Vaihtovirtakaapeleiden sähkökentän jännitysjakauma on tasainen, ja kaapelien eristysmateriaalien painopiste on dielektrisessä vakiossa, johon lämpötila ei vaikuta. Sitä vastoin tasavirtakaapeleiden jännitysjakauma on suurin eristeen sisäkerroksessa ja siihen vaikuttaa eristysmateriaalin resistiivisyys. Eristemateriaaleilla on negatiivinen lämpötilakerroin, mikä tarkoittaa, että lämpötilan noustessa resistiivisyys pienenee.
Kun kaapeli on käytössä, ydinhäviöt aiheuttavat lämpötilan nousun, mikä johtaa eristemateriaalin resistiivisyyden muutoksiin. Tämä puolestaan aiheuttaa sähkökentän jännityksen vaihtelua eristekerroksen sisällä. Toisin sanoen samalla eristeen paksuudella läpilyöntijännite pienenee lämpötilan noustessa. Hajautettujen voimalaitosten tasavirtarunkolinjoissa eristemateriaalin vanhenemisnopeus on huomattavasti nopeampi ympäristön lämpötilan vaihteluiden vuoksi verrattuna maahan kaivettuihin kaapeleihin, mikä on huomioitava kriittinen seikka.
Kaapelien eristyskerrosten valmistuksen aikana epäpuhtauksia joutuu väistämättä mukaan. Näillä epäpuhtauksilla on suhteellisen alhainen eristysresistiivisyys, ja ne jakautuvat epätasaisesti eristyskerroksen säteittäissuunnassa. Tämä johtaa vaihtelevaan tilavuusresistiivisyyteen eri kohdissa. Tasajännitteen vaikutuksesta eristyskerroksen sisällä oleva sähkökenttä vaihtelee myös, minkä seurauksena pienimmän tilavuusresistiivisyyden omaavat alueet vanhenevat nopeammin ja niistä tulee mahdollisia vikaantumiskohtia.
Vaihtovirtakaapeleissa tätä ilmiötä ei esiinny. Yksinkertaisesti sanottuna vaihtovirtakaapelimateriaaleihin kohdistuva rasitus jakautuu tasaisesti, kun taas tasavirtakaapeleissa eristysjännitys keskittyy aina heikoimpiin kohtiin. Siksi vaihtovirta- ja tasavirtakaapeleiden valmistusprosesseja ja standardeja tulisi hallita eri tavalla.
Ristisilloitettu polyeteeni (XLPE)Eristettyjä kaapeleita käytetään laajalti vaihtovirtasovelluksissa niiden erinomaisten dielektristen ja fysikaalisten ominaisuuksien sekä korkean hinta-laatusuhteen ansiosta. Tasavirtakaapeleina niitä kuitenkin haittaa avaruusvaraus, joka on erityisen kriittinen korkeajännitteisissä tasavirtakaapeleissa. Kun polymeerejä käytetään tasavirtakaapelien eristeenä, eristekerroksen sisällä oleva suuri määrä paikallisia loukkuja aiheuttaa avaruusvarausten kertymistä. Avaruusvarausten vaikutus eristemateriaaleihin näkyy pääasiassa kahdessa näkökulmassa: sähkökentän vääristymässä ja ei-sähkökentän vääristymässä, jotka molemmat ovat erittäin haitallisia eristemateriaalille.
Avaruusvarauksella tarkoitetaan makroskooppisen materiaalin rakenneyksikön sisällä olevaa ylimääräistä varausta sähköisen neutraaliuden ulkopuolella. Kiinteissä aineissa positiiviset tai negatiiviset avaruusvaraukset ovat sitoutuneet paikallisiin energiatasoihin, mikä aiheuttaa polarisaatiovaikutuksia sitoutuneiden polaronien muodossa. Avaruusvarauspolarisaatio tapahtuu, kun dielektrisessä materiaalissa on vapaita ioneja. Ionien liikkumisen vuoksi negatiiviset ionit kerääntyvät positiivisen elektrodin lähellä olevalle rajapinnalle ja positiiviset ionit negatiivisen elektrodin lähellä olevalle rajapinnalle. Vaihtovirtasähkökentässä positiivisten ja negatiivisten varausten siirtyminen ei pysy taajuuden sähkökentän nopeiden muutosten mukana, joten avaruusvarausvaikutuksia ei esiinny. Tasavirtasähkökentässä sähkökenttä kuitenkin jakautuu resistiivisyyden mukaan, mikä johtaa avaruusvarausten muodostumiseen ja vaikuttaa sähkökentän jakautumiseen. XLPE-eriste sisältää suuren määrän paikallisia tiloja, mikä tekee avaruusvarausvaikutuksista erityisen vakavia.
XLPE-eriste on kemiallisesti ristisilloitettu muodostaen integroidun ristisilloitetun rakenteen. Poolittomana polymeerinä kaapelia itseään voidaan verrata suureen kondensaattoriin. Kun tasavirran siirto pysähtyy, se vastaa kondensaattorin lataamista. Vaikka johtimen ydin on maadoitettu, tehokasta purkausta ei tapahdu, joten merkittävä määrä tasavirtaenergiaa varastoituu kaapeliin avaruusvarauksina. Toisin kuin vaihtovirtakaapeleissa, joissa avaruusvaraukset häviävät dielektristen häviöiden kautta, nämä varaukset kerääntyvät kaapelin vikoihin.
Ajan myötä, usein esiintyvien sähkökatkosten tai virranvoimakkuuden vaihteluiden vuoksi, XLPE-eristetyt kaapelit keräävät yhä enemmän avaruusvarauksia, mikä kiihdyttää eristyskerroksen ikääntymistä ja lyhentää kaapelin käyttöikää.
Julkaisun aika: 10.3.2025