Materiale- og isoleringsegenskaber ved DC-kabler: Muliggør effektiv og pålidelig energioverførsel

Teknologipresse

Materiale- og isoleringsegenskaber ved DC-kabler: Muliggør effektiv og pålidelig energioverførsel

Spændingsfordelingen i det elektriske felt i AC-kabler er ensartet, og fokus for kabelisoleringsmaterialer er på den dielektriske konstant, som ikke påvirkes af temperatur. I modsætning hertil er spændingsfordelingen i DC-kabler højest i det indre lag af isoleringen og påvirkes af isoleringsmaterialets resistivitet. Isoleringsmaterialer udviser en negativ temperaturkoefficient, hvilket betyder, at når temperaturen stiger, falder resistiviteten.

kabel

Når et kabel er i drift, forårsager tabene i kernen en stigning i temperaturen, hvilket fører til ændringer i isoleringsmaterialets modstand. Dette forårsager igen, at den elektriske feltspænding i isoleringslaget varierer. Med andre ord, for den samme tykkelse af isoleringen falder gennemslagsspændingen, når temperaturen stiger. For DC-hovedkabler i distribuerede kraftværker er isoleringsmaterialets ældningshastighed betydeligt hurtigere på grund af udsving i omgivelsestemperaturen sammenlignet med nedgravede kabler, hvilket er et kritisk punkt at bemærke.

Under produktionen af ​​kabelisoleringslag introduceres der uundgåeligt urenheder. Disse urenheder har en relativt lavere isolationsmodstand og er ujævnt fordelt langs isoleringslagets radiale retning. Dette resulterer i varierende volumenmodstand på forskellige steder. Under jævnspænding vil det elektriske felt i isoleringslaget også variere, hvilket får områder med den laveste volumenmodstand til at ældes hurtigere og blive potentielle fejlpunkter.

AC-kabler udviser ikke dette fænomen. Kort sagt er belastningen på AC-kabelmaterialer jævnt fordelt, mens isolationsbelastningen i DC-kabler altid er koncentreret på de svageste punkter. Derfor bør fremstillingsprocesserne og standarderne for AC- og DC-kabler håndteres forskelligt.

Tværbundet polyethylen (XLPE)Isolerede kabler anvendes i vid udstrækning i AC-applikationer på grund af deres fremragende dielektriske og fysiske egenskaber, samt deres høje omkostnings-ydelsesforhold. Når de anvendes som DC-kabler, står de dog over for en betydelig udfordring relateret til rumladning, hvilket er særligt kritisk i højspændings-DC-kabler. Når polymerer anvendes som DC-kabelisolering, forårsager et stort antal lokaliserede fælder i isoleringslaget akkumulering af rumladninger. Rumladningers indvirkning på isoleringsmaterialer afspejles hovedsageligt i to aspekter: elektrisk feltforvrængning og ikke-elektriske feltforvrængning, som begge er meget skadelige for isoleringsmaterialet.

Rumladning refererer til den overskydende ladning ud over elektrisk neutralitet inden for en strukturel enhed af et makroskopisk materiale. I faste stoffer er positive eller negative rumladninger bundet til lokaliserede energiniveauer, hvilket giver polarisationseffekter i form af bundne polaroner. Rumladningspolarisering forekommer, når frie ioner er til stede i et dielektrisk materiale. På grund af ionbevægelse akkumuleres negative ioner ved grænsefladen nær den positive elektrode, og positive ioner akkumuleres ved grænsefladen nær den negative elektrode. I et elektrisk vekselstrømsfelt kan migrationen af ​​positive og negative ladninger ikke følge med de hurtige ændringer i effektfrekvensens elektriske felt, så rumladningseffekter forekommer ikke. I et elektrisk jævnstrømsfelt fordeler det elektriske felt sig imidlertid i henhold til resistiviteten, hvilket fører til dannelsen af ​​rumladninger og påvirker den elektriske feltfordeling. XLPE-isolering indeholder et stort antal lokaliserede tilstande, hvilket gør rumladningseffekter særligt alvorlige.

kabel

XLPE-isolering er kemisk tværbundet og danner en integreret tværbundet struktur. Som en ikke-polær polymer kan selve kablet sammenlignes med en stor kondensator. Når DC-transmissionen stopper, svarer det til at oplade en kondensator. Selvom lederens kerne er jordet, forekommer der ikke effektiv afladning, hvilket efterlader en betydelig mængde DC-energi lagret i kablet som rumladninger. I modsætning til vekselstrømskabler, hvor rumladninger spredes gennem dielektriske tab, akkumuleres disse ladninger ved defekter i kablet.

Over tid, med hyppige strømafbrydelser eller udsving i strømstyrken, akkumulerer XLPE-isolerede kabler flere og flere rumladninger, hvilket fremskynder ældningen af ​​isoleringslaget og reducerer kablets levetid.


Opslagstidspunkt: 10. marts 2025