교류 케이블의 전기장 응력 분포는 균일하며, 케이블 절연 재료의 주요 고려 사항은 온도의 영향을 받지 않는 유전 상수입니다. 반면 직류 케이블의 응력 분포는 절연체의 내부층에서 가장 높으며 절연 재료의 저항률에 영향을 받습니다. 절연 재료는 음의 온도 계수를 가지는데, 이는 온도가 증가함에 따라 저항률이 감소한다는 것을 의미합니다.
케이블이 작동 중일 때, 코어 손실로 인해 온도가 상승하고, 이는 절연 재료의 저항률 변화로 이어집니다. 결과적으로 절연층 내부의 전기장 응력이 변동하게 됩니다. 즉, 동일한 절연 두께에서 온도가 상승함에 따라 절연 파괴 전압은 감소합니다. 분산형 발전소의 직류 간선로의 경우, 주변 온도 변동으로 인해 절연 재료의 노화 속도가 매설 케이블에 비해 훨씬 빠르므로 이 점을 유의해야 합니다.
케이블 절연층 제조 과정에서 불순물이 불가피하게 혼입됩니다. 이러한 불순물은 상대적으로 절연 저항이 낮고 절연층의 반경 방향을 따라 불균일하게 분포합니다. 그 결과, 위치에 따라 체적 저항이 달라집니다. 직류 전압이 가해지면 절연층 내부의 전기장도 변화하게 되는데, 이로 인해 체적 저항이 가장 낮은 영역이 더 빨리 노화되어 고장 발생 가능성이 높아집니다.
교류(AC) 케이블은 이러한 현상을 보이지 않습니다. 간단히 말해, 교류 케이블 재료에 가해지는 응력은 균일하게 분포되는 반면, 직류(DC) 케이블의 절연 응력은 항상 가장 약한 부분에 집중됩니다. 따라서 교류 케이블과 직류 케이블의 제조 공정 및 표준은 서로 다르게 관리되어야 합니다.
가교 폴리에틸렌(XLPE)절연 케이블은 우수한 유전 특성과 물리적 특성, 그리고 높은 가격 대비 성능 덕분에 교류(AC) 응용 분야에서 널리 사용됩니다. 그러나 직류(DC) 케이블로 사용할 경우, 특히 고전압 DC 케이블에서 심각한 문제인 공간 전하 축적이라는 중대한 문제에 직면합니다. 폴리머를 DC 케이블 절연재로 사용할 경우, 절연층 내부에 다수의 국부적인 트랩이 발생하여 공간 전하가 축적됩니다. 공간 전하가 절연 재료에 미치는 영향은 주로 전기장 왜곡 효과와 비전기장 왜곡 효과 두 가지로 나타나며, 두 효과 모두 절연 재료에 매우 해롭습니다.
공간전하란 거시적 물질의 구조 단위 내에서 전기적 중성을 초과하는 과잉 전하를 말합니다. 고체에서 양전하 또는 음전하의 공간전하는 국소적인 에너지 준위에 속박되어 속박 폴라론 형태의 분극 효과를 나타냅니다. 공간전하 분극은 유전체 물질 내에 자유 이온이 존재할 때 발생합니다. 이온 이동으로 인해 음이온은 양극 근처의 계면에, 양이온은 음극 근처의 계면에 축적됩니다. 교류 전기장에서는 양전하와 음전하의 이동 속도가 전기장의 급격한 변화 속도를 따라가지 못하므로 공간전하 효과가 발생하지 않습니다. 그러나 직류 전기장에서는 전기장이 저항에 따라 분포되어 공간전하가 형성되고 전기장 분포에 영향을 미칩니다. XLPE 절연체는 다수의 국소화된 상태를 포함하고 있어 공간전하 효과가 특히 심각하게 나타납니다.
XLPE 절연재는 화학적으로 가교되어 일체형 가교 구조를 형성합니다. 비극성 고분자인 이 케이블 자체는 마치 거대한 콘덴서와 같습니다. 직류(DC) 전송이 중단되면 콘덴서가 충전되는 것과 같은 현상이 발생합니다. 도체 심선이 접지되어 있더라도 효과적인 방전이 일어나지 않아 상당량의 직류 에너지가 케이블 내부에 공간 전하로 축적됩니다. 교류(AC) 전력 케이블에서는 공간 전하가 유전 손실을 통해 소산되는 것과 달리, 직류 케이블에서는 이러한 전하가 케이블 내부의 결함 부위에 축적됩니다.
시간이 지남에 따라 잦은 정전이나 전류 강도의 변동으로 인해 XLPE 절연 케이블에는 공간 전하가 점점 더 많이 축적되어 절연층의 노화가 가속화되고 케이블의 수명이 단축됩니다.
게시 시간: 2025년 3월 10일