنین هر تخلیه سطحی الزاماً هنوز فلش‌اور کامل نشده است. این تفکیک اهمیت عملی دارد: تمیزکردن سطح ممکن است تخلیه سطحی را کاهش دهد، اما حفره زیر تیوب کنترل میدان را برطرف نمی‌کند.
| پدیده | محل و ماهیت |
|---|---|
| تخلیه داخلی | داخل حفره‌ها یا ترک‌های عایق |
| تخلیه در فصل مشترک | بین عایق کابل و بدنه، تیوب یا قطعه کنترل میدان |
| تخلیه سطحی | در امتداد سطح عایق؛ معمولاً با حضور آلودگی و رطوبت |
| کرونا | در گاز اطراف نقاط دارای میدان شدید، مانند لبه تیز کابلشو |
| جریان نشتی سطحی | جریان عبوری از سطح؛ به‌تنهایی اثبات‌کننده تخلیه جزئی نیست |
| فلش‌اور | تشکیل مسیر تخلیه کامل روی سطح یا در هوای اطراف |
۲. چرا ناحیه انتهایی کابل مستعد تخلیه است؟
در بدنه کابل، ساختار هادی، عایق و شیلد، میدان را در هندسه‌ای کنترل‌شده نگه می‌دارد. هنگام نصب سرکابل، بخشی از شیلد و لایه نیمه‌هادی بیرونی برداشته می‌شود و در محل پایان آن‌ها، میدان الکتریکی متراکم می‌شود.
وظیفه سیستم کنترل میدان، تعدیل این تمرکز است. در سرکابل‌های مختلف، این کار با قطعات هندسی، مواد با گذردهی بالا یا مواد کنترل میدان مقاومتی انجام می‌شود. چترک‌ها وظیفه دیگری دارند: افزایش مسیر سطحی و بهبود عملکرد در فضای آزاد. چترک بیشتر، جایگزین کنترل میدان صحیح در محل قطع نیمه‌هادی نیست. مستندات فنی TE نیز کنترل تنش در انتهای شیلد، آب‌بندی و افزایش فاصله خزشی را به‌عنوان کارکردهای جداگانه معرفی می‌کند. [۲]
۳. آماده‌سازی نامناسب عایق و لایه نیمه‌هادی
خراش عمیق XLPE، بریدگی حلقوی، شیار طولی، باقی‌ماندن زائده نیمه‌هادی و آلودگی سطح می‌توانند میدان را موضعی کنند یا فضای مناسبی برای تخلیه ایجاد کنند.
در پژوهش Fynes-Clinton سه عیب شامل زائده نیمه‌هادی، شیار طولی و بریدگی حلقوی عایق در سرکابل‌های فشار متوسط بررسی شد. نمونه‌های معیوب آزمون تحمل اضافه‌ولتاژ را گذراندند، درحالی‌که بعضی از آن‌ها تخلیه جزئی قابل‌توجه داشتند. بنابراین، عبور از آزمون تحمل ولتاژ به‌تنهایی سلامت کامل نصب را اثبات نمی‌کند. [۳]
راهنمای مهندسی: از ابزار مناسب برای نوع نیمه‌هادی کابل استفاده شود؛ ابعاد آماده‌سازی کنترل و سطح پیش از پوشاندن بازرسی شود. پرداخت سطح باید طبق دستورالعمل همان کیت انجام شود؛ سنباده‌زنی شدید ممکن است قطر عایق را از محدوده مجاز خارج کند. [۱۱]
۴. حفره هوا و تماس ناقص بین اجزای سرکابل
ممکن است ظاهر سرکابل سالم باشد، اما زیر آن فضای خالی باقی مانده باشد. نصب نامناسب، انتخاب سایز اشتباه، جمع‌شدن ناقص تیوب یا وجود آلودگی میان لایه‌ها از عوامل ایجاد چنین فضاهایی هستند.
در پژوهش Xin و همکاران، ۲۰۲۵، عیوب شکاف هوا و رد کربنی در سرکابل حرارتی قطارهای سریع‌السیر بررسی شد. نتایج نشان داد تحول عیب با تغییر مشخصات تخلیه و کاهش ولتاژ خاموشی آن همراه است. این پژوهش مربوط به سرکابل ریلی است و اعداد آن مستقیماً معیار پذیرش سرکابل ۲۰ کیلوولت شبکه توزیع نیست؛ اما اهمیت کیفیت فصل مشترک را روشن می‌کند. [۴]
راهنمای مهندسی: محدوده قطر مجاز کیت، خشکی و تمیزی سطح و روش مونتاژ رعایت شود. انتخاب کیت صرفاً بر اساس سطح مقطع هادی کافی نیست. در تشخیص عیب نیز علاوه بر مقدار PD، محل منبع و شرایط ایجاد آن بررسی شود.
۵. قرارگیری نادرست قطعه کنترل میدان
جابه‌جایی تیوب یا مخروط کنترل میدان نسبت به محل قطع نیمه‌هادی می‌تواند ناحیه‌ای با میدان شدید باقی بگذارد.
پژوهش Wang و همکاران، ۲۰۲۶، روی سرکابل XLPE ده کیلوولت با عیب جابه‌جایی مخروط کنترل میدان نشان داد ضربه کلیدزنیِ سوارشده بر AC می‌تواند تخلیه را آغاز کند و فعالیت آن پس از پایان ضربه برای چند سیکل ادامه پیدا کند. این نتیجه نشان می‌دهد اضافه‌ولتاژ گذرا می‌تواند ضعف پنهان مونتاژ را فعال کند؛ مقدارهای آن پژوهش نباید مستقیماً به سرکابل ۲۰ کیلوولت تعمیم داده شوند. [۵]
راهنمای مهندسی: پیش از نصب علامت‌گذاری دقیق انجام و هم‌پوشانی‌ها طبق نقشه سازنده کنترل شود. ابعاد یک برند یا مدل بدون تأیید به محصول دیگری تعمیم داده نشود. [۲، ۱۱]
۶. حرارت‌دهی نامناسب در سرکابل حرارتی
گرمایش ناکافی می‌تواند جمع‌شدن ناقص و تماس نامناسب ایجاد کند؛ گرمایش بیش‌ازحد نیز ممکن است به مواد آسیب بزند.
در مقاله Uydur و Arikan، ۲۰۲۰، کیفیت نصب سرکابل و رفتار دی‌الکتریک نمونه‌های کابل با رده ۱۲/۲۰٫۸ کیلوولت بررسی شد. نویسندگان آماده‌سازی نامناسب نیمه‌هادی، آلودگی یا شکاف هوا، جای‌گذاری نادرست مواد کنترل تنش و آسیب ناشی از گرمایش نصب را از عوامل محتمل خرابی دانسته‌اند. [۶]
راهنمای مهندسی: توالی و شدت گرمایش مطابق دستورالعمل باشد و پس از سردشدن، جمع‌شدگی، آب‌بندی و موقعیت اجزا کنترل شود. ضخیم‌ترکردن تیوب به‌تنهایی این عیوب را جبران نمی‌کند. این علت مربوط به نصب حرارتی است؛ سرکابل سردجمع‌شونده به روش نصب اختصاصی خود نیاز دارد.
۷. نفوذ رطوبت و آلودگی به فصل مشترک
آب می‌تواند از ناحیه کابلشو، آب‌بندی انتهایی یا محل آسیب‌دیده وارد شود. آلودگی مرطوب در فضای محبوس، توزیع میدان را تغییر می‌دهد؛ بنابراین سطح بیرونی نسبتاً تمیز، وجود عیب داخلی را رد نمی‌کند.
در پژوهش Zou و همکاران، ۲۰۲۴، روی مجموعه سرکابل و کاور عایقی لوکوموتیو، ترکیب آلودگی مرطوب و شکاف هوا باعث افزایش اعوجاج میدان در فصل مشترک شد. برداشت مهندسی از این نتیجه آن است که اضافه‌کردن کاور عایقی، بدون طراحی و آب‌بندی مناسب، الزاماً عملکرد را بهتر نمی‌کند. کاربرد آن پژوهش ریلی است؛ نتیجه عددی آن معیار پذیرش سرکابل توزیع نیست. [۷]
راهنمای مهندسی: مسیرهای ورود آب کنترل و از مواد آب‌بندی سازگار استفاده شود. پوشاندن عیب با نوار یا کاور اضافی، جایگزین اصلاح علت نیست. [۲، ۷]
۸. آلودگی و رطوبت سطح بیرونی
گردوغبار، نمک و رسوبات صنعتی وقتی خیس شوند می‌توانند رسانایی سطح را افزایش دهند. جریان سطحی، گرمایش موضعی و خشک‌شدن نامساوی ایجاد می‌کند. در نتیجه بخشی از افت ولتاژ روی نوار خشک* متمرکز می‌شود و تخلیه‌های موضعی شکل می‌گیرند. آزمایش‌های Andoh و Volat، ۲۰۲۴، نشان داده‌اند جنس سطح، میزان آلودگی و دمای محیط بر تشکیل نوار خشک و میدان مرتبط با آن اثر دارند. [۸]
* توضیح نوار خشک: وقتی سطح آلوده سرکابل با رطوبت خیس می‌شود، جریان نشتی از آن عبور می‌کند و باعث گرمایش می‌شود. بعضی قسمت‌ها زودتر خشک می‌شوند؛ به این بخش‌های خشک در میان سطح مرطوب، «نوار خشک» می‌گویند. مقاومت این نواحی از قسمت‌های مرطوب بیشتر است؛ بنابراین بخش زیادی از اختلاف ولتاژ می‌تواند روی همین فاصله کوتاه بیفتد، میدان الکتریکی متمرکز شود و زمینه جرقه موضعی و تخلیه سطحی فراهم شود. این وضعیت با خشک و تمیزبودن کل سطح سرکابل تفاوت دارد. [۸، ۹]
این تخلیه‌ها می‌توانند به فرسایش سطح و در شرایط مناسب به فلش‌اور گسترش پیدا کنند. پژوهش Arshad و همکاران، ۲۰۱۸، اثر موقعیت و تعداد نوارهای خشک را بر رفتار فلش‌اور عایق سیلیکونی بررسی کرده است. نتایج آن درباره سازوکار سطحی است، نه اثبات وجود حفره داخلی در هر سرکابل آلوده. [۹]
راهنمای مهندسی: وضعیت سطح در زمان‌های مرطوب و آلوده ثبت شود. روش و فاصله زمانی نظافت باید با محیط و دستور سازنده سازگار باشد. تمیزکردن می‌تواند آلودگی را کم کند، اما بدنه فرسوده، مسیر کربنی یا عیب آب‌بندی را به وضعیت اولیه بازنمی‌گرداند؛ تصمیم اصلاح یا تعویض به ارزیابی فنی نیاز دارد.
۹. انتخاب نامناسب بدنه و فاصله خزشی
سرکابل مناسب محیط خشک و کم‌آلودگی الزاماً برای ساحل یا مجاورت صنایع آلاینده مناسب نیست. تعداد چترک به‌تنهایی معیار کافی نیست؛ شکل، فاصله، موقعیت نصب و رفتار آلودگی بدنه اهمیت دارند.
IEC TS 60815-3:2025 برای عایق‌های پلیمری فضای آزاد، شدت آلودگی محل، پروفیل و ضرایب اصلاحی از جمله ارتفاع را در انتخاب ابعاد در نظر می‌گیرد. این سند راهنمای انتخاب در برابر آلودگی است و جایگزین آزمون محصول کامل سرکابل نیست. [۱۰]
راهنمای مهندسی: سرکابل بر اساس شرایط محیط و شواهد عملکرد آن انتخاب شود. افزایش خودسرانه تعداد چترک یا استفاده از کیت رده ولتاژی بالاتر، بدون بررسی سازگاری، راه‌حل قطعی نیست. افزایش فاصله خزشی نیز حفره داخلی یا جابه‌جایی کنترل میدان را اصلاح نمی‌کند.
۱۰. لبه‌های تیز و اجزای فلزی نامناسب
رشته بیرون‌زده هادی، پلیسه کابلشو و اجزای فلزی با هندسه نامناسب می‌توانند منبع کرونا باشند. در این حالت سیگنال تخلیه ممکن است از هوای اطراف فلز تولید شود، نه از داخل عایق.
بازرسی کابلشو، حذف پلیسه طبق روش مجاز، رعایت فاصله‌های نصب و کنترل اتصال شیلد و ارت باید جزو کنترل نهایی باشد. مقاله Uydur و Arikan نیز لبه‌های نامناسب کابلشو و شیلد را در بحث عیوب مونتاژ مطرح می‌کند. [۶]
۱۱. پاکیزگی نصب؛ جزئیاتی که اثر بزرگی دارند
تمیزکردن سطح باید بدون انتقال ذرات نیمه‌هادی به XLPE و با ماده مورد تأیید سازنده انجام شود. باقی‌ماندن حلال نیز نباید نادیده گرفته شود.
برای نمونه، دستورالعمل رسمی یکی از کیت‌های 3M QT-III بر خشک‌شدن حلال پیش از نصب، جلوگیری از تماس حلال با نیمه‌هادی و حفظ قطر عایق در محدوده کیت تأکید دارد. این الزامات مربوط به محصول مشخص هستند؛ دستورالعمل همان کیت نصب‌شده مرجع اجرایی است. [۱۱]
راهنمای مهندسی: ثبت تصویری سطح آماده‌شده، محل قطع نیمه‌هادی و علامت‌های نصب کمک می‌کند عیب پنهان پس از پوشاندن اجزا قابل پیگیری باشد.
۱۲. آیا هر افزایش سیگنال نشانه پیشرفت خرابی است؟
خیر. افزایش عدد ثبت‌شده باید همراه شرایط اندازه‌گیری تفسیر شود. تغییر ولتاژ و فرکانس آزمون، رطوبت، آرایش حسگر، حساسیت اندازه‌گیری و نویز محیط می‌تواند نتیجه را تغییر دهد. مقایسه دو نتیجه بدون ثبت این شرایط، برای نتیجه‌گیری درباره پیشرفت عیب کافی نیست. [۱، ۱۲]
در پژوهش Fynes-Clinton رفتار اندازه تخلیه و ولتاژ شروع آن در آزمون‌های ۰٫۱ و ۵۰ هرتز یکسان نبود. بنابراین مقایسه مستقیم دو عدد PD از دو روش آزمون متفاوت می‌تواند گمراه‌کننده باشد. [۳]
برای تشخیص، علاوه بر اندازه تخلیه، الگوی فازی PRPD، نرخ تکرار پالس، محل منبع، ولتاژ شروع و خاموشی و شرایط محیطی ثبت شود. هیچ الگوی منفردی بدون بررسی تکمیلی، تشخیص قطعی عیب نیست. [۱، ۱۲، ۱۵]
۱۳. روش صحیح بررسی و پیشگیری
پیشگیری مؤثر، از انتخاب و مونتاژ آغاز می‌شود و با آزمون مناسب و ثبت نتیجه مبنا ادامه پیدا می‌کند. اقدام‌های جدول زیر راهنمای مهندسی برای سازمان‌دهی کنترل کیفیت‌اند؛ حدود پذیرش یا برنامه آزمون مستقل محسوب نمی‌شوند.
برای اندازه‌گیری مبتنی بر بار ظاهری، مرجع روش IEC 60270 است؛ روش‌های الکترومغناطیسی و آکوستیکی نیز در IEC TS 62478:2016 بررسی شده‌اند. این روش‌ها حساسیت و کاربرد یکسانی ندارند و نتیجه حسگر HFCT یا آکوستیک را نباید بدون کالیبراسیون و روش معتبر، مستقیماً معادل پیکوکولن دانست. [۱، ۱۲]
| مرحله | اقدام اصلی | آنچه باید ثبت شود |
|---|---|---|
| پیش از نصب | تطبیق کیت با کابل، قطر عایق، رده ولتاژی و محیط | مدل کیت، مشخصات کابل و شرایط محل |
| حین نصب | کنترل آماده‌سازی، پاکیزگی، موقعیت کنترل میدان و آب‌بندی | ابعاد، عکس سطح آماده و اجزای نصب‌شده |
| پس از نصب | آزمون مناسب طبق برنامه مصوب و ثبت نتیجه مبنا | ولتاژ، فرکانس، حساسیت، نویز و نتایج |
| در بهره‌برداری | پایش و مقایسه روند در شرایط قابل مقایسه | بار، دما، رطوبت، الگو و محل منبع تخلیه |
۱۴. استانداردهای آزمون و حدود پذیرش
حد پذیرش و ولتاژ آزمون باید از استاندارد محصول، مشخصات قرارداد و دستورالعمل معتبر انتخاب شود. IEC 60502-4:2023 الزامات آزمون نوع متعلقات کابل و IEC 61442:2023 روش‌های آزمون مربوط را بیان می‌کنند. یک عدد عمومی مانند «کمتر از چند پیکوکولن» بدون ذکر ولتاژ، حساسیت و شرایط آزمون معیار کاملی نیست. [۱۳، ۱۴]
در بهره‌برداری، پایش روند و جداسازی نویز اهمیت دارد. مستندات OMICRON بر مکان‌یابی، تفکیک منابع و بررسی روند فعالیت تخلیه در کابل و متعلقات تأکید می‌کند. عدد بالاتر بدون تشخیص منبع، برای انتخاب روش تعمیر کافی نیست. [۱۵]
راهنمای اقدام اصلاحی: اگر منبع تخلیه سطح آلوده باشد، اقدام اصلاحی با عیب فصل مشترک متفاوت است. شست‌وشوی سطح عیب مونتاژ داخلی را درمان نمی‌کند؛ تعویض سرکابل نیز بدون اصلاح روش نصب احتمال تکرار خرابی را باقی می‌گذارد. انتخاب اقدام باید پس از تشخیص منبع انجام شود. کار روی تجهیزات فشار متوسط باید توسط گروه مجاز و طبق روش ایمن بهره‌بردار صورت گیرد.
۱۵. حدود استفاده از پژوهش‌ها و راهنمای سازندگان
منابع ۳ تا ۹ یافته‌های پژوهشی هستند و برای توضیح سازوکارها استفاده شده‌اند؛ اعداد آزمایشگاهی آن‌ها، بدون احراز شرایط یکسان، حد قبولی محصول یا شبکه محسوب نمی‌شوند. منابع ۲، ۱۱ و ۱۵ مستندات رسمی سازندگان‌اند و دامنه کاربرد هرکدام باید رعایت شود. منابع ۱، ۱۰، ۱۲، ۱۳ و ۱۴ اسناد IEC هستند؛ متن حاضر جایگزین متن کامل این اسناد یا بندهای اجرایی قرارداد نیست.
نتیجه عملی برای سرکابل هوایی ۲۰ کیلوولت این است که کیفیت آماده‌سازی و فصل مشترک، عملکرد کنترل میدان، آب‌بندی و تناسب بدنه با محیط باید هم‌زمان بررسی شوند. هیچ‌یک از افزایش ضخامت عایق، افزایش چترک یا تمیزکردن سطح، راه‌حل عمومی برای تمام انواع تخلیه جزئی نیست.
منابع و استانداردهای مرجع
- IEC 60270:2025 — High-voltage test techniques — Charge-based measurement of partial discharges.
- TE Connectivity / Raychem — Terminations, Energy Reference Guide؛ بخش‌های کنترل تنش، آب‌بندی و فاصله خزشی.
- Fynes-Clinton, D. (2016). PD characteristics of typical MV XLPE power cable termination defects at VLF and power frequency test voltages. گزارش پژوهشی کارشناسی ارشد، University of the Witwatersrand.
- Xin, D., et al. (2025). The Partial Discharge Characteristics of Inner Air Gap Inside High-Voltage Cable Termination for High-Speed Trains. High Voltage, 10(5), 1110–1124. DOI: 10.1049/hve2.70014
- Wang, F., et al. (2026). Partial Discharge Characteristics of Cable Terminations with Stress Cone Misalignment Defects Under AC-Superimposed Switching Impulse Voltage. Energies, 19(19), 4620. DOI: 10.3390/en19194620
- Uydur, C. C.; Arikan, O. (2020). Use of Tanδ and Partial Discharge for Evaluating the Cable Termination Assembly. Energies, 13(20), 5299. DOI: 10.3390/en13205299
- Zou, H.; Yin, Y.; Chen, J.; Zhang, S.; Tian, F. (2024). Research on the Inner Surface Discharge of the Insulation Sheath of Electric Locomotive Cable Terminals. Applied Sciences, 14(21), 9681. DOI: 10.3390/app14219681
- Andoh, M.-A.; Volat, C. (2024). Experimental Investigation of Parameters Influencing the Formation of Dry Bands and Related Electric Field. Energies, 17(10), 2373. DOI: 10.3390/en17102373
- Arshad; Mughal, M. A.; Nekahi, A.; Khan, M.; Umer, F. (2018). Influence of Single and Multiple Dry Bands on Critical Flashover Voltage of Silicone Rubber Outdoor Insulators: Simulation and Experimental Study. Energies, 11(6), 1335. DOI: 10.3390/en11061335
- IEC TS 60815-3:2025 — Selection and dimensioning of high-voltage insulators intended for use in polluted conditions — Part 3: Polymer insulators for AC systems.
- 3M — Cold Shrink QT-III Silicone Rubber Skirted Termination Kit with Top Insulator and High-K Stress Relief. دستورالعمل نصب؛ بخش‌های ۸ و ۹.
- IEC TS 62478:2016 — High voltage test techniques — Measurement of partial discharges by electromagnetic and acoustic methods.
- IEC 60502-4:2023 — Test requirements on accessories for power cables in the scope of the standard, up to 18/30 (36) kV.
- IEC 61442:2023 — Test methods for accessories for power cables in the scope of the standard, up to 18/30 (36) kV.
- OMICRON — Permanent Partial Discharge Monitoring of Power Cables؛ راهنمای پایش، مکان‌یابی و جداسازی منابع تخلیه.