電纜屏蔽層起什麽作用？

發布時間：

2024-01-09

在電纜結構上的所謂“屏蔽”，實質上是一種改善電場分布的措施。電纜導體由多根導絲絞合而成，它與絕緣層之間易形成氣隙，導體表麵不光滑，會造成電場集中。在導體表麵加一層半導電材料的屏蔽層，它與被屏蔽的導體等電位，並與絕緣層良好接觸，從而避免在導體與絕緣層之間發生局部放電。這一層屏蔽，又稱為內屏蔽層。

電纜屏蔽層起什麽作用？

  在電纜結構上的所謂“屏蔽”，實質上是一種改善電場分布的措施。電纜導體由多根導絲絞合而成，它與絕緣層之間易形成氣隙，導體表麵不光滑，會造成電場集中。在導體表麵加一層半導電材料的屏蔽層，它與被屏蔽的導體等電位，並與絕緣層良好接觸，從而避免在導體與絕緣層之間發生局部放電。這一層屏蔽，又稱為內屏蔽層。

  在絕緣表麵和護套接觸處，也可能存在間隙，電纜彎曲時，油紙電纜絕緣表麵易造成裂紋，這些都是引起局部放電的因素。在絕緣層表麵加一層半導電材料的屏蔽層，它與被屏蔽的絕緣層有良好接觸，與金屬護套等電位，從而避免在絕緣層與護套之間發生局部放電。

屏蔽層的材料是半導電材料，其體積電阻率為10^3-10^6Ω· m。

  擠包絕緣電纜的屏蔽層材料是加入碳黑粒子的聚合物。

  沒有金屬護套的擠包絕緣電纜，除半導電屏蔽層外，還要增加用銅帶或銅絲繞包的金屬屏蔽層。這個金屬屏蔽層的作用，在正常運行時通過電容電流；當係統發生短路時，作為短路電流的通道，同時也起到屏蔽電場的作用。在電纜結構設計中，要根據係統短路電流的大小，對金屬屏蔽層的截麵積提出相應的要求。

  有兩個問題可探討：

  問題1：交聯聚乙烯電纜屏蔽層材料的特性

  被用作電纜屏蔽料的聚合物是乙烯基共聚物材料。它們是丙烯和別的單體如EVA、EEA、EBA等的聚合物。本質上說，它們是彈性體材料。每個共物單體提供不同的性能給用於屏蔽的共聚物材料。與絕緣材料一樣，人們關注其分子量和分子量分布，以及擠出特性。如同交聯型絕緣料，屏蔽材料也要能夠交聯；然而，結晶性不是大問題，炭黑是目前最常用的，其會影響材料的加工和性能。

 那炭黑的作用又是什麽呢？在共聚物材料中添加半導電炭黑可以獲得半導電性。添加炭黑並適當處理後，炭黑填充的聚合物具有半導電性。炭黑也叫爐黑或乙炔炭黑；爐黑可由石油和天燃氣的不完全氧化獲得，而乙炔炭黑是由乙炔在高溫下的分解產物。除了具有導電性外，炭黑還需有光滑表麵，適當的粒子尺寸，純度以及其在聚合物中的分散性。
  很久以前，人們就意識到添加有炭黑的彈性體的性質受很多因素製約：①炭黑的性質，②炭黑的濃度，③聚合物基體的性質，④交聯體係。後者不是目前任務，但別的因素是有相互聯係的。
  當炭黑在聚合物中形成聚集體時，就可獲得導電性，導電性使得電子可以流動。但是要意識到聚集體間的電子隧道使得在半導電層產生了導電行為。半導電屏蔽料最終的電性能是由聚集體結構和炭黑尺寸決定的。圖5-17揭示了相互間關係是如何影響物理和電性能的.
具有高品質結構的炭黑趨向傳遞更大的導電性和硬結構進而聚集形成簇。等炭黑添加到彈性體中時，這種結構會被破壞，破壞程度受炭黑的種類和混合工藝的影響，因此，合理控製很關鍵。半導電屏蔽材料中炭黑的濃度取決於炭黑的種類，其範圍在12％-30％之間。
表麵光滑是必不可少的，確保與絕緣的接處不會有突起；突起會導致高應力點的形成，處於潮濕環境時，水樹很容易形成。當出現在半導電屏蔽界麵時，突起取決於炭黑的幾何形狀和高度。因此，炭黑的分散性和細度是獲得均一光滑表麵的關鍵因素。炭黑在聚合物中的均勻分散，以及恰當的混合和處理技術是必須的。

  純度是又一個關鍵因素。製備好後，炭黑可能含有少量的水分、硫和無機鹽。硫會損害電性能，大部分無機鹽來自加工過程中用於冷卻的水。在過去人們十分關注無機離子。與乙炔炭黑相比，一直應用直到20世紀80年代中期的爐黑有更多的離子含量；這會導致水樹的生成，進而失敗。最近，清潔度增加的爐黑開始被使用；需要注意的是，年代較遠的電纜在它們的屏蔽料中用的就是爐黑。

  也可以添加別的添加劑。例如，添加別的添加劑來獲得具有一定剝離性的絕緣屏蔽料，但是此類添加劑不允許添加到導體屏蔽料中。導體屏蔽料不能被剝離。
  最後，含有炭黑的屏蔽料還需要具有擠出性和可交聯性，就與絕緣料一樣。在這種情況下，就可以在設計的範圍內獲得三層擠出。影響導電性的因素有炭黑的類型和含量，加工工藝，交聯體係和別的組分。基礎聚合物的類型是很重要的；例如，對於導體屏蔽，組合如下：(a)爐黑與EVA、EEA共聚，(b)乙炔炭黑與EVA、EBA共聚。
  問題2：導體屏蔽與絕緣屏蔽的區別
  導體屏蔽用於導體和絕緣材料之間，絕緣屏蔽擠包於絕緣材料表麵，並與同軸的天然或合成帶材和護套（如裏有的話）相互作用。屏蔽料本質上是半導電材料，因為它們在絕緣和導體之間起應力過渡的作用，目的就是獲得自由電荷體係。被用作導體屏蔽和絕緣屏蔽的半導電材料是類似的，但是它們的物理化學性質會有不同，因此，絕緣屏蔽一定要可剝離（為了在安裝電纜接頭或者終端時要容易剝掉絕緣屏蔽）。而導體屏蔽正好相反；它必須牢牢黏附於絕緣表麵（防止產生界麵微孔和水分滲透）。絕緣屏蔽的模量和撕裂強度是重要的參數，其黏附強度也同樣重要，這些性質是由共聚物的性質、添加劑的種類和加工工藝決定的。
  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。
  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。
  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。

  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截麵的場強。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。
總結屏蔽層的作用如下述：
1.均勻電場和降低線芯表麵場強。
2.提高電纜局部放電起始電壓，減小局部放電的可能性。
3.抑製樹枝生長。
4.熱屏障作用
  半導電層有一定熱阻，當線芯溫度瞬時升高時，電纜有了半導電層熱阻，高溫不會立即衝擊到絕緣層，通過熱阻的分溫作用，使絕緣層上的溫度緩慢上升。
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