电缆屏蔽层起什么作用？

发布时间：

2024-01-09

在电缆结构上的所谓“屏蔽”，实质上是一种改善电场分布的措施。电缆导体由多根导丝绞合而成，它与绝缘层之间易形成气隙，导体表面不光滑，会造成电场集中。在导体表面加一层半导电材料的屏蔽层，它与被屏蔽的导体等电位，并与绝缘层良好接触，从而避免在导体与绝缘层之间发生局部放电。这一层屏蔽，又称为内屏蔽层。

在电缆结构上的所谓“屏蔽”，实质上是一种改善电场分布的措施。电缆导体由多根导丝绞合而成，它与绝缘层之间易形成气隙，导体表面不光滑，会造成电场集中。在导体表面加一层半导电材料的屏蔽层，它与被屏蔽的导体等电位，并与绝缘层良好接触，从而避免在导体与绝缘层之间发生局部放电。这一层屏蔽，又称为内屏蔽层。

在绝缘表面和护套接触处，也可能存在间隙，电缆弯曲时，油纸电缆绝缘表面易造成裂纹，这些都是引起局部放电的因素。在绝缘层表面加一层半导电材料的屏蔽层，它与被屏蔽的绝缘层有良好接触，与金属护套等电位，从而避免在绝缘层与护套之间发生局部放电。

屏蔽层的材料是半导电材料，其体积电阻率为10^3-10^6Ω· m。

挤包绝缘电缆的屏蔽层材料是加入碳黑粒子的聚合物。

没有金属护套的挤包绝缘电缆，除半导电屏蔽层外，还要增加用铜带或铜丝绕包的金属屏蔽层。这个金属屏蔽层的作用，在正常运行时通过电容电流；当系统发生短路时，作为短路电流的通道，同时也起到屏蔽电场的作用。在电缆结构设计中，要根据系统短路电流的大小，对金属屏蔽层的截面积提出相应的要求。

有两个问题可探讨：

问题1：交联聚乙烯电缆屏蔽层材料的特性

被用作电缆屏蔽料的聚合物是乙烯基共聚物材料。它们是丙烯和别的单体如EVA、EEA、EBA等的聚合物。本质上说，它们是弹性体材料。每个共物单体提供不同的性能给用于屏蔽的共聚物材料。与绝缘材料一样，人们关注其分子量和分子量分布，以及挤出特性。如同交联型绝缘料，屏蔽材料也要能够交联；然而，结晶性不是大问题，炭黑是目前最常用的，其会影响材料的加工和性能。

那炭黑的作用又是什么呢？在共聚物材料中添加半导电炭黑可以获得半导电性。添加炭黑并适当处理后，炭黑填充的聚合物具有半导电性。炭黑也叫炉黑或乙炔炭黑；炉黑可由石油和天燃气的不完全氧化获得，而乙炔炭黑是由乙炔在高温下的分解产物。除了具有导电性外，炭黑还需有光滑表面，适当的粒子尺寸，纯度以及其在聚合物中的分散性。

很久以前，人们就意识到添加有炭黑的弹性体的性质受很多因素制约：①炭黑的性质，②炭黑的浓度，③聚合物基体的性质，④交联体系。后者不是目前任务，但别的因素是有相互联系的。

当炭黑在聚合物中形成聚集体时，就可获得导电性，导电性使得电子可以流动。但是要意识到聚集体间的电子隧道使得在半导电层产生了导电行为。半导电屏蔽料最终的电性能是由聚集体结构和炭黑尺寸决定的。图5-17揭示了相互间关系是如何影响物理和电性能的.

具有高品质结构的炭黑趋向传递更大的导电性和硬结构进而聚集形成簇。等炭黑添加到弹性体中时，这种结构会被破坏，破坏程度受炭黑的种类和混合工艺的影响，因此，合理控制很关键。半导电屏蔽材料中炭黑的浓度取决于炭黑的种类，其范围在12％-30％之间。

表面光滑是必不可少的，确保与绝缘的接处不会有突起；突起会导致高应力点的形成，处于潮湿环境时，水树很容易形成。当出现在半导电屏蔽界面时，突起取决于炭黑的几何形状和高度。因此，炭黑的分散性和细度是获得均一光滑表面的关键因素。炭黑在聚合物中的均匀分散，以及恰当的混合和处理技术是必须的。

纯度是又一个关键因素。制备好后，炭黑可能含有少量的水分、硫和无机盐。硫会损害电性能，大部分无机盐来自加工过程中用于冷却的水。在过去人们十分关注无机离子。与乙炔炭黑相比，一直应用直到20世纪80年代中期的炉黑有更多的离子含量；这会导致水树的生成，进而失败。最近，清洁度增加的炉黑开始被使用；需要注意的是，年代较远的电缆在它们的屏蔽料中用的就是炉黑。

也可以添加别的添加剂。例如，添加别的添加剂来获得具有一定剥离性的绝缘屏蔽料，但是此类添加剂不允许添加到导体屏蔽料中。导体屏蔽料不能被剥离。

最后，含有炭黑的屏蔽料还需要具有挤出性和可交联性，就与绝缘料一样。在这种情况下，就可以在设计的范围内获得三层挤出。影响导电性的因素有炭黑的类型和含量，加工工艺，交联体系和别的组分。基础聚合物的类型是很重要的；例如，对于导体屏蔽，组合如下：(a)炉黑与EVA、EEA共聚，(b)乙炔炭黑与EVA、EBA共聚。

问题2：导体屏蔽与绝缘屏蔽的区别

导体屏蔽用于导体和绝缘材料之间，绝缘屏蔽挤包于绝缘材料表面，并与同轴的天然或合成带材和护套（如里有的话）相互作用。屏蔽料本质上是半导电材料，因为它们在绝缘和导体之间起应力过渡的作用，目的就是获得自由电荷体系。被用作导体屏蔽和绝缘屏蔽的半导电材料是类似的，但是它们的物理化学性质会有不同，因此，绝缘屏蔽一定要可剥离（为了在安装电缆接头或者终端时要容易剥掉绝缘屏蔽）。而导体屏蔽正好相反；它必须牢牢黏附于绝缘表面（防止产生界面微孔和水分渗透）。绝缘屏蔽的模量和撕裂强度是重要的参数，其黏附强度也同样重要，这些性质是由共聚物的性质、添加剂的种类和加工工艺决定的。

根据相关的工业标准,额定电压超过2kV的电缆就需要有导体屏蔽。

对于挤包绝缘电缆,导体屏蔽层作为半导电层与绝缘同时挤在导体上，成为应力消减层。保持导体屏蔽和绝缘层界面上不能有微孔或杂质是至关重要的原因是在这个区域的电场强度是电缆中最高的。

把导体屏蔽和绝缘在挤出时同时交联,这样就能组成牢固的黏结,能尽可能减少在临界界面上微孔的形成。

考虑到兼容性,导体屏蔽材料常常与绝缘材料相同或者相近。在导体屏蔽中加入特殊的炭黑来保证一定的电导率。电缆工业标准要求导体屏蔽材料的电阻率最大不应超过1000Ω·m。这些标准同时要求电材料通过一个在紧急运行温度下的长期电阻稳定性试验,来确保导体屏蔽层的电导率以及电缆的长期寿命。

绝缘屏蔽的特性和兼容性要求与导体屏蔽相近。但是标准对绝缘屏蔽的体积电阻率要求是不得大于500Ω·m。与导体屏蔽相比,电阻率要求值的降低意味着外面的金属屏蔽层可能不会连续接触绝缘屏蔽(比如屏蔽线间有空隙),而且事实上在电缆带电时,人员有可能接触电缆的外层。

非金属屏层直接挤包在绝缘上,界面上电场强度低于导体屏蔽与绝缘层截面的场强。为了安装接头和终端的方便,在电压不高于46kV时,绝缘屏蔽不需要粘结绝缘层。在更高电压时,强烈建议使用粘结绝缘的屏蔽层。

总结屏蔽层的作用如下述：

1.均匀电场和降低线芯表面场强。

2.提高电缆局部放电起始电压，减小局部放电的可能性。

3.抑制树枝生长。

4.热屏障作用

半导电层有一定热阻，当线芯温度瞬时升高时，电缆有了半导电层热阻，高温不会立即冲击到绝缘层，通过热阻的分温作用，使绝缘层上的温度缓慢上升。