Rozkład naprężeń pola elektrycznego w kablach prądu przemiennego jest równomierny, a materiały izolacyjne kabli koncentrują się na stałej dielektrycznej, na którą nie wpływa temperatura. Natomiast w kablach prądu stałego rozkład naprężeń jest najwyższy w wewnętrznej warstwie izolacji i zależy od rezystywności materiału izolacyjnego. Materiały izolacyjne charakteryzują się ujemnym współczynnikiem temperaturowym, co oznacza, że wraz ze wzrostem temperatury rezystywność maleje.
Podczas pracy kabla straty w rdzeniu powodują wzrost temperatury, co prowadzi do zmian rezystywności materiału izolacyjnego. To z kolei powoduje zmiany naprężenia pola elektrycznego w warstwie izolacyjnej. Innymi słowy, przy tej samej grubości izolacji napięcie przebicia maleje wraz ze wzrostem temperatury. W przypadku linii prądu stałego w rozproszonych elektrowniach, tempo starzenia się materiału izolacyjnego jest znacznie szybsze ze względu na wahania temperatury otoczenia w porównaniu z kablami układanymi w ziemi, co jest istotną kwestią, o której należy pamiętać.
Podczas produkcji warstw izolacji kabli nieuchronnie wprowadzane są zanieczyszczenia. Zanieczyszczenia te charakteryzują się stosunkowo niską rezystywnością izolacji i są nierównomiernie rozłożone wzdłuż promienia warstwy izolacyjnej. Powoduje to zróżnicowanie rezystywności skrośnej w różnych miejscach. Pod wpływem napięcia stałego pole elektryczne wewnątrz warstwy izolacyjnej również ulega zmianom, co powoduje szybsze starzenie się obszarów o najniższej rezystywności skrośnej i staje się potencjalnymi punktami awarii.
Kable prądu przemiennego nie wykazują tego zjawiska. Mówiąc prościej, naprężenia w materiałach kabli prądu przemiennego rozkładają się równomiernie, podczas gdy w kablach prądu stałego naprężenia izolacji koncentrują się zawsze w najsłabszych punktach. Dlatego procesy produkcyjne i standardy dla kabli prądu przemiennego i stałego powinny być zarządzane w różny sposób.
Polietylen usieciowany (XLPE)Kable izolowane są szeroko stosowane w zastosowaniach prądu przemiennego ze względu na doskonałe właściwości dielektryczne i fizyczne, a także wysoki stosunek ceny do wydajności. Jednak w przypadku kabli prądu stałego (DC) napotykają one na poważne wyzwanie związane z ładunkiem przestrzennym, co jest szczególnie istotne w przypadku kabli wysokiego napięcia prądu stałego. W przypadku stosowania polimerów jako izolacji kabli prądu stałego, duża liczba lokalnych pułapek w warstwie izolacyjnej powoduje akumulację ładunków przestrzennych. Wpływ ładunków przestrzennych na materiały izolacyjne przejawia się głównie w dwóch aspektach: zniekształceniach pola elektrycznego i zniekształceniach pola nieelektrycznego, które są bardzo szkodliwe dla materiału izolacyjnego.
Ładunek przestrzenny odnosi się do nadmiaru ładunku przekraczającego neutralność elektryczną w jednostce strukturalnej materiału makroskopowego. W ciałach stałych dodatnie lub ujemne ładunki przestrzenne są związane ze zlokalizowanymi poziomami energetycznymi, zapewniając efekt polaryzacji w postaci związanych polaronów. Polaryzacja ładunku przestrzennego występuje, gdy w materiale dielektrycznym obecne są wolne jony. Z powodu ruchu jonów jony ujemne gromadzą się na granicy faz w pobliżu elektrody dodatniej, a jony dodatnie gromadzą się na granicy faz w pobliżu elektrody ujemnej. W polu elektrycznym prądu przemiennego migracja ładunków dodatnich i ujemnych nie nadąża za szybkimi zmianami pola elektrycznego o częstotliwości sieciowej, dlatego efekt ładunku przestrzennego nie występuje. Natomiast w polu elektrycznym prądu stałego pole elektryczne rozkłada się zgodnie z rezystywnością, co prowadzi do powstawania ładunków przestrzennych i wpływa na rozkład pola elektrycznego. Izolacja XLPE zawiera dużą liczbę stanów zlokalizowanych, co sprawia, że efekt ładunku przestrzennego jest szczególnie dotkliwy.
Izolacja XLPE jest chemicznie usieciowana, tworząc zintegrowaną strukturę usieciowaną. Jako polimer niepolarny, sam kabel można porównać do dużego kondensatora. Zatrzymanie przesyłu prądu stałego jest równoważne ładowaniu kondensatora. Chociaż rdzeń przewodnika jest uziemiony, nie następuje efektywne rozładowanie, pozostawiając znaczną ilość energii prądu stałego zmagazynowaną w kablu w postaci ładunków przestrzennych. W przeciwieństwie do kabli prądu przemiennego, w których ładunki przestrzenne są rozpraszane poprzez straty dielektryczne, ładunki te gromadzą się w miejscach uszkodzeń kabla.
Z biegiem czasu, wskutek częstych przerw w dostawie prądu lub wahań natężenia prądu, w kablach izolowanych XLPE gromadzi się coraz więcej ładunków przestrzennych, co przyspiesza starzenie się warstwy izolacyjnej i skraca żywotność kabla.
Czas publikacji: 10 marca 2025 r.