תכונות החומר והבידוד של כבלי DC: מאפשרים העברת אנרגיה יעילה ואמינה

פיזור מאמצי השדה החשמלי בכבלי AC הוא אחיד, והמוקד של חומרי בידוד כבלים הוא על הקבוע הדיאלקטרי, שאינו מושפע מטמפרטורה. לעומת זאת, פיזור המאמצים בכבלי DC הוא הגבוה ביותר בשכבה הפנימית של הבידוד ומושפע מההתנגדות של חומר הבידוד. חומרי בידוד מציגים מקדם טמפרטורה שלילי, כלומר ככל שהטמפרטורה עולה, ההתנגדות יורדת.

כאשר כבל פועל, הפסדי הליבה גורמים לעלייה בטמפרטורה, מה שמוביל לשינויים בהתנגדות של חומר הבידוד. דבר זה, בתורו, גורם לשינויים במאמץ השדה החשמלי בתוך שכבת הבידוד. במילים אחרות, עבור אותו עובי בידוד, מתח הפריצה יורד ככל שהטמפרטורה עולה. עבור קווי DC בתחנות כוח מבוזרות, קצב ההזדקנות של חומר הבידוד מהיר משמעותית עקב תנודות בטמפרטורת הסביבה בהשוואה לכבלים קבורים, וזו נקודה קריטית שיש לציין.

במהלך ייצור שכבות בידוד הכבלים, מוכנסים באופן בלתי נמנע זיהומים. לזיהומים אלה התנגדות בידוד נמוכה יחסית והם מפוזרים באופן לא אחיד לאורך הכיוון הרדיאלי של שכבת הבידוד. כתוצאה מכך, התנגדות נפחית משתנה במקומות שונים. תחת מתח DC, השדה החשמלי בתוך שכבת הבידוד ישתנה גם הוא, מה שיגרום לאזורים עם התנגדות הנפחית הנמוכה ביותר להזדקן מהר יותר ולהפוך לנקודות כשל פוטנציאליות.

כבלי AC אינם מפגינים תופעה זו. במילים פשוטות, המאמץ על חומרי כבל AC מפוזר באופן אחיד, בעוד שבכבלי DC, מאמץ הבידוד תמיד מרוכז בנקודות החלשות ביותר. לכן, יש לנהל את תהליכי הייצור והתקנים עבור כבלי AC ו-DC בצורה שונה.

פוליאתילן צולב (XLPE)כבלים מבודדים נמצאים בשימוש נרחב ביישומי AC בשל תכונותיהם הדיאלקטריות והפיזיקליות המצוינות, כמו גם יחס עלות-ביצועים הגבוה שלהם. עם זאת, כאשר משתמשים בהם ככבלי DC, הם מתמודדים עם אתגר משמעותי הקשור למטען שטח, שהוא קריטי במיוחד בכבלי DC במתח גבוה. כאשר משתמשים בפולימרים כבידוד כבלי DC, מספר רב של מלכודות מקומיות בתוך שכבת הבידוד גורמים להצטברות של מטעני שטח. ההשפעה של מטעני שטח על חומרי בידוד באה לידי ביטוי בעיקר בשני היבטים: עיוות שדה חשמלי ואפקטים של עיוות שדה לא חשמלי, שניהם מזיקים מאוד לחומר הבידוד.

מטען חלל מתייחס לעודף המטען מעבר לנייטרליות חשמלית בתוך יחידה מבנית של חומר מקרוסקופי. במוצקים, מטענים חיוביים או שליליים של חלל קשורים לרמות אנרגיה מקומיות, ויוצרים אפקטים של קיטוב בצורה של פולרונים קשורים. קיטוב מטען חלל מתרחש כאשר יונים חופשיים נמצאים בחומר דיאלקטרי. עקב תנועת יונים, יונים שליליים מצטברים בממשק ליד האלקטרודה החיובית, ויונים חיוביים מצטברים בממשק ליד האלקטרודה השלילית. בשדה חשמלי AC, נדידת מטענים חיוביים ושליליים אינה יכולה לעמוד בקצב השינויים המהירים בשדה החשמלי בתדר ההספק, כך שאפקטים של מטען חלל אינם מתרחשים. בשדה חשמלי DC, לעומת זאת, השדה החשמלי מתפזר בהתאם להתנגדות, מה שמוביל להיווצרות מטעני חלל ומשפיע על התפלגות השדה החשמלי. בידוד XLPE מכיל מספר רב של מצבים מקומיים, מה שהופך את השפעות מטען החלל לחמורות במיוחד.

בידוד XLPE מקושר כימית, ויוצר מבנה מקושר צולב משולב. כבלימר לא קוטבי, ניתן לדמות את הכבל עצמו לקבל גדול. כאשר שידור זרם ישר (DC) נעצר, הדבר שקול לטעינת קבל. למרות שליבת המוליך מוארקת, פריקה יעילה אינה מתרחשת, ומשאירה כמות משמעותית של אנרגיית זרם ישר המאוחסנת בכבל כמטעני חלל. בניגוד לכבלי חשמל AC, שבהם מטעני חלל מתפזרים באמצעות הפסדים דיאלקטריים, מטענים אלה מצטברים בפגמים בכבל.

עם הזמן, עם הפסקות חשמל תכופות או תנודות בעוצמת הזרם, כבלים מבודדים XLPE צוברים יותר ויותר מטעני חלל, מה שמאיץ את הזדקנות שכבת הבידוד ומפחית את חיי השירות של הכבל.