خواص مواد و عایق کابل‌های DC: انتقال انرژی کارآمد و قابل اعتماد

توزیع تنش میدان الکتریکی در کابل‌های AC یکنواخت است و تمرکز مواد عایق کابل بر روی ثابت دی‌الکتریک است که تحت تأثیر دما قرار نمی‌گیرد. در مقابل، توزیع تنش در کابل‌های DC در لایه داخلی عایق بیشترین مقدار را دارد و تحت تأثیر مقاومت ویژه ماده عایق قرار می‌گیرد. مواد عایق ضریب دمایی منفی از خود نشان می‌دهند، به این معنی که با افزایش دما، مقاومت ویژه کاهش می‌یابد.

وقتی کابلی در حال کار است، تلفات هسته باعث افزایش دما می‌شود که منجر به تغییر در مقاومت ویژه ماده عایق می‌شود. این به نوبه خود باعث می‌شود که تنش میدان الکتریکی درون لایه عایق تغییر کند. به عبارت دیگر، برای ضخامت یکسان عایق، ولتاژ شکست با افزایش دما کاهش می‌یابد. برای خطوط اصلی DC در نیروگاه‌های توزیع، سرعت فرسودگی ماده عایق به دلیل نوسانات دمای محیط در مقایسه با کابل‌های دفن شده به طور قابل توجهی سریع‌تر است، که نکته مهمی است که باید به آن توجه داشت.

در طول تولید لایه‌های عایق کابل، ناخالصی‌ها به ناچار وارد می‌شوند. این ناخالصی‌ها مقاومت عایقی نسبتاً کمتری دارند و به طور ناهموار در امتداد جهت شعاعی لایه عایق توزیع شده‌اند. این امر منجر به تغییر مقاومت حجمی در مکان‌های مختلف می‌شود. تحت ولتاژ DC، میدان الکتریکی درون لایه عایق نیز متفاوت خواهد بود و باعث می‌شود مناطقی که کمترین مقاومت حجمی را دارند، سریع‌تر فرسوده شوند و به نقاط بالقوه خرابی تبدیل شوند.

کابل‌های AC این پدیده را نشان نمی‌دهند. به عبارت ساده، تنش روی مواد کابل AC به طور یکنواخت توزیع می‌شود، در حالی که در کابل‌های DC، تنش عایق همیشه در ضعیف‌ترین نقاط متمرکز است. بنابراین، فرآیندهای تولید و استانداردهای کابل‌های AC و DC باید به طور متفاوتی مدیریت شوند.

پلی اتیلن شبکه ای (XLPE)کابل‌های عایق‌شده به دلیل خواص دی‌الکتریک و فیزیکی عالی و همچنین نسبت بالای هزینه به عملکرد، به طور گسترده در کاربردهای AC مورد استفاده قرار می‌گیرند. با این حال، هنگامی که به عنوان کابل‌های DC استفاده می‌شوند، با چالش قابل توجهی در رابطه با بار فضایی مواجه می‌شوند که به ویژه در کابل‌های DC ولتاژ بالا بسیار مهم است. هنگامی که از پلیمرها به عنوان عایق کابل DC استفاده می‌شود، تعداد زیادی تله موضعی در لایه عایق باعث تجمع بارهای فضایی می‌شود. تأثیر بارهای فضایی بر مواد عایق عمدتاً در دو جنبه منعکس می‌شود: اعوجاج میدان الکتریکی و اثرات اعوجاج غیر میدان الکتریکی، که هر دو برای ماده عایق بسیار مضر هستند.

بار فضایی به بار اضافی فراتر از خنثی بودن الکتریکی در یک واحد ساختاری از یک ماده ماکروسکوپی اشاره دارد. در جامدات، بارهای فضایی مثبت یا منفی به سطوح انرژی موضعی متصل می‌شوند و اثرات قطبش را به شکل پولارون‌های مقید ایجاد می‌کنند. قطبش بار فضایی زمانی رخ می‌دهد که یون‌های آزاد در یک ماده دی‌الکتریک وجود داشته باشند. به دلیل حرکت یون، یون‌های منفی در سطح مشترک نزدیک الکترود مثبت و یون‌های مثبت در سطح مشترک نزدیک الکترود منفی جمع می‌شوند. در یک میدان الکتریکی AC، مهاجرت بارهای مثبت و منفی نمی‌تواند با تغییرات سریع میدان الکتریکی فرکانس برق همگام باشد، بنابراین اثرات بار فضایی رخ نمی‌دهد. با این حال، در یک میدان الکتریکی DC، میدان الکتریکی بر اساس مقاومت ویژه توزیع می‌شود و منجر به تشکیل بارهای فضایی می‌شود و بر توزیع میدان الکتریکی تأثیر می‌گذارد. عایق XLPE حاوی تعداد زیادی حالت موضعی است که اثرات بار فضایی را به ویژه شدید می‌کند.

عایق XLPE از نظر شیمیایی به صورت متقاطع متصل شده و یک ساختار متقاطع یکپارچه را تشکیل می‌دهد. به عنوان یک پلیمر غیر قطبی، خود کابل را می‌توان به یک خازن بزرگ تشبیه کرد. هنگامی که انتقال DC متوقف می‌شود، معادل شارژ یک خازن است. اگرچه هسته هادی به زمین متصل است، اما تخلیه مؤثر رخ نمی‌دهد و مقدار قابل توجهی از انرژی DC به صورت بارهای فضایی در کابل ذخیره می‌شود. برخلاف کابل‌های برق AC، که بارهای فضایی از طریق تلفات دی‌الکتریک از بین می‌روند، این بارها در نقص‌های کابل جمع می‌شوند.

با گذشت زمان، با قطع مکرر برق یا نوسانات جریان، کابل‌های عایق XLPE بارهای فضایی بیشتری را جمع می‌کنند که باعث تسریع پیری لایه عایق و کاهش عمر مفید کابل می‌شود.