Rozložení napětí v elektrickém poli ve střídavých kabelech je rovnoměrné a izolační materiály kabelů se zaměřují na dielektrickou konstantu, která není ovlivněna teplotou. Naproti tomu rozložení napětí ve stejnosměrných kabelech je nejvyšší ve vnitřní vrstvě izolace a je ovlivněno rezistivitou izolačního materiálu. Izolační materiály vykazují záporný teplotní koeficient, což znamená, že s rostoucí teplotou rezistivita klesá.
Když je kabel v provozu, ztráty v jádře způsobují zvýšení teploty, což vede ke změnám v měrném odporu izolačního materiálu. To následně způsobuje změny elektrického pole v izolační vrstvě. Jinými slovy, při stejné tloušťce izolace se průrazné napětí s rostoucí teplotou snižuje. U stejnosměrných dálkových vedení v distribuovaných elektrárnách je rychlost stárnutí izolačního materiálu v důsledku kolísání okolní teploty výrazně rychlejší ve srovnání s kabely uloženými v zemi, což je kritický bod, který je třeba zmínit.
Během výroby izolačních vrstev kabelů se nevyhnutelně zavádějí nečistoty. Tyto nečistoty mají relativně nižší izolační odpor a jsou nerovnoměrně rozloženy podél radiálního směru izolační vrstvy. To má za následek rozdílný objemový odpor na různých místech. Pod vlivem stejnosměrného napětí se mění i elektrické pole uvnitř izolační vrstvy, což způsobuje rychlejší stárnutí oblastí s nejnižším objemovým odporem a stávají se potenciálními body selhání.
U kabelů pro střídavý proud se tento jev nevyskytuje. Jednoduše řečeno, namáhání materiálů kabelů pro střídavý proud je rovnoměrně rozloženo, zatímco u kabelů pro stejnosměrný proud je izolační namáhání vždy soustředěno v nejslabších místech. Proto by měly být výrobní procesy a normy pro kabely pro střídavý a stejnosměrný proud řízeny odlišně.
Zesítěný polyethylen (XLPE)Izolované kabely se široce používají v aplikacích střídavého proudu díky svým vynikajícím dielektrickým a fyzikálním vlastnostem a také vysokému poměru ceny a výkonu. Pokud se však používají jako kabely stejnosměrného proudu, čelí značné výzvě související s prostorovým nábojem, který je obzvláště kritický u kabelů stejnosměrného proudu vysokého napětí. Pokud se jako izolace kabelů stejnosměrného proudu používají polymery, velké množství lokalizovaných pastí v izolační vrstvě způsobuje akumulaci prostorových nábojů. Vliv prostorových nábojů na izolační materiály se projevuje hlavně ve dvou aspektech: zkreslení elektrického pole a zkreslení neelektrického pole, které jsou pro izolační materiál velmi škodlivé.
Prostorový náboj označuje nadbytečný náboj za hranicí elektrické neutrality v rámci strukturní jednotky makroskopického materiálu. V pevných látkách jsou kladné nebo záporné prostorové náboje vázány na lokalizované energetické hladiny, což vyvolává polarizační efekty ve formě vázaných polaronů. K polarizaci prostorového náboje dochází, když jsou v dielektrickém materiálu přítomny volné ionty. V důsledku pohybu iontů se záporné ionty hromadí na rozhraní poblíž kladné elektrody a kladné ionty se hromadí na rozhraní poblíž záporné elektrody. Ve střídavém elektrickém poli nemůže migrace kladných a záporných nábojů držet krok s rychlými změnami elektrického pole o síťové frekvenci, takže k efektům prostorového náboje nedochází. Ve stejnosměrném elektrickém poli se však elektrické pole rozkládá podle odporu, což vede k tvorbě prostorových nábojů a ovlivňuje rozložení elektrického pole. Izolace z XLPE obsahuje velké množství lokalizovaných stavů, což činí efekty prostorového náboje obzvláště závažné.
Izolace z XLPE je chemicky zesítěná a tvoří integrovanou zesítěnou strukturu. Jako nepolární polymer lze samotný kabel přirovnat k velkému kondenzátoru. Když se přenos stejnosměrného proudu zastaví, je to ekvivalentní nabití kondenzátoru. Přestože je jádro vodiče uzemněno, k efektivnímu vybití nedochází, takže v kabelu je uloženo značné množství stejnosměrné energie jako prostorové náboje. Na rozdíl od kabelů střídavého proudu, kde se prostorové náboje rozptýlí dielektrickými ztrátami, se tyto náboje hromadí v místech defektů v kabelu.
V průběhu času, s častými výpadky proudu nebo kolísáním síly proudu, se v kabelech s izolací z XLPE hromadí stále více prostorových nábojů, což urychluje stárnutí izolační vrstvy a zkracuje životnost kabelu.
Čas zveřejnění: 10. března 2025