خصائص المواد والعزل لكابلات التيار المستمر: تمكين نقل الطاقة بكفاءة وموثوقية

يكون توزيع الإجهاد الكهربائي في كابلات التيار المتردد منتظمًا، وينصبّ التركيز في مواد عزل الكابلات على ثابت العزل الكهربائي، الذي لا يتأثر بدرجة الحرارة. في المقابل، يكون توزيع الإجهاد في كابلات التيار المستمر أعلى ما يمكن في الطبقة الداخلية للعزل، ويتأثر بمقاومة مادة العزل. تتميز مواد العزل بمعامل حراري سالب، أي أن مقاومتها تنخفض مع ارتفاع درجة الحرارة.

عند تشغيل الكابل، تتسبب خسائر القلب في ارتفاع درجة الحرارة، مما يؤدي إلى تغيرات في مقاومة مادة العزل. وهذا بدوره يتسبب في تغير إجهاد المجال الكهربائي داخل طبقة العزل. بعبارة أخرى، بالنسبة لنفس سُمك العزل، ينخفض ​​جهد الانهيار مع ارتفاع درجة الحرارة. بالنسبة لخطوط نقل التيار المستمر الرئيسية في محطات الطاقة الموزعة، يكون معدل تقادم مادة العزل أسرع بكثير بسبب تقلبات درجة الحرارة المحيطة مقارنةً بالكابلات المدفونة، وهي نقطة بالغة الأهمية.

أثناء تصنيع طبقات عزل الكابلات، تدخل الشوائب حتمًا. تتميز هذه الشوائب بمقاومة عزل منخفضة نسبيًا، وتتوزع بشكل غير متجانس على طول الاتجاه القطري لطبقة العزل. ينتج عن ذلك تباين في المقاومة الحجمية في مواقع مختلفة. عند تطبيق جهد التيار المستمر، يتغير المجال الكهربائي داخل طبقة العزل، مما يؤدي إلى تسارع تلف المناطق ذات المقاومة الحجمية المنخفضة، لتصبح بذلك نقاط ضعف محتملة.

لا تُظهر كابلات التيار المتردد هذه الظاهرة. ببساطة، يتوزع الإجهاد على مواد كابلات التيار المتردد بشكل متساوٍ، بينما في كابلات التيار المستمر، يتركز إجهاد العزل دائمًا عند أضعف النقاط. لذلك، يجب إدارة عمليات التصنيع ومعايير كابلات التيار المتردد والتيار المستمر بشكل مختلف.

البولي إيثيلين المتشابك (XLPE)تُستخدم الكابلات المعزولة على نطاق واسع في تطبيقات التيار المتردد نظرًا لخصائصها العازلة والفيزيائية الممتازة، فضلًا عن كفاءتها العالية من حيث التكلفة. مع ذلك، عند استخدامها ككابلات تيار مستمر، فإنها تواجه تحديًا كبيرًا يتعلق بالشحنات الفضائية، وهو أمر بالغ الأهمية في كابلات التيار المستمر عالية الجهد. عند استخدام البوليمرات كعازل لكابلات التيار المستمر، يتسبب العدد الكبير من المصائد الموضعية داخل طبقة العزل في تراكم الشحنات الفضائية. وينعكس تأثير الشحنات الفضائية على مواد العزل بشكل رئيسي في جانبين: تشوه المجال الكهربائي وتأثيرات التشوه غير الكهربائي، وكلاهما ضار جدًا بمادة العزل.

تشير الشحنة الفضائية إلى الشحنة الزائدة عن مستوى التعادل الكهربائي داخل وحدة هيكلية لمادة ماكروسكوبية. في المواد الصلبة، ترتبط الشحنات الفضائية الموجبة أو السالبة بمستويات طاقة موضعية، مما يُحدث تأثيرات استقطابية على شكل بولارونات مقيدة. يحدث استقطاب الشحنة الفضائية عند وجود أيونات حرة في مادة عازلة. نتيجة لحركة الأيونات، تتراكم الأيونات السالبة عند السطح البيني بالقرب من القطب الموجب، وتتراكم الأيونات الموجبة عند السطح البيني بالقرب من القطب السالب. في مجال كهربائي متناوب، لا تستطيع هجرة الشحنات الموجبة والسالبة مواكبة التغيرات السريعة في تردد المجال الكهربائي، لذا لا تحدث تأثيرات الشحنة الفضائية. أما في مجال كهربائي مستمر، فيتوزع المجال الكهربائي وفقًا للمقاومة، مما يؤدي إلى تكوين شحنات فضائية ويؤثر على توزيع المجال الكهربائي. يحتوي عازل البولي إيثيلين المتشابك (XLPE) على عدد كبير من الحالات الموضعية، مما يجعل تأثيرات الشحنة الفضائية شديدة بشكل خاص.

عزل XLPE عبارة عن روابط كيميائية متقاطعة، تُشكّل بنية مترابطة متكاملة. وباعتباره بوليمرًا غير قطبي، يُمكن تشبيه الكابل نفسه بمكثف كبير. عند توقف نقل التيار المستمر، يكون ذلك مُكافئًا لشحن مكثف. على الرغم من أن قلب الموصل مُؤرض، إلا أنه لا يحدث تفريغ فعال، مما يُبقي كمية كبيرة من طاقة التيار المستمر مُخزنة في الكابل على شكل شحنات فضائية. على عكس كابلات الطاقة المترددة، حيث تُبدد الشحنات الفضائية من خلال الفقد العازل، تتراكم هذه الشحنات عند عيوب الكابل.

بمرور الوقت، ومع انقطاعات التيار الكهربائي المتكررة أو التقلبات في قوة التيار، تتراكم الشحنات الفضائية في الكابلات المعزولة بمادة XLPE بشكل متزايد، مما يؤدي إلى تسريع شيخوخة طبقة العزل وتقليل عمر خدمة الكابل.