La distribuzione dello stress del campo elettrico nei cavi CA è uniforme e l'attenzione dei materiali isolanti dei cavi è rivolta alla costante dielettrica, che non è influenzata dalla temperatura. Al contrario, la distribuzione dello stress nei cavi CC è massima nello strato interno dell'isolante ed è influenzata dalla resistività del materiale isolante. I materiali isolanti presentano un coefficiente di temperatura negativo, il che significa che all'aumentare della temperatura, la resistività diminuisce.
Quando un cavo è in funzione, le perdite nel nucleo causano un aumento della temperatura, con conseguenti variazioni della resistività del materiale isolante. Questo, a sua volta, determina una variazione dello stress del campo elettrico all'interno dello strato isolante. In altre parole, a parità di spessore di isolante, la tensione di rottura diminuisce all'aumentare della temperatura. Per le linee principali in corrente continua nelle centrali elettriche distribuite, il tasso di invecchiamento del materiale isolante è significativamente più rapido a causa delle fluttuazioni della temperatura ambiente rispetto ai cavi interrati, il che è un punto critico da tenere presente.
Durante la produzione degli strati isolanti dei cavi, vengono inevitabilmente introdotte impurità. Queste impurità hanno una resistività di isolamento relativamente bassa e sono distribuite in modo non uniforme lungo la direzione radiale dello strato isolante. Ciò si traduce in resistività di volume variabili in diverse posizioni. Sotto tensione continua, anche il campo elettrico all'interno dello strato isolante varierà, causando un invecchiamento più rapido delle aree con la resistività di volume più bassa, che diventeranno potenziali punti di guasto.
I cavi CA non presentano questo fenomeno. In parole povere, lo stress sui materiali dei cavi CA è distribuito uniformemente, mentre nei cavi CC lo stress sull'isolamento è sempre concentrato nei punti più deboli. Pertanto, i processi di produzione e gli standard per i cavi CA e CC dovrebbero essere gestiti in modo diverso.
Polietilene reticolato (XLPE)I cavi isolati sono ampiamente utilizzati nelle applicazioni CA grazie alle loro eccellenti proprietà dielettriche e fisiche, nonché all'elevato rapporto costo-prestazioni. Tuttavia, quando utilizzati come cavi CC, devono affrontare una sfida significativa legata alla carica spaziale, che è particolarmente critica nei cavi CC ad alta tensione. Quando i polimeri vengono utilizzati come isolamento dei cavi CC, un gran numero di trappole localizzate all'interno dello strato isolante causa l'accumulo di cariche spaziali. L'impatto delle cariche spaziali sui materiali isolanti si riflette principalmente in due aspetti: distorsione del campo elettrico ed effetti di distorsione del campo non elettrico, entrambi altamente dannosi per il materiale isolante.
La carica spaziale si riferisce alla carica in eccesso oltre la neutralità elettrica all'interno di un'unità strutturale di un materiale macroscopico. Nei solidi, le cariche spaziali positive o negative sono legate a livelli energetici localizzati, fornendo effetti di polarizzazione sotto forma di polaroni legati. La polarizzazione della carica spaziale si verifica quando in un materiale dielettrico sono presenti ioni liberi. A causa del movimento degli ioni, gli ioni negativi si accumulano all'interfaccia vicino all'elettrodo positivo e gli ioni positivi si accumulano all'interfaccia vicino all'elettrodo negativo. In un campo elettrico CA, la migrazione delle cariche positive e negative non riesce a tenere il passo con le rapide variazioni del campo elettrico a frequenza di rete, quindi non si verificano effetti di carica spaziale. In un campo elettrico CC, tuttavia, il campo elettrico si distribuisce in base alla resistività, portando alla formazione di cariche spaziali e influenzando la distribuzione del campo elettrico. L'isolamento in XLPE contiene un gran numero di stati localizzati, rendendo gli effetti di carica spaziale particolarmente gravi.
L'isolamento in XLPE è reticolato chimicamente, formando una struttura reticolata integrata. Essendo un polimero apolare, il cavo stesso può essere paragonato a un grande condensatore. Quando la trasmissione in corrente continua si interrompe, equivale a caricare un condensatore. Sebbene il nucleo del conduttore sia collegato a terra, non si verifica una scarica efficace, lasciando una quantità significativa di energia in corrente continua immagazzinata nel cavo sotto forma di cariche spaziali. A differenza dei cavi di alimentazione in corrente alternata, in cui le cariche spaziali vengono dissipate attraverso perdite dielettriche, queste cariche si accumulano in corrispondenza dei difetti del cavo.
Nel tempo, a causa delle frequenti interruzioni di corrente o delle fluttuazioni dell'intensità di corrente, i cavi isolati in XLPE accumulano sempre più cariche spaziali, accelerando l'invecchiamento dello strato isolante e riducendo la durata utile del cavo.
Data di pubblicazione: 10-03-2025