สายเคเบิลหุ้มฉนวนคืออะไร และเหตุใดชั้นฉนวนจึงมีความสำคัญมาก?

สายเคเบิลหุ้มฉนวน ตามชื่อที่บ่งบอก คือสายเคเบิลที่มีความสามารถในการป้องกันการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าจากภายนอก โดยมีลักษณะเป็นสายส่งสัญญาณที่มีชั้นหุ้มฉนวน การ "หุ้มฉนวน" บนโครงสร้างสายเคเบิลนั้นเป็นมาตรการหนึ่งในการปรับปรุงการกระจายตัวของสนามไฟฟ้า ตัวนำของสายเคเบิลประกอบด้วยเส้นลวดหลายเส้น ซึ่งง่ายต่อการเกิดช่องว่างอากาศระหว่างตัวนำกับชั้นฉนวน และพื้นผิวของตัวนำไม่เรียบ ซึ่งจะทำให้เกิดการรวมตัวของสนามไฟฟ้า

1. ชั้นฉนวนหุ้มสายเคเบิล
(1) เพิ่มชั้นป้องกันของวัสดุกึ่งตัวนำบนพื้นผิวของตัวนำ ซึ่งมีศักย์ไฟฟ้าเท่ากับตัวนำที่ถูกป้องกันและสัมผัสกับชั้นฉนวนอย่างดี เพื่อหลีกเลี่ยงการปล่อยประจุบางส่วนระหว่างตัวนำและชั้นฉนวน ชั้นป้องกันนี้ยังเรียกว่าชั้นป้องกันภายใน อาจมีช่องว่างในการสัมผัสระหว่างพื้นผิวฉนวนและปลอกหุ้ม และเมื่อสายเคเบิลถูกดัดงอ พื้นผิวฉนวนของสายเคเบิลกระดาษน้ำมันอาจเกิดรอยแตกได้ง่าย ซึ่งเป็นปัจจัยที่ทำให้เกิดการปล่อยประจุบางส่วน

(2) เพิ่มชั้นป้องกันของวัสดุกึ่งตัวนำบนพื้นผิวของชั้นฉนวนซึ่งมีการสัมผัสที่ดีกับชั้นฉนวนป้องกันและมีศักย์ไฟฟ้าเท่ากับปลอกโลหะ เพื่อหลีกเลี่ยงการปล่อยประจุบางส่วนระหว่างชั้นฉนวนและปลอก

เพื่อให้การนำไฟฟ้าในแกนกลางเป็นไปอย่างสม่ำเสมอและเป็นฉนวนป้องกันสนามไฟฟ้า สายไฟแรงดันปานกลางและสูงที่มีแรงดัน 6kV ขึ้นไปโดยทั่วไปจะมีชั้นตัวนำหุ้มและชั้นฉนวนหุ้ม ในขณะที่สายไฟแรงดันต่ำบางชนิดไม่มีชั้นหุ้ม ชั้นหุ้มมีสองประเภท ได้แก่ ชั้นหุ้มแบบกึ่งตัวนำและชั้นหุ้มแบบโลหะ

2. สายเคเบิลหุ้มฉนวน
ชั้นป้องกันของสายเคเบิลนี้ส่วนใหญ่ถักเป็นโครงข่ายของลวดโลหะหรือฟิล์มโลหะ และมีวิธีการป้องกันหลายแบบ ทั้งแบบชั้นเดียวและหลายชั้น การป้องกันชั้นเดียวหมายถึงโครงข่ายหรือฟิล์มป้องกันเพียงชั้นเดียว ซึ่งสามารถห่อหุ้มลวดได้หนึ่งเส้นหรือมากกว่านั้น ส่วนโหมดการป้องกันหลายชั้นคือโครงข่ายป้องกันหลายชั้น โดยมีฟิล์มป้องกันอยู่ในสายเคเบิลเส้นเดียว บางชนิดใช้เพื่อแยกการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างสายไฟ และบางชนิดเป็นการป้องกันสองชั้นเพื่อเสริมประสิทธิภาพการป้องกัน กลไกการป้องกันคือการต่อสายดินของชั้นป้องกันเพื่อแยกแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำรบกวนจากภายนอกสายไฟ

(1) เกราะป้องกันกึ่งตัวนำ
ชั้นป้องกันกึ่งตัวนำมักถูกจัดวางไว้บนพื้นผิวด้านนอกของแกนลวดตัวนำและพื้นผิวด้านนอกของชั้นฉนวน เรียกว่าชั้นป้องกันกึ่งตัวนำด้านในและชั้นป้องกันกึ่งตัวนำด้านนอก ตามลำดับ ชั้นป้องกันกึ่งตัวนำประกอบด้วยวัสดุกึ่งตัวนำที่มีความต้านทานต่ำมากและมีความหนาบาง ชั้นป้องกันกึ่งตัวนำด้านในถูกออกแบบมาเพื่อทำให้สนามไฟฟ้าบนพื้นผิวด้านนอกของแกนตัวนำมีความสม่ำเสมอ และป้องกันการคายประจุบางส่วนของตัวนำและฉนวนเนื่องจากพื้นผิวที่ไม่เรียบของตัวนำและช่องว่างอากาศที่เกิดจากแกนลวดแบบตีเกลียว ชั้นป้องกันกึ่งตัวนำด้านนอกจะสัมผัสกับพื้นผิวด้านนอกของชั้นฉนวนอย่างดี และมีศักย์ไฟฟ้าเท่ากับปลอกโลหะเพื่อป้องกันการคายประจุบางส่วนของปลอกโลหะเนื่องจากข้อบกพร่อง เช่น รอยแตกบนพื้นผิวฉนวนของสายเคเบิล

(2) โล่โลหะ
สำหรับสายไฟแรงดันปานกลางและแรงดันต่ำที่ไม่มีปลอกโลหะ นอกจากการติดตั้งชั้นป้องกันกึ่งตัวนำแล้ว ยังต้องเพิ่มชั้นป้องกันโลหะอีกชั้นด้วย โดยปกติแล้วชั้นป้องกันโลหะจะห่อหุ้มด้วย...เทปทองแดงหรือลวดทองแดง ซึ่งทำหน้าที่หลักในการป้องกันสนามไฟฟ้า

เนื่องจากกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านสายไฟมีขนาดค่อนข้างใหญ่ จึงทำให้เกิดสนามแม่เหล็กขึ้นรอบๆ กระแสไฟฟ้า เพื่อไม่ให้กระทบกับส่วนประกอบอื่นๆ ดังนั้นชั้นฉนวนจึงทำหน้าที่ป้องกันสนามแม่เหล็กไฟฟ้าภายในสายไฟ นอกจากนี้ ชั้นฉนวนของสายไฟยังมีบทบาทในการป้องกันการลัดวงจรลงดิน หากแกนสายไฟเสียหาย กระแสไฟฟ้าที่รั่วไหลสามารถไหลไปตามชั้นฉนวน เช่น ไปยังวงจรสายดิน เพื่อช่วยป้องกันความปลอดภัย จะเห็นได้ว่าบทบาทของชั้นฉนวนของสายไฟนั้นมีความสำคัญมาก