AC 케이블의 전계 응력 분포는 균일하며, 케이블 절연 재료는 온도의 영향을 받지 않는 유전율에 중점을 둡니다. 반면, DC 케이블의 응력 분포는 절연체 내부층에서 가장 크며 절연 재료의 저항률에 영향을 받습니다. 절연 재료는 음의 온도 계수를 나타내는데, 이는 온도가 증가함에 따라 저항률이 감소함을 의미합니다.
케이블이 작동 중일 때 코어 손실은 온도 상승을 유발하여 절연 재료의 저항률 변화를 초래합니다. 이는 다시 절연층 내부의 전계 응력 변화를 초래합니다. 즉, 동일한 두께의 절연체일 경우 온도가 상승함에 따라 절연 파괴 전압이 감소합니다. 분산형 발전소의 DC 간선은 주변 온도 변화로 인해 매설 케이블에 비해 절연 재료의 노화 속도가 훨씬 빠르므로 주의해야 합니다.
케이블 절연층 생산 과정에서 불가피하게 불순물이 유입됩니다. 이러한 불순물은 절연 저항률이 상대적으로 낮고 절연층의 방사 방향을 따라 불균일하게 분포됩니다. 이로 인해 위치에 따라 체적 저항률이 다르게 나타납니다. 직류 전압 하에서는 절연층 내부의 전계가 변하여 체적 저항률이 가장 낮은 부분이 더 빨리 노화되어 잠재적 고장 지점이 될 수 있습니다.
AC 케이블에는 이러한 현상이 나타나지 않습니다. 간단히 말해, AC 케이블 소재의 응력은 균일하게 분포되는 반면, DC 케이블의 절연 응력은 항상 가장 약한 지점에 집중됩니다. 따라서 AC 케이블과 DC 케이블의 제조 공정 및 표준은 서로 다르게 관리되어야 합니다.
가교 폴리에틸렌(XLPE)절연 케이블은 우수한 유전적 및 물리적 특성과 높은 비용 대비 성능으로 인해 AC 애플리케이션에서 널리 사용됩니다. 그러나 DC 케이블로 사용될 경우, 특히 고전압 DC 케이블에서 중요한 공간 전하와 관련된 심각한 문제에 직면하게 됩니다. 폴리머를 DC 케이블 절연체로 사용할 경우, 절연층 내에 많은 국부적인 트랩(trap)이 발생하여 공간 전하가 축적됩니다. 공간 전하가 절연 재료에 미치는 영향은 주로 전계 왜곡 효과와 비전기계 왜곡 효과라는 두 가지 측면으로 나타나며, 두 효과 모두 절연 재료에 매우 해롭습니다.
공간 전하는 거시적인 물질의 구조적 단위 내에서 전기적 중성을 넘어서는 과잉 전하를 의미합니다. 고체에서 양전하 또는 음전하는 국소 에너지 준위에 결합되어 결합된 폴라론 형태로 분극 효과를 제공합니다. 공간 전하 분극은 유전체 물질에 자유 이온이 존재할 때 발생합니다. 이온 이동으로 인해 음이온은 양극 근처의 계면에, 양이온은 음극 근처의 계면에 축적됩니다. 교류 전기장에서는 양전하와 음전하의 이동이 전력 주파수 전기장의 빠른 변화를 따라가지 못하기 때문에 공간 전하 효과가 발생하지 않습니다. 그러나 직류 전기장에서는 전기장이 저항률에 따라 분포하여 공간 전하를 형성하고 전기장 분포에 영향을 미칩니다. XLPE 절연은 많은 수의 국소화된 상태를 포함하기 때문에 공간 전하 효과가 특히 심각합니다.
XLPE 절연은 화학적으로 가교되어 통합된 가교 구조를 형성합니다. 비극성 폴리머인 케이블 자체는 대용량 커패시터에 비유할 수 있습니다. 직류 송전이 중단되면 커패시터를 충전하는 것과 같습니다. 도체 코어가 접지되어 있어도 효과적인 방전이 발생하지 않아 케이블에 상당한 양의 직류 에너지가 공간 전하로 저장됩니다. 공간 전하가 유전 손실로 인해 소멸되는 교류 전력 케이블과 달리, 이러한 전하는 케이블의 결함 부위에 축적됩니다.
시간이 지남에 따라 잦은 정전이나 전류 강도의 변동으로 인해 XLPE 절연 케이블은 점점 더 많은 공간 전하를 축적하게 되며, 이로 인해 절연 층의 노화가 가속화되고 케이블의 수명이 단축됩니다.
게시 시간: 2025년 3월 10일