Die Abschirmung von Drähten und Kabeln beruht auf zwei völlig unterschiedlichen Konzepten: der elektromagnetischen Abschirmung und der elektrischen Feldabschirmung. Die elektromagnetische Abschirmung soll verhindern, dass Kabel, die Hochfrequenzsignale übertragen (wie HF- und Elektronikkabel), externe Störungen verursachen, oder externe elektromagnetische Wellen daran hindern, Kabel zu stören, die schwache Ströme übertragen (wie Signal- oder Messkabel), und das Übersprechen zwischen Drähten reduzieren. Die elektrische Feldabschirmung soll das starke elektrische Feld auf der Leiteroberfläche oder der Isolationsoberfläche von Mittel- und Hochspannungskabeln ausgleichen.
1. Aufbau und Anforderungen an elektrische Feldabschirmschichten
Die Abschirmung von Stromkabeln umfasst Leiterabschirmung, Isolationsabschirmung und metallische Abschirmung. Gemäß den einschlägigen Normen sollten Kabel mit einer Nennspannung über 0,6/1 kV eine metallische Abschirmschicht aufweisen, die auf jede isolierte Ader oder auf die mehradrige Litzenader aufgebracht werden kann. Für XLPE-isolierte Kabel mit einer Nennspannung von mindestens 3,6/6 kV und dünnisolierte EPR-Kabel mit einer Nennspannung von mindestens 3,6/6 kV (oder dickisolierte Kabel mit einer Nennspannung von mindestens 6/10 kV) sind zusätzlich innere und äußere halbleitende Abschirmstrukturen erforderlich.
(1) Leiterabschirmung und Isolationsabschirmung
Die Leiterabschirmung (innere halbleitende Abschirmung) sollte nichtmetallisch sein und aus extrudiertem halbleitendem Material oder einem um den Leiter gewickelten halbleitenden Band bestehen, gefolgt von einer extrudierten halbleitenden Schicht.
Die Isolationsabschirmung (äußere Halbleiterabschirmung) ist eine nichtmetallische Halbleiterschicht, die direkt auf die Außenfläche jedes isolierten Kerns extrudiert wird und entweder fest mit der Isolierung verbunden oder von dieser abziehbar sein kann. Die extrudierten inneren und äußeren Halbleiterschichten sollten fest mit der Isolierung verbunden sein, glatte Schnittstellen aufweisen, keine sichtbaren Litzenspuren aufweisen und keine scharfen Kanten, Partikel, Brandspuren oder Kratzer aufweisen. Der spezifische Widerstand vor und nach der Alterung sollte 1000 Ω·m für die Leiterabschirmschicht und 500 Ω·m für die Isolationsabschirmschicht 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 anderen Additiven hergestellt. Die Rußpartikel sollten gleichmäßig im Polymer verteilt sein, ohne zu agglomerieren oder eine schlechte Dispersion aufzuweisen.
Die Dicke der inneren und äußeren halbleitenden Abschirmschichten nimmt mit der Spannung zu. Da die elektrische Feldstärke auf der Isolierschicht innen höher und außen niedriger ist, sollte die Dicke der halbleitenden Abschirmschichten innen ebenfalls größer sein als außen. Früher wurde die äußere halbleitende Abschirmung etwas dicker als die innere ausgeführt, um Kratzer aufgrund mangelhafter Durchhangkontrolle oder Einstiche durch zu harte Kupferbänder zu vermeiden. Heute, mit automatischer Online-Durchhangüberwachung und geglühten weichen Kupferbändern, sollte die innere halbleitende Abschirmschicht etwas dicker oder gleich dick wie die äußere Schicht ausgeführt werden. Bei 6–10–35 kV-Kabeln beträgt die Dicke der inneren Schicht im Allgemeinen 0,5–0,6–0,8 mm.
(2) Metallische Abschirmung
Kabel mit einer Nennspannung über 0,6/1 kV sollten eine metallische Abschirmschicht aufweisen. Die metallische Abschirmschicht sollte auf jede isolierte Ader oder Kabelseele aufgebracht werden. Die metallische Abschirmung sollte 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 Doppelkreissystemen mit höheren Kurzschlussströmen häufig eine Abschirmung aus Kupferdrähten verwendet. Einige Hersteller betten Kupferdrähte in den Trennmantel oder den Außenmantel ein, um den Kabeldurchmesser zu reduzieren. In China verwenden die meisten Systeme, mit Ausnahme einiger wichtiger Projekte mit widerstandsgeerdeten Doppelkreissystemen, Einzelkreisstromversorgungen mit Lichtbogenunterdrückungsspule, die den Kurzschlussstrom auf ein Minimum begrenzen, sodass eine Abschirmung aus Kupferbändern verwendet werden kann. Kabelfabriken verarbeiten gekaufte harte Kupferbänder durch Schlitzen und Glühen, um vor der Verwendung eine bestimmte Dehnung und Zugfestigkeit zu erreichen (zu harte Bänder zerkratzen die Isolierabschirmschicht, zu weiche Bänder knittern). Weiche Kupferbänder sollten der Norm GB/T11091-2005 (Kupferbänder für Kabel) entsprechen.
Die Kupferbandabschirmung sollte aus einer Lage überlappenden Weichkupferbandes oder zwei Lagen spiralförmig gewickelten Weichkupferbandes mit Zwischenräumen bestehen. Die durchschnittliche Überlappungsrate des Kupferbandes sollte 15 % seiner Breite (Nennwert) betragen, die minimale Überlappungsrate sollte nicht weniger als 5 % betragen. Die Nenndicke des Kupferbandes sollte bei einadrigen Kabeln mindestens 0,12 mm und bei mehradrigen Kabeln mindestens 0,10 mm betragen. Die Mindestdicke des Kupferbandes sollte nicht weniger als 90 % des Nennwerts betragen. Abhängig vom Außendurchmesser der Isolationsabschirmung (≤ 25 mm oder > 25 mm) beträgt die Breite des Kupferbandes üblicherweise 30–35 mm.
Die Kupferdrahtabschirmung besteht aus spiralförmig gewickelten weichen Kupferdrähten, die mit einer gegenläufigen Spiralwicklung aus Kupferdrähten oder Kupferbändern gesichert sind. Ihr Widerstand sollte den Anforderungen der Norm GB/T3956-2008 „Leiter von Kabeln“ entsprechen, und ihr Nennquerschnitt sollte anhand der Fehlerstromkapazität bestimmt werden. Die Kupferdrahtabschirmung kann über dem Innenmantel von dreiadrigen Kabeln oder direkt über der Isolierung, der äußeren halbleitenden Abschirmschicht oder einem geeigneten Innenmantel von einadrigen Kabeln aufgebracht werden. Der durchschnittliche Abstand zwischen benachbarten Kupferdrähten sollte 4 mm nicht überschreiten. Der durchschnittliche Abstand G wird mit der folgenden 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 der Abschirmschichten und ihre Beziehung zu Spannungspegeln
(1) Rolle der inneren und äußeren Halbleiterabschirmung
Kabelleiter werden üblicherweise aus mehreren Litzendrähten verdichtet. Beim Extrudieren der Isolierung können Lücken, Grate und andere Oberflächenunregelmäßigkeiten zwischen der Leiteroberfläche und der Isolierschicht entstehen. Dies führt zu einer Konzentration des elektrischen Feldes, was wiederum zu lokaler Luftspaltentladung und Baumbildungsentladung führt und die dielektrische Leistung reduziert. Durch das Extrudieren einer Schicht aus Halbleitermaterial (Leiterabschirmung) über die Leiteroberfläche wird ein enger Kontakt mit der Isolierung gewährleistet. Da die Halbleiterschicht und der Leiter auf dem gleichen Potenzial liegen, kommt es selbst bei Lücken zwischen ihnen nicht zu einer elektrischen Feldwirkung, wodurch Teilentladungen verhindert werden.
Ebenso gibt es Lücken zwischen der äußeren Isolationsoberfläche und der Metallhülle (oder der metallischen Abschirmung). Je höher der Spannungspegel, desto wahrscheinlicher ist eine Luftspaltentladung. Durch das Aufbringen einer halbleitenden Schicht (Isolationsabschirmung) auf die äußere Isolationsoberfläche wird eine äußere Äquipotentialfläche mit der Metallhülle gebildet, wodurch elektrische Felder in den Lücken eliminiert und Teilentladungen verhindert werden.
(2) Rolle der metallischen Abschirmung
Zu den Funktionen der metallischen Abschirmung gehören: das Leiten von kapazitivem Strom unter normalen Bedingungen, das Dienen als Pfad für Kurzschlussströme bei Fehlern, das Begrenzen des elektrischen Felds innerhalb der Isolierung (Verringerung externer elektromagnetischer Störungen) und das Sicherstellen eines gleichmäßigen radialen elektrischen Felds, das Fungieren als Neutralleiter in Dreiphasen-Vierleitersystemen zum Leiten von unsymmetrischem Strom und das Bereitstellen eines radialen Wasserblockierschutzes.
Veröffentlichungszeit: 28. Juli 2025