โครงสร้างและวัสดุของชั้นป้องกันสายไฟฟ้า

ฉนวนป้องกันที่ใช้ในผลิตภัณฑ์สายไฟและสายเคเบิลมีสองแนวคิดที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง ได้แก่ ฉนวนป้องกันแม่เหล็กไฟฟ้าและฉนวนป้องกันสนามไฟฟ้า ฉนวนป้องกันแม่เหล็กไฟฟ้าออกแบบมาเพื่อป้องกันสายเคเบิลที่ส่งสัญญาณความถี่สูง (เช่น สายเคเบิล RF และสายเคเบิลอิเล็กทรอนิกส์) ไม่ให้ก่อให้เกิดสัญญาณรบกวนจากภายนอก หรือเพื่อป้องกันไม่ให้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าภายนอกรบกวนสายเคเบิลที่ส่งกระแสไฟฟ้าอ่อน (เช่น สายสัญญาณหรือสายวัด) รวมถึงลดสัญญาณรบกวนระหว่างสาย ฉนวนป้องกันสนามไฟฟ้าถูกออกแบบมาเพื่อสร้างสมดุลของสนามไฟฟ้าแรงสูงบนพื้นผิวตัวนำหรือพื้นผิวฉนวนของสายไฟฟ้าแรงดันปานกลางและแรงดันสูง

1. โครงสร้างและข้อกำหนดของชั้นป้องกันสนามไฟฟ้า

การป้องกันสายไฟฟ้าประกอบด้วยการป้องกันตัวนำ การป้องกันฉนวน และการป้องกันโลหะ ตามมาตรฐานที่เกี่ยวข้อง สายเคเบิลที่มีแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดมากกว่า 0.6/1 กิโลโวลต์ ควรมีชั้นป้องกันโลหะ ซึ่งสามารถนำไปใช้กับแกนหุ้มฉนวนแต่ละแกนหรือแกนสายเกลียวหลายแกนได้ สำหรับสายเคเบิลหุ้มฉนวน XLPE ที่มีแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดไม่น้อยกว่า 3.6/6 กิโลโวลต์ และสายเคเบิลหุ้มฉนวนบาง EPR ที่มีแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดไม่น้อยกว่า 3.6/6 กิโลโวลต์ (หรือสายเคเบิลหุ้มฉนวนหนาที่มีแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดไม่น้อยกว่า 6/10 กิโลโวลต์) จำเป็นต้องมีโครงสร้างป้องกันกึ่งตัวนำทั้งภายในและภายนอกด้วย

(1) การป้องกันตัวนำและการป้องกันฉนวน

การป้องกันตัวนำ (การป้องกันกึ่งตัวนำด้านใน) ควรเป็นแบบที่ไม่ใช่โลหะ ประกอบด้วยวัสดุกึ่งตัวนำที่รีดขึ้นรูปหรือเทปกึ่งตัวนำที่พันรอบตัวนำตามด้วยชั้นกึ่งตัวนำที่รีดขึ้นรูป

ฉนวนป้องกัน (ฉนวนป้องกันกึ่งนำไฟฟ้าด้านนอก) คือชั้นกึ่งนำไฟฟ้าที่ไม่ใช่โลหะซึ่งถูกรีดขึ้นรูปลงบนพื้นผิวด้านนอกของแกนฉนวนแต่ละแกนโดยตรง ซึ่งสามารถยึดติดแน่นหรือลอกออกจากฉนวนได้ ชั้นกึ่งนำไฟฟ้าด้านในและด้านนอกที่รีดขึ้นรูปควรยึดติดแน่นกับฉนวน มีส่วนต่อประสานที่เรียบ ไม่มีรอยเส้นที่เห็นได้ชัด และไม่มีขอบคม อนุภาค รอยไหม้ หรือรอยขีดข่วน ค่าความต้านทานไฟฟ้าก่อนและหลังการบ่มไม่ควรเกิน 1,000 Ω·m สำหรับชั้นฉนวนป้องกันตัวนำ และ 500 Ω·m สำหรับชั้นฉนวนป้องกัน

วัสดุป้องกันกึ่งนำไฟฟ้าทั้งด้านในและด้านนอกผลิตจากการผสมวัสดุฉนวนที่เกี่ยวข้อง (เช่น โพลีเอทิลีนแบบเชื่อมขวาง ยางเอทิลีน-โพรพิลีน ฯลฯ) กับคาร์บอนแบล็ก สารต้านอนุมูลอิสระ โคพอลิเมอร์เอทิลีน-ไวนิลอะซิเตต และสารเติมแต่งอื่นๆ อนุภาคคาร์บอนแบล็กควรกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอภายในพอลิเมอร์ โดยไม่เกาะกลุ่มกันหรือกระจายตัวไม่ดี

ความหนาของชั้นป้องกันกึ่งนำไฟฟ้าทั้งด้านในและด้านนอกจะเพิ่มขึ้นตามระดับแรงดันไฟฟ้า เนื่องจากความแรงของสนามไฟฟ้าบนชั้นฉนวนมีค่าสูงกว่าด้านในและต่ำกว่าด้านนอก ความหนาของชั้นป้องกันกึ่งนำไฟฟ้าจึงควรมีค่ามากกว่าด้านใน ในอดีต ชั้นป้องกันกึ่งนำไฟฟ้าด้านนอกถูกทำให้หนากว่าด้านในเล็กน้อยเพื่อป้องกันรอยขีดข่วนเนื่องจากการควบคุมการหย่อนตัวของสายไฟฟ้าที่ไม่ดีหรือการเจาะทะลุที่เกิดจากเทปทองแดงที่แข็งเกินไป ปัจจุบัน ด้วยการตรวจสอบการหย่อนตัวของสายไฟฟ้าอัตโนมัติแบบออนไลน์และเทปทองแดงอ่อนที่ผ่านการอบอ่อน ชั้นป้องกันกึ่งนำไฟฟ้าด้านในควรหนาขึ้นเล็กน้อยหรือเท่ากับชั้นนอก สำหรับสายเคเบิล 6–10–35 กิโลโวลต์ โดยทั่วไปความหนาของชั้นในจะอยู่ที่ 0.5–0.6–0.8 มม.

(2) การป้องกันด้วยโลหะ

สายเคเบิลที่มีแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดมากกว่า 0.6/1 กิโลโวลต์ ควรมีชั้นป้องกันโลหะ ควรหุ้มชั้นป้องกันโลหะบนแกนฉนวนหรือแกนสายเคเบิลแต่ละแกน การป้องกันโลหะควรประกอบด้วยเทปโลหะหนึ่งแผ่นหรือมากกว่า สายถักโลหะ สายโลหะซ้อนกันหลายชั้น หรือสายโลหะและเทปโลหะรวมกัน

ในยุโรปและประเทศพัฒนาแล้วอื่นๆ มักนิยมใช้ฉนวนหุ้มสายทองแดง เนื่องจากการใช้ระบบวงจรคู่แบบต่อลงดินด้วยความต้านทานซึ่งมีกระแสไฟฟ้าลัดวงจรสูง ผู้ผลิตบางรายฝังสายทองแดงไว้ในปลอกหุ้มหรือปลอกหุ้มด้านนอกเพื่อลดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของสายเคเบิล ในประเทศจีน ยกเว้นโครงการสำคัญบางโครงการที่ใช้ระบบวงจรคู่แบบต่อลงดินด้วยความต้านทาน ระบบส่วนใหญ่ใช้แหล่งจ่ายไฟวงจรเดียวแบบต่อลงดินด้วยขดลวดป้องกันอาร์ก ซึ่งจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรให้น้อยที่สุด จึงสามารถใช้ฉนวนหุ้มสายทองแดงได้ โรงงานผลิตสายเคเบิลจะแปรรูปเทปทองแดงแข็งที่ซื้อมาโดยการกรีดและอบอ่อนเพื่อให้ได้ความยืดตัวและความต้านทานแรงดึงตามที่กำหนด (หากแข็งเกินไปจะทำให้ชั้นฉนวนหุ้มเป็นรอย หากอ่อนเกินไปจะทำให้ชั้นฉนวนยับ) ก่อนใช้งาน เทปทองแดงอ่อนควรเป็นไปตามมาตรฐาน GB/T11091-2005 ว่าด้วยเทปทองแดงสำหรับสายเคเบิล

การป้องกันด้วยเทปทองแดงควรประกอบด้วยเทปทองแดงอ่อนซ้อนทับกันหนึ่งชั้น หรือเทปทองแดงอ่อนพันเกลียวสองชั้นที่มีช่องว่าง อัตราการซ้อนทับเฉลี่ยของเทปทองแดงควรอยู่ที่ 15% ของความกว้าง (ค่าปกติ) และอัตราการซ้อนทับขั้นต่ำไม่ควรน้อยกว่า 5% ความหนาปกติของเทปทองแดงควรมีอย่างน้อย 0.12 มม. สำหรับสายแกนเดียว และอย่างน้อย 0.10 มม. สำหรับสายหลายแกน ความหนาขั้นต่ำของเทปทองแดงไม่ควรน้อยกว่า 90% ของค่าปกติ ความกว้างของเทปทองแดงโดยทั่วไปจะอยู่ที่ 30–35 มม. ขึ้นอยู่กับเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของฉนวนป้องกัน (≤25 มม. หรือ >25 มม.)

ฉนวนหุ้มลวดทองแดงทำจากลวดทองแดงอ่อนพันเป็นเกลียว ยึดด้วยลวดทองแดงหรือเทปทองแดงแบบพันเกลียวสวนทางกัน ความต้านทานของลวดทองแดงควรเป็นไปตามข้อกำหนดของ GB/T3956-2008 Conductors of Cables และควรกำหนดพื้นที่หน้าตัดตามความจุกระแสไฟฟ้ารั่ว ฉนวนหุ้มลวดทองแดงสามารถหุ้มทับบนปลอกหุ้มด้านในของสายเคเบิลสามแกน หรือหุ้มทับบนฉนวน ชั้นฉนวนกึ่งตัวนำด้านนอก หรือปลอกหุ้มด้านในที่เหมาะสมของสายเคเบิลแกนเดียว ช่องว่างเฉลี่ยระหว่างลวดทองแดงที่อยู่ติดกันไม่ควรเกิน 4 มม. ช่องว่างเฉลี่ย G คำนวณโดยใช้สูตร:

ที่ไหน:
D คือ เส้นผ่านศูนย์กลางของแกนสายเคเบิลใต้ฉนวนหุ้มสายทองแดง เป็นมิลลิเมตร
d – เส้นผ่านศูนย์กลางของลวดทองแดง เป็นมิลลิเมตร
n – จำนวนเส้นทองแดง

2. บทบาทของชั้นป้องกันและความสัมพันธ์กับระดับแรงดันไฟฟ้า

(1) บทบาทของการป้องกันกึ่งตัวนำภายในและภายนอก
โดยทั่วไปตัวนำสายเคเบิลจะถูกอัดแน่นจากสายเกลียวหลายเส้น ในระหว่างการอัดรีดฉนวน อาจเกิดช่องว่าง รอยเสี้ยน และความผิดปกติอื่นๆ บนพื้นผิวระหว่างพื้นผิวตัวนำและชั้นฉนวน ทำให้เกิดการรวมตัวของสนามไฟฟ้า นำไปสู่การคายประจุช่องว่างอากาศเฉพาะที่และการคายประจุแบบทรีอิงค์ และลดประสิทธิภาพการไดอิเล็กทริก การอัดรีดชั้นวัสดุกึ่งตัวนำ (แผ่นหุ้มตัวนำ) บนพื้นผิวตัวนำทำให้มั่นใจได้ว่ามีการสัมผัสกับฉนวนอย่างแน่นหนา เนื่องจากชั้นกึ่งตัวนำและตัวนำมีศักย์ไฟฟ้าเท่ากัน แม้ว่าจะมีช่องว่างระหว่างกัน จึงไม่เกิดการกระทำของสนามไฟฟ้า จึงป้องกันการคายประจุบางส่วน

ในทำนองเดียวกัน มีช่องว่างระหว่างพื้นผิวฉนวนด้านนอกและปลอกโลหะ (หรือแผ่นป้องกันโลหะ) และยิ่งระดับแรงดันไฟฟ้าสูงขึ้น โอกาสเกิดการคายประจุในช่องว่างอากาศก็ยิ่งมากขึ้น โดยการอัดชั้นสารกึ่งตัวนำ (แผ่นป้องกันฉนวน) บนพื้นผิวฉนวนด้านนอก จะสร้างพื้นผิวสมดุลภายนอกขึ้นพร้อมกับปลอกโลหะ ซึ่งจะกำจัดสนามไฟฟ้าในช่องว่างและป้องกันการคายประจุบางส่วน

(2) บทบาทของการป้องกันโลหะ

หน้าที่ของการป้องกันด้วยโลหะ ได้แก่ การนำกระแสไฟฟ้าแบบเก็บประจุภายใต้สภาวะปกติ ทำหน้าที่เป็นเส้นทางสำหรับกระแสไฟฟ้าลัดวงจรเมื่อเกิดความผิดพลาด จำกัดสนามไฟฟ้าไว้ภายในฉนวน (ลดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าจากภายนอก) และรับรองสนามไฟฟ้าในแนวรัศมีที่สม่ำเสมอ ทำหน้าที่เป็นสายกลางในระบบสามเฟสสี่สายเพื่อนำกระแสไฟฟ้าที่ไม่สมดุล และให้การป้องกันน้ำในแนวรัศมี