Rozloženie napätia elektrického poľa v kábloch striedavého prúdu je rovnomerné a izolačné materiály káblov sa zameriavajú na dielektrickú konštantu, ktorá nie je ovplyvnená teplotou. Naproti tomu rozloženie napätia v kábloch jednosmerného prúdu je najvyššie vo vnútornej vrstve izolácie a je ovplyvnené odporom izolačného materiálu. Izolačné materiály vykazujú záporný teplotný koeficient, čo znamená, že so zvyšujúcou sa teplotou sa odpor znižuje.
Keď je kábel v prevádzke, straty v jadre spôsobujú zvýšenie teploty, čo vedie k zmenám v mernom odporu izolačného materiálu. To následne spôsobuje zmenu napätia elektrického poľa v izolačnej vrstve. Inými slovami, pri rovnakej hrúbke izolácie sa prierazné napätie so zvyšujúcou sa teplotou znižuje. Pri jednosmerných vedeniach v distribuovaných elektrárňach je rýchlosť starnutia izolačného materiálu v dôsledku kolísania teploty okolia výrazne rýchlejšia v porovnaní s káblami uloženými v zemi, čo je kritický bod, ktorý treba zohľadniť.
Počas výroby izolačných vrstiev káblov sa nevyhnutne zavádzajú nečistoty. Tieto nečistoty majú relatívne nižší izolačný odpor a sú nerovnomerne rozložené pozdĺž radiálneho smeru izolačnej vrstvy. To má za následok rôzny objemový odpor na rôznych miestach. Pri jednosmernom napätí sa mení aj elektrické pole v izolačnej vrstve, čo spôsobuje rýchlejšie starnutie oblastí s najnižším objemovým odporom a stávajú sa potenciálnymi bodmi poruchy.
Pri kábloch striedavého prúdu sa tento jav nevyskytuje. Zjednodušene povedané, namáhanie materiálov káblov striedavého prúdu je rovnomerne rozložené, zatiaľ čo pri kábloch jednosmerného prúdu je izolačné namáhanie vždy sústredené v najslabších miestach. Preto by sa mali výrobné procesy a normy pre káble striedavého a jednosmerného prúdu riadiť odlišne.
Zosieťovaný polyetylén (XLPE)Izolované káble sa široko používajú v aplikáciách striedavého prúdu vďaka svojim vynikajúcim dielektrickým a fyzikálnym vlastnostiam, ako aj vysokému pomeru ceny a výkonu. Pri použití ako jednosmerné káble však čelia značnej výzve súvisiacej s priestorovým nábojom, ktorý je obzvlášť kritický pri vysokonapäťových jednosmerných kábloch. Keď sa ako izolácia jednosmerných káblov používajú polyméry, veľké množstvo lokalizovaných pascí v izolačnej vrstve spôsobuje akumuláciu priestorových nábojov. Vplyv priestorových nábojov na izolačné materiály sa prejavuje najmä v dvoch aspektoch: skreslenie elektrického poľa a skreslenie neelektrického poľa, pričom oba sú pre izolačný materiál veľmi škodlivé.
Priestorový náboj sa vzťahuje na nadmerný náboj nad hranicou elektrickej neutrality v rámci štrukturálnej jednotky makroskopického materiálu. V pevných látkach sú kladné alebo záporné priestorové náboje viazané na lokalizované energetické hladiny, čo spôsobuje polarizačné efekty vo forme viazaných polarónov. K polarizácii priestorového náboja dochádza, keď sú v dielektrickom materiáli prítomné voľné ióny. V dôsledku pohybu iónov sa záporné ióny hromadia na rozhraní v blízkosti kladnej elektródy a kladné ióny sa hromadia na rozhraní v blízkosti zápornej elektródy. V striedavom elektrickom poli migrácia kladných a záporných nábojov nedokáže držať krok s rýchlymi zmenami elektrického poľa s frekvenciou napájania, takže k efektom priestorového náboja nedochádza. V jednosmernom elektrickom poli sa však elektrické pole rozdeľuje podľa odporu, čo vedie k tvorbe priestorových nábojov a ovplyvňuje rozloženie elektrického poľa. Izolácia z XLPE obsahuje veľký počet lokalizovaných stavov, vďaka čomu sú efekty priestorového náboja obzvlášť závažné.
Izolácia XLPE je chemicky zosieťovaná a vytvára integrovanú zosieťovanú štruktúru. Keďže ide o nepolárny polymér, samotný kábel možno prirovnať k veľkému kondenzátoru. Keď sa prenos jednosmerného prúdu zastaví, je to ekvivalentné nabitiu kondenzátora. Hoci je jadro vodiča uzemnené, k efektívnemu vybitiu nedochádza, takže v kábli zostáva značné množstvo jednosmernej energie uloženej ako priestorové náboje. Na rozdiel od káblov striedavého prúdu, kde sa priestorové náboje rozptyľujú dielektrickými stratami, tieto náboje sa hromadia na defektoch v kábli.
V priebehu času, pri častých prerušeniach napájania alebo kolísaní prúdu, sa v kábloch s izoláciou z XLPE hromadí stále viac priestorových nábojov, čo urýchľuje starnutie izolačnej vrstvy a skracuje životnosť kábla.
Čas uverejnenia: 10. marca 2025