Вимоги до ізоляції для кабелів постійного струму та проблеми з поліпропіленом

В даний час загальновживанийізоляційний матеріалдля кабелів постійного струму — поліетилен. Проте дослідники постійно шукають більше потенційних ізоляційних матеріалів, таких як поліпропілен (ПП). Тим не менш, використання поліпропілену як ізоляційного матеріалу кабелю створює кілька проблем.

 

1. Механічні властивості

Щоб відповідати основним вимогам до транспортування, монтажу та експлуатації кабелів постійного струму, ізоляційний матеріал повинен мати певну механічну міцність, включаючи хорошу гнучкість, подовження при розриві та стійкість до низьких температур. Проте ПП, як висококристалічний полімер, демонструє жорсткість у робочому діапазоні температур. Крім того, він демонструє крихкість і сприйнятливість до розтріскування в умовах низьких температур, не відповідаючи цим умовам. Тому дослідження мають бути зосереджені на посиленні та модифікації ПП для вирішення цих проблем.

 

2. Стійкість до старіння

Під час тривалого використання ізоляція кабелю постійного струму поступово старіє через комбінований вплив високої напруженості електричного поля та теплового циклу. Таке старіння призводить до зниження механічних та ізоляційних властивостей, а також до зниження міцності на розрив, що в кінцевому підсумку впливає на надійність і термін служби кабелю. Старіння ізоляції кабелю включає механічні, електричні, термічні та хімічні аспекти, причому електричне та теплове старіння викликає найбільше занепокоєння. Хоча додавання антиоксидантів може до певної міри покращити стійкість поліпропілену до термічного окисного старіння, погана сумісність між антиоксидантами та поліпропіленом, міграція та їх домішки як добавки впливають на ізоляційні характеристики поліпропілену. Таким чином, покладаючись лише на антиоксиданти для підвищення стійкості поліпропілену до старіння, неможливо задовольнити вимоги щодо терміну служби та надійності ізоляції кабелю постійного струму, що вимагає подальших досліджень модифікації поліпропілену.

 

3. Ізоляційні характеристики

Об'ємний заряд, як один із факторів, що впливають на якість і термін службивисоковольтні кабелі постійного струму, значно впливає на локальний розподіл електричного поля, діелектричну міцність і старіння ізоляційного матеріалу. Ізоляційні матеріали для кабелів постійного струму повинні пригнічувати накопичення просторового заряду, зменшувати введення просторових зарядів однополярності та перешкоджати утворенню просторових зарядів різної полярності, щоб запобігти викривленню електричного поля в ізоляції та на інтерфейсах, забезпечуючи незмінну міцність пробою та термін служби кабелю.

Коли кабелі постійного струму залишаються в уніполярному електричному полі протягом тривалого часу, електрони, іони та іонізація домішок, що утворюються на матеріалі електродів всередині ізоляції, стають просторовими зарядами. Ці заряди швидко мігрують і накопичуються в пакетах зарядів, відомих як накопичення просторового заряду. Тому при використанні поліпропілену в кабелях постійного струму необхідні модифікації для придушення генерації та накопичення заряду.

 

4. Теплопровідність

Через погану теплопровідність тепло, що утворюється під час роботи кабелів постійного струму на основі ПП, не може швидко розсіюватися, що призводить до різниці температур між внутрішньою та зовнішньою сторонами шару ізоляції, що створює нерівномірне температурне поле. Електропровідність полімерних матеріалів зростає з підвищенням температури. Таким чином, зовнішня сторона шару ізоляції з нижчою провідністю стає схильною до накопичення заряду, що призводить до зниження інтенсивності електричного поля. Крім того, температурні градієнти спричиняють інжекцію та міграцію великої кількості просторових зарядів, що ще більше спотворює електричне поле. Чим більше температурний градієнт, тим більше відбувається накопичення об’ємного заряду, посилюючи спотворення електричного поля. Як обговорювалося раніше, висока температура, накопичення просторового заряду та спотворення електричного поля впливають на нормальну роботу та термін служби кабелів постійного струму. Отже, покращення теплопровідності ПП є необхідним для забезпечення безпечної експлуатації та тривалого терміну служби кабелів постійного струму.