Die in Kabeln und Leitungen verwendete Abschirmung basiert auf zwei grundverschiedenen Konzepten: elektromagnetischer und elektrischer Feldabschirmung. Die elektromagnetische Abschirmung verhindert, dass Kabel, die hochfrequente Signale übertragen (z. B. HF- und Elektronikkabel), externe Störungen verursachen oder dass externe elektromagnetische Wellen Kabel stören, die schwache Ströme übertragen (z. B. Signal- oder Messleitungen). Außerdem reduziert sie das Übersprechen zwischen den Adern. Die elektrische Feldabschirmung dient dem Ausgleich des starken elektrischen Feldes an der Leiteroberfläche oder der Isolationsoberfläche von Mittel- und Hochspannungskabeln.
1. Aufbau und Anforderungen an elektrische Feldabschirmungsschichten
Die Schirmung von Energiekabeln umfasst die Leiterschirmung, die Isolationsschirmung und die metallische Schirmung. Gemäß den einschlägigen Normen müssen Kabel mit einer Nennspannung über 0,6/1 kV über eine metallische Schirmung verfügen, die entweder auf jede isolierte Ader oder auf den mehradrigen Litzenleiter aufgebracht werden kann. Für XLPE-isolierte Kabel mit einer Nennspannung von mindestens 3,6/6 kV und EPR-Dünnschichtkabel mit einer Nennspannung von mindestens 3,6/6 kV (bzw. Dickschichtkabel mit einer Nennspannung von mindestens 6/10 kV) sind zusätzlich innere und äußere halbleitende Schirmstrukturen erforderlich.
(1) Leiterschirmung und Isolationsschirmung
Die Leiterschirmung (innere halbleitende Schirmung) sollte nichtmetallisch sein und aus extrudiertem halbleitendem Material oder einem um den Leiter gewickelten halbleitenden Band, gefolgt von einer extrudierten halbleitenden Schicht, bestehen.
Die Isolationsabschirmung (äußere halbleitende Abschirmung) ist eine nichtmetallische, halbleitende Schicht, die direkt auf die Außenfläche jedes isolierten Kerns extrudiert wird und entweder fest mit der Isolierung verbunden oder abziehbar ist. Die extrudierten inneren und äußeren halbleitenden Schichten müssen fest mit der Isolierung verbunden sein und glatte Übergänge ohne sichtbare Litzen, scharfe Kanten, Partikel, Brandspuren oder Kratzer aufweisen. Der spezifische Widerstand vor und nach der Alterung darf 1000 Ω·m für die Leiterabschirmung und 500 Ω·m für die Isolationsabschirmung nicht überschreiten.
Die inneren und äußeren halbleitenden Abschirmmaterialien werden durch Mischen der entsprechenden Isoliermaterialien (wie vernetztes Polyethylen, Ethylen-Propylen-Kautschuk usw.) mit Ruß, Antioxidantien, Ethylen-Vinylacetat-Copolymer und weiteren Additiven 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 Spannung zu. Da die elektrische Feldstärke in der Isolierschicht innen höher und außen niedriger ist, sollte die Dicke der halbleitenden Abschirmungsschichten innen ebenfalls größer sein als außen. Früher wurde die äußere halbleitende Abschirmung etwas dicker als die innere ausgeführt, um Kratzer durch unzureichende Durchhangkontrolle oder Beschädigungen durch zu harte Kupferbänder zu vermeiden. Dank der heutigen automatischen Durchhangüberwachung und der Verwendung von weichgeglühten Kupferbändern sollte die innere halbleitende Abschirmungsschicht etwas dicker oder gleich dick wie die äußere sein. Bei 6-, 10- und 35-kV-Kabeln beträgt die Dicke der inneren Schicht üblicherweise 0,5, 0,6 oder 0,8 mm.
(2) Metallische Abschirmung
Kabel mit einer Nennspannung über 0,6/1 kV müssen mit einer metallischen Abschirmung versehen sein. Diese Abschirmung muss auf jedem isolierten Leiter bzw. Kabelkern angebracht werden. Sie kann aus einem oder mehreren Metallbändern, Metallgeflechten, konzentrischen Lagen von Metalldrähten oder einer Kombination aus Metalldrähten und Metallbändern bestehen.
In Europa und anderen Industrieländern wird aufgrund der Verwendung von widerstandsgeerdeten Doppelstromkreissystemen mit höheren Kurzschlussströmen häufig eine Kupferdrahtabschirmung eingesetzt. Einige Hersteller betten Kupferdrähte in den Trennmantel oder den Außenmantel ein, um den Kabeldurchmesser zu reduzieren. In China werden – abgesehen von einigen wichtigen Projekten mit widerstandsgeerdeten Doppelstromkreissystemen – meist einpolige Stromversorgungen mit Lichtbogenunterdrückungsspulen als Abschirmung verwendet. Diese begrenzen den Kurzschlussstrom auf ein Minimum, sodass eine Kupferbandabschirmung ausreicht. Kabelhersteller bearbeiten zugekaufte harte Kupferbänder durch Schneiden und Glühen, um vor der Verwendung eine bestimmte Dehnung und Zugfestigkeit zu erreichen (zu harte Bänder beschädigen die Isolierschicht, zu weiche Bänder werfen Falten). Weiche Kupferbänder müssen der Norm GB/T11091-2005 „Kupferband für Kabel“ entsprechen.
Die Kupferbandabschirmung sollte aus einer Lage überlappenden, weichen Kupferbandes oder aus zwei Lagen spiralförmig gewickelten, weichen Kupferbandes mit Zwischenräumen bestehen. Die durchschnittliche Überlappung des Kupferbandes sollte 15 % seiner Nennbreite betragen, die minimale Überlappung mindestens 5 %. Die Nenndicke des Kupferbandes sollte mindestens 0,12 mm für einadrige und mindestens 0,10 mm für mehradrige Kabel betragen. Die Mindestdicke des Kupferbandes sollte mindestens 90 % der Nenndicke betragen. Abhängig vom Außendurchmesser der Isolationsabschirmung (≤ 25 mm oder > 25 mm) beträgt die Breite des Kupferbandes üblicherweise 30–35 mm.
Die Kupferdrahtschirmung besteht aus spiralförmig gewickelten, weichen Kupferdrähten, die mit einer gegenläufigen Wicklung aus Kupferdrähten oder Kupferbändern gesichert sind. Ihr Widerstand muss den Anforderungen der Norm GB/T3956-2008 „Leiter von Kabeln“ entsprechen, und ihr Nennquerschnitt ist entsprechend der Kurzschlussstrombelastbarkeit zu bestimmen. Die Kupferdrahtschirmung kann über dem Innenmantel von dreiadrigen Kabeln oder direkt über der Isolierung, der äußeren halbleitenden Schirmschicht oder einem geeigneten Innenmantel von einadrigen Kabeln angebracht werden. Der mittlere Abstand zwischen benachbarten Kupferdrähten darf 4 mm nicht überschreiten. Der mittlere Abstand G wird nach folgender Formel berechnet:
Wo:
D – Durchmesser des Kabelkerns unter der Kupferdrahtabschirmung, in mm;
d – Durchmesser des Kupferdrahtes in mm;
n – Anzahl der Kupferdrähte.
2. Die Rolle von Schirmschichten und deren Zusammenhang mit Spannungspegeln
(1) Rolle der inneren und äußeren halbleitenden Abschirmung
Kabeladern werden üblicherweise aus mehreren Litzen verpresst. Beim Extrudieren der Isolierung können Spalten, Grate und andere Oberflächenunebenheiten zwischen der Leiteroberfläche und der Isolierschicht entstehen. Dies führt zu einer Konzentration des elektrischen Feldes, was wiederum lokale Luftspalt- und Baumentladungen und eine verminderte dielektrische Leistung zur Folge haben kann. Durch das Extrudieren einer Schicht aus halbleitendem Material (Leiterschirmung) über die Leiteroberfläche wird ein enger Kontakt mit der Isolierung gewährleistet. Da die halbleitende Schicht und der Leiter das gleiche Potenzial aufweisen, findet selbst bei vorhandenen Spalten keine elektrische Feldwirkung statt, wodurch Teilentladungen verhindert werden.
Ebenso bestehen Spalten zwischen der äußeren Isolierfläche und dem Metallmantel (bzw. der metallischen Abschirmung), und je höher die Spannung, desto wahrscheinlicher ist eine Luftspaltentladung. Durch das Aufbringen einer halbleitenden Schicht (Isolationsabschirmung) auf die äußere Isolierfläche wird mit dem Metallmantel eine äußere Äquipotentialfläche gebildet. Dadurch werden elektrische Felder in den Spalten eliminiert und Teilentladungen verhindert.
(2) Rolle der metallischen Abschirmung
Zu den Funktionen der metallischen Abschirmung gehören: das Ableiten von kapazitivem Strom unter normalen Bedingungen, das Dienen als Pfad für Kurzschlussströme bei Fehlern; das Einschließen des elektrischen Feldes innerhalb der Isolierung (Reduzierung externer elektromagnetischer Störungen) und die Gewährleistung eines gleichmäßigen radialen elektrischen Feldes; das Fungieren als Neutralleiter in Dreiphasen-Vierleitersystemen zum Ableiten unsymmetrischer Ströme; und das Bereitstellen eines radialen Wasserschutzes.
Veröffentlichungsdatum: 28. Juli 2025