דרישות בידוד לכבלים DC ובעיות עם PP

נכון לעכשיו, הנפוץחומר בידודעבור כבלי DC הוא פוליאתילן. עם זאת, חוקרים מחפשים ללא הרף חומרי בידוד פוטנציאליים נוספים, כגון פוליפרופילן (PP). אף על פי כן, השימוש ב-PP כחומר בידוד כבלים מציג מספר בעיות.

 

1. תכונות מכניות

כדי לעמוד בדרישות הבסיסיות להובלה, התקנה ותפעול של כבלי DC, חומר הבידוד חייב להיות בעל חוזק מכני מסוים, כולל גמישות טובה, התארכות בשבירה ועמידות בפני פגיעות בטמפרטורה נמוכה. עם זאת, PP, כבלימר גבישי ביותר, מפגין קשיחות בטווח טמפרטורות העבודה שלו. בנוסף, הוא מפגין שבירות ורגישות לסדיקה בסביבות בטמפרטורה נמוכה, ואינו עומד בתנאים אלה. לכן, המחקר חייב להתמקד בהקשחה ושינוי של PP כדי לטפל בבעיות אלה.

 

2. עמידות להזדקנות

במהלך שימוש ארוך טווח, בידוד כבלי DC מתיישן בהדרגה עקב ההשפעות המשולבות של עוצמת שדה חשמלי גבוהה ומחזורי חום. הזדקנות זו מובילה לירידה בתכונות המכניות והבידודיות, כמו גם לירידה בחוזק הקריסה, מה שמשפיע בסופו של דבר על האמינות ואורך החיים של הכבל. הזדקנות בידוד כבלים כוללת היבטים מכניים, חשמליים, תרמיים וכימיים, כאשר הזדקנות חשמלית ותרמית הן המדאיגה ביותר. למרות שהוספת נוגדי חמצון יכולה לשפר במידה מסוימת את עמידות PP בפני הזדקנות חמצונית תרמית, תאימות לקויה בין נוגדי חמצון ל-PP, נדידה וזיהומים שלהם כתוספים משפיעים על ביצועי הבידוד של PP. לכן, הסתמכות אך ורק על נוגדי חמצון לשיפור עמידות ההזדקנות של PP אינה יכולה לעמוד בדרישות אורך החיים והאמינות של בידוד כבלי DC, מה שמצריך מחקר נוסף על שינוי PP.

 

3. ביצועי בידוד

טעינת שטח, כאחד הגורמים המשפיעים על איכות ותוחלת החיים שלכבלי DC במתח גבוה, משפיע באופן משמעותי על פיזור השדה החשמלי המקומי, על החוזק הדיאלקטרי ועל הזדקנות חומרי הבידוד. חומרי בידוד לכבלים DC צריכים לדכא את הצטברות מטען החלל, להפחית את הזרקת מטעני החלל בעלי קוטביות זהה, ולעכב את יצירת מטעני החלל בעלי קוטביות שונה כדי למנוע עיוות שדה חשמלי בתוך הבידוד והממשקים, ובכך להבטיח חוזק קריסה ואורך חיים בלתי מושפעים של הכבל.

כאשר כבלי DC נשארים בשדה חשמלי חד קוטבי למשך זמן ממושך, האלקטרונים, היונים ויוניזציית הטומאה הנוצרים בחומר האלקטרודה בתוך הבידוד הופכים למטענים חלליים. מטענים אלה נודדים במהירות ומצטברים לחבילות מטען, המכונה הצטברות מטען חלל. לכן, בעת שימוש ב-PP בכבלי DC, יש צורך בשינויים כדי לדכא יצירת והצטברות מטען.

 

4. מוליכות תרמית

עקב מוליכות תרמית ירודה, החום הנוצר במהלך פעולתם של כבלי DC מבוססי PP אינו יכול להתפזר במהירות, וכתוצאה מכך נוצרים הבדלי טמפרטורה בין הצדדים הפנימיים והחיצוניים של שכבת הבידוד, ויוצרים שדה טמפרטורה לא אחיד. המוליכות החשמלית של חומרים פולימריים עולה עם עליית הטמפרטורות. לכן, הצד החיצוני של שכבת הבידוד עם המוליכות הנמוכה יותר הופך נוטה להצטברות מטען, מה שמוביל לעוצמת השדה החשמלי מופחתת. יתר על כן, גרדיאנטים בטמפרטורה גורמים להזרקה ונדידה של מספר רב של מטענים חלליים, מה שמעוות עוד יותר את השדה החשמלי. ככל שמפלט הטמפרטורה גדול יותר, כך מתרחשת יותר הצטברות מטען חללי, מה שמגביר את עיוות השדה החשמלי. כפי שצוין קודם לכן, טמפרטורה גבוהה, הצטברות מטען חללי ועיוות שדה חשמלי משפיעים על הפעולה הרגילה ועל חיי השירות של כבלי DC. לפיכך, שיפור המוליכות התרמית של PP נחוץ כדי להבטיח פעולה בטוחה וחיי שירות ממושכים של כבלי DC.