Ekranowanie stosowane w przewodach i kablach opiera się na dwóch zupełnie różnych koncepcjach: ekranowaniu elektromagnetycznym i ekranowaniu pola elektrycznego. Ekranowanie elektromagnetyczne ma na celu zapobieganie powstawaniu zakłóceń zewnętrznych przez kable przesyłające sygnały o wysokiej częstotliwości (takie jak kable RF i kable elektroniczne) lub blokowanie zewnętrznych fal elektromagnetycznych przed zakłóceniami w kablach przesyłających słabe prądy (takich jak kable sygnałowe lub pomiarowe), a także redukcję przesłuchów między przewodami. Ekranowanie pola elektrycznego ma na celu zrównoważenie silnego pola elektrycznego na powierzchni przewodnika lub izolacji kabli elektroenergetycznych średniego i wysokiego napięcia.
1. Struktura i wymagania dotyczące warstw ekranujących pole elektryczne
Ekranowanie kabli elektroenergetycznych obejmuje ekranowanie żył, ekranowanie izolacji oraz ekranowanie metalowe. Zgodnie z odpowiednimi normami, kable o napięciu znamionowym powyżej 0,6/1 kV powinny posiadać metalową warstwę ekranującą, którą można nałożyć na każdą żyłę izolowaną lub na wielożyłowy rdzeń linkowy. W przypadku kabli z izolacją XLPE o napięciu znamionowym nie mniejszym niż 3,6/6 kV oraz kabli cienkoizolacyjnych EPR o napięciu znamionowym nie mniejszym niż 3,6/6 kV (lub kabli gruboizolacyjnych o napięciu znamionowym nie mniejszym niż 6/10 kV) wymagane są również wewnętrzne i zewnętrzne ekrany półprzewodzące.
(1) Ekranowanie przewodnika i ekranowanie izolacji
Ekranowanie przewodnika (wewnętrzne ekranowanie półprzewodzące) powinno być niemetaliczne i składać się z wytłaczanego materiału półprzewodzącego lub taśmy półprzewodzącej owiniętej wokół przewodnika, a następnie wytłaczanej warstwy półprzewodzącej.
Ekranowanie izolacyjne (zewnętrzne ekranowanie półprzewodzące) to niemetaliczna warstwa półprzewodząca wytłaczana bezpośrednio na zewnętrzną powierzchnię każdego izolowanego rdzenia, którą można ściśle połączyć z izolacją lub odkleić. Wytłoczone wewnętrzne i zewnętrzne warstwy półprzewodzące powinny być ściśle połączone z izolacją, z gładkimi stykami, bez widocznych śladów splotu, ostrych krawędzi, cząstek, śladów przypalenia lub zarysowań. Rezystywność przed i po starzeniu nie powinna przekraczać 1000 Ω·m dla warstwy ekranującej przewodnik i 500 Ω·m dla warstwy ekranującej izolację.
Wewnętrzne i zewnętrzne półprzewodzące materiały ekranujące powstają poprzez zmieszanie odpowiednich materiałów izolacyjnych (takich jak usieciowany polietylen, kauczuk etylenowo-propylenowy itp.) z sadzą, przeciwutleniaczami, kopolimerem etylenu i octanu winylu oraz innymi dodatkami. Cząsteczki sadzy powinny być równomiernie rozproszone w polimerze, bez aglomeracji ani słabej dyspersji.
Grubość wewnętrznej i zewnętrznej półprzewodzącej warstwy ekranującej wzrasta wraz ze wzrostem napięcia. Ponieważ natężenie pola elektrycznego na warstwie izolacyjnej jest wyższe wewnątrz i niższe na zewnątrz, grubość półprzewodzących warstw ekranujących powinna być również większa wewnątrz niż na zewnątrz. W przeszłości zewnętrzna półprzewodząca warstwa ekranująca była nieco grubsza niż wewnętrzna, aby zapobiec zarysowaniom spowodowanym słabą kontrolą zwisu lub przebiciami spowodowanymi przez zbyt twarde taśmy miedziane. Obecnie, dzięki automatycznemu monitorowaniu zwisu online i wyżarzaniu miękkich taśm miedzianych, wewnętrzna półprzewodząca warstwa ekranująca powinna być nieco grubsza lub równa warstwie zewnętrznej. W przypadku kabli 6–10–35 kV grubość warstwy wewnętrznej wynosi zazwyczaj 0,5–0,6–0,8 mm.
(2) Ekranowanie metalowe
Kable o napięciu znamionowym powyżej 0,6/1 kV powinny być wyposażone w metalową warstwę ekranującą. Metalowa warstwa ekranująca powinna być nałożona na każdy izolowany rdzeń lub rdzeń kabla. Metalowy ekran powinien składać się z jednej lub kilku taśm metalowych, oplotów metalowych, koncentrycznych warstw drutów metalowych lub kombinacji drutów metalowych i taśm metalowych.
W Europie i innych krajach rozwiniętych, ze względu na stosowanie uziemionych rezystancyjnie dwuobwodowych systemów o wyższych prądach zwarciowych, powszechnie stosuje się ekranowanie drutem miedzianym. Niektórzy producenci wbudowują przewody miedziane w osłonę separacyjną lub zewnętrzną, aby zmniejszyć średnicę kabla. W Chinach, z wyjątkiem kilku kluczowych projektów wykorzystujących uziemione rezystancyjnie dwuobwodowe systemy, większość systemów wykorzystuje jednoobwodowe zasilacze z uziemioną cewką gaszącą łuk elektryczny, które ograniczają prąd zwarciowy do minimum, dzięki czemu możliwe jest stosowanie ekranowania taśmą miedzianą. Fabryki kabli przetwarzają zakupione twarde taśmy miedziane poprzez cięcie i wyżarzanie w celu uzyskania określonego wydłużenia i wytrzymałości na rozciąganie (zbyt twarde taśmy zarysują warstwę izolacji, zbyt miękkie – pomarszczą się) przed użyciem. Miękkie taśmy miedziane powinny być zgodne z normą GB/T11091-2005 „Taśmy miedziane do kabli”.
Ekranowanie taśmą miedzianą powinno składać się z jednej warstwy nakładającej się miękkiej taśmy miedzianej lub dwóch warstw spiralnie owiniętej miękkiej taśmy miedzianej z przerwami. Średni stopień nakładania się taśmy miedzianej powinien wynosić 15% jej szerokości (wartość nominalna), a minimalny stopień nakładania się nie powinien być mniejszy niż 5%. Nominalna grubość taśmy miedzianej powinna wynosić co najmniej 0,12 mm dla kabli jednożyłowych i co najmniej 0,10 mm dla kabli wielożyłowych. Minimalna grubość taśmy miedzianej nie powinna być mniejsza niż 90% wartości nominalnej. W zależności od średnicy zewnętrznej ekranu izolacyjnego (≤25 mm lub >25 mm), szerokość taśmy miedzianej wynosi zazwyczaj 30–35 mm.
Ekran z drutu miedzianego wykonany jest z miękkich drutów miedzianych nawiniętych spiralnie, zabezpieczonych przeciwspiralnym oplotem z drutów miedzianych lub taśm miedzianych. Jego rezystancja powinna spełniać wymagania normy GB/T3956-2008 „Przewody kabli”, a jego nominalne pole przekroju poprzecznego powinno być określone na podstawie obciążalności prądowej. Ekran z drutu miedzianego może być nakładany na powłokę wewnętrzną kabli trzyżyłowych lub bezpośrednio na izolację, zewnętrzną warstwę ekranującą półprzewodzącą lub odpowiednią powłokę wewnętrzną kabli jednożyłowych. Średni odstęp między sąsiednimi przewodami miedzianymi nie powinien przekraczać 4 mm. Średni odstęp G oblicza się według wzoru:
Gdzie:
D – średnica rdzenia kabla pod ekranem z drutu miedzianego, w mm;
d – średnica drutu miedzianego, w mm;
n – liczba drutów miedzianych.
2. Rola warstw ekranujących i ich związek z poziomami napięcia
(1) Rola wewnętrznego i zewnętrznego ekranowania półprzewodzącego
Przewody kablowe są zazwyczaj zagęszczane z wielożyłowych przewodów. Podczas wytłaczania izolacji, między powierzchnią przewodu a warstwą izolacyjną mogą występować szczeliny, zadziory i inne nierówności powierzchni, co powoduje koncentrację pola elektrycznego, prowadząc do lokalnych wyładowań w szczelinie powietrznej i wyładowań typu treeing, a także obniżając parametry dielektryczne. Wytłaczanie warstwy materiału półprzewodzącego (ekranu) na powierzchnię przewodu zapewnia ścisły kontakt z izolacją. Ponieważ warstwa półprzewodząca i przewód mają ten sam potencjał, nawet jeśli występują między nimi szczeliny, nie wystąpi działanie pola elektrycznego, co zapobiega wyładowaniom niezupełnym.
Podobnie, między zewnętrzną powierzchnią izolacji a metalową osłoną (lub metalowym ekranem) występują szczeliny, a im wyższe napięcie, tym większe prawdopodobieństwo wystąpienia wyładowania w szczelinie powietrznej. Poprzez wytłaczanie warstwy półprzewodzącej (izolacji ekranowej) na zewnętrznej powierzchni izolacji, powstaje zewnętrzna powierzchnia ekwipotencjalna z metalową osłoną, eliminując pola elektryczne w szczelinach i zapobiegając wyładowaniom niezupełnym.
(2) Rola osłony metalowej
Funkcje ekranowania metalowego obejmują: przenoszenie prądu pojemnościowego w normalnych warunkach, działanie jako ścieżka dla prądu zwarciowego podczas usterek; ograniczanie pola elektrycznego wewnątrz izolacji (zmniejszanie zewnętrznych zakłóceń elektromagnetycznych) i zapewnianie jednolitego promieniowego pola elektrycznego; działanie jako przewód neutralny w trójfazowych czteroprzewodowych układach do przenoszenia niezrównoważonego prądu; oraz zapewnianie promieniowej ochrony przed blokowaniem wody.
Czas publikacji: 28 lipca 2025 r.