Екранування, що використовується в дротяних та кабельних виробах, має дві абсолютно різні концепції: електромагнітне екранування та екранування електричного поля. Електромагнітне екранування призначене для запобігання зовнішнім перешкодам від кабелів, що передають високочастотні сигнали (таких як радіочастотні кабелі та електронні кабелі), або для блокування зовнішніх електромагнітних хвиль від перешкод для кабелів, що передають слабкі струми (таких як сигнальні або вимірювальні кабелі), а також для зменшення перехресних перешкод між проводами. Екранування електричним полем призначене для збалансування сильного електричного поля на поверхні провідника або на поверхні ізоляції силових кабелів середньої та високої напруги.
1. Структура та вимоги до шарів екранування електричного поля
Екранування силових кабелів включає екранування провідників, екранування ізоляції та металеве екранування. Згідно з відповідними стандартами, кабелі з номінальною напругою понад 0,6/1 кВ повинні мати металевий захисний шар, який може бути нанесений на кожну ізольовану жилу або на багатожильну жилу багатожильного кабелю. Для кабелів з ізоляцією XLPE з номінальною напругою не менше 3,6/6 кВ та тонкоізольованих кабелів EPR з номінальною напругою не менше 3,6/6 кВ (або товстоізольованих кабелів з номінальною напругою не менше 6/10 кВ) також потрібні внутрішні та зовнішні напівпровідникові екрануючі конструкції.
(1) Екранування провідників та екранування ізоляції
Екранування провідника (внутрішнє напівпровідникове екранування) має бути неметалевим, складатися з екструдованого напівпровідникового матеріалу або напівпровідникової стрічки, обгорнутої навколо провідника, а потім екструдованого напівпровідникового шару.
Ізоляційний екран (зовнішній напівпровідниковий екран) – це неметалевий напівпровідниковий шар, екструдований безпосередньо на зовнішню поверхню кожної ізольованої жили, який може бути щільно прикріплений до ізоляції або відшаровуватися від неї. Екструдовані внутрішній та зовнішній напівпровідникові шари повинні бути щільно прикріплені до ізоляції, з гладкими межами розділу, без помітних слідів дроту, гострих країв, частинок, слідів підгоряння або подряпин. Питомий опір до та після старіння не повинен перевищувати 1000 Ом·м для захисного шару провідника та 500 Ом·м для захисного шару ізоляції.
Внутрішні та зовнішні напівпровідникові екрануючі матеріали виготовляються шляхом змішування відповідних ізоляційних матеріалів (таких як зшитий поліетилен, етилен-пропіленовий каучук тощо) з сажею, антиоксидантами, сополімером етилен-вінілацетату та іншими добавками. Частинки сажі повинні бути рівномірно розподілені в полімері, без агломерації або поганої дисперсії.
Товщина внутрішнього та зовнішнього напівпровідникових захисних шарів збільшується з рівнем напруги. Оскільки напруженість електричного поля на ізоляційному шарі вища всередині та нижча зовні, товщина напівпровідникових захисних шарів також повинна бути більшою всередині, ніж зовні. У минулому зовнішній напівпровідниковий екрануючий шар робили трохи товщим за внутрішній, щоб запобігти подряпинам через поганий контроль провисання або проколів, спричинених надмірно твердими мідними стрічками. Тепер, завдяки автоматичному онлайн-моніторингу провисання та відпаленим м’яким мідним стрічкам, внутрішній напівпровідниковий захисний шар повинен бути трохи товщим або рівним зовнішньому шару. Для кабелів 6–10–35 кВ товщина внутрішнього шару зазвичай становить 0,5–0,6–0,8 мм.
(2) Металеве екранування
Кабелі з номінальною напругою понад 0,6/1 кВ повинні мати металевий захисний шар. Металевий захисний шар слід наносити на кожну ізольовану жилу або жилу кабелю. Металевий екран повинен складатися з однієї або кількох металевих стрічок, металевих обплетень, концентричних шарів металевих дротів або комбінації металевих дротів та металевих стрічок.
У Європі та інших розвинених країнах, через використання двоконтурних систем із опорним заземленням та вищими струмами короткого замикання, зазвичай використовується екранування мідним дротом. Деякі виробники вбудовують мідні дроти в розділювальну оболонку або зовнішню оболонку, щоб зменшити діаметр кабелю. У Китаї, за винятком деяких ключових проектів, що використовують двоконтурні системи із опорним заземленням, більшість систем використовують одноконтурні джерела живлення із дугогасильним заземленням, які обмежують струм короткого замикання до мінімуму, тому можна використовувати екранування мідною стрічкою. Кабельні заводи обробляють придбані тверді мідні стрічки шляхом розрізання та відпалу для досягнення певного подовження та міцності на розтяг (занадто тверді стрічки подряпають захисний шар ізоляції, занадто м'які - зморщуються) перед використанням. М'які мідні стрічки повинні відповідати стандарту GB/T11091-2005 "Мідна стрічка для кабелів".
Мідний стрічковий екран повинен складатися з одного шару м'якої мідної стрічки, що перекривається, або двох шарів спірально обмотаної м'якої мідної стрічки з проміжками. Середній коефіцієнт перекриття мідної стрічки повинен становити 15% від її ширини (номінальне значення), а мінімальний коефіцієнт перекриття не повинен бути менше 5%. Номінальна товщина мідної стрічки повинна бути не менше 0,12 мм для одножильних кабелів та не менше 0,10 мм для багатожильних кабелів. Мінімальна товщина мідної стрічки не повинна бути менше 90% від номінального значення. Залежно від зовнішнього діаметра ізоляційного екрану (≤25 мм або >25 мм), ширина мідної стрічки зазвичай становить 30–35 мм.
Екранування мідним дротом виготовляється з спірально навитих м'яких мідних дротів, закріплених зустрічною спіральною обмоткою з мідних дротів або мідних стрічок. Його опір повинен відповідати вимогам GB/T3956-2008 «Провідники кабелів», а його номінальна площа поперечного перерізу повинна визначатися відповідно до здатності до струму короткого замикання. Екранування мідним дротом може наноситися на внутрішню оболонку трижильних кабелів або безпосередньо на ізоляцію, зовнішній напівпровідниковий захисний шар чи відповідну внутрішню оболонку одножильних кабелів. Середній зазор між сусідніми мідними дротами не повинен перевищувати 4 мм. Середній зазор G розраховується за формулою:
де:
D – діаметр жили кабелю під екрануванням з мідного дроту, мм;
d – діаметр мідного дроту, мм;
n – кількість мідних дротів.
2. Роль захисних шарів та їх зв'язок з рівнями напруги
(1) Роль внутрішнього та зовнішнього напівпровідникового екранування
Кабельні провідники зазвичай ущільнюються з багатожильних дротів. Під час екструзії ізоляції між поверхнею провідника та шаром ізоляції можуть виникати зазори, задирки та інші нерівності поверхні, що спричиняє концентрацію електричного поля, що призводить до локального розряду в повітряному зазорі та деревоподібного розряду, а також знижує діелектричні характеристики. Екструзія шару напівпровідникового матеріалу (екранування провідника) на поверхню провідника забезпечує щільний контакт з ізоляцією. Оскільки напівпровідниковий шар та провідник мають однаковий потенціал, навіть якщо між ними є зазори, дії електричного поля не буде, що запобігає частковим розрядам.
Аналогічно, між зовнішньою поверхнею ізоляції та металевою оболонкою (або металевим екрануванням) є зазори, і чим вищий рівень напруги, тим більша ймовірність розряду в повітряному зазорі. Шляхом екструзії напівпровідникового шару (ізоляційного екранування) на зовнішню поверхню ізоляції, разом з металевою оболонкою, утворюється зовнішня еквіпотенціальна поверхня, що усуває електричні поля в зазорах та запобігає частковим розрядам.
(2) Роль металевого екранування
Функції металевого екранування включають: проведення ємнісного струму за нормальних умов, слугуючи шляхом для струму короткого замикання під час несправностей; обмеження електричного поля всередині ізоляції (зменшення зовнішніх електромагнітних перешкод) та забезпечення однорідного радіального електричного поля; діючи як нейтральна лінія в трифазних чотирипровідних системах для проведення незбалансованого струму; та забезпечення радіального захисту від водоблокування.
Час публікації: 28 липня 2025 р.