Bei Draht- und Kabelprodukten werden Schirmungsstrukturen in zwei unterschiedliche Konzepte unterteilt: elektromagnetische und elektrische Feldschirmung. Die elektromagnetische Schirmung dient primär dazu, Störungen der Umgebung durch Hochfrequenzsignalkabel (wie HF- und Elektronikkabel) zu verhindern oder externe elektromagnetische Wellen daran zu hindern, Kabel mit schwachen Strömen (wie Signal- und Messkabel) zu stören. Außerdem reduziert sie gegenseitige Störungen zwischen den Kabeln. Die elektrische Feldschirmung hingegen dient dem Ausgleich starker elektrischer Felder an der Leiter- oder Isolationsoberfläche von Mittel- und Hochspannungskabeln.
1. Aufbau und Anforderungen an elektrische Feldabschirmungsschichten
Die Schirmung von Stromkabeln gliedert sich in Leiterschirmung, Isolationsschirmung und Metallschirmung. Gemäß den einschlägigen Normen müssen Kabel mit einer Nennspannung über 0,6/1 kV über eine Metallschirmung verfügen, die entweder auf die einzelnen isolierten Adern oder auf den gesamten Kabelkern aufgebracht werden kann. Bei Kabeln mit einer Nennspannung von mindestens 3,6/6 kV und XLPE-Isolierung (vernetztes Polyethylen) oder Kabeln mit einer Nennspannung von mindestens 3,6/6 kV und dünner EPR-Isolierung (Ethylen-Propylen-Kautschuk) (bzw. dicker Isolierung bei einer Nennspannung von mindestens 6/10 kV) ist zusätzlich eine innere und äußere halbleitende Schirmung erforderlich.
(1) Leiterschirmung und Isolationsschirmung
Leiterschirmung (Innere halbleitende Schirmung): Diese sollte nichtmetallisch sein und aus extrudiertem halbleitendem Material oder einer Kombination aus halbleitendem Band, das um den Leiter gewickelt ist, und anschließend extrudiertem halbleitendem Material bestehen.
Isolationsschirmung (äußere halbleitende Schirmung): Diese wird direkt auf die Außenfläche jedes isolierten Kerns extrudiert und ist fest mit der Isolierschicht verbunden oder von dieser abziehbar.
Die extrudierten inneren und äußeren halbleitenden Schichten müssen fest mit der Isolierung verbunden sein und eine glatte Grenzfläche ohne sichtbare Leiterlitzen, scharfe Kanten, Partikel, Brandspuren oder Kratzer aufweisen. Der spezifische Widerstand vor und nach der Alterung darf für die Leiterschirmschicht 1000 Ω·m und für die Isolationsschirmschicht 500 Ω·m nicht überschreiten.
Die inneren und äußeren halbleitenden Abschirmungsmaterialien werden durch Mischen entsprechender Isoliermaterialien (wie vernetztes Polyethylen (XLPE) und Ethylen-Propylen-Kautschuk (EPR)) mit Additiven wie Ruß, Alterungsschutzmitteln und Ethylen-Vinylacetat-Copolymer hergestellt. Die Rußpartikel müssen gleichmäßig im Polymer verteilt sein, ohne Agglomeration oder ungleichmäßige Dispersion.
Die Dicke der inneren und äußeren halbleitenden Abschirmungsschichten nimmt mit der Nennspannung zu. Da die elektrische Feldstärke in der Isolierschicht innen höher und außen niedriger ist, sollte die Dicke der halbleitenden Abschirmungsschichten innen ebenfalls größer und außen geringer sein. Bei Kabeln mit Nennspannungen von 6 bis 10 bis 35 kV liegt die Dicke der inneren Schicht typischerweise zwischen 0,5, 0,6 und 0,8 mm.
(2) Metallische Abschirmung
Kabel mit einer Nennspannung über 0,6/1 kV müssen mit einer Metallabschirmung versehen sein. Diese Metallabschirmung muss die Außenseite jedes isolierten Leiters bzw. den gesamten Kabelkern abdecken. Als Metallabschirmung können Metallbänder, Metallgeflechte, konzentrische Lagen von Metalldrähten oder eine Kombination aus Metalldrähten und -bändern dienen.
In Europa und den Industrieländern, wo geerdete Zweikreissysteme mit höheren Kurzschlussströmen zum Einsatz kommen, wird häufig eine Kupferdrahtabschirmung verwendet. In China sind hingegen geerdete Einkreis-Stromversorgungssysteme mit Lichtbogenlöschspule verbreiteter, weshalb dort typischerweise Kupferbandabschirmungen zum Einsatz kommen. Kabelhersteller verarbeiten zugekaufte harte Kupferbänder durch Aufschneiden und Glühen, um sie vor der Verwendung weicher zu machen. Die weichen Kupferbänder müssen der Norm GB/T11091-2005 „Kupferbänder für Kabel“ entsprechen.
Die Abschirmung mit Kupferband sollte aus einer Lage überlappenden, weichen Kupferbandes oder aus zwei Lagen mit Zwischenraumwicklung bestehen. Die durchschnittliche Überlappung sollte 15 % der Bandbreite betragen, mindestens jedoch 5 %. Die Nenndicke des Kupferbandes sollte bei einadrigen Kabeln mindestens 0,12 mm und bei mehradrigen Kabeln mindestens 0,10 mm betragen. Die Mindestdicke sollte mindestens 90 % des Nennwerts betragen.
Die Kupferdrahtabschirmung besteht aus locker gewickelten, weichen Kupferdrähten, deren Oberfläche durch umgekehrt gewickelte Kupferdrähte oder -bänder gesichert ist. Ihr Widerstand muss der Norm GB/T3956-2008 „Leiter von Kabeln“ entsprechen, und ihr Nennquerschnitt ist anhand der Kurzschlussstrombelastbarkeit zu bestimmen.
2. Funktionen der Schirmschichten und deren Zusammenhang mit den Nennspannungen
(1) Funktionen der inneren und äußeren halbleitenden Abschirmung
Kabeladern bestehen typischerweise aus mehreren verdrillten Drähten. Beim Extrudieren der Isolierung können lokale Spalten, Grate oder Oberflächenunebenheiten zwischen der Leiteroberfläche und der Isolierschicht zu elektrischen Feldkonzentrationen führen. Dies kann Teilentladungen und Entladungsbäume zur Folge haben, die die elektrische Leistung beeinträchtigen. Durch das Extrudieren einer Schicht aus halbleitendem Material (Leiterschirmung) zwischen Leiteroberfläche und Isolierschicht wird eine feste Verbindung mit der Isolierung hergestellt. Da die halbleitende Schicht das gleiche Potenzial wie der Leiter aufweist, werden eventuelle Spalten zwischen ihnen nicht durch elektrische Felder beeinflusst, wodurch Teilentladungen verhindert werden.
Ebenso können Spalten zwischen der äußeren Isolierfläche und dem Metallmantel (bzw. der Metallabschirmung) zu Teilentladungen führen, insbesondere bei höheren Nennspannungen. Durch das Aufbringen einer Schicht aus halbleitendem Material (Isolationsabschirmung) auf die äußere Isolierfläche entsteht eine Äquipotentialfläche mit dem Metallmantel. Dadurch werden elektrische Feldeffekte in den Spalten eliminiert und Teilentladungen verhindert.
(2) Funktionen der Metallabschirmung
Zu den Funktionen der Metallabschirmung gehören: die Ableitung kapazitiver Ströme im Normalbetrieb, die Führung von Kurzschlussströmen (Fehlerströmen), die Begrenzung des elektrischen Feldes innerhalb der Isolierung (wodurch elektromagnetische Störungen nach außen reduziert werden) und die Gewährleistung gleichmäßiger elektrischer Felder (radiale elektrische Felder). In dreiphasigen Vierleitersystemen dient sie zudem als Neutralleiter, führt unsymmetrische Ströme und bietet radialen Wasserschutz.
3. Über OW Cable
Als führender Lieferant von Rohmaterialien für Drähte und Kabel bietet OW Cable hochwertiges vernetztes Polyethylen (XLPE), Kupferbänder, Kupferdrähte und weitere Abschirmungsmaterialien, die in der Herstellung von Stromkabeln, Kommunikationskabeln und Spezialkabeln weit verbreitet sind. Unsere Produkte entsprechen internationalen Standards, und wir sind bestrebt, unseren Kunden zuverlässige Lösungen für die Kabelabschirmung zu liefern.
Veröffentlichungsdatum: 24. März 2025