يتسم توزيع إجهاد المجال الكهربائي في كابلات التيار المتردد بالتجانس، وينصب تركيز مواد عزل الكابلات على ثابت العزل الكهربائي، الذي لا يتأثر بدرجة الحرارة. على النقيض من ذلك، يكون توزيع الإجهاد في كابلات التيار المستمر أعلى ما يمكن عند الطبقة الداخلية للعزل، ويتأثر بمقاومية مادة العزل. تتميز مواد العزل بمعامل درجة حرارة سالب، أي أنه مع ارتفاع درجة الحرارة، تنخفض مقاومتها.
عند تشغيل الكابل، تتسبب خسائر القلب في ارتفاع درجة الحرارة، مما يؤدي إلى تغيرات في مقاومة مادة العزل. وهذا بدوره يُسبب تغير إجهاد المجال الكهربائي داخل طبقة العزل. بمعنى آخر، بالنسبة لنفس سُمك العزل، ينخفض جهد الانهيار مع ارتفاع درجة الحرارة. بالنسبة لخطوط التيار المستمر الرئيسية في محطات الطاقة الموزعة، يكون معدل شيخوخة مادة العزل أسرع بكثير بسبب تقلبات درجة الحرارة المحيطة مقارنةً بالكابلات المدفونة، وهي نقطة بالغة الأهمية يجب مراعاتها.
أثناء إنتاج طبقات عزل الكابلات، تدخل الشوائب حتمًا. تتميز هذه الشوائب بمقاومة عزل منخفضة نسبيًا، وتتوزع بشكل غير متساوٍ على طول الاتجاه الشعاعي لطبقة العزل. يؤدي هذا إلى اختلاف المقاومة الحجمية في مواقع مختلفة. عند استخدام جهد التيار المستمر، يتغير المجال الكهربائي داخل طبقة العزل أيضًا، مما يؤدي إلى شيخوخة المناطق ذات المقاومة الحجمية الأقل بشكل أسرع وتصبح نقاط ضعف محتملة.
لا تُظهر كابلات التيار المتردد هذه الظاهرة. ببساطة، يتوزع الضغط على مواد كابلات التيار المتردد بالتساوي، بينما في كابلات التيار المستمر، يتركز ضغط العزل دائمًا عند أضعف النقاط. لذلك، ينبغي إدارة عمليات ومعايير تصنيع 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، بالإضافة إلى ارتفاع نسبة التكلفة إلى الأداء. ومع ذلك، عند استخدامها ككابلات تيار مستمر، تواجه هذه الكابلات تحديًا كبيرًا يتعلق بالشحنة الفراغية، وهو أمر بالغ الأهمية بشكل خاص في كابلات التيار المستمر عالية الجهد. عند استخدام البوليمرات كعازل لكابلات التيار المستمر، يتسبب عدد كبير من المصائد الموضعية داخل طبقة العزل في تراكم الشحنات الفراغية. ينعكس تأثير الشحنات الفراغية على مواد العزل بشكل رئيسي في جانبين: تشويه المجال الكهربائي وتأثيرات تشويه المجال غير الكهربائي، وكلاهما ضار للغاية بمادة العزل.
تشير الشحنة الفراغية إلى الشحنة الزائدة التي تتجاوز الحياد الكهربائي داخل الوحدة الهيكلية للمادة العيانية. في المواد الصلبة، ترتبط الشحنات الفراغية الموجبة أو السالبة بمستويات طاقة موضعية، مما يوفر تأثيرات استقطاب على شكل بولارونات مقيدة. يحدث استقطاب الشحنة الفراغية عندما توجد أيونات حرة في مادة عازلة. بسبب حركة الأيونات، تتراكم الأيونات السالبة عند الواجهة بالقرب من القطب الموجب، وتتراكم الأيونات الموجبة عند الواجهة بالقرب من القطب السالب. في المجال الكهربائي المتردد، لا يمكن لهجرة الشحنات الموجبة والسالبة مواكبة التغيرات السريعة في المجال الكهربائي لتردد الطاقة، لذلك لا تحدث تأثيرات الشحنة الفراغية. ومع ذلك، في المجال الكهربائي المستمر، يتوزع المجال الكهربائي وفقًا للمقاومة، مما يؤدي إلى تكوين شحنات فراغية ويؤثر على توزيع المجال الكهربائي. يحتوي عزل XLPE على عدد كبير من الحالات الموضعية، مما يجعل تأثيرات الشحنة الفراغية شديدة بشكل خاص.
عزل XLPE متشابك كيميائيًا، مشكلًا بنية متشابكة متكاملة. وباعتباره بوليمرًا غير قطبي، يُمكن تشبيه الكابل نفسه بمكثف كبير. عند توقف نقل التيار المستمر، يُعادل ذلك شحن مكثف. على الرغم من تأريض قلب الموصل، لا يحدث تفريغ فعال، مما يُخلف كمية كبيرة من طاقة التيار المستمر مخزنة في الكابل على شكل شحنات فراغية. على عكس كابلات التيار المتردد، حيث تتبدد الشحنات الفراغية من خلال فقدان العازل، تتراكم هذه الشحنات عند عيوب الكابل.
بمرور الوقت، ومع انقطاع التيار الكهربائي المتكرر أو التقلبات في قوة التيار، تتراكم شحنات المساحة بشكل متزايد في كابلات XLPE المعزولة، مما يؤدي إلى تسريع شيخوخة طبقة العزل وتقليل عمر خدمة الكابل.
وقت النشر: ١٠ مارس ٢٠٢٥