Розподіл напружень електричного поля в кабелях змінного струму є рівномірним, а основна увага в ізоляційних матеріалах кабелів зосереджена на діелектричній проникності, яка не залежить від температури. Натомість, розподіл напружень в кабелях постійного струму найвищий у внутрішньому шарі ізоляції та залежить від питомого опору ізоляційного матеріалу. Ізоляційні матеріали демонструють негативний температурний коефіцієнт, тобто зі збільшенням температури питомий опір зменшується.
Під час експлуатації кабелю втрати в осерді призводять до підвищення температури, що призводить до змін питомого опору ізоляційного матеріалу. Це, у свою чергу, призводить до зміни напруження електричного поля всередині ізоляційного шару. Іншими словами, за тієї ж товщини ізоляції пробивна напруга зменшується зі зростанням температури. Для магістральних ліній постійного струму в розподілених електростанціях швидкість старіння ізоляційного матеріалу значно швидша через коливання температури навколишнього середовища порівняно з підземними кабелями, що є критичним моментом, який слід враховувати.
Під час виробництва шарів ізоляції кабелів неминуче потрапляють домішки. Ці домішки мають відносно нижчий питомий опір ізоляції та нерівномірно розподілені вздовж радіального напрямку ізоляційного шару. Це призводить до різного об'ємного питомого опору в різних місцях. Під дією постійної напруги електричне поле всередині ізоляційного шару також змінюватиметься, що призводить до швидшого старіння ділянок з найнижчим об'ємним опором та їх перетворення на потенційні точки руйнування.
Кабелі змінного струму не демонструють цього явища. Простіше кажучи, навантаження на матеріали кабелів змінного струму розподілене рівномірно, тоді як у кабелях постійного струму ізоляційне напруження завжди зосереджене в найслабших місцях. Тому виробничі процеси та стандарти для кабелів змінного та постійного струму повинні регулюватися по-різному.
Зшитий поліетилен (XLPE)Ізольовані кабелі широко використовуються в системах змінного струму завдяки своїм чудовим діелектричним та фізичним властивостям, а також високому співвідношенню ціни та якості. Однак, при використанні як кабелі постійного струму, вони стикаються зі значною проблемою, пов'язаною з об'ємним зарядом, що особливо важливо для високовольтних кабелів постійного струму. Коли полімери використовуються як ізоляція кабелів постійного струму, велика кількість локалізованих пасток всередині ізоляційного шару призводить до накопичення об'ємних зарядів. Вплив об'ємних зарядів на ізоляційні матеріали головним чином відображається у двох аспектах: спотворенні електричного поля та спотворенні неелектричного поля, обидва з яких є дуже шкідливими для ізоляційного матеріалу.
Просторовий заряд – це надлишковий заряд за межами електронейтральності в структурній одиниці макроскопічного матеріалу. У твердих тілах позитивні або негативні просторові заряди зв'язані з локалізованими енергетичними рівнями, забезпечуючи поляризаційні ефекти у вигляді зв'язаних поляронів. Поляризація просторового заряду виникає, коли вільні іони присутні в діелектричному матеріалі. Через рух іонів негативні іони накопичуються на межі розділу поблизу позитивного електрода, а позитивні іони накопичуються на межі розділу поблизу негативного електрода. У змінному електричному полі міграція позитивних і негативних зарядів не може встигати за швидкими змінами електричного поля промислової частоти, тому ефекти просторового заряду не виникають. Однак у постійному електричному полі електричне поле розподіляється відповідно до питомого опору, що призводить до утворення просторових зарядів і впливає на розподіл електричного поля. Ізоляція з XLPE містить велику кількість локалізованих станів, що робить ефекти просторового заряду особливо серйозними.
Ізоляція з XLPE хімічно зшита, утворюючи інтегровану зшиту структуру. Як неполярний полімер, сам кабель можна порівняти з великим конденсатором. Коли передача постійного струму припиняється, це еквівалентно зарядженню конденсатора. Хоча серцевина провідника заземлена, ефективного розряду не відбувається, залишаючи значну кількість енергії постійного струму, що зберігається в кабелі у вигляді об'ємних зарядів. На відміну від силових кабелів змінного струму, де об'ємні заряди розсіюються через діелектричні втрати, ці заряди накопичуються на дефектах кабелю.
З часом, при частих перебоях з живленням або коливаннях сили струму, кабелі з ізоляцією із зшитого поліетилену накопичують все більше об'ємних зарядів, прискорюючи старіння ізоляційного шару та скорочуючи термін служби кабелю.
Час публікації: 10 березня 2025 р.