Abschirmung von Stromkabeln
Warum Kabel abschirmen?
Mittel- und Hochspannungskabel in Stromkreisenüber 2000 Volt haben üblicherweise eine Abschirmschicht aus Kupfer- oder Aluminiumband oder leitendem Polymer. Wenn ein nicht abgeschirmtes, isoliertes Kabel Kontakt mit Erde oder einem geerdeten Objekt hat, wird das elektrostatische Feld um den Leiter an der Kontaktstelle konzentriert, was zu einer Corona-Entladung und letztendlich zur Zerstörung der Isolierung führt.
Ebenso Leckstrom und kapazitiver Strom durch die Isolierung besteht die Gefahr vonElektroschock. Die geerdete Abschirmung gleicht die elektrische Spannung um den Leiter aus und lenkt den Leckstrom auf Masse. Stellen Sie sicher, dass an den Schirmenden Spannungsentlastungen / -konen angebracht werden, insbesondere für Kabel, die mit mehr als 2 kV gegen Erde betrieben werden.
Abschirmungen an Stromkabeln sind mit der Erde verbundenMasse an jedem Schirmende und an Spleißen für Redundanz, um Stöße zu verhindern, obwohl induzierter Strom in der Schirmung fließt. Dieser Strom führt zu Verlusten und Erwärmung und verringert den maximalen Nennstrom der Schaltung. Tests zeigen, dass ein bloßer Erdungsleiter neben den isolierten Drähten den Fehlerstrom schneller zur Erde leitet. Bei Hochstromkreisen sind die Abschirmungen möglicherweise nur an einem Ende angeschlossen.
Bei sehr langen Hochspannungskreisen ist die Abschirmungkann in mehrere Abschnitte unterteilt werden, da ein langer Schildlauf während eines Stromkreisfehlers zu gefährlichen Spannungen führen kann. Die Gefahr eines Schocks, dass nur ein Ende des Schirms geerdet ist, muss jedoch auf das Risiko hin bewertet werden!
Die Abschirmung eines Stromkabels erfolgt durch Umgeben der Baugruppe oder Isolierung mit einem geerdeten leitenden Medium. Dadurch wird das dielektrische Feld auf die Innenseite dieser Abschirmung begrenzt.
- Metallisch
- Nichtmetallisch
Die Zwecke des Isolationsschirms sind:
- Symmetrische radiale Spannungsverteilung mit der Isolierung erzielen.
- Beseitigen Sie Tangential- und Längsspannungen an der Oberfläche der Isolierung.
- Schließen Sie aus dem dielektrischen Feld diejenigen Materialien aus, wie z. B. Litzen, Bänder und Füllstoffe, die nicht als Isolierung gedacht sind.
- Schützen Sie die Kabel vor induzierten oder direkten Durchschnittsspannungen. Abschirmungen tun dies, indem sie die Überspannungsimpedanz entlang der Kabellänge gleichförmig machen und dabei helfen, Überspannungspotentiale abzuschwächen.
Leiterabschirmung
Papierisoliertes Kabel
Bei Kabeln mit einer Nennspannung von mehr als 2.000 Volt ein LeiterAbschirmung ist nach Industriestandards erforderlich. Der Zweck des halbleitenden Materials, das auch als Abschirmmaterial bezeichnet wird, über dem Leiter besteht darin, anstelle der relativ rauen Oberfläche eines verseilten Leiters einen glatten Zylinder bereitzustellen, um die Spannungskonzentration an der Grenzfläche mit der Isolation zu verringern.
Leiterabschirmung wurde für verwendet Kabel mit laminaren und extrudierten Isolierungen.
Die verwendeten Materialien sind entweder halbleitende Materialien oder solche, die eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweisen und als Spannungssteuerungsmaterialien bekannt sind. Beide haben die gleiche Funktion der Stressreduzierung.
Leiterschilde für Kabel mit Papierisolierung sind entweder Rußschwarzbänder oder metallisiertes PapierBänder. Die Abschirmmaterialien für Leiter wurden ursprünglich aus Halbleiterbändern hergestellt, die spiralförmig über den Leiter gewickelt waren. Gegenwärtige Normen erlauben immer noch ein solches Band über dem Leiter. Dies geschieht insbesondere bei großen Leitern, um die Litzen während des Aufbringens des extrudierten halbleitenden Materials, das jetzt für Mittelspannungskabel erforderlich ist, fest zusammenzuhalten.
Die Erfahrung mit Kabeln, die nur ein Halbleiterband hatten, war nicht zufriedenstellend. Daher änderte die Industrie ihre Anforderungen und forderte eine extrudierte Schicht über dem Leiter.
Bei extrudierten Kabeln wird diese Schicht jetzt extrudiertdirekt über dem Leiter und wird mit der Isolierschicht verklebt, die über dieser Entspannungsschicht aufgebracht wird. Es ist äußerst wichtig, dass sich zwischen diesen beiden Schichten keine Hohlräume oder Fremdkörper befinden.
Heute sind extrudierte Schichten nicht nur sauber(frei von unerwünschten Verunreinigungen), aber sehr glatt und rund. Dies hat die Bildung von Wasserlocken, die von unregelmäßigen Oberflächen stammen könnten, stark reduziert. Durch gleichzeitiges Extrudieren der beiden Schichten werden der Leiterschirm und die Isolation gleichzeitig ausgehärtet. Dies stellt die untrennbare Verbindung bereit, die die Wahrscheinlichkeit der Bildung einer Lücke an der kritischen Grenzfläche minimiert.
Aus Gründen der Kompatibilität besteht die extrudierte Abschirmschicht üblicherweise aus demselben oder einem ähnlichen Polymer wie die Isolierung.
Ein wasserundurchlässiges Material kann eingearbeitet werdenals Teil der Leiterschirmung, um radialen Feuchtigkeitstransport zu verhindern. Diese Schicht besteht aus einer dünnen Schicht aus Aluminium oder Blei zwischen halbleitendem Material. Ein ähnliches Laminat kann aus demselben Grund für eine Isolierschicht verwendet werden.
Es gibt keinen endgültigen Standard, der die Klasse der extrudierbaren Abschirmmaterialien beschreibt, die als „super glatt, super sauber”. Normalerweise ist es nicht praktisch, zum Beschreiben des Materials einen strengen Namen oder eine Produktnummer eines Herstellers zu verwenden.
Ter spricht von "super glatt, super sauber" ist der einzige Weg, an diesem Schreiben eine zu beschreibenMaterialklasse, die ein Kabel mit höherer Qualität als eine frühere Version bietet. Dies ist nur ein akademisches Problem, da die älteren Materialtypen nicht mehr für den Mittelspannungskabelbau von bekannten Lieferanten verwendet werden.
Der Punkt ist, dass diese neueren Materialien die Kabelleistung in Laborbewertungen erheblich verbessert haben.
Isolationsabschirmung für Mittelspannungskabel
Der Isolationsschirm für ein Mittelspannungskabel besteht aus zwei Komponenten:
- Halbleitende oder Entlastungsschicht
- Band oder Abzapfen aus Metall, Ableitungsdrähte, konzentrische Neutralleiter oder ein Metallrohr.
Sie müssen als Einheit für ein Kabel dienen, um eine lange Lebensdauer zu erreichen
Stress Relief Layer
Die bei exbudierten Kabeln verwendete Polymerschicht hatersetzte die Bänder, die vor vielen Jahren verwendet wurden. Diese extrudierte Schicht wird als extrudierter Isolationsschild oder Schirm bezeichnet. Seine Eigenschaften und Kompatibilitätsanforderungen sind der zuvor beschriebenen Abschirmung für Leiter ähnlich, mit der Ausnahme, dass nach Standards der Volumenwiderstand dieser externen Schicht auf 500 Meter Ohm begrenzt ist.
Die nichtmetallische Schicht liegt direkt über derDie Isolation und die Spannungsbelastung an dieser Schnittstelle ist niedriger als an der Leiterabschirmungsgrenzfläche. Diese äußere Schicht muss für Kabel mit einer Nennleistung von bis zu 35 kV nicht geklebt werden. Bei Spannungen darüber wird dringend empfohlen, diese Schicht mit der Isolation zu verbinden.
Da die meisten Benutzer möchten, dass diese Ebene leicht entfernt werden kann, wird die Verband der Edison Illuminating Companies (AEIC) hat Bandgrenzwerte festgelegt. Gegenwärtig sind diese Grenzen so, dass ein 1/2 Zoll breiter Streifen, der parallel zum Leiter abgeschnitten ist, mit einem Minimum von 6 Pfund und einem Minimum von 24 Pfund Kraft, die in einem Winkel von 90º zur Isolationsoberfläche liegt, abgeschnitten wird.
Metallischer Schild
Der metallische Teil des Isolationsschirms oderDer Bildschirm ist erforderlich, um einen Pfad mit niedrigem Widerstand bereitzustellen, damit der Ladestrom zur Erde fließen kann. Es ist wichtig zu wissen, dass die extrudierten Abschirmmaterialien einen anhaltenden Stromfluss von mehr als einigen Milliampere nicht überstehen. Diese Materialien sind in der Lage, die geringen Ladeströme zu verarbeiten, ertragen jedoch nicht asymmetrische oder Fehlerströme.
Die metallische Komponente des Isolationsschirm Das System muss in der Lage sein, diese höheren Werte aufzunehmenStrömungen. Andererseits ist eine übermäßige Menge an Metall in der Abschirmung eines Einleiterkabels auf zwei Arten kostspielig. Erstens erhöht zusätzliches Metall in der tatsächlich benötigten Menge die Anfangskosten des Kabels. Zweitens sind die Abschirmungsverluste, die sich im Stromfluss im zentralen Leiter ergeben, umso höher, je größer die Metallkomponente des Isolationsschirms ist.
Es muss eine ausreichende Menge Metall bereitgestellt werdendie Kabelkonstruktion, um sicherzustellen, dass das Kabel im Falle eines Kabelfehlers während der Lebensdauer des Kabels den Backup-Schutz aktiviert Es gibt auch Bedenken hinsichtlich der Schildverluste.
- Die Art der zu untersuchenden Schaltungsunterbrechung. Wie ist der Aufbau und die Betriebseinstellung des Schalters, des Wiedereinschalters oder des Leistungsschalters?
- Welcher Fehlerstrom wird das Kabel während seiner Lebensdauer begegnen?
- Welche Schildverluste können toleriert werden? Wie oft muss der Schild geerdet werden? Wird es Abschirmungsbrüche geben, um Zirkulationsströme zu verhindern?
Konzentrische Neutralkabel
Wenn konzentrische Neutralkabel spezifiziert werden, müssen die konzentrischen Neutralleiter gemäß den ICEA-Standards hergestellt werden. Diese Drähte müssen sich treffen ASTM B3 für unbeschichtete Drähte oder B33 für beschichtete Drähte.
Diese Drähte werden direkt über der nichtmetallischen Isolierschicht mit einer Lage von mindestens sechs oder mehr als dem zehnfachen Durchmesser über den konzentrischen Drähten angebracht.
Abschirmung von Niederspannungskabeln
Über das gesamte Frequenzspektrum ist es erforderlich, Störungen in elektrische Feldeffekte und Magnetfeldeffekte zu trennen.
Elektrische Felder
Elektrische Feldeffekte sind die, die aFunktion der kapazitiven Kopplung oder gegenseitigen Kapazität zwischen den Schaltungen. Die Abschirmung kann durch eine durchgehende Metallabschirmung erfolgen, um die gestörte Schaltung von der Störschaltung zu isolieren.
Selbst halbleitende Extrusionen oder Bänder, die durch einen geerdeten dmin-Draht ergänzt werden, können eine gewisse Abschirmfunktion für elektrische Feldeffekte übernehmen.
Magnetfelder
Magnetfeldeffekte sind das Ergebnis einer Magnetfeldkopplung zwischen Schaltkreisen. Dies ist etwas komplexer als bei elektrischen Effekten.
Bei relativ niedrigen Frequenzen wird die Energie abgegebenvon der Quelle wird als Strahlung behandelt. Diese nimmt mit dem Quadrat der Frequenz zu. Diese elektromagnetische Strahlung kann Störungen in beträchtlicher Entfernung verursachen und durchdringt "Öffnungen" in der Abschirmung. Dies kann bei Flechtschildern oder Bändern auftreten, die sich nicht überlappen. Die Art des in der Abschirmung verwendeten Metalls kann auch die Störung beeinflussen.
Jedes metallische Abschirmungsmaterial im Gegensatz zumagnetische Metalle sorgen für Abschirmung aufgrund der Wirbelströme, die durch das auftreffende Feld in der metallischen Abschirmung eingerichtet werden. Diese Wirbelströme neigen dazu, das Störfeld zu neutralisieren. Nichtmetallische, halbleitende Abschirmung ist für magnetische Effekte nicht wirksam. Im Allgemeinen ist die beste Abschirmung eine komplette Stahlleitung, dies ist jedoch nicht immer praktikabel.
Die Wirksamkeit eines Schildes wird alsAbschirmfaktor”Und ist gegeben als:
Testschaltungen zur Messung der Wirksamkeit verschiedener Abschirmkonstruktionen gegen elektrische Feldeffekte und Magnetfeldeffekte wurden von Gooding und Slade berichtet.