電力電纜的屏蔽簡述
發(fā)布時間：
2024-01-04
根據(jù)相關(guān)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，額定電壓超過2kV的電纜就需要有導(dǎo)體屏蔽。導(dǎo)體屏蔽，也叫內(nèi)屏蔽，它的作用是在相對粗糙的絞合導(dǎo)體表面形成一層光滑層，以減少在絕緣界面的電場集中。
1.引言
電氣系統(tǒng)用電力電纜的屏蔽由圍繞單個導(dǎo)體或者一束絕緣導(dǎo)體的絕緣、接地的導(dǎo)電物質(zhì)組成。屏蔽把電場限制在屏蔽內(nèi)部使用了兩種不同類型的屏蔽：金屬結(jié)構(gòu)以及非金屬和金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)。絕緣屏蔽的目的如下：
1） 在絕緣內(nèi)實現(xiàn)均勻?qū)ΨQ的徑向電場分布。
2） 消除絕緣表面的縱向和切線電場。
3） 隔離絕緣與其他各種材料，如編織、包帶、填充等。
4） 感應(yīng)電壓或者過電壓時保護(hù)電纜，通過在電纜沿線制造均一的浪涌阻抗來衰減電涌，保護(hù)電纜。
2.導(dǎo)體屏蔽
根據(jù)相關(guān)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，額定電壓超過2kV的電纜就需要有導(dǎo)體屏蔽。導(dǎo)體屏蔽，也叫內(nèi)屏蔽，它的作用是在相對粗糙的絞合導(dǎo)體表面形成一層光滑層，以減少在絕緣界面的電場集中。充油電纜和擠包絕緣都有導(dǎo)體屏蔽層。導(dǎo)體屏蔽的材料是半導(dǎo)電材料或者是高介電常數(shù)材料，又稱為應(yīng)力控制材料。這兩種材料都能起到應(yīng)力消減的作用。
紙絕緣電纜的導(dǎo)體屏蔽采用炭黑包帶或者金屬化紙帶。
導(dǎo)體屏蔽材料最初是把半導(dǎo)電帶螺旋形繞包在導(dǎo)體上。現(xiàn)今的標(biāo)準(zhǔn)仍然允許在導(dǎo)體上包帶，這種工藝特別適用于大截面導(dǎo)體中壓電纜，可以在擠出半導(dǎo)電材料時 扎緊絞線。經(jīng)驗表明，僅釆用半導(dǎo)電包帶是不夠的，因此，電纜工業(yè)界改變了要求，需要在導(dǎo)體上擠出導(dǎo)體屏蔽層。
現(xiàn)今，對于擠包絕緣電纜，導(dǎo)體屏蔽層作為半導(dǎo)電層與絕緣同時擠在導(dǎo)體上，成為應(yīng)力消減層。保持導(dǎo)體屏蔽和絕緣層界面上不能有微孔或雜質(zhì)是至關(guān)重要的，原因是在這個區(qū)域的電場強(qiáng)度是電纜中最高的。
如今的半導(dǎo)電擠出層材料是潔凈的（最大限度地減少雜質(zhì)），擠岀非常光滑和圓整。這能極大地減少水樹的形成。水樹在電場集中的不規(guī)則表面（常常稱為突起）產(chǎn)生。把導(dǎo)體屏蔽和絕緣在擠出時同時交聯(lián)，這樣就能組成牢固的黏結(jié)，能盡可能減少在臨界界面上微孔的形成。
考慮到兼容性，導(dǎo)體屏蔽材料常常與絕緣材料相同或者相近。在導(dǎo)體屏蔽中加入特殊的炭黑來保證一定的電導(dǎo)率。電纜工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求導(dǎo)體屏蔽材料的電阻率最大不應(yīng)超過1000Ω• m。這些標(biāo)準(zhǔn)同時要求半導(dǎo)電材料通過一個在緊急運行溫度下的長期電阻穩(wěn)定性試驗，來確保導(dǎo)體屏蔽層的電導(dǎo)率以及電纜的長期壽命。
還有一個做法沒有廣泛應(yīng)用。它是把防水材料加入到導(dǎo)體屏蔽中來實現(xiàn)徑向的防潮性能。這種設(shè)計是在半導(dǎo)電材料包含一薄層的鋁或者鉛三明治復(fù)合層。相同的復(fù)合層設(shè)計也可以用在絕緣屏蔽上。
沒有一個確定的標(biāo)準(zhǔn)來描述擠出性屏蔽材料宣稱的超光滑和超潔凈等級。采用制造商的商標(biāo)或者品名來描述材料，通常是不合適的。超光滑和超潔凈只是當(dāng)時描述與早期產(chǎn)品性能比較的一種宣傳。由于知名制造商的舊牌號材料不再用于中壓電纜，這僅是一個學(xué)術(shù)問題，使用超光滑和超潔凈宣傳是由于在實 驗室評估中新材料對電纜性能有巨大的提高。
3.中壓電纜的絕緣屏蔽
中壓電纜的絕緣屏蔽由兩部分組成：1）半導(dǎo)電層或者應(yīng)力消減層。2）金屬層，包括一層或多層金屬帶、屏蔽引出線、同心中性線或者金屬管。這兩個組成部分的功能是保證電纜的長期使用壽命。擠出的聚合物屏蔽層多年以前就已經(jīng)代替了包帶屏蔽層。這擠出的一層叫做絕緣屏蔽或者外屏蔽。絕緣屏蔽的特性和兼容性要求與導(dǎo)體屏蔽相近。但是標(biāo)準(zhǔn)對絕緣屏蔽的體積電阻率要求是不得大于500Ω/m。與導(dǎo)體屏蔽相比，電阻率要求值的降低意味著外面的金屬屏蔽層可能不會連續(xù)接觸絕緣屏蔽（比如屏蔽線間有空隙），而且事實上在電纜帶電時，人員有可能接觸電纜的外層。
非金屬屏蔽層直接擠包在絕緣上，界面上電場強(qiáng)度低于導(dǎo)體屏蔽與絕緣層界面的場強(qiáng)。為了安裝接頭和終端的方便，在電壓不高于46kV時，絕緣屏蔽不需要粘結(jié)絕緣層。在更高電壓時，強(qiáng)烈建議使用粘結(jié)絕緣的屏蔽層。
由于大多數(shù)用戶希望絕緣屏蔽易于剝離，絕緣電纜工程師協(xié)會（1CEA）的標(biāo) 準(zhǔn)S-94-649-2004⑵規(guī)定了剝離拉力的限值。目前限值是把平行于導(dǎo)體的0.5in的 薄片以與絕緣表面垂直方向剝離的拉力應(yīng)該在3 ~24Ibf之間。
3.1金屬屏蔽
絕緣屏蔽或者外屏蔽的金屬部分為充電電流提供了必要低電阻接地通道。必須意識到，擠出的屏蔽層不能在持續(xù)的大于幾毫安的電流下保持完好。這些材料能經(jīng)受小的充電電流，但是不能承受不平衡電流或者故障電流。
一方面，絕緣屏蔽系統(tǒng)的金屬部分必須能容納更大的電流。另一方面，單芯電纜屏蔽中使用太多的金屬在下述兩個方面都很不劃算，首先，多余的金屬屏蔽層增加了電纜的初始成本。其次，絕緣屏蔽的金屬越多（電導(dǎo)率大），導(dǎo)體電流在屏蔽中產(chǎn)生的屏蔽損耗也就越大。
電纜設(shè)計時必須設(shè)計足夠的金屬屏蔽，以確保在電纜壽命期內(nèi)出現(xiàn)電纜故障時能起動后備保護(hù)。這也關(guān)系到屏蔽損耗。因此，下列問題是很重要的。
1） 分析回路的短路設(shè)備。熔斷器、重合閘或者冋路斷路器的設(shè)計和運行特性 如何？
2） 在電纜壽命期內(nèi)，故障電流水平如何？
3） 能夠承受的屏蔽損耗水平。屏蔽多少次接地？是否配有防止接地電流的屏蔽斷路器？
盡管在1CEA標(biāo)準(zhǔn)中對單芯地下直埋電纜有全回流線和1/3回流線的布置，但對于特定的工程，這可能不是最經(jīng)濟(jì)的設(shè)計。如何最優(yōu)化中性線的金屬使用已經(jīng)有研究成果發(fā)表，在進(jìn)行電纜設(shè)計前，應(yīng)該閱讀相應(yīng)的文獻(xiàn)。
3.2同心中性線電纜
使用同心中性線電纜時，應(yīng)按照適用的ICEA標(biāo)準(zhǔn)制造同心中性線。無鍍層單線應(yīng)符合ASTM B3標(biāo)準(zhǔn)，有鍍層單線應(yīng)符合ASTM B33標(biāo)準(zhǔn)。屏蔽單線直接絞合 在非金屬絕緣屏蔽上，絞合節(jié)距是中性線外徑的6-10倍。該電纜用于承受屏蔽中的中性回路電流，還能完成電纜金屬屏蔽的其他功能。這有可能在屏蔽中需要使用更多的金屬，導(dǎo)致較大的屏蔽損耗。
回路的交變正弦波中不斷增加的諧波是一個復(fù)雜的因素。如果諧波分量太大的話，需要額外的中性線容量。
4.低壓電力電纜的金屬屏蔽
當(dāng)?shù)蛪弘娎|的感應(yīng)干擾成為麻煩時，通常需要屏蔽。在很多通信、儀表和控制電纜使用的場合，小的電氣信號可能會沿著電纜導(dǎo)體 傳播，在接收端放大。由于感應(yīng)干擾產(chǎn)生的噪聲（不希望的信號）可能會和需要的信號同樣大，這樣會導(dǎo)致信號錯誤或者影響聲音傳播的音頻噪聲。
在全頻段，有必要把干擾分開為電場效應(yīng)和磁場效應(yīng)。
4.1 電場
電場影響是電容耦合或者回路間的互電容。采用連續(xù)的金屬屏蔽隔離受擾回路和干擾回路就能起效。甚至使用與接地線相連的半導(dǎo)電擠出層或者包帶都能有電場屏蔽的效果。
4.2磁場
磁場效應(yīng)是回路間的磁場耦合。與電場相比要稍微復(fù)雜一些。
在甚高頻，源的能量發(fā)射認(rèn)為是輻射。輻射隨頻率的二次方增加。電磁場輻射會在相當(dāng)大的距離內(nèi)產(chǎn)生干擾.它能侵入屏蔽的任一開路區(qū)。這種情況容易發(fā)生在沒有縱包屏蔽的狀況，如編織屏蔽和包帶屏蔽時。屏蔽使用的金屬材質(zhì)也會影響干擾的量值。只要不是鐵磁性金屬材料，都能對金屬屏蔽中沖擊場致渦流有一定的屏蔽效果，渦流的趨勢是中和干擾場，非金屬屏蔽，也就是半導(dǎo)電屏蔽對磁場效應(yīng)是 無效的。通常最有效的磁屏蔽是使用完整的鋼管，但一般很難實施。
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