De spanningsverdeling in wisselstroomkabels is gelijkmatig en kabelisolatiematerialen richten zich op de diëlektrische constante, die niet door temperatuur wordt beïnvloed. De spanningsverdeling in gelijkstroomkabels daarentegen is het hoogst in de binnenste isolatielaag en wordt beïnvloed door de soortelijke weerstand van het isolatiemateriaal. Isolatiematerialen hebben een negatieve temperatuurcoëfficiënt, wat betekent dat de soortelijke weerstand afneemt naarmate de temperatuur stijgt.
Wanneer een kabel in gebruik is, zorgen de kernverliezen ervoor dat de temperatuur stijgt, wat leidt tot veranderingen in de soortelijke weerstand van het isolatiemateriaal. Dit zorgt er vervolgens voor dat de elektrische veldspanning in de isolatielaag varieert. Met andere woorden: bij dezelfde isolatiedikte neemt de doorslagspanning af naarmate de temperatuur stijgt. Bij gelijkstroomkabels in gedistribueerde elektriciteitscentrales is de veroudering van het isolatiemateriaal aanzienlijk sneller vanwege schommelingen in de omgevingstemperatuur in vergelijking met ondergrondse kabels, wat een kritisch punt is om te onthouden.
Tijdens de productie van kabelisolatielagen worden onvermijdelijk onzuiverheden geïntroduceerd. Deze onzuiverheden hebben een relatief lagere isolatieweerstand en zijn ongelijkmatig verdeeld over de radiale richting van de isolatielaag. Dit resulteert in een variërende volumeweerstand op verschillende locaties. Onder gelijkspanning zal het elektrische veld in de isolatielaag ook variëren, waardoor de gebieden met de laagste volumeweerstand sneller verouderen en potentiële faalpunten worden.
AC-kabels vertonen dit fenomeen niet. Simpel gezegd is de belasting op AC-kabelmaterialen gelijkmatig verdeeld, terwijl bij DC-kabels de isolatiespanning altijd geconcentreerd is op de zwakste punten. Daarom zouden de productieprocessen en -normen voor AC- en DC-kabels anders beheerd moeten worden.
Vernet polyethyleen (XLPE)Geïsoleerde kabels worden veel gebruikt in wisselstroomtoepassingen vanwege hun uitstekende diëlektrische en fysieke eigenschappen, evenals hun hoge prijs-kwaliteitverhouding. Wanneer ze echter als gelijkstroomkabels worden gebruikt, staan ze voor een aanzienlijke uitdaging met betrekking tot ruimtelading, wat met name van cruciaal belang is bij hoogspanningsgelijkstroomkabels. Wanneer polymeren worden gebruikt als isolatie voor gelijkstroomkabels, veroorzaken een groot aantal lokale valstrikken in de isolatielaag de accumulatie van ruimteladingen. De impact van ruimteladingen op isolatiematerialen komt voornamelijk tot uiting in twee aspecten: elektrische veldvervorming en niet-elektrische veldvervorming, die beide zeer schadelijk zijn voor het isolatiemateriaal.
Ruimtelading verwijst naar de overtollige lading voorbij elektrische neutraliteit binnen een structurele eenheid van een macroscopisch materiaal. In vaste stoffen zijn positieve of negatieve ruimteladingen gebonden aan lokale energieniveaus, wat polarisatie-effecten in de vorm van gebonden polaronen veroorzaakt. 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 hopen zich op aan het grensvlak nabij de negatieve elektrode. In een wisselstroomveld kan de migratie van positieve en negatieve ladingen de snelle veranderingen in het elektrische veld van de netfrequentie niet bijhouden, waardoor er geen ruimteladingseffecten optreden. In een gelijkstroomveld verdeelt het elektrische veld zich echter volgens de soortelijke weerstand, wat leidt tot de vorming van ruimteladingen en de verdeling van het elektrische veld beïnvloedt. XLPE-isolatie bevat een groot aantal lokale toestanden, waardoor ruimteladingseffecten bijzonder ernstig zijn.
XLPE-isolatie is chemisch vernet, waardoor een geïntegreerde vernetstructuur ontstaat. Als apolair polymeer kan de kabel zelf worden vergeleken met een grote condensator. Wanneer de gelijkstroomtransmissie 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.
Na verloop van tijd, door frequente stroomonderbrekingen of schommelingen in de stroomsterkte, wordt er steeds meer ruimtelading opgebouwd in XLPE-geïsoleerde kabels. Hierdoor veroudert de isolatielaag sneller en neemt de levensduur van de kabel af.
Plaatsingstijd: 10-03-2025