De elektrische veldspanning in wisselstroomkabels is uniform verdeeld en de focus van kabelisolatiematerialen ligt op de diëlektrische constante, die niet door de temperatuur wordt beïnvloed. In tegenstelling hiermee is de spanningsverdeling in gelijkstroomkabels het hoogst in de binnenste isolatielaag en wordt deze beïnvloed door de soortelijke weerstand van het isolatiemateriaal. Isolatiematerialen vertonen een negatieve temperatuurcoëfficiënt, wat betekent dat de soortelijke weerstand afneemt naarmate de temperatuur stijgt.
Tijdens bedrijf van een kabel zorgen de kernverliezen ervoor dat de temperatuur stijgt, wat leidt tot veranderingen in de soortelijke weerstand van het isolatiemateriaal. Dit veroorzaakt op zijn beurt variaties in de elektrische veldsterkte binnen de isolatielaag. Met andere woorden, bij dezelfde isolatiedikte neemt de doorslagspanning af naarmate de temperatuur stijgt. Bij gelijkstroomhoofdlijnen in decentrale energiecentrales is de veroudering van het isolatiemateriaal aanzienlijk sneller als gevolg van schommelingen in de omgevingstemperatuur dan bij ondergrondse kabels, een cruciaal punt om te onthouden.
Tijdens de productie van kabelisolatielagen worden onvermijdelijk onzuiverheden geïntroduceerd. Deze onzuiverheden hebben een relatief lagere isolatieweerstand en zijn ongelijkmatig verdeeld in de radiale richting van de isolatielaag. Dit resulteert in een variërende volumeweerstand op verschillende plaatsen. Onder gelijkspanning varieert ook het elektrische veld binnen de isolatielaag, waardoor de gebieden met de laagste volumeweerstand sneller verouderen en potentiële storingspunten worden.
Wisselstroomkabels vertonen dit fenomeen niet. Simpel gezegd is de spanning op het materiaal van wisselstroomkabels gelijkmatig verdeeld, terwijl bij gelijkstroomkabels de isolatiespanning altijd geconcentreerd is op de zwakste punten. Daarom moeten de productieprocessen en normen voor wisselstroom- en gelijkstroomkabels verschillend worden beheerd.
Gekruisd polyethyleen (XLPE)Geïsoleerde kabels worden veel gebruikt in wisselstroomtoepassingen vanwege hun uitstekende diëlektrische en fysische eigenschappen, evenals hun gunstige prijs-prestatieverhouding. Bij gebruik als gelijkstroomkabels (DC-kabels) stuiten ze echter op een aanzienlijke uitdaging met betrekking tot ruimtelading, wat met name kritisch is bij hoogspannings-DC-kabels. Wanneer polymeren worden gebruikt als isolatiemateriaal voor DC-kabels, veroorzaakt een groot aantal gelokaliseerde vallen in de isolatielaag de accumulatie van ruimteladingen. De impact van ruimteladingen op isolatiematerialen komt hoofdzakelijk tot uiting in twee aspecten: elektrische veldvervorming en niet-elektrische veldvervormingseffecten, die beide zeer schadelijk zijn voor het isolatiemateriaal.
Ruimtelading verwijst naar de overtollige lading boven de elektrische neutraliteit binnen een structurele eenheid van een macroscopisch materiaal. In vaste stoffen zijn positieve of negatieve ruimteladingen gebonden aan gelokaliseerde energieniveaus, wat polarisatie-effecten veroorzaakt in de vorm van gebonden polaronen. Ruimteladingspolarisatie treedt op wanneer vrije ionen aanwezig zijn in een diëlektrisch materiaal. Door ionenbeweging hopen negatieve ionen zich op aan het grensvlak nabij de positieve elektrode en positieve ionen aan het grensvlak nabij de negatieve elektrode. In een wisselstroomveld kan de migratie van positieve en negatieve ladingen de snelle veranderingen in het netfrequentie-elektrische veld niet bijhouden, waardoor ruimteladingseffecten niet optreden. In een gelijkstroomveld daarentegen verdeelt het elektrische veld zich op basis van de soortelijke weerstand, wat leidt tot de vorming van ruimteladingen en de elektrische veldverdeling beïnvloedt. XLPE-isolatie bevat een groot aantal gelokaliseerde toestanden, waardoor ruimteladingseffecten bijzonder sterk zijn.
XLPE-isolatie is chemisch verknoopt en vormt een geïntegreerde, verknoopte structuur. Omdat het een niet-polair polymeer is, kan de kabel zelf worden vergeleken met een grote condensator. Wanneer de gelijkstroomoverdracht stopt, is dit vergelijkbaar met het opladen van een condensator. Hoewel de geleiderkern geaard is, vindt er geen effectieve ontlading plaats, waardoor een aanzienlijke hoeveelheid gelijkstroomenergie in de kabel wordt opgeslagen als ruimteladingen. In tegenstelling tot wisselstroomkabels, waar ruimteladingen worden afgevoerd door diëlektrische verliezen, hopen deze ladingen zich op bij defecten in de kabel.
Door frequente stroomonderbrekingen of schommelingen in de stroomsterkte accumuleren XLPE-geïsoleerde kabels na verloop van tijd steeds meer ruimteladingen, waardoor de isolatielaag sneller veroudert en de levensduur van de kabel afneemt.
Geplaatst op: 10 maart 2025