هيكل ومواد طبقات حماية كابلات الطاقة

للحماية المستخدمة في منتجات الأسلاك والكابلات مفهومان مختلفان تمامًا: الحماية الكهرومغناطيسية والحماية من المجال الكهربائي. صُمم الحماية الكهرومغناطيسية لمنع الكابلات التي تنقل إشارات عالية التردد (مثل كابلات التردد اللاسلكي والكابلات الإلكترونية) من التسبب في تداخل خارجي، أو لمنع الموجات الكهرومغناطيسية الخارجية من التداخل مع الكابلات التي تنقل تيارات ضعيفة (مثل كابلات الإشارة أو القياس)، بالإضافة إلى تقليل التداخل بين الأسلاك. أما الحماية من المجال الكهربائي، فقد صُممت لموازنة المجال الكهربائي القوي على سطح الموصل أو سطح العزل لكابلات الطاقة متوسطة وعالية الجهد.

1. هيكل ومتطلبات طبقات الحماية من المجال الكهربائي

يشمل حجب كابلات الطاقة حجب الموصلات، وحجب العوازل، وحجب المعدن. ووفقًا للمعايير ذات الصلة، يجب أن تحتوي الكابلات التي يزيد جهدها المقنن عن 0.6/1 كيلو فولت على طبقة حجب معدنية، تُوضع على كل قلب معزول أو على قلب الكابل متعدد الأنوية. بالنسبة للكابلات المعزولة بـ XLPE بجهد لا يقل عن 3.6/6 كيلو فولت، وكابلات EPR المعزولة بجهد لا يقل عن 3.6/6 كيلو فولت (أو الكابلات المعزولة بسمك لا يقل عن 6/10 كيلو فولت)، يلزم أيضًا استخدام هياكل حجب شبه موصلة داخلية وخارجية.

(1) حماية الموصلات وحماية العوازل

يجب أن يكون درع الموصل (الدرع شبه الموصل الداخلي) غير معدني، ويتكون من مادة شبه موصلة مبثوقة أو شريط شبه موصل ملفوف حول الموصل يتبعه طبقة شبه موصلة مبثوقة.

درع العزل (الدرع شبه الموصل الخارجي) هو طبقة شبه موصلة غير معدنية تُبث مباشرة على السطح الخارجي لكل نواة معزولة، ويمكن تثبيتها بإحكام على العازل أو نزعها منه. يجب أن تكون الطبقات شبه الموصلة الداخلية والخارجية المبثوقة ملتصقة بإحكام بالعازل، مع واجهات ناعمة، وخالية من علامات الخيوط الواضحة، وخالية من الحواف الحادة أو الجسيمات أو علامات الحرق أو الخدوش. يجب ألا تتجاوز المقاومة الكهربائية قبل وبعد التقادم 1000 أوم·متر لطبقة درع الموصل، و500 أوم·متر لطبقة درع العزل.

تُصنع مواد العزل شبه الموصلة الداخلية والخارجية بخلط مواد العزل المناسبة (مثل البولي إيثيلين المتشابك، ومطاط الإيثيلين-البروبيلين، وغيرها) مع أسود الكربون، ومضادات الأكسدة، وكوبوليمر أسيتات الإيثيلين-فينيل، وإضافات أخرى. يجب توزيع جزيئات أسود الكربون بالتساوي داخل البوليمر، دون تكتل أو سوء تشتت.

يزداد سمك طبقتي العزل شبه الموصلة الداخلية والخارجية مع ارتفاع مستوى الجهد. ولأن شدة المجال الكهربائي على طبقة العزل تكون أعلى في الداخل وأقل في الخارج، يجب أن يكون سمك طبقتي العزل شبه الموصلة في الداخل أكبر منه في الخارج. في الماضي، كان يُصنع العزل شبه الموصل الخارجي أكثر سمكًا بقليل من الداخلي لمنع الخدوش الناتجة عن ضعف التحكم في الترهل أو الثقوب الناتجة عن أشرطة النحاس شديدة الصلابة. أما الآن، ومع وجود نظام مراقبة الترهل التلقائي عبر الإنترنت وأشرطة النحاس الناعمة المُلدَّنة، يجب أن يكون سمك طبقة العزل شبه الموصلة الداخلية أكثر سمكًا بقليل أو مساويًا للطبقة الخارجية. بالنسبة لكابلات 6-10-35 كيلو فولت، يتراوح سمك الطبقة الداخلية عادةً بين 0.5-0.6-0.8 مم.

(2) الدروع المعدنية

يجب أن تحتوي الكابلات ذات الجهد المُصنّف الذي يزيد عن 0.6/1 كيلو فولت على طبقة حماية معدنية. تُوضع هذه الطبقة على كل قلب معزول أو قلب كابل. يتكون هذا الغطاء المعدني من شريط معدني واحد أو أكثر، أو ضفائر معدنية، أو طبقات متحدة المركز من أسلاك معدنية، أو مزيج من الأسلاك والأشرطة المعدنية.

في أوروبا وغيرها من الدول المتقدمة، ونظرًا لاستخدام أنظمة الدائرة المزدوجة المؤرضة بالمقاومة ذات تيارات قصر أعلى، يشيع استخدام دروع الأسلاك النحاسية. يقوم بعض المصنّعين بتضمين أسلاك نحاسية في غلاف الفصل أو الغلاف الخارجي لتقليل قطر الكابل. أما في الصين، وباستثناء بعض المشاريع الرئيسية التي تستخدم أنظمة الدائرة المزدوجة المؤرضة بالمقاومة، فإن معظم الأنظمة تستخدم مصادر طاقة أحادية الدائرة مؤرضة بملفات تثبيط القوس الكهربائي، مما يحد من تيار القصر إلى الحد الأدنى، مما يسمح باستخدام دروع أشرطة النحاس. تُعالج مصانع الكابلات شرائط النحاس الصلبة المشتراة عن طريق التقطيع والتلدين لتحقيق استطالة وقوة شد معينة (فإذا كانت صلبة جدًا ستخدش طبقة العزل، وإذا كانت لينة جدًا ستتجعد) قبل الاستخدام. يجب أن تتوافق شرائط النحاس اللينة مع معيار GB/T11091-2005 الخاص بشرائط النحاس للكابلات.

يجب أن يتكون درع شريط النحاس من طبقة واحدة من شريط النحاس الناعم المتداخل، أو طبقتين من شريط النحاس الناعم الملفوف حلزونيًا مع وجود فجوات بينهما. يجب أن يكون متوسط معدل تداخل شريط النحاس 15% من عرضه (القيمة الاسمية)، ويجب ألا يقل الحد الأدنى لمعدل التداخل عن 5%. يجب ألا يقل السُمك الاسمي لشريط النحاس عن 0.12 مم للكابلات أحادية النواة، ولا يقل عن 0.10 مم للكابلات متعددة النواة. يجب ألا يقل السُمك الأدنى لشريط النحاس عن 90% من القيمة الاسمية. يتراوح عرض شريط النحاس عادةً بين 30 و35 مم، وذلك حسب القطر الخارجي للدرع العازل (≤25 مم أو أكبر من 25 مم).

يُصنع درع الأسلاك النحاسية من أسلاك نحاسية ناعمة ملفوفة حلزونيًا، ومثبتة بلفافة حلزونية معاكسة من أسلاك النحاس أو أشرطة النحاس. يجب أن تتوافق مقاومته مع متطلبات GB/T3956-2008 لموصلات الكابلات، وتُحدد مساحته العرضية الاسمية وفقًا لسعة تيار العطل. يمكن وضع درع الأسلاك النحاسية فوق الغلاف الداخلي للكابلات ثلاثية النواة، أو مباشرةً فوق العازل، أو طبقة التدريع شبه الموصلة الخارجية، أو غلاف داخلي مناسب للكابلات أحادية النواة. يجب ألا يتجاوز متوسط الفجوة بين أسلاك النحاس المتجاورة 4 مم. يُحسب متوسط الفجوة G باستخدام الصيغة التالية:

أين:
د – قطر قلب الكابل تحت غطاء الأسلاك النحاسية، بالملم؛
د – قطر السلك النحاسي، بالملم؛
ن – عدد الأسلاك النحاسية.

2. دور طبقات الحماية وعلاقتها بمستويات الجهد

(1) دور الحماية شبه الموصلة الداخلية والخارجية
تُصنع موصلات الكابلات عادةً من أسلاك متعددة الجدائل. أثناء عملية بثق العزل، قد تظهر فجوات ونتوءات وتشوهات سطحية أخرى بين سطح الموصل وطبقة العزل، مما يُسبب تركيز المجال الكهربائي، ويؤدي إلى تفريغ هوائي موضعي وتفريغ تشابكي، ويُقلل من الأداء العازل. يضمن بثق طبقة من مادة شبه موصلة (درع الموصل) فوق سطح الموصل اتصالًا مُحكمًا بالعزل. ولأن الطبقة شبه الموصلة والموصل لهما نفس الجهد، فحتى في حالة وجود فجوات بينهما، لن يكون هناك تأثير مجال كهربائي، مما يمنع التفريغ الجزئي.

وبالمثل، توجد فجوات بين سطح العزل الخارجي والغلاف المعدني (أو الدرع المعدني)، وكلما ارتفع مستوى الجهد، زاد احتمال حدوث تفريغ في فجوة الهواء. ببثق طبقة شبه موصلة (درع عازل) على سطح العزل الخارجي، يتشكل سطح خارجي متساوي الجهد مع الغلاف المعدني، مما يزيل المجالات الكهربائية في الفجوات ويمنع التفريغ الجزئي.

(2) دور الدروع المعدنية

تتضمن وظائف الحماية المعدنية ما يلي: حمل التيار السعوي في الظروف العادية، والعمل كمسار لتيار الدائرة القصيرة أثناء الأعطال؛ وحصر المجال الكهربائي داخل العزل (تقليل التداخل الكهرومغناطيسي الخارجي) وضمان مجال كهربائي شعاعي موحد؛ والعمل كخط محايد في أنظمة ثلاثية الطور بأربعة أسلاك لحمل التيار غير المتوازن؛ وتوفير حماية شعاعية ضد الماء.