Распределение напряжений электрического поля в кабелях переменного тока равномерно, и основное внимание в изоляционных материалах кабелей уделяется диэлектрической проницаемости, которая не зависит от температуры. В отличие от этого, распределение напряжений в кабелях постоянного тока наиболее велико во внутреннем слое изоляции и зависит от удельного сопротивления изоляционного материала. Изоляционные материалы имеют отрицательный температурный коэффициент, что означает, что с повышением температуры удельное сопротивление уменьшается.
При эксплуатации кабеля потери в сердечнике вызывают повышение температуры, что приводит к изменению удельного сопротивления изоляционного материала. Это, в свою очередь, приводит к изменению напряженности электрического поля в изоляционном слое. Другими словами, при одинаковой толщине изоляции пробивное напряжение уменьшается с ростом температуры. В магистральных линиях постоянного тока на распределительных электростанциях скорость старения изоляционного материала значительно выше из-за колебаний температуры окружающей среды по сравнению с подземными кабелями, что является важным моментом.
При производстве изоляционных слоёв кабеля неизбежно попадание примесей. Эти примеси имеют относительно низкое удельное сопротивление изоляции и неравномерно распределены по радиальному направлению изоляционного слоя. Это приводит к различному объёмному сопротивлению в разных местах. Под действием постоянного напряжения электрическое поле внутри изоляционного слоя также меняется, что приводит к более быстрому старению областей с наименьшим объёмным сопротивлением и превращению их в потенциальные точки отказа.
В кабелях переменного тока это явление отсутствует. Проще говоря, нагрузка на материалы кабелей переменного тока распределена равномерно, в то время как в кабелях постоянного тока напряжение изоляции всегда концентрируется в самых слабых местах. Поэтому 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 производительности. Однако при использовании в качестве кабелей постоянного тока они сталкиваются со значительной проблемой, связанной с пространственным зарядом, что особенно важно для высоковольтных кабелей постоянного тока. При использовании полимеров в качестве изоляции кабелей постоянного тока большое количество локализованных ловушек в слое изоляции приводит к накоплению пространственных зарядов. Влияние пространственных зарядов на изоляционные материалы проявляется в основном в двух аспектах: искажении электрического поля и искажении неэлектрического поля, оба из которых крайне пагубны для изоляционного материала.
Пространственный заряд относится к избыточному заряду сверх электронейтральности внутри структурной единицы макроскопического материала. В твердых телах положительные или отрицательные пространственные заряды связаны с локализованными энергетическими уровнями, обеспечивая эффекты поляризации в виде связанных поляронов. Поляризация пространственного заряда возникает, когда свободные ионы присутствуют в диэлектрическом материале. Из-за движения ионов отрицательные ионы накапливаются на границе раздела вблизи положительного электрода, а положительные ионы накапливаются на границе раздела вблизи отрицательного электрода. В переменном электрическом поле миграция положительных и отрицательных зарядов не может поспевать за быстрыми изменениями электрического поля промышленной частоты, поэтому эффекты пространственного заряда не возникают. Однако в постоянном электрическом поле электрическое поле распределяется в соответствии с удельным сопротивлением, что приводит к образованию пространственных зарядов и влияет на распределение электрического поля. Изоляция из сшитого полиэтилена содержит большое количество локализованных состояний, что делает эффекты пространственного заряда особенно сильными.
Изоляция из сшитого полиэтилена (XLPE) химически сшита, образуя целостную сшитую структуру. Будучи неполярным полимером, сам кабель можно сравнить с большим конденсатором. Прекращение передачи постоянного тока эквивалентно зарядке конденсатора. Несмотря на заземление токопроводящей жилы, эффективного разряда не происходит, и значительное количество энергии постоянного тока сохраняется в кабеле в виде пространственных зарядов. В отличие от силовых кабелей переменного тока, где пространственные заряды рассеиваются за счёт диэлектрических потерь, эти заряды накапливаются в дефектах кабеля.
Со временем, при частых перебоях электроснабжения или колебаниях силы тока, кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена накапливают все больше объемных зарядов, что ускоряет старение изоляционного слоя и сокращает срок службы кабеля.
Время публикации: 10 марта 2025 г.