Экранирование, используемое в проводах и кабелях, имеет две совершенно разные концепции: электромагнитное экранирование и экранирование электрическим полем. Электромагнитное экранирование предназначено для предотвращения внешних помех от кабелей, передающих высокочастотные сигналы (таких как радиочастотные кабели и электронные кабели), или для блокирования внешних электромагнитных волн, создающих помехи для кабелей, передающих слабые токи (таких как сигнальные или измерительные кабели), а также для уменьшения перекрестных помех между проводами. Экранирование электрическим полем предназначено для уравновешивания сильного электрического поля на поверхности проводника или изоляционной поверхности силовых кабелей среднего и высокого напряжения.
1. Структура и требования к слоям экранирования электрического поля.
Экранирование силовых кабелей включает экранирование проводников, экранирование изоляции и металлическое экранирование. Согласно соответствующим стандартам, кабели с номинальным напряжением более 0,6/1 кВ должны иметь металлический экранирующий слой, который может быть нанесен на каждый изолированный жильный проводник или на многожильный жильный проводник. Для кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена (XLPE) с номинальным напряжением не менее 3,6/6 кВ и кабелей с тонкой изоляцией из эпоксидной смолы (EPR) с номинальным напряжением не менее 3,6/6 кВ (или кабелей с толстой изоляцией с номинальным напряжением не менее 6/10 кВ) также требуются внутренние и внешние полупроводниковые экранирующие структуры.
(1) Экранирование проводника и экранирование изоляции
Экранирование проводника (внутреннее полупроводниковое экранирование) должно быть неметаллическим и состоять из экструдированного полупроводникового материала или полупроводниковой ленты, обернутой вокруг проводника, с последующим нанесением экструдированного полупроводникового слоя.
Экранирование изоляции (внешний полупроводниковый экран) представляет собой неметаллический полупроводниковый слой, экструдированный непосредственно на внешнюю поверхность каждого изолированного сердечника, который может быть либо прочно приклеен к изоляции, либо отслаиваться от нее. Экструдированные внутренний и внешний полупроводниковые слои должны быть прочно приклеены к изоляции, иметь гладкие границы раздела, отсутствие видимых следов от жил, острых краев, частиц, следов обгорания или царапин. Сопротивление до и после старения не должно превышать 1000 Ом·м для экранирующего слоя проводника и 500 Ом·м для экранирующего слоя изоляции.
Внутренние и внешние полупроводниковые экранирующие материалы изготавливаются путем смешивания соответствующих изоляционных материалов (таких как сшитый полиэтилен, этиленпропиленовый каучук и т. д.) с сажей, антиоксидантами, сополимером этилена и винилацетата и другими добавками. Частицы сажи должны быть равномерно распределены в полимере, без агломерации или плохого распределения.
Толщина внутреннего и внешнего полупроводниковых экранирующих слоев увеличивается с повышением уровня напряжения. Поскольку напряженность электрического поля на изоляционном слое выше внутри и ниже снаружи, толщина полупроводниковых экранирующих слоев также должна быть больше внутри, чем снаружи. В прошлом внешний полупроводниковый экран делался немного толще внутреннего, чтобы предотвратить царапины из-за плохого контроля провисания или проколы, вызванные слишком жесткими медными лентами. Теперь, благодаря онлайн-автоматическому мониторингу провисания и использованию отожженных мягких медных лент, внутренний полупроводниковый экранирующий слой должен быть немного толще или равен толщине внешнего слоя. Для кабелей 6–10–35 кВ толщина внутреннего слоя обычно составляет 0,5–0,6–0,8 мм.
(2) Металлическая защита
Кабели с номинальным напряжением более 0,6/1 кВ должны иметь металлический экранирующий слой. Металлический экранирующий слой должен быть нанесен на каждый изолированный сердечник или жилу кабеля. Металлическое экранирование должно состоять из одной или нескольких металлических лент, металлических оплеток, концентрических слоев металлических проводов или комбинации металлических проводов и металлических лент.
В Европе и других развитых странах, в связи с использованием двухцепных систем с резистивным заземлением и более высокими токами короткого замыкания, широко применяется экранирование медной проволокой. Некоторые производители встраивают медные провода в разделительную или внешнюю оболочку кабеля для уменьшения его диаметра. В Китае, за исключением некоторых ключевых проектов, использующих двухцепные системы с резистивным заземлением, большинство систем используют одноцепные источники питания с заземлением катушки подавления дуги, что сводит ток короткого замыкания к минимуму, поэтому можно использовать экранирование медной лентой. Кабельные заводы обрабатывают закупленные твердые медные ленты путем нарезки и отжига для достижения определенного удлинения и прочности на разрыв (слишком твердые поцарапают экранирующий слой изоляции, слишком мягкие образуют складки) перед использованием. Мягкие медные ленты должны соответствовать стандарту GB/T11091-2005 «Медная лента для кабелей».
Экранирование медной лентой должно состоять из одного слоя перекрывающейся мягкой медной ленты или двух слоев спирально намотанной мягкой медной ленты с зазорами. Средняя степень перекрытия медной ленты должна составлять 15% от ее ширины (номинальное значение), а минимальная степень перекрытия не должна быть менее 5%. Номинальная толщина медной ленты должна составлять не менее 0,12 мм для одножильных кабелей и не менее 0,10 мм для многожильных кабелей. Минимальная толщина медной ленты не должна быть менее 90% от номинального значения. В зависимости от внешнего диаметра экранирующей изоляции (≤25 мм или >25 мм) ширина медной ленты обычно составляет 30–35 мм.
Экранирование медными проводами осуществляется из спирально намотанных мягких медных проводов, закрепленных контрспиральной обмоткой из медных проводов или медных лент. Его сопротивление должно соответствовать требованиям стандарта GB/T3956-2008 «Проводники кабелей», а номинальная площадь поперечного сечения определяется в соответствии с допустимым током короткого замыкания. Экранирование медными проводами может применяться поверх внутренней оболочки трехжильных кабелей или непосредственно поверх изоляции, внешнего полупроводникового экранирующего слоя или соответствующей внутренней оболочки одножильных кабелей. Средний зазор между соседними медными проводами не должен превышать 4 мм. Средний зазор G рассчитывается по формуле:
где:
D – диаметр жилы кабеля под медным экранирующим проводом, в мм;
d – диаметр медной проволоки, в мм;
n – количество медных проводов.
2. Роль экранирующих слоев и их связь с уровнями напряжения
(1) Роль внутреннего и внешнего полупроводникового экранирования
Проводники кабеля обычно уплотняются из нескольких многожильных проводов. В процессе экструзии изоляции между поверхностью проводника и изоляционным слоем могут возникать зазоры, заусенцы и другие неровности поверхности, вызывающие концентрацию электрического поля, приводящие к локальным разрядам в воздушном зазоре и древовидным разрядам, а также снижающие диэлектрические характеристики. Экструзия слоя полупроводникового материала (экранирование проводника) на поверхность проводника обеспечивает плотный контакт с изоляцией. Поскольку полупроводниковый слой и проводник находятся под одним и тем же потенциалом, даже при наличии зазоров между ними не будет действовать электрическое поле, что предотвращает частичные разряды.
Аналогично, между внешней поверхностью изоляции и металлической оболочкой (или металлическим экраном) имеются зазоры, и чем выше уровень напряжения, тем выше вероятность разряда в воздушном зазоре. Путем экструзии полупроводникового слоя (изоляционного экрана) на внешней поверхности изоляции образуется внешняя эквипотенциальная поверхность с металлическим экраном, устраняющая электрические поля в зазорах и предотвращающая частичные разряды.
(2) Роль металлического экранирования
Функции металлического экранирования включают в себя: пропускание емкостного тока в нормальных условиях, служение в качестве пути для тока короткого замыкания при неисправностях; ограничение электрического поля внутри изоляции (снижение внешних электромагнитных помех) и обеспечение равномерного радиального электрического поля; выполнение функции нейтральной линии в трехфазных четырехпроводных системах для пропускания несимметричного тока; и обеспечение радиальной защиты от проникновения воды.
Дата публикации: 28 июля 2025 г.