الزامات عایق‌بندی برای کابل‌های DC و مشکلات مربوط به PP

در حال حاضر، موارد استفاده رایجمواد عایقبرای کابل‌های DC، پلی‌اتیلن است. با این حال، محققان به طور مداوم به دنبال مواد عایق بالقوه‌تری مانند پلی‌پروپیلن (PP) هستند. با این وجود، استفاده از PP به عنوان ماده عایق کابل، مشکلات متعددی را به همراه دارد.

 

۱. خواص مکانیکی

برای برآورده کردن الزامات اساسی حمل و نقل، نصب و بهره‌برداری از کابل‌های DC، ماده عایق باید از استحکام مکانیکی خاصی، از جمله انعطاف‌پذیری خوب، افزایش طول در نقطه شکست و مقاومت در برابر ضربه در دمای پایین برخوردار باشد. با این حال، PP، به عنوان یک پلیمر بسیار بلوری، در محدوده دمای کاری خود سفتی نشان می‌دهد. علاوه بر این، در محیط‌های با دمای پایین شکننده و مستعد ترک خوردگی است و نمی‌تواند این شرایط را برآورده کند. بنابراین، تحقیقات باید بر روی سخت‌تر کردن و اصلاح PP برای رسیدگی به این مسائل متمرکز شود.

 

2. مقاومت در برابر پیری

در طول استفاده طولانی مدت، عایق کابل DC به دلیل اثرات ترکیبی شدت میدان الکتریکی بالا و چرخه حرارتی، به تدریج فرسوده می‌شود. این فرسودگی منجر به کاهش خواص مکانیکی و عایقی و همچنین کاهش استحکام شکست می‌شود و در نهایت بر قابلیت اطمینان و عمر مفید کابل تأثیر می‌گذارد. فرسودگی عایق کابل شامل جنبه‌های مکانیکی، الکتریکی، حرارتی و شیمیایی است که فرسودگی الکتریکی و حرارتی بیشترین نگرانی را ایجاد می‌کند. اگرچه افزودن آنتی‌اکسیدان‌ها می‌تواند مقاومت PP را در برابر فرسودگی اکسیداتیو حرارتی تا حدی بهبود بخشد، اما سازگاری ضعیف بین آنتی‌اکسیدان‌ها و PP، مهاجرت و ناخالصی آنها به عنوان افزودنی‌ها بر عملکرد عایق PP تأثیر می‌گذارد. بنابراین، صرفاً تکیه بر آنتی‌اکسیدان‌ها برای بهبود مقاومت در برابر فرسودگی PP نمی‌تواند الزامات طول عمر و قابلیت اطمینان عایق کابل DC را برآورده کند و تحقیقات بیشتر در مورد اصلاح PP را ضروری می‌سازد.

 

۳. عملکرد عایق

بار فضایی، به عنوان یکی از عوامل مؤثر بر کیفیت و طول عمرکابل‌های جریان مستقیم ولتاژ بالا، به طور قابل توجهی بر توزیع میدان الکتریکی محلی، مقاومت دی الکتریک و پیری مواد عایق تأثیر می‌گذارد. مواد عایق برای کابل‌های DC باید تجمع بار فضایی را سرکوب کنند، تزریق بارهای فضایی با قطب مشابه را کاهش دهند و مانع از تولید بارهای فضایی با قطب غیر مشابه شوند تا از اعوجاج میدان الکتریکی در عایق و رابط‌ها جلوگیری شود و از عدم تأثیر بر مقاومت شکست و طول عمر کابل اطمینان حاصل شود.

وقتی کابل‌های DC برای مدت طولانی در یک میدان الکتریکی تک‌قطبی باقی می‌مانند، الکترون‌ها، یون‌ها و یونیزاسیون ناخالصی تولید شده در ماده الکترود درون عایق، به بارهای فضایی تبدیل می‌شوند. این بارها به سرعت مهاجرت کرده و در بسته‌های بار جمع می‌شوند که به عنوان تجمع بار فضایی شناخته می‌شود. بنابراین، هنگام استفاده از PP در کابل‌های DC، اصلاحاتی برای جلوگیری از تولید و تجمع بار ضروری است.

 

۴. رسانایی حرارتی

به دلیل رسانایی حرارتی ضعیف، گرمای تولید شده در طول عملکرد کابل‌های DC مبتنی بر PP نمی‌تواند به سرعت از بین برود و در نتیجه اختلاف دما بین سطوح داخلی و خارجی لایه عایق ایجاد می‌شود و یک میدان دمایی ناهموار ایجاد می‌کند. رسانایی الکتریکی مواد پلیمری با افزایش دما افزایش می‌یابد. بنابراین، سطح خارجی لایه عایق با رسانایی کمتر مستعد تجمع بار می‌شود و منجر به کاهش شدت میدان الکتریکی می‌شود. علاوه بر این، گرادیان‌های دما باعث تزریق و مهاجرت تعداد زیادی از بارهای فضایی می‌شوند و میدان الکتریکی را بیشتر تحریف می‌کنند. هرچه گرادیان دما بیشتر باشد، تجمع بار فضایی بیشتر می‌شود و اعوجاج میدان الکتریکی را تشدید می‌کند. همانطور که قبلاً بحث شد، دمای بالا، تجمع بار فضایی و اعوجاج میدان الکتریکی بر عملکرد عادی و عمر مفید کابل‌های DC تأثیر می‌گذارد. از این رو، بهبود رسانایی حرارتی PP برای اطمینان از عملکرد ایمن و عمر مفید طولانی کابل‌های DC ضروری است.