電力電纜的屏蔽簡述
發布時間：
2024-01-04
根據相關的工業標準，額定電壓超過2kV的電纜就需要有導體屏蔽。導體屏蔽，也叫內屏蔽，它的作用是在相對粗糙的絞合導體表麵形成一層光滑層，以減少在絕緣界麵的電場集中。
1.引言
電氣係統用電力電纜的屏蔽由圍繞單個導體或者一束絕緣導體的絕緣、接地的導電物質組成。屏蔽把電場限製在屏蔽內部使用了兩種不同類型的屏蔽：金屬結構以及非金屬和金屬複合結構。絕緣屏蔽的目的如下：
1） 在絕緣內實現均勻對稱的徑向電場分布。
2） 消除絕緣表麵的縱向和切線電場。
3） 隔離絕緣與其他各種材料，如編織、包帶、填充等。
4） 感應電壓或者過電壓時保護電纜，通過在電纜沿線製造均一的浪湧阻抗來衰減電湧，保護電纜。
2.導體屏蔽
根據相關的工業標準，額定電壓超過2kV的電纜就需要有導體屏蔽。導體屏蔽，也叫內屏蔽，它的作用是在相對粗糙的絞合導體表麵形成一層光滑層，以減少在絕緣界麵的電場集中。充油電纜和擠包絕緣都有導體屏蔽層。導體屏蔽的材料是半導電材料或者是高介電常數材料，又稱為應力控製材料。這兩種材料都能起到應力消減的作用。
紙絕緣電纜的導體屏蔽采用炭黑包帶或者金屬化紙帶。
導體屏蔽材料最初是把半導電帶螺旋形繞包在導體上。現今的標準仍然允許在導體上包帶，這種工藝特別適用於大截麵導體中壓電纜，可以在擠出半導電材料時 紮緊絞線。經驗表明，僅釆用半導電包帶是不夠的，因此，電纜工業界改變了要 求，需要在導體上擠出導體屏蔽層。
現今，對於擠包絕緣電纜，導體屏蔽層作為半導電層與絕緣同時擠在導體上， 成為應力消減層。保持導體屏蔽和絕緣層界麵上不能有微孔或雜質是至關重要的， 原因是在這個區域的電場強度是電纜中最高的。
如今的半導電擠出層材料是潔淨的（最大限度地減少雜質），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則表麵（常常稱為突起）產生。把導體屏蔽和絕緣在擠出時同時交聯，這樣就能組成牢固的黏結，能盡可能減少在臨界界麵上微孔的形成。
考慮到兼容性，導體屏蔽材料常常與絕緣材料相同或者相近。在導體屏蔽中加入特殊的炭黑來保證一定的電導率。電纜工業標準要求導體屏蔽材料的電阻率最大不應超過1000Ω• m。這些標準同時要求半導電材料通過一個在緊急運行溫度下的 長期電阻穩定性試驗，來確保導體屏蔽層的電導率以及電纜的長期壽命。
還有一個做法沒有廣泛應用。它是把防水材料加入到導體屏蔽中來實現徑向的防潮性能。這種設計是在半導電材料包含一薄層的鋁或者鉛三明治複合層。相同的複合層設計也可以用在絕緣屏蔽上。
沒有一個確定的標準來描述擠出性屏蔽材料宣稱的超光滑和超潔淨等級。采用製造商的商標或者品名來描述材料，通常是不合適的。超光滑和超潔淨隻是當時描述與早期產品性能比較的一種宣傳。由於知名製造商的舊牌號材料不再用於中壓電纜，這僅是一個學術問題，使用超光滑和超潔淨宣傳是由於在實 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）半導電層或者應力消減層。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體屏蔽相近。但是標準對絕 緣屏蔽的體積電阻率要求是不得大於500Ω • m。與導體屏蔽相比，電阻率要求值的降低意味著外麵的金屬屏蔽層可能不會連續接觸絕緣屏蔽（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，界麵上電場強度低於導體屏蔽與絕緣層界麵的場強。為了安裝接頭和終端的方便，在電壓不高於46kV時，絕緣屏蔽不需要粘結絕緣層。在更高電壓時，強烈建議使用粘結絕緣的屏蔽層。
由於大多數用戶希望絕緣屏蔽易於剝離，絕緣電纜工程師協會（1CEA）的標 準S-94-649-2004⑵規定了剝離拉力的限值。目前限值是把平行於導體的0.5in的 薄片以與絕緣表麵垂直方向剝離的拉力應該在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的大於幾毫安的電流下保持完好。這些材料能經受小的充電電流，但是不能承受不平衡電流或者故障電流。
一方麵，絕緣屏蔽係統的金屬部分必須能容納更大的電流。另一方麵，單芯電纜屏蔽中使用太多的金屬在下述兩個方麵都很不劃算，首先，多餘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（電導率大），導體電流在屏蔽 中產生的屏蔽損耗也就越大。
電纜設計時必須設計足夠的金屬屏蔽，以確保在電纜壽命期內出現電纜故障時能起動後備保護。這也關係到屏蔽損耗。因此，下列問題是很重要的。
1） 分析回路的短路設備。熔斷器、重合閘或者冋路斷路器的設計和運行特性 如何？
2） 在電纜壽命期內，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標準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 對於特定的工程，這可能不是最經濟的設計。如何最優化中性線的金屬使用已經有 研究成果發表，在進行電纜設計前，應該閱讀相應的文獻。
3.2同心中性線電纜
使用同心中性線電纜時，應按照適用的ICEA標準製造同心中性線。無鍍層單 線應符合ASTM B3標準，有鍍層單線應符合ASTM B33標準。屏蔽單線直接絞合 在非金屬絕緣屏蔽上，絞合節距是中性線外徑的6-10倍。該電纜用於承受屏蔽中 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複雜的因素。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
當低壓電纜的感應幹擾成為麻煩時，通常需要屏蔽。在很多通信、儀表和控製電纜使用的場合，小的電氣信號可能會沿著電纜導體 傳播，在接收端放大。由於感應幹擾產生的噪聲（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，有必要把幹擾分開為電場效應和磁場效應。
4.1 電場
電場影響是電容耦合或者回路間的互電容。采用連續的金屬屏蔽隔離受擾回路 和幹擾回路就能起效。甚至使用與接地線相連的半導電擠出層或者包帶都能有電場屏蔽的效果。
4.2磁場
磁場效應是回路間的磁場耦合。與電場相比要稍微複雜一些。
在甚高頻，源的能量發射認為是輻射。輻射隨頻率的二次方增加。電磁場輻射 會在相當大的距離內產生幹擾.它能侵入屏蔽的任一開路區。這種情況容易發生在 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也會影響幹 擾的量值。隻要不是鐵磁性金屬材料，都能對金屬屏蔽中衝擊場致渦流有一定的屏 蔽效果，渦流的趨勢是中和幹擾場，非金屬屏蔽，也就是半導電屏蔽對磁場效應是 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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