بنية ومواد طبقات الحماية لكابلات الطاقة

تعتمد الحماية المستخدمة في منتجات الأسلاك والكابلات على مفهومين مختلفين تمامًا: الحماية الكهرومغناطيسية والحماية من المجال الكهربائي. صُممت الحماية الكهرومغناطيسية لمنع الكابلات التي تنقل إشارات عالية التردد (مثل كابلات الترددات اللاسلكية والكابلات الإلكترونية) من التسبب في تداخل خارجي، أو لحجب الموجات الكهرومغناطيسية الخارجية من التداخل مع الكابلات التي تنقل تيارات ضعيفة (مثل كابلات الإشارة أو القياس)، بالإضافة إلى تقليل التشويش المتبادل بين الأسلاك. أما الحماية من المجال الكهربائي، فقد صُممت لموازنة المجال الكهربائي القوي على سطح الموصل أو سطح العزل لكابلات الطاقة ذات الجهد المتوسط ​​والعالي.

1. بنية ومتطلبات طبقات الحماية من المجال الكهربائي

تشمل حماية كابلات الطاقة حماية الموصل، وحماية العزل، والحماية المعدنية. ووفقًا للمعايير ذات الصلة، يجب أن تحتوي الكابلات ذات الجهد المقنن الذي يزيد عن 0.6/1 كيلو فولت على طبقة حماية معدنية، يمكن تطبيقها على كل قلب معزول أو على قلب الكابل متعدد النوى المجدول. أما بالنسبة للكابلات المعزولة بمادة XLPE ذات الجهد المقنن الذي لا يقل عن 3.6/6 كيلو فولت، والكابلات المعزولة بمادة EPR ذات الجهد المقنن الذي لا يقل عن 3.6/6 كيلو فولت (أو الكابلات المعزولة بسمك كبير ذات الجهد المقنن الذي لا يقل عن 6/10 كيلو فولت)، فيلزم أيضًا وجود هياكل حماية شبه موصلة داخلية وخارجية.

(1) حماية الموصل وحماية العزل

يجب أن يكون التدريع الموصل (التدريع شبه الموصل الداخلي) غير معدني، ويتكون من مادة شبه موصلة مقذوفة أو شريط شبه موصل ملفوف حول الموصل متبوعًا بطبقة شبه موصلة مقذوفة.

طبقة العزل الواقية (الطبقة الخارجية شبه الموصلة) هي طبقة غير معدنية شبه موصلة تُبثق مباشرةً على السطح الخارجي لكل قلب معزول، ويمكن أن تكون ملتصقة بإحكام بالعازل أو قابلة للفصل عنه. يجب أن تكون الطبقتان الداخلية والخارجية شبه الموصلتان ملتصقتين بإحكام بالعازل، مع أسطح تلامس ناعمة، وخالية من علامات الأسلاك الواضحة، والحواف الحادة، والجسيمات، وعلامات الاحتراق، والخدوش. يجب ألا تتجاوز المقاومة النوعية قبل وبعد التقادم 1000 أوم متر لطبقة حماية الموصل و500 أوم متر لطبقة حماية العزل.

تُصنع مواد التدريع شبه الموصلة الداخلية والخارجية عن طريق مزج مواد العزل المناسبة (مثل البولي إيثيلين المتشابك، ومطاط الإيثيلين-بروبيلين، وما إلى ذلك) مع الكربون الأسود، ومضادات الأكسدة، وبوليمر الإيثيلين-فينيل أسيتات، ومواد مضافة أخرى. يجب أن تتوزع جزيئات الكربون الأسود بشكل متجانس داخل البوليمر، دون تكتل أو تشتت غير جيد.

يزداد سُمك طبقتي الحماية 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 سُمك طبقات الحماية شبه الموصلة أكبر في الداخل منه في الخارج. في السابق، كانت طبقة الحماية شبه الموصلة الخارجية تُصنع بسُمك أكبر قليلاً من الداخلية لتجنب الخدوش الناتجة عن ضعف التحكم في الترهل أو الثقوب التي تُسببها أشرطة النحاس شديدة الصلابة. أما الآن، ومع المراقبة التلقائية للترهل عبر الإنترنت واستخدام أشرطة النحاس اللينة المُلدّنة، يجب أن تكون طبقة الحماية شبه الموصلة الداخلية بسُمك أكبر قليلاً أو مساوية للطبقة الخارجية. بالنسبة لكابلات 6-10-35 كيلوفولت، يتراوح سُمك الطبقة الداخلية عادةً بين 0.5 و0.6 و0.8 ملم.

(2) التدريع المعدني

يجب أن تحتوي الكابلات ذات الجهد المقنن الذي يزيد عن 0.6/1 كيلو فولت على طبقة حماية معدنية. يجب تطبيق طبقة الحماية المعدنية على كل قلب معزول أو قلب كابل. تتكون الحماية المعدنية من شريط معدني واحد أو أكثر، أو جدائل معدنية، أو طبقات متحدة المركز من الأسلاك المعدنية، أو مزيج من الأسلاك المعدنية والأشرطة المعدنية.

في أوروبا وغيرها من الدول المتقدمة، ونظرًا لاستخدام أنظمة الدوائر المزدوجة المؤرضة بالمقاومة والتي تتميز بتيارات قصر عالية، يشيع استخدام التدريع بأسلاك النحاس. يقوم بعض المصنّعين بتضمين أسلاك النحاس في الغلاف الفاصل أو الغلاف الخارجي لتقليل قطر الكابل. أما في الصين، فباستثناء بعض المشاريع الرئيسية التي تستخدم أنظمة الدوائر المزدوجة المؤرضة بالمقاومة، تستخدم معظم الأنظمة مصادر طاقة أحادية الدائرة مؤرضة بملفات كبح القوس الكهربائي، مما يحد من تيار القصر إلى الحد الأدنى، وبالتالي يمكن استخدام التدريع بشريط النحاس. تقوم مصانع الكابلات بمعالجة أشرطة النحاس الصلبة المشتراة عن طريق التقطيع والتلدين لتحقيق استطالة وقوة شد معينة (فالصلابة الزائدة قد تخدش طبقة التدريع العازلة، واللينة الزائدة قد تتجعد) قبل الاستخدام. يجب أن تتوافق أشرطة النحاس اللينة مع معيار GB/T11091-2005 الخاص بأشرطة النحاس للكابلات.

يجب أن يتكون التدريع بشريط النحاس من طبقة واحدة من شريط نحاسي مرن متداخل، أو طبقتين من شريط نحاسي مرن ملفوف حلزونيًا مع وجود فجوات. يجب أن يكون متوسط ​​نسبة التداخل لشريط النحاس 15% من عرضه (القيمة الاسمية)، ويجب ألا تقل نسبة التداخل الدنيا عن 5%. يجب ألا يقل سمك شريط النحاس الاسمي عن 0.12 مم للكابلات أحادية النواة، و0.10 مم للكابلات متعددة النوى. يجب ألا يقل الحد الأدنى لسمك شريط النحاس عن 90% من القيمة الاسمية. اعتمادًا على القطر الخارجي للتدريع العازل (≤25 مم أو >25 مم)، يتراوح عرض شريط النحاس عادةً بين 30 و35 مم.

يتكون غلاف الأسلاك النحاسية من أسلاك نحاسية لينة ملفوفة حلزونيًا، ومثبتة بلفائف حلزونية معاكسة من الأسلاك النحاسية أو أشرطة نحاسية. يجب أن تتوافق مقاومته مع متطلبات معيار GB/T3956-2008 الخاص بموصلات الكابلات، ويجب تحديد مساحة مقطعه العرضي الاسمية وفقًا لسعة تيار العطل. يمكن تطبيق غلاف الأسلاك النحاسية على الغلاف الداخلي للكابلات ثلاثية النواة أو مباشرة على العازل، أو طبقة الحماية الخارجية شبه الموصلة، أو على غلاف داخلي مناسب للكابلات أحادية النواة. يجب ألا تتجاوز المسافة المتوسطة بين الأسلاك النحاسية المتجاورة 4 مم. تُحسب المسافة المتوسطة G باستخدام الصيغة التالية:

أين:
D – قطر قلب الكابل تحت غلاف سلك النحاس، بالمليمتر؛
د – قطر سلك النحاس، بالمليمتر؛
ن – عدد الأسلاك النحاسية.

2. دور طبقات الحماية وعلاقتها بمستويات الجهد

(1) دور الحماية شبه الموصلة الداخلية والخارجية
تُصنع موصلات الكابلات عادةً من أسلاك مجدولة متعددة مضغوطة. أثناء عملية بثق العازل، قد توجد فجوات ونتوءات وغيرها من عيوب السطح بين سطح الموصل وطبقة العازل، مما يُسبب تركيز المجال الكهربائي، ويؤدي إلى تفريغ موضعي في الفجوة الهوائية وتفريغ متفرع، ويُقلل من كفاءة العزل الكهربائي. يضمن بثق طبقة من مادة شبه موصلة (درع الموصل) فوق سطح الموصل تلامسًا محكمًا مع العازل. ولأن الطبقة شبه الموصلة والموصل لهما نفس الجهد، فلن يكون هناك تأثير للمجال الكهربائي حتى في حال وجود فجوات بينهما، مما يمنع حدوث تفريغات جزئية.

وبالمثل، توجد فجوات بين سطح العزل الخارجي والغلاف المعدني (أو الدرع المعدني)، وكلما ارتفع مستوى الجهد، زاد احتمال حدوث تفريغ كهربائي في هذه الفجوات. ومن خلال بثق طبقة شبه موصلة (درع عازل) على سطح العزل الخارجي، يتشكل سطح متساوي الجهد مع الغلاف المعدني، مما يزيل المجالات الكهربائية في الفجوات ويمنع حدوث تفريغات جزئية.

(2) دور التدريع المعدني

تشمل وظائف التدريع المعدني ما يلي: نقل التيار السعوي في الظروف العادية، والعمل كمسار لتيار الدائرة القصيرة أثناء الأعطال؛ وحصر المجال الكهربائي داخل العازل (تقليل التداخل الكهرومغناطيسي الخارجي) وضمان مجال كهربائي شعاعي موحد؛ والعمل كخط محايد في أنظمة الأسلاك الأربعة ثلاثية الطور لنقل التيار غير المتوازن؛ وتوفير الحماية الشعاعية من تسرب المياه.