โครงสร้างและวัสดุของชั้นฉนวนหุ้มสายไฟ

การป้องกันที่ใช้ในผลิตภัณฑ์สายไฟและสายเคเบิลมีแนวคิดที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิงสองประการ ได้แก่ การป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและการป้องกันสนามไฟฟ้า การป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกแบบมาเพื่อป้องกันไม่ให้สายเคเบิลที่ส่งสัญญาณความถี่สูง (เช่น สายเคเบิล RF และสายเคเบิลอิเล็กทรอนิกส์) ก่อให้เกิดการรบกวนจากภายนอก หรือเพื่อป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากภายนอกไม่ให้รบกวนสายเคเบิลที่ส่งกระแสไฟฟ้าอ่อน (เช่น สายเคเบิลสัญญาณหรือสายเคเบิลวัด) รวมถึงลดการรบกวนระหว่างสายไฟ การป้องกันสนามไฟฟ้าออกแบบมาเพื่อปรับสมดุลสนามไฟฟ้าแรงสูงบนพื้นผิวตัวนำหรือพื้นผิวฉนวนของสายไฟแรงดันปานกลางและสูง

1. โครงสร้างและข้อกำหนดของชั้นป้องกันสนามไฟฟ้า

การป้องกันสายเคเบิลไฟฟ้าประกอบด้วยการป้องกันตัวนำ การป้องกันฉนวน และการป้องกันโลหะ ตามมาตรฐานที่เกี่ยวข้อง สายเคเบิลที่มีแรงดันไฟฟ้าพิกัดมากกว่า 0.6/1kV ควรมีชั้นป้องกันโลหะ ซึ่งสามารถใช้กับแกนฉนวนแต่ละแกนหรือแกนสายเคเบิลแบบหลายแกนได้ สำหรับสายเคเบิลหุ้มฉนวน XLPE ที่มีแรงดันไฟฟ้าพิกัดไม่น้อยกว่า 3.6/6kV และสายเคเบิลหุ้มฉนวนบาง EPR ที่มีแรงดันไฟฟ้าพิกัดไม่น้อยกว่า 3.6/6kV (หรือสายเคเบิลหุ้มฉนวนหนาที่มีแรงดันไฟฟ้าพิกัดไม่น้อยกว่า 6/10kV) จำเป็นต้องมีโครงสร้างป้องกันกึ่งตัวนำทั้งด้านในและด้านนอกด้วย

(1) การป้องกันตัวนำและการป้องกันฉนวน

ฉนวนหุ้มตัวนำ (ฉนวนกึ่งตัวนำภายใน) ควรเป็นวัสดุที่ไม่ใช่โลหะ โดยประกอบด้วยวัสดุกึ่งตัวนำแบบอัดขึ้นรูป หรือเทปกึ่งตัวนำที่พันรอบตัวนำ ตามด้วยชั้นกึ่งตัวนำแบบอัดขึ้นรูปอีกชั้นหนึ่ง

ชั้นฉนวนป้องกัน (ชั้นป้องกันกึ่งตัวนำภายนอก) คือชั้นกึ่งตัวนำที่ไม่ใช่โลหะซึ่งถูกอัดขึ้นรูปโดยตรงบนพื้นผิวด้านนอกของแกนฉนวนแต่ละแกน ซึ่งอาจยึดติดกับฉนวนอย่างแน่นหนาหรือสามารถลอกออกได้ ชั้นกึ่งตัวนำด้านในและด้านนอกที่อัดขึ้นรูปควรยึดติดกับฉนวนอย่างแน่นหนา มีพื้นผิวเรียบ ไม่มีรอยเส้นใยที่เห็นได้ชัด และไม่มีขอบคม อนุภาค รอยไหม้ หรือรอยขีดข่วน ค่าความต้านทานก่อนและหลังการเสื่อมสภาพไม่ควรเกิน 1000 Ω·m สำหรับชั้นป้องกันตัวนำ และ 500 Ω·m สำหรับชั้นป้องกันฉนวน

วัสดุป้องกันกึ่งตัวนำชั้นในและชั้นนอกทำขึ้นโดยการผสมวัสดุฉนวนที่เหมาะสม (เช่น โพลีเอทิลีนแบบเชื่อมโยงข้ามสายโซ่ ยางเอทิลีน-โพรพิลีน เป็นต้น) กับผงคาร์บอนแบล็ก สารต้านอนุมูลอิสระ โคพอลิเมอร์เอทิลีน-ไวนิลอะซิเตต และสารเติมแต่งอื่นๆ อนุภาคผงคาร์บอนแบล็กควรมีการกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอภายในพอลิเมอร์ โดยไม่มีการจับตัวเป็นก้อนหรือการกระจายตัวที่ไม่ดี

ความหนาของชั้นฉนวนกึ่งตัวนำด้านในและด้านนอกจะเพิ่มขึ้นตามระดับแรงดันไฟฟ้า เนื่องจากความแรงของสนามไฟฟ้าบนชั้นฉนวนจะสูงกว่าด้านในและต่ำกว่าด้านนอก ความหนาของชั้นฉนวนกึ่งตัวนำจึงควรมากกว่าด้านในมากกว่าด้านนอก ในอดีต ชั้นฉนวนกึ่งตัวนำด้านนอกจะทำหนากว่าด้านในเล็กน้อยเพื่อป้องกันรอยขีดข่วนเนื่องจากการควบคุมความหย่อนตัวที่ไม่ดีหรือการเจาะทะลุที่เกิดจากเทปทองแดงที่แข็งเกินไป ปัจจุบัน ด้วยระบบตรวจสอบความหย่อนตัวอัตโนมัติแบบออนไลน์และเทปทองแดงอ่อนที่ผ่านการอบอ่อนแล้ว ชั้นฉนวนกึ่งตัวนำด้านในควรทำหนากว่าหรือเท่ากับชั้นด้านนอกเล็กน้อย สำหรับสายเคเบิล 6–10–35 kV ความหนาของชั้นด้านในโดยทั่วไปจะอยู่ที่ 0.5–0.6–0.8 มม.

(2) การป้องกันโลหะ

สายเคเบิลที่มีแรงดันไฟฟ้าพิกัดมากกว่า 0.6/1kV ควรมีชั้นป้องกันที่เป็นโลหะ ชั้นป้องกันที่เป็นโลหะควรเคลือบลงบนแกนฉนวนหรือแกนสายเคเบิลแต่ละแกน ชั้นป้องกันที่เป็นโลหะควรประกอบด้วยเทปโลหะหนึ่งชั้นขึ้นไป ถักด้วยโลหะ ชั้นลวดโลหะแบบวงกลม หรือการผสมผสานระหว่างลวดโลหะและเทปโลหะ

ในยุโรปและประเทศพัฒนาแล้วอื่นๆ เนื่องจากการใช้ระบบวงจรคู่แบบต่อลงดินด้วยตัวต้านทานซึ่งมีกระแสลัดวงจรสูง จึงนิยมใช้ลวดทองแดงเป็นฉนวนป้องกัน ผู้ผลิตบางรายฝังลวดทองแดงไว้ในปลอกหุ้มหรือปลอกนอกเพื่อลดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของสายเคเบิล ในประเทศจีน ยกเว้นโครงการสำคัญบางโครงการที่ใช้ระบบวงจรคู่แบบต่อลงดินด้วยตัวต้านทาน ระบบส่วนใหญ่ใช้แหล่งจ่ายไฟแบบวงจรเดี่ยวต่อลงดินด้วยขดลวดระงับประกายไฟ ซึ่งจำกัดกระแสลัดวงจรให้น้อยที่สุด ดังนั้นจึงสามารถใช้เทปทองแดงเป็นฉนวนป้องกันได้ โรงงานผลิตสายเคเบิลจะนำเทปทองแดงแข็งที่ซื้อมามาแปรรูปโดยการตัดและอบอ่อนเพื่อให้ได้ความยืดหยุ่นและความแข็งแรงดึงที่เหมาะสม (แข็งเกินไปจะทำให้ชั้นฉนวนเป็นรอย อ่อนเกินไปจะย่น) ก่อนนำไปใช้ เทปทองแดงอ่อนควรเป็นไปตามมาตรฐาน GB/T11091-2005 เทปทองแดงสำหรับสายเคเบิล

ฉนวนหุ้มด้วยเทปทองแดงควรประกอบด้วยเทปทองแดงอ่อนซ้อนทับกันหนึ่งชั้น หรือเทปทองแดงอ่อนพันเป็นเกลียวสองชั้นโดยเว้นช่องว่าง อัตราการซ้อนทับโดยเฉลี่ยของเทปทองแดงควรอยู่ที่ 15% ของความกว้าง (ค่าที่กำหนด) และอัตราการซ้อนทับขั้นต่ำไม่ควรน้อยกว่า 5% ความหนาที่กำหนดของเทปทองแดงควรมีอย่างน้อย 0.12 มม. สำหรับสายเคเบิลแกนเดี่ยว และอย่างน้อย 0.10 มม. สำหรับสายเคเบิลหลายแกน ความหนาขั้นต่ำของเทปทองแดงไม่ควรน้อยกว่า 90% ของค่าที่กำหนด ความกว้างของเทปทองแดงโดยทั่วไปจะอยู่ที่ 30–35 มม. ขึ้นอยู่กับเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของฉนวนหุ้ม (≤25 มม. หรือ >25 มม.)

ฉนวนลวดทองแดงทำจากลวดทองแดงอ่อนที่พันเป็นเกลียว ยึดด้วยการพันลวดทองแดงหรือเทปทองแดงแบบเกลียวสวนทาง ความต้านทานต้องเป็นไปตามข้อกำหนดของ GB/T3956-2008 ตัวนำของสายเคเบิล และพื้นที่หน้าตัดที่กำหนดควรพิจารณาตามความสามารถในการรับกระแสไฟฟ้าลัดวงจร ฉนวนลวดทองแดงสามารถใช้กับปลอกชั้นในของสายเคเบิลสามแกน หรือใช้โดยตรงกับฉนวน ชั้นป้องกันกึ่งตัวนำภายนอก หรือปลอกชั้นในที่เหมาะสมของสายเคเบิลแกนเดียว ช่องว่างเฉลี่ยระหว่างลวดทองแดงที่อยู่ติดกันไม่ควรเกิน 4 มม. ช่องว่างเฉลี่ย G คำนวณโดยใช้สูตร:

ที่ไหน:
D – เส้นผ่านศูนย์กลางของแกนสายเคเบิลใต้ฉนวนลวดทองแดง หน่วยเป็นมิลลิเมตร;
d – เส้นผ่านศูนย์กลางของลวดทองแดง หน่วยเป็นมิลลิเมตร;
n – จำนวนสายทองแดง

2. บทบาทของชั้นป้องกันและความสัมพันธ์กับระดับแรงดันไฟฟ้า

(1) บทบาทของการป้องกันกึ่งตัวนำภายในและภายนอก
ตัวนำสายเคเบิลโดยทั่วไปจะถูกอัดแน่นจากลวดตีเกลียวหลายเส้น ในระหว่างกระบวนการอัดขึ้นรูปฉนวน อาจมีช่องว่าง รอยขรุขระ และความไม่สม่ำเสมออื่นๆ บนพื้นผิวระหว่างพื้นผิวตัวนำและชั้นฉนวน ทำให้เกิดการกระจุกตัวของสนามไฟฟ้า นำไปสู่การคายประจุในช่องว่างอากาศเฉพาะจุดและการคายประจุแบบแตกแขนง และลดประสิทธิภาพการเป็นฉนวน การอัดขึ้นรูปชั้นวัสดุกึ่งตัวนำ (ฉนวนป้องกันตัวนำ) บนพื้นผิวตัวนำจะช่วยให้มั่นใจได้ว่ามีการสัมผัสที่แน่นหนากับฉนวน เนื่องจากชั้นกึ่งตัวนำและตัวนำมีศักย์ไฟฟ้าเดียวกัน แม้จะมีช่องว่างระหว่างกัน ก็จะไม่มีการกระทำของสนามไฟฟ้า จึงป้องกันการคายประจุบางส่วนได้

ในทำนองเดียวกัน จะมีช่องว่างระหว่างพื้นผิวฉนวนด้านนอกกับปลอกโลหะ (หรือแผ่นโลหะป้องกัน) และยิ่งระดับแรงดันไฟฟ้าสูงเท่าไร โอกาสที่จะเกิดการปล่อยประจุในช่องว่างอากาศก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น การอัดขึ้นรูปชั้นกึ่งตัวนำ (แผ่นฉนวนป้องกัน) บนพื้นผิวฉนวนด้านนอก จะทำให้เกิดพื้นผิวศักย์ไฟฟ้าเท่ากันด้านนอกกับปลอกโลหะ ซึ่งจะช่วยขจัดสนามไฟฟ้าในช่องว่างและป้องกันการปล่อยประจุบางส่วนได้

(2) บทบาทของการป้องกันด้วยโลหะ

หน้าที่ของฉนวนโลหะ ได้แก่ การนำกระแสไฟฟ้าแบบคาปาซิทีฟภายใต้สภาวะปกติ การเป็นเส้นทางสำหรับกระแสไฟฟ้าลัดวงจรในระหว่างเกิดความผิดพลาด การจำกัดสนามไฟฟ้าไว้ภายในฉนวน (ลดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าจากภายนอก) และการทำให้มั่นใจได้ว่าสนามไฟฟ้าในแนวรัศมีมีความสม่ำเสมอ การทำหน้าที่เป็นสายกลางในระบบสามเฟสสี่สายเพื่อนำกระแสไฟฟ้าที่ไม่สมดุล และการป้องกันน้ำซึมในแนวรัศมี