คุณสมบัติของวัสดุและฉนวนของสายเคเบิลกระแสตรง: ช่วยให้การส่งพลังงานมีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้

การกระจายความเค้นของสนามไฟฟ้าในสายเคเบิลกระแสสลับนั้นสม่ำเสมอ และวัสดุฉนวนของสายเคเบิลจะเน้นที่ค่าคงที่ไดอิเล็กตริก ซึ่งไม่ได้รับผลกระทบจากอุณหภูมิ ในทางตรงกันข้าม การกระจายความเค้นในสายเคเบิลกระแสตรงจะสูงสุดที่ชั้นในสุดของฉนวนและได้รับอิทธิพลจากค่าความต้านทานจำเพาะของวัสดุฉนวน วัสดุฉนวนมีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเป็นลบ หมายความว่าเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ค่าความต้านทานจำเพาะจะลดลง

เมื่อสายเคเบิลใช้งาน การสูญเสียภายในแกนจะทำให้อุณหภูมิสูงขึ้น ส่งผลให้ความต้านทานของวัสดุฉนวนเปลี่ยนแปลงไป ซึ่งจะทำให้ความเค้นของสนามไฟฟ้าภายในชั้นฉนวนเปลี่ยนแปลงไปด้วย กล่าวคือ สำหรับฉนวนที่มีความหนาเท่ากัน แรงดันไฟฟ้าที่ทำให้เกิดการพังทลายจะลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น สำหรับสายส่งไฟฟ้ากระแสตรงในสถานีจ่ายไฟแบบกระจาย การเสื่อมสภาพของวัสดุฉนวนจะเร็วกว่าอย่างมากเนื่องจากการผันผวนของอุณหภูมิแวดล้อม เมื่อเทียบกับสายเคเบิลที่ฝังอยู่ใต้ดิน ซึ่งเป็นจุดสำคัญที่ควรทราบ

ในกระบวนการผลิตฉนวนสายเคเบิลนั้น ย่อมหลีกเลี่ยงไม่ได้ที่จะมีสิ่งเจือปนเข้ามา สิ่งเจือปนเหล่านี้มีค่าความต้านทานฉนวนค่อนข้างต่ำและกระจายตัวไม่สม่ำเสมอตามแนวรัศมีของชั้นฉนวน ส่งผลให้ค่าความต้านทานปริมาตรแตกต่างกันไปในแต่ละตำแหน่ง เมื่อได้รับแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง สนามไฟฟ้าภายในชั้นฉนวนก็จะเปลี่ยนแปลงไปด้วย ทำให้บริเวณที่มีค่าความต้านทานปริมาตรต่ำที่สุดเสื่อมสภาพเร็วขึ้นและกลายเป็นจุดที่อาจเกิดความเสียหายได้

สายไฟกระแสสลับ (AC) ไม่แสดงปรากฏการณ์นี้ กล่าวโดยง่ายคือ ความเค้นบนวัสดุของสายไฟกระแสสลับจะกระจายอย่างสม่ำเสมอ ในขณะที่สายไฟกระแสตรง (DC) ความเค้นของฉนวนจะกระจุกตัวอยู่ที่จุดที่อ่อนแอที่สุดเสมอ ดังนั้น กระบวนการผลิตและมาตรฐานสำหรับสายไฟกระแสสลับและสายไฟกระแสตรงจึงควรได้รับการจัดการแตกต่างกัน

โพลีเอทิลีนแบบเชื่อมโยงข้าม (XLPE)สายเคเบิลหุ้มฉนวนถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในงานไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) เนื่องจากคุณสมบัติทางไดอิเล็กทริกและทางกายภาพที่ดีเยี่ยม รวมถึงอัตราส่วนต้นทุนต่อประสิทธิภาพสูง อย่างไรก็ตาม เมื่อใช้เป็นสายเคเบิลไฟฟ้ากระแสตรง (DC) สายเคเบิลเหล่านี้จะเผชิญกับความท้าทายที่สำคัญเกี่ยวกับประจุในพื้นที่ ซึ่งเป็นปัญหาที่สำคัญอย่างยิ่งในสายเคเบิลไฟฟ้ากระแสตรงแรงดันสูง เมื่อใช้โพลิเมอร์เป็นฉนวนของสายเคเบิลไฟฟ้ากระแสตรง กับดักประจุเฉพาะที่จำนวนมากภายในชั้นฉนวนจะทำให้เกิดการสะสมของประจุในพื้นที่ ผลกระทบของประจุในพื้นที่ต่อวัสดุฉนวนนั้นสะท้อนให้เห็นในสองด้านหลักๆ คือ การบิดเบือนสนามไฟฟ้าและผลกระทบที่ไม่เกี่ยวข้องกับการบิดเบือนสนามไฟฟ้า ซึ่งทั้งสองด้านล้วนเป็นอันตรายอย่างยิ่งต่อวัสดุฉนวน

ประจุอวกาศหมายถึงประจุส่วนเกินที่เกินกว่าความเป็นกลางทางไฟฟ้าภายในหน่วยโครงสร้างของวัสดุขนาดใหญ่ ในของแข็ง ประจุอวกาศบวกหรือลบจะถูกยึดไว้ที่ระดับพลังงานเฉพาะที่ ทำให้เกิดผลกระทบจากการโพลาไรเซชันในรูปของโพลารอนที่ถูกยึดไว้ การโพลาไรเซชันของประจุอวกาศเกิดขึ้นเมื่อมีไอออนอิสระอยู่ในวัสดุไดอิเล็กทริก เนื่องจากการเคลื่อนที่ของไอออน ไอออนลบจะสะสมอยู่ที่ส่วนต่อประสานใกล้กับขั้วบวก และไอออนบวกจะสะสมอยู่ที่ส่วนต่อประสานใกล้กับขั้วลบ ในสนามไฟฟ้ากระแสสลับ การเคลื่อนที่ของประจุบวกและลบไม่สามารถตามทันการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วของสนามไฟฟ้าความถี่กำลังได้ ดังนั้นจึงไม่เกิดผลกระทบจากประจุอวกาศ อย่างไรก็ตาม ในสนามไฟฟ้ากระแสตรง สนามไฟฟ้าจะกระจายตัวตามความต้านทาน ทำให้เกิดประจุอวกาศและส่งผลต่อการกระจายตัวของสนามไฟฟ้า ฉนวน XLPE มีสถานะเฉพาะที่จำนวนมาก ทำให้ผลกระทบจากประจุอวกาศรุนแรงเป็นพิเศษ

ฉนวน XLPE มีการเชื่อมโยงทางเคมี ทำให้เกิดโครงสร้างเชื่อมโยงแบบบูรณาการ เนื่องจากเป็นพอลิเมอร์ที่ไม่เป็นขั้ว สายเคเบิลจึงเปรียบได้กับตัวเก็บประจุขนาดใหญ่ เมื่อการส่งกระแสไฟฟ้ากระแสตรงหยุดลง จะเทียบเท่ากับการชาร์จตัวเก็บประจุ แม้ว่าแกนตัวนำจะต่อลงดิน แต่การคายประจุอย่างมีประสิทธิภาพจะไม่เกิดขึ้น ทำให้พลังงานกระแสตรงจำนวนมากถูกเก็บไว้ในสายเคเบิลในรูปของประจุไฟฟ้า ซึ่งแตกต่างจากสายไฟกระแสสลับที่ประจุไฟฟ้าจะถูกกระจายไปผ่านการสูญเสียทางไดอิเล็กตริก ประจุเหล่านี้จะสะสมอยู่ที่จุดบกพร่องในสายเคเบิล

เมื่อเวลาผ่านไป ด้วยการหยุดชะงักของกระแสไฟฟ้าบ่อยครั้งหรือความผันผวนของความแรงกระแสไฟฟ้า สายเคเบิลหุ้มฉนวน XLPE จะสะสมประจุไฟฟ้ามากขึ้นเรื่อยๆ ซึ่งจะเร่งการเสื่อมสภาพของชั้นฉนวนและลดอายุการใช้งานของสายเคเบิลลง