Tasavirtakaapeleilla ja AC-kaapeleilla on kaksi pääasiallista voimansiirron muotoa rakenteellisessa suunnittelussa. Nämä erot johtuvat niiden vastaavista toimintaperiaatteista ja sovellusskenaarioiden vaatimuksista. Näiden kahden kaapelityypin rakenteelliset ominaisuudet analysoidaan yksityiskohtaisesti useista ulottuvuuksista.
Tasavirtakaapeleiden rakenteelliset ominaisuudet
Tasavirtakaapeleiden rakennesuunnittelussa huomioidaan pääasiassa DC-sähkökentän jakautumisen erityispiirteet. Tasavirtakaapeleiden sähkökentän voimakkuus on verrannollinen eristysresistanssikertoimeen, joka vaihtelee lämpötilan mukaan. Tämä tarkoittaa, että DC-kaapelin eristyskerroksen suurin sähkökentän voimakkuus ei liity pelkästään syötettyyn jännitteeseen, vaan myös kuormitusvirtaan.
Tyypillinen korkeajännitteinen{0}}tasavirtakaapelirakenne sisältää:
Johdinkerros: Johdinmateriaalina käytetään yleensä erittäin puhdasta kuparia tai alumiinia.
Eristyskerros: Kolmikerroksinen koekstruusiorakenne, joka sisältää silloittamattoman johtimen suojakerroksen, silloittamattoman eristekerroksen ja silloittamattoman eristyssuojakerroksen, matriisimateriaali on enimmäkseen silloittamatonta polypropeenia.
Puolijohtava puskurikerros: kääritty eristyskerroksen ympärille, käytetään tasaiseen sähkökentän jakautumiseen.
Metallivaippakerros: yleensä litteä alumiinivaippa, joka tarjoaa mekaanisen suojan ja sähkömagneettisen suojauksen.
Ulkokerros: kolmikerroksinen koekstrudoitu rakenne, joka koostuu sulateliimakerroksesta, ulkovaipasta ja puolijohtavasta elektrodista.
Toinen tasavirtakaapeleiden tärkeä ominaisuus on, että eristyksen tulee kestää nopeita napaisuuden muutoksia. Napaisuuden muuntaminen kuormituksen alaisena voi lisätä sähkökentän voimakkuutta eristeen sisällä, yleensä 50-70 %. Siksi tasavirtakaapeleiden eristemateriaalilla on oltava erityisiä sähköisiä ominaisuuksia.
AC-kaapeleiden rakenteelliset ominaisuudet
Vaihtovirtakaapeleiden rakennesuunnittelussa huomioidaan ensisijaisesti vaihtuvien sähkökenttien ominaisuudet. Näissä kaapeleissa on tasainen sähkökentän jakautuminen, tangentiaalisen jännityksen puuttuminen, kevyt rakenne ja suuri virrankantokyky{1}}. Ristisilloitettujen polyeteeni (XLPE)--eristettyjen virtakaapeleiden ja polyvinyylikloridi (PVC)-eristettyjen virtakaapeleiden rakenne 1 kV:lle ja sitä pienemmille jännitteille on pohjimmiltaan identtinen.
Tyypillinen AC-kaapeleiden rakenne sisältää:
Johdin: Käyttää tyypillisesti säikeistä johdinkokoonpanoa joustavuuden ja sähkönjohtavuuden parantamiseksi.
Eristyskerros: Yleisiä materiaaleja ovat polyvinyylikloridi (PVC), silloitettu polyeteeni (XLPE) ja fluoroplastit.
Suojauskerros: Estää häiriösignaaleja tunkeutumasta sisäkerroksiin ja vähentää samalla lähetyssignaalin häviötä.
Suojus: Sisältää sisä- ja ulkovaipan suojaamaan kaapelin sydäntä ympäristövaikutuksilta.
AC-kaapeleiden tulee ottaa huomioon iho- ja läheisyysvaikutuksen vaikutukset. Skin-ilmiö saa virran jakautumaan epätasaisesti johtimen poikki-poikkileikkaukselle ja korkeampi virrantiheys lähellä pintaa. Läheisyysvaikutus indusoi sähkömagneettisten kenttien vuorovaikutuksia johtimien välillä, jotka vaikuttavat virran jakautumiseen. Nämä ilmiöt lisäävät johtimen vaihtovirtaresistanssia ja vähentävät siten sen sallittua virran{3}}kantokykyä.
Tärkeimmät rakenteelliset erot DC- ja AC-kaapeleiden välillä
1. Erot eristyssuunnittelussa
Tasavirtakaapeleiden on ratkaistava sähkökentän epätasaisen jakautumisen ongelma (materiaalin resistiivisyys vaikuttaa tasavirtasähkökenttään), ja eristekerros voi olla paksumpi tai voidaan käyttää erikoismateriaaleja (kuten silloitettua polyeteeni XLPE:tä). Ja vaihtovirtakaapeleiden eristys on optimoitu vaihtovirtasähkökentille (kuten PVC, XLPE).
Tasavirtakaapeleiden suurin kentänvoimakkuus transientti- ja kuormittamattomissa olosuhteissa tapahtuu yleensä johtimen pinnalla, kun taas kuormitettuna suurin kentänvoimakkuus esiintyy eristekerroksen pinnalla. Vaihtovirtakaapeleiden sähkökenttäjakauma on suhteellisen tasainen.
2. Suojauskerroksen erot
Korkeajännitteiset tasavirtakaapelit vaativat parannetun suojauksen tilan varausvaikutusten vaimentamiseksi, kun taas pienjännitekaapeleilla on suhteellisen alhaiset suojausvaatimukset. Tasavirtakaapeleiden suojakerros vaatii tiukempaa suunnittelua sähkökentän häiriöiden estämiseksi.
3. Erot johdinrakenteessa
Tasavirtakaapeleilla on yleensä yksisydäminen rakenne, joka koostuu vain positiivisista ja negatiivisista navoista. Viestintäkaapelissa on kolmi-vaiheinen neli- tai viisijohdinjärjestelmä, jolla on monimutkaisempi rakenne.
4. Napaisuusvaatimusten erot
Tasavirtakaapeleissa on oltava selkeät plus- ja miinusnapaliitännät, koska väärä napaisuus voi aiheuttaa laitevaurioita. AC-kaapeleilla ei ole napaisuusvaatimuksia, ne on vain erotettava vaiheista.
5. Häviön ominaisuuksien erot
Tasavirtakaapeleilla ei ole AC-kaapeleiden skin-efektiä ja pyörrevirtahäviöitä, joten ne sopivat pitkän matkan-voimansiirtoon. Vaihtovirtakaapeleiden kustannukset ovat alhaisemmat lyhyen matkan jakelussa, mutta suuremmat häviöt pitkillä etäisyyksillä.
