Trong môi trường-nhiệt độ thấp, những thay đổi về hiệu suất của dây không chỉ đơn thuần là sự "suy giảm" đơn giản mà là một quá trình phức tạp liên quan đến các rủi ro ở cấp độ cơ, điện và hệ thống{1}}. Hiểu được những thay đổi này là rất quan trọng để đảm bảo hoạt động ổn định của cơ sở hạ tầng quan trọng-chẳng hạn như lưới điện và mạng truyền thông-trong thời kỳ giá lạnh khắc nghiệt.
Trong-môi trường nhiệt độ thấp, hiệu suất của dây chủ yếu phải đối mặt với ba loại rủi ro: suy giảm tính chất cơ học (ví dụ: giòn và gãy), biến động về tính chất điện (ví dụ: thay đổi điện trở và suy giảm tín hiệu) và hỏng hóc hệ thống do tích tụ băng (ví dụ: đường dây bị đứt và tháp bị sập).
I. Đặc tính cơ học: Độ giòn ở nhiệt độ thấp và hư hỏng do ứng suất
Lạnh đóng vai trò như một “chất làm cứng” vật liệu, gây ra mối đe dọa vật lý trực tiếp cho dây điện:
Rủi ro gây giòn và gãy vật liệu: Khi nhiệt độ giảm, các lớp cách điện và vật liệu bọc của dây (chẳng hạn như PVC tiêu chuẩn) mất tính đàn hồi, trở nên cứng và giòn. Dưới ảnh hưởng của lực gió, tải trọng của băng và tuyết hoặc sự tiếp xúc vật lý vô tình, những vật liệu này rất dễ bị nứt hoặc thậm chí bị gãy.
Thiệt hại tích lũy do đóng băng-Chu kỳ tan băng: Trong các chu kỳ đóng băng và tan băng lặp đi lặp lại, sự giãn nở và co lại của đất xung quanh sẽ gây ra ứng suất nén và kéo theo chu kỳ lên cáp ngầm. Theo thời gian, ứng suất kéo dài này sẽ làm tăng tốc độ hư hại do mỏi đối với vỏ cáp và các lớp cách điện.
Giãn nở/co rút nhiệt và lỗi kết nối: Các dây dẫn (thường là đồng hoặc nhôm) và các thành phần kết nối liên quan của chúng có hệ số giãn nở nhiệt khác nhau. Trong điều kiện nhiệt độ-cực thấp, sự chênh lệch này có thể khiến các điểm kết nối bị lỏng hoặc tiếp xúc kém, do đó làm tăng điện trở tiếp xúc và tạo ra các điểm nóng tiềm ẩn gây nguy cơ hỏa hoạn.
II. Tính chất điện: Biến đổi điện trở và thách thức truyền tín hiệu
Nhiệt độ có tác động trực tiếp đến điện trở dây dẫn; tuy nhiên, ảnh hưởng này là hai chiều:
Giảm điện trở dây dẫn: Đối với dây dẫn kim loại nguyên chất (như đồng và nhôm), điện trở suất giảm khi nhiệt độ giảm. Điều này ngụ ý rằng về mặt lý thuyết, độ dẫn điện của dây thực sự cải thiện trong môi trường{1}nhiệt độ thấp, dẫn đến giảm tổn thất năng lượng. Ở nhiệt độ cực thấp (chẳng hạn như trong phạm vi heli lỏng), điện trở suất của kim loại có độ tinh khiết cao-có thể giảm xuống mức đặc biệt thấp.
Những thách thức đối với độ ổn định truyền tín hiệu: Mặc dù điện trở giảm nhưng đối với các hệ thống truyền tín hiệu chính xác, sự dao động nhiệt độ tự nó đóng vai trò là nguồn gây nhiễu. Sự dao động nhiệt độ có thể gây ra những thay đổi nhỏ trong điện trở dây dẫn, do đó ảnh hưởng đến chất lượng và độ ổn định của việc truyền tín hiệu-đặc biệt là trong các ứng dụng đo khoảng cách-đường dài hoặc có độ chính xác cao-.
Ưu điểm về hiệu suất của vật liệu chuyên dụng: Một số hợp kim (chẳng hạn như đồng phốt-pho) không chỉ thể hiện điện trở suất thấp ở nhiệt độ thấp mà còn thể hiện sự thay đổi điện trở suất rất dần dần so với sự thay đổi nhiệt độ (đặc trưng bởi hệ số nhiệt độ thấp); điều này khiến chúng trở thành lựa chọn lý tưởng để truyền tín hiệu có độ ổn định cao trong môi trường đông lạnh.
III. Rủi ro hệ thống: Băng bồi tụ và dây dẫn phi nước đại
Những điều này tạo thành những mối đe dọa nghiêm trọng nhất do-môi trường nhiệt độ thấp gây ra đối với các rủi ro về hệ thống điện-, vượt xa các biến thể về hiệu suất của chính vật liệu:
Tăng trọng lượng do tích tụ băng: Mưa đóng băng hoặc tuyết ướt đông đặc lại khi tiếp xúc với các dây dẫn hoạt động dưới điểm đóng băng, tạo thành "băng tráng men" hoặc "băng sương mù". Sự tích tụ băng này có thể làm tăng trọng lượng của dây dẫn theo cấp số nhân. Ví dụ, băng tráng men có thể khiến đường dây điện mang tải lớn hơn trọng lượng bình thường từ 10 đến 20 lần, khiến chúng rất dễ bị đứt đường dây và sập tháp.
Phi nước đại của dây dẫn: Khi băng bồi tụ không đều dưới tác dụng của lực gió, nó sẽ tạo ra các dao động tự kích thích có-tần số thấp,{1}}biên độ lớn-trong dây dẫn-, một hiện tượng được gọi là "phi nước đại". Việc phóng nhanh không chỉ trực tiếp gây hư hỏng phần cứng đường dây, đứt lớp cách điện và sập tháp mà còn có thể gây ra đoản mạch pha-sang-pha hoặc phóng điện xuống đất, dẫn đến mất điện trên diện rộng.
Sự phóng điện do băng cách điện: Khi một chuỗi cách điện bị đóng băng hoàn toàn, khoảng cách cách điện hiệu quả của nó giảm đáng kể, dẫn đến tăng dòng rò. Điều này tạo ra khả năng xảy ra sự cố "băng tan" cao, cuối cùng có thể gây ra hiện tượng ngắt đường dây.
