คุณสมบัติของวัสดุและฉนวนของสายเคเบิล DC: ช่วยให้ส่งพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้

การกระจายความเค้นของสนามไฟฟ้าในสายไฟฟ้ากระแสสลับมีความสม่ำเสมอ และวัสดุฉนวนของสายไฟฟ้าจะเน้นที่ค่าคงที่ไดอิเล็กทริก ซึ่งไม่ได้รับผลกระทบจากอุณหภูมิ ในทางตรงกันข้าม การกระจายความเค้นในสายไฟฟ้ากระแสตรงจะสูงที่สุดที่ชั้นในของฉนวน และได้รับอิทธิพลจากค่าความต้านทานของวัสดุฉนวน วัสดุฉนวนมีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิติดลบ ซึ่งหมายความว่าเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ค่าความต้านทานจะลดลง

เมื่อสายเคเบิลทำงาน การสูญเสียพลังงานที่แกนกลางจะทำให้อุณหภูมิสูงขึ้น นำไปสู่การเปลี่ยนแปลงของค่าความต้านทานของวัสดุฉนวน ส่งผลให้ความเค้นของสนามไฟฟ้าภายในชั้นฉนวนเปลี่ยนแปลงไป กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ หากฉนวนมีความหนาเท่ากัน แรงดันพังทลายจะลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น สำหรับสายส่งไฟฟ้ากระแสตรง (DC) ในโรงไฟฟ้าแบบกระจาย อัตราการเสื่อมสภาพของวัสดุฉนวนจะเร็วกว่ามากเนื่องจากความผันผวนของอุณหภูมิโดยรอบเมื่อเทียบกับสายเคเบิลฝังดิน ซึ่งเป็นจุดสำคัญที่ควรทราบ

ในระหว่างการผลิตชั้นฉนวนสายเคเบิล ย่อมมีสิ่งเจือปนแทรกเข้ามาอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ สิ่งเจือปนเหล่านี้มีค่าความต้านทานฉนวนต่ำกว่าและกระจายตัวไม่สม่ำเสมอตามแนวรัศมีของชั้นฉนวน ส่งผลให้ค่าความต้านทานปริมาตรแปรผันตามตำแหน่งต่างๆ ภายใต้แรงดันไฟฟ้ากระแสตรง สนามไฟฟ้าภายในชั้นฉนวนก็จะแปรผันตามไปด้วย ทำให้บริเวณที่มีค่าความต้านทานปริมาตรต่ำสุดเสื่อมสภาพเร็วขึ้นและกลายเป็นจุดที่อาจเกิดความเสียหายได้

สายไฟ AC ไม่แสดงปรากฏการณ์นี้ กล่าวโดยสรุปคือ แรงเค้นบนวัสดุของสายไฟ AC มีการกระจายอย่างสม่ำเสมอ ในขณะที่สายไฟ DC แรงเค้นฉนวนจะกระจุกตัวอยู่ที่จุดที่อ่อนที่สุดเสมอ ดังนั้น กระบวนการผลิตและมาตรฐานการผลิตสายไฟ AC และสายไฟ DC จึงควรมีการจัดการที่แตกต่างกัน

โพลีเอทิลีนเชื่อมขวาง (XLPE)สายเคเบิลหุ้มฉนวนถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในอุปกรณ์ไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) เนื่องจากมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าและทางกายภาพที่ดีเยี่ยม รวมถึงมีอัตราส่วนต้นทุนต่อประสิทธิภาพที่สูง อย่างไรก็ตาม เมื่อนำมาใช้เป็นสายเคเบิลไฟฟ้ากระแสตรง (DC) สายเคเบิลเหล่านี้จะต้องเผชิญกับความท้าทายที่สำคัญเกี่ยวกับประจุไฟฟ้าในอวกาศ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งในสายเคเบิลไฟฟ้ากระแสตรงแรงดันสูง เมื่อใช้โพลีเมอร์เป็นฉนวนของสายเคเบิลไฟฟ้ากระแสตรง กับดักจำนวนมากภายในชั้นฉนวนจะทำให้เกิดการสะสมของประจุไฟฟ้าในอวกาศ ผลกระทบของประจุไฟฟ้าในอวกาศต่อวัสดุฉนวนส่วนใหญ่สะท้อนให้เห็นในสองประเด็น ได้แก่ ผลกระทบจากการบิดเบือนของสนามไฟฟ้าและผลกระทบจากการบิดเบือนของสนามไฟฟ้าที่ไม่ใช่ไฟฟ้า ซึ่งทั้งสองประการนี้ส่งผลเสียอย่างมากต่อวัสดุฉนวน

ประจุอวกาศ หมายถึงประจุส่วนเกินที่เกินความเป็นกลางทางไฟฟ้าภายในหน่วยโครงสร้างของวัสดุมหภาค ในของแข็ง ประจุอวกาศบวกหรือลบจะถูกผูกติดกับระดับพลังงานเฉพาะที่ ทำให้เกิดผลโพลาไรเซชันในรูปแบบของโพลารอนที่ถูกผูกไว้ โพลาไรเซชันของประจุอวกาศเกิดขึ้นเมื่อมีไอออนอิสระอยู่ในวัสดุไดอิเล็กทริก เนื่องจากการเคลื่อนที่ของไอออน ไอออนลบจะสะสมที่ส่วนต่อประสานใกล้กับขั้วบวก และไอออนบวกจะสะสมที่ส่วนต่อประสานใกล้กับขั้วลบ ในสนามไฟฟ้ากระแสสลับ การเคลื่อนย้ายของประจุบวกและลบไม่สามารถตามทันการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วของสนามไฟฟ้าความถี่กำลังไฟฟ้า ดังนั้นจึงไม่มีผลโพลาไรเซชันของประจุอวกาศ อย่างไรก็ตาม ในสนามไฟฟ้ากระแสตรง สนามไฟฟ้าจะกระจายตัวตามสภาพต้านทาน นำไปสู่การก่อตัวของประจุอวกาศและส่งผลกระทบต่อการกระจายตัวของสนามไฟฟ้า ฉนวน XLPE มีสถานะเฉพาะที่จำนวนมาก ทำให้ผลกระทบจากประจุอวกาศรุนแรงเป็นพิเศษ

ฉนวน XLPE มีการเชื่อมขวางทางเคมี ทำให้เกิดโครงสร้างแบบเชื่อมขวางแบบบูรณาการ ในฐานะโพลิเมอร์ที่ไม่มีขั้ว ตัวสายเคเบิลจึงเปรียบเสมือนตัวเก็บประจุขนาดใหญ่ เมื่อการส่งสัญญาณ DC หยุดลง จะเทียบเท่ากับการชาร์จตัวเก็บประจุ แม้ว่าแกนตัวนำจะต่อลงกราวด์แล้ว แต่จะไม่เกิดการคายประจุอย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้มีพลังงาน DC จำนวนมากที่เก็บไว้ในสายเคเบิลเป็นประจุไฟฟ้าในอวกาศ ซึ่งแตกต่างจากสายไฟ AC ที่ประจุไฟฟ้าในอวกาศจะสูญเสียไปเนื่องจากการสูญเสียไดอิเล็กทริก ประจุไฟฟ้าเหล่านี้จะสะสมที่จุดบกพร่องในสายเคเบิล

เมื่อเวลาผ่านไป สายเคเบิลที่หุ้มฉนวน XLPE จะสะสมประจุไฟฟ้าเพิ่มมากขึ้นเรื่อยๆ เนื่องจากไฟฟ้าดับบ่อยครั้งหรือกระแสไฟไม่เสถียร ทำให้ชั้นฉนวนเสื่อมสภาพเร็วขึ้นและมีอายุการใช้งานสั้นลง