Ως οι δύο κύριες μορφές μετάδοσης ισχύος, τα καλώδια DC και τα καλώδια AC έχουν σημαντικές διαφορές στο δομικό σχεδιασμό. Αυτές οι διαφορές πηγάζουν από τις αντίστοιχες αρχές λειτουργίας τους και τις απαιτήσεις σεναρίου εφαρμογής. Τα δομικά χαρακτηριστικά αυτών των δύο τύπων καλωδίων θα αναλυθούν λεπτομερώς από πολλαπλές διαστάσεις.
Δομικά χαρακτηριστικά καλωδίων DC
Ο δομικός σχεδιασμός των καλωδίων DC λαμβάνει υπόψη κυρίως την ιδιαιτερότητα της διανομής ηλεκτρικού πεδίου DC. Η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου των καλωδίων DC είναι ανάλογη με τον συντελεστή αντίστασης μόνωσης, ο οποίος ποικίλλει ανάλογα με τη θερμοκρασία. Αυτό σημαίνει ότι η μέγιστη ένταση ηλεκτρικού πεδίου στο στρώμα μόνωσης ενός καλωδίου συνεχούς ρεύματος δεν σχετίζεται μόνο με την εφαρμοζόμενη τάση, αλλά και με το ρεύμα φορτίου.
Μια τυπική δομή καλωδίου συνεχούς ρεύματος υψηλής-τάσης περιλαμβάνει:
Στρώμα αγωγού: Ως υλικό αγωγού χρησιμοποιείται συνήθως χαλκός ή αλουμίνιο υψηλής καθαρότητας.
Στρώμα μόνωσης: Υιοθετώντας μια δομή συν-διέλασης τριών{0} στρωμάτων, συμπεριλαμβανομένου ενός στρώματος θωράκισης αγωγού χωρίς σταυροειδείς δεσμούς, ενός μονωτικού στρώματος χωρίς σταυροδεσμούς και ενός προστατευτικού στρώματος μόνωσης χωρίς σταυροειδείς δεσμούς, το υλικό μήτρας είναι ως επί το πλείστον μη διασυνδεδεμένο πολυπροπυλένιο.
Ημιαγώγιμο ρυθμιστικό στρώμα: τυλιγμένο γύρω από το μονωτικό στρώμα, που χρησιμοποιείται για ομοιόμορφη κατανομή ηλεκτρικού πεδίου.
Στρώμα μεταλλικού περιβλήματος: συνήθως μια επίπεδη θήκη αλουμινίου, που παρέχει μηχανική προστασία και ηλεκτρομαγνητική θωράκιση.
Εξωτερικό στρώμα: μια δομή τριών{0} στρωμάτων συν-εξώθησης που αποτελείται από ένα θερμοκολλητικό στρώμα, ένα εξωτερικό περίβλημα και ένα ημιαγώγιμο ηλεκτρόδιο.
Ένα άλλο σημαντικό χαρακτηριστικό των καλωδίων DC είναι ότι η μόνωση πρέπει να μπορεί να αντέχει σε γρήγορες μεταβάσεις πολικότητας. Η μετατροπή της πολικότητας υπό φορτίο μπορεί να προκαλέσει αύξηση της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου στο εσωτερικό της μόνωσης, συνήθως κατά 50% έως 70%. Επομένως, το μονωτικό υλικό των καλωδίων DC πρέπει να έχει ειδικές ηλεκτρικές ιδιότητες.
Δομικά Χαρακτηριστικά Καλωδίων AC
Ο δομικός σχεδιασμός των καλωδίων AC εξετάζει κυρίως τις ιδιότητες των εναλλασσόμενων ηλεκτρικών πεδίων. Αυτά τα καλώδια διαθέτουν ομοιόμορφη κατανομή ηλεκτρικού πεδίου, απουσία εφαπτομενικής τάσης, ελαφριά κατασκευή και υψηλή ικανότητα μεταφοράς ρεύματος-. Η δομή των καλωδίων ισχύος με μόνωση-διασυνδεδεμένου πολυαιθυλενίου (XLPE)-και καλωδίων τροφοδοσίας με μόνωση από πολυβινυλοχλωρίδιο (PVC)-για 1kV και κάτω είναι ουσιαστικά πανομοιότυπη.
Η τυπική δομή των καλωδίων AC περιλαμβάνει:
Αγωγός: Συνήθως χρησιμοποιεί μια διαμόρφωση αγωγού με λωρίδες για να βελτιώσει την ευελιξία και την ηλεκτρική αγωγιμότητα.
Μονωτικό στρώμα: Τα κοινά υλικά περιλαμβάνουν το χλωριούχο πολυβινύλιο (PVC), το διασταυρούμενο{0}}πολυαιθυλένιο (XLPE) και τα φθοροπλαστικά.
Στρώμα θωράκισης: Αποτρέπει τη διείσδυση σημάτων παρεμβολής στα εσωτερικά στρώματα, ενώ παράλληλα μειώνει την απώλεια σήματος μετάδοσης.
Θήκη: Αποτελείται από ένα εσωτερικό και εξωτερικό περίβλημα για την προστασία του πυρήνα του καλωδίου από περιβαλλοντικές επιπτώσεις.
Τα καλώδια εναλλασσόμενου ρεύματος πρέπει να λαμβάνουν υπόψη τις επιπτώσεις του φαινομένου του δέρματος και του εφέ εγγύτητας. Το δερματικό αποτέλεσμα προκαλεί ανομοιόμορφη κατανομή του ρεύματος στην διατομή του αγωγού-με μεγαλύτερη πυκνότητα ρεύματος κοντά στην επιφάνεια. το φαινόμενο εγγύτητας προκαλεί αλληλεπιδράσεις ηλεκτρομαγνητικού πεδίου μεταξύ αγωγών που επηρεάζουν την κατανομή του ρεύματος. Αυτά τα φαινόμενα αυξάνουν την αντίσταση εναλλασσόμενου ρεύματος του αγωγού, μειώνοντας έτσι την επιτρεπόμενη ικανότητα μεταφοράς ρεύματος-.
Οι κύριες δομικές διαφορές μεταξύ των καλωδίων DC και AC
1. Διαφορές στο σχεδιασμό μόνωσης
Τα καλώδια συνεχούς ρεύματος πρέπει να λύσουν το πρόβλημα της ανομοιόμορφης κατανομής ηλεκτρικού πεδίου (το ηλεκτρικό πεδίο συνεχούς ρεύματος επηρεάζεται από την ειδική αντίσταση του υλικού) και το στρώμα μόνωσης μπορεί να είναι παχύτερο ή να χρησιμοποιηθούν ειδικά υλικά (όπως το διασταυρωμένο πολυαιθυλένιο XLPE). Και η μόνωση των καλωδίων AC είναι βελτιστοποιημένη για ηλεκτρικά πεδία AC (όπως PVC, XLPE).
Η μέγιστη ισχύς πεδίου των καλωδίων συνεχούς ρεύματος υπό μεταβατικές και μη{0}}συνθήκες φορτίου εμφανίζεται συνήθως στην επιφάνεια του αγωγού, ενώ υπό φορτίο, η μέγιστη ένταση πεδίου εμφανίζεται στην επιφάνεια του μονωτικού στρώματος. Η κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου των καλωδίων AC είναι σχετικά ομοιόμορφη.
2. Διαφορές στο στρώμα θωράκισης
Τα καλώδια DC υψηλής τάσης απαιτούν βελτιωμένη θωράκιση για την καταστολή των επιδράσεων της φόρτισης χώρου, ενώ τα καλώδια χαμηλής-τάσης έχουν σχετικά χαμηλότερες απαιτήσεις θωράκισης. Το στρώμα θωράκισης των καλωδίων DC απαιτεί αυστηρότερο σχεδιασμό για την αποφυγή παρεμβολών ηλεκτρικού πεδίου.
3. Διαφορές στη δομή του αγωγού
Τα καλώδια DC συνήθως υιοθετούν μια δομή ενός πυρήνα, που αποτελείται μόνο από θετικούς και αρνητικούς πόλους. Το καλώδιο επικοινωνίας υιοθετεί ένα σύστημα τριών-τετραφασικών ή πέντε καλωδίων, με πιο περίπλοκη δομή.
4. Διαφορές στις απαιτήσεις πολικότητας
Τα καλώδια συνεχούς ρεύματος πρέπει να έχουν καθαρές συνδέσεις θετικού και αρνητικού πόλου, καθώς η εσφαλμένη πολικότητα μπορεί να προκαλέσει ζημιά στον εξοπλισμό. Τα καλώδια AC δεν έχουν απαιτήσεις πολικότητας, πρέπει μόνο να διακρίνουν τις φάσεις.
5. Διαφορές στα χαρακτηριστικά απώλειας
Τα καλώδια συνεχούς ρεύματος δεν έχουν το εφέ δέρματος και τις απώλειες δινορευμάτων των καλωδίων AC, γεγονός που τα καθιστά κατάλληλα για μετάδοση ισχύος σε μεγάλες αποστάσεις. Τα καλώδια AC έχουν χαμηλότερο κόστος στη διανομή μικρών αποστάσεων, αλλά υψηλότερες απώλειες σε μεγάλες αποστάσεις.
