Распределение напряжений электрического поля в кабелях переменного тока равномерное, и основное внимание в изоляционных материалах кабелей уделяется диэлектрической постоянной, которая не зависит от температуры. В отличие от этого, в кабелях постоянного тока распределение напряжений наиболее высокое во внутреннем слое изоляции и зависит от удельного сопротивления изоляционного материала. Изоляционные материалы обладают отрицательным температурным коэффициентом, что означает, что с повышением температуры удельное сопротивление уменьшается.
В процессе эксплуатации кабеля потери в сердечнике приводят к повышению температуры, что, в свою очередь, вызывает изменение удельного сопротивления изоляционного материала. Это приводит к изменению напряженности электрического поля внутри изоляционного слоя. Другими словами, при одинаковой толщине изоляции напряжение пробоя уменьшается с повышением температуры. Для магистральных линий постоянного тока в распределенных электростанциях скорость старения изоляционного материала значительно выше из-за колебаний температуры окружающей среды по сравнению с подземными кабелями, что является важным моментом.
В процессе производства изоляционных слоев кабеля неизбежно вводятся примеси. Эти примеси имеют относительно низкое удельное сопротивление изоляции и неравномерно распределены вдоль радиального направления изоляционного слоя. Это приводит к изменению объемного удельного сопротивления в разных местах. Под воздействием постоянного напряжения электрическое поле внутри изоляционного слоя также изменяется, что приводит к более быстрому старению участков с наименьшим объемным удельным сопротивлением и делает их потенциальными точками отказа.
В кабелях переменного тока это явление не наблюдается. Проще говоря, напряжение в материалах кабелей переменного тока распределено равномерно, тогда как в кабелях постоянного тока напряжение изоляции всегда концентрируется в самых слабых местах. Следовательно, производственные процессы и стандарты для кабелей переменного и постоянного тока должны регулироваться по-разному.
Сшитый полиэтилен (XLPE)Изолированные кабели широко используются в системах переменного тока благодаря своим превосходным диэлектрическим и физическим свойствам, а также высокому соотношению цены и качества. Однако при использовании в качестве кабелей постоянного тока они сталкиваются со значительной проблемой, связанной с пространственным зарядом, что особенно критично для высоковольтных кабелей постоянного тока. При использовании полимеров в качестве изоляции кабелей постоянного тока большое количество локализованных ловушек внутри изоляционного слоя приводит к накоплению пространственных зарядов. Влияние пространственных зарядов на изоляционные материалы проявляется в основном в двух аспектах: искажении электрического поля и эффектах искажения неэлектрического поля, оба из которых крайне вредны для изоляционного материала.
Пространственный заряд — это избыточный заряд, превышающий электрическую нейтральность внутри структурной единицы макроскопического материала. В твердых телах положительные или отрицательные пространственные заряды связаны с локализованными энергетическими уровнями, обеспечивая поляризационные эффекты в виде связанных поляронов. Поляризация пространственным зарядом происходит при наличии свободных ионов в диэлектрическом материале. Из-за движения ионов отрицательные ионы накапливаются на границе раздела вблизи положительного электрода, а положительные ионы — вблизи отрицательного электрода. В переменном электрическом поле миграция положительных и отрицательных зарядов не успевает за быстрыми изменениями электрического поля промышленной частоты, поэтому эффекты пространственного заряда не возникают. Однако в постоянном электрическом поле распределение электрического поля происходит в соответствии с удельным сопротивлением, что приводит к образованию пространственных зарядов и влияет на распределение электрического поля. Изоляция из сшитого полиэтилена (XLPE) содержит большое количество локализованных состояний, что делает эффекты пространственного заряда особенно сильными.
Изоляция из сшитого полиэтилена (XLPE) химически сшита, образуя единую сшитую структуру. Как неполярный полимер, сам кабель можно сравнить с большим конденсатором. Когда передача постоянного тока прекращается, это эквивалентно зарядке конденсатора. Хотя сердечник проводника заземлен, эффективного разряда не происходит, в результате чего значительное количество энергии постоянного тока накапливается в кабеле в виде пространственных зарядов. В отличие от силовых кабелей переменного тока, где пространственные заряды рассеиваются за счет диэлектрических потерь, эти заряды накапливаются в дефектах кабеля.
Со временем, из-за частых перебоев в электроснабжении или колебаний силы тока, в кабелях с изоляцией из сшитого полиэтилена (XLPE) накапливается все больше пространственных зарядов, что ускоряет старение изоляционного слоя и сокращает срок службы кабеля.
Дата публикации: 10 марта 2025 г.