מבנה וחומרים של שכבות מיגון כבלי חשמל

למיגון המשמש במוצרי חוטים וכבלים יש שני מושגים שונים לחלוטין: מיגון אלקטרומגנטי ומיגון שדה חשמלי. מיגון אלקטרומגנטי נועד למנוע מכבלים המשדרים אותות בתדר גבוה (כגון כבלי RF וכבלים אלקטרוניים) לגרום להפרעות חיצוניות או לחסום גלים אלקטרומגנטיים חיצוניים מלהפריע לכבלים המשדרים זרמים חלשים (כגון כבלי אותות או מדידה), וכן להפחית את מעבר הדיבור בין חוטים. מיגון שדה חשמלי נועד לאזן את השדה החשמלי החזק על פני המוליך או על פני הבידוד של כבלי חשמל במתח בינוני וגבוה.

1. מבנה ודרישות של שכבות מיגון שדה חשמלי

מיגון כבלי חשמל כולל מיגון מוליך, מיגון בידוד ומיגון מתכתי. על פי התקנים הרלוונטיים, כבלים בעלי מתח מדורג גדול מ-0.6/1kV צריכים להיות בעלי שכבת מיגון מתכתית, אותה ניתן להחיל על כל ליבה מבודדת או על ליבת הכבל מרובת הליבות. עבור כבלים מבודדים XLPE בעלי מתח מדורג שאינו נמוך מ-3.6/6kV וכבלים מבודדים דקים EPR בעלי מתח מדורג שאינו נמוך מ-3.6/6kV (או כבלים מבודדים עבים בעלי מתח מדורג שאינו נמוך מ-6/10kV), נדרשים גם מבני מיגון חצי-מוליכים פנימיים וחיצוניים.

(1) מיגון מוליך ומיגון בידוד

מיגון מוליך (מיגון פנימי מוליך למחצה) צריך להיות לא מתכתי, המורכב מחומר מוליך למחצה מוחץ או מסרט מוליך למחצה עטוף סביב המוליך ולאחריו שכבה מוליכה למחצה מוחצת.

מיגון בידוד (מיגון חיצוני חצי-מוליך) הוא שכבה לא מתכתית חצי-מוליכה המודבקת ישירות על פני השטח החיצוניים של כל ליבה מבודדת, אשר יכולה להיות מחוברת היטב לבידוד או ניתנת לקילוף ממנו. השכבות הפנימיות והחיצוניות המוליכות למחצה המודבקות צריכות להיות מחוברות היטב לבידוד, עם ממשקים חלקים, ללא סימני גדיל ברורים, וללא קצוות חדים, חלקיקים, סימני חריכה או שריטות. ההתנגדות לפני ואחרי ההזדקנות לא צריכה לעלות על 1000 Ω·m עבור שכבת המיגון של המוליך ו-500 Ω·m עבור שכבת המיגון של הבידוד.

חומרי המיגון הפנימיים והחיצוניים למחצה מוליכים מיוצרים על ידי ערבוב חומרי הבידוד המתאימים (כגון פוליאתילן צולב, גומי אתילן-פרופילן וכו') עם פחמן שחור, נוגדי חמצון, קופולימר אתילן-ויניל אצטט ותוספים אחרים. חלקיקי הפחמן השחור צריכים להיות מפוזרים באופן אחיד בתוך הפולימר, ללא הצטברות או פיזור לקוי.

עובי שכבות המיגון החצי-מוליכות הפנימיות והחיצוניות עולה עם רמת המתח. מכיוון שעוצמת השדה החשמלי על שכבת הבידוד גבוהה יותר מבפנים ונמוכה יותר מבחוץ, עובי שכבות המיגון החצי-מוליכות צריך להיות גדול יותר גם מבפנים מאשר מבחוץ. בעבר, המיגון החיצוני החצי-מוליכות היה עבה מעט יותר מהפנימי כדי למנוע שריטות עקב בקרת שקיעה לקויה או נקבים הנגרמים מסרטי נחושת קשים מדי. כיום, עם ניטור שקיעה אוטומטי מקוון וסרטי נחושת רכים שעברו חישול, שכבת המיגון הפנימית החצי-מוליכות צריכה להיות עבה מעט יותר או שווה לשכבה החיצונית. עבור כבלים של 6-10-35 קילו-וולט, עובי השכבה הפנימית הוא בדרך כלל 0.5-0.6-0.8 מ"מ.

(2) מיגון מתכתי

כבלים בעלי מתח מדורג גדול מ-0.6/1kV צריכים להיות בעלי שכבת מיגון מתכתית. שכבת המיגון המתכתית צריכה להיות מיושמת על כל ליבה מבודדת או ליבת כבל. מיגון מתכתי צריך להיות מורכב מסרט מתכת אחד או יותר, צמות מתכת, שכבות קונצנטריות של חוטי מתכת, או שילוב של חוטי מתכת וסרטי מתכת.

באירופה ובמדינות מפותחות אחרות, עקב השימוש במערכות דו-מעגליות עם הארקה בהתנגדות וזרמי קצר חשמלי גבוהים יותר, נעשה שימוש נפוץ במיגון חוטי נחושת. חלק מהיצרנים מטמיעים חוטי נחושת במעטפת ההפרדה או במעטפת החיצונית כדי להפחית את קוטר הכבל. בסין, למעט כמה פרויקטים מרכזיים המשתמשים במערכות דו-מעגליות עם הארקה בהתנגדות, רוב המערכות משתמשות בספקי כוח חד-מעגליים עם הארקה בסליל לדיכוי קשת, אשר מגבילים את זרם הקצר למינימום, כך שניתן להשתמש במיגון סרט נחושת. מפעלי כבלים מעבדים סרטי נחושת קשים שנרכשו על ידי חיתוך וחישול כדי להשיג התארכות וחוזק מתיחה מסוימים (קשה מדי תגרד את שכבת המיגון של הבידוד, רכה מדי תגרום לקמטים) לפני השימוש. סרטי נחושת רכים צריכים לעמוד בתקן GB/T11091-2005 סרט נחושת לכבלים.

מיגון סרט נחושת צריך להיות מורכב משכבה אחת של סרט נחושת רך חופף או שתי שכבות של סרט נחושת רך עטוף בצורת סליל עם רווחים. שיעור החפיפה הממוצע של סרט הנחושת צריך להיות 15% מרוחבו (ערך נומינלי), ושיעור החפיפה המינימלי לא צריך להיות פחות מ-5%. העובי הנומינלי של סרט הנחושת צריך להיות לפחות 0.12 מ"מ עבור כבלים בעלי ליבה אחת ולפחות 0.10 מ"מ עבור כבלים מרובי ליבות. העובי המינימלי של סרט הנחושת לא צריך להיות פחות מ-90% מהערך הנומינלי. בהתאם לקוטר החיצוני של מיגון הבידוד (≤25 מ"מ או >25 מ"מ), רוחב סרט הנחושת הוא בדרך כלל 30-35 מ"מ.

מיגון חוטי נחושת עשוי מחוטי נחושת רכים מלופפים בצורה סלילית, המאובטחים בעטיפה נגדית של חוטי נחושת או סרטי נחושת. ההתנגדות שלו צריכה לעמוד בדרישות GB/T3956-2008 מוליכי כבלים, ושטח החתך הנומינלי שלו צריך להיקבע בהתאם לקיבולת זרם התקלה. ניתן להחיל מיגון חוטי נחושת מעל המעטפת הפנימית של כבלים בעלי שלושה ליבות או ישירות מעל הבידוד, שכבת המיגון החיצונית למחצה מוליכה, או מעטפת פנימית מתאימה של כבלים בעלי ליבה אחת. הפער הממוצע בין חוטי נחושת סמוכים לא יעלה על 4 מ"מ. הפער הממוצע G מחושב באמצעות הנוסחה:

אֵיפֹה:
D – קוטר ליבת הכבל מתחת למיגון חוט הנחושת, במ"מ;
ד – קוטר חוט הנחושת, במ"מ;
n – מספר חוטי הנחושת.

2. תפקידן של שכבות מיגון והקשר שלהן לרמות מתח

(1) תפקידם של מיגון חצי-מוליך פנימי וחיצוני
מוליכי כבלים בדרך כלל דחוסים מחוטים מרובים. במהלך יצירת בידוד, עלולים להיווצר פערים, קוצים ואי סדרים אחרים על פני השטח בין פני המוליך לשכבת הבידוד, מה שגורם לריכוז שדה חשמלי, המוביל לפריקה מקומית של מרווח אוויר ופריקה בצורת עצים, ומפחית את הביצועים הדיאלקטריים. יצירת שכבה של חומר מוליך למחצה (מגן מוליך) על פני המוליך מבטיחה מגע הדוק עם הבידוד. מכיוון שהשכבה המוליך למחצה והמוליך נמצאים באותו פוטנציאל, גם אם ישנם פערים ביניהם, לא תהיה פעולת שדה חשמלי, ובכך תמנע פריקות חלקיות.

באופן דומה, ישנם פערים בין משטח הבידוד החיצוני לבין המעטפת המתכתית (או המיגון המתכתי), וככל שרמת המתח גבוהה יותר, כך גדל הסיכוי לפריקה ממרווח אוויר. על ידי יצירת שכבה מוליכה למחצה (מיגון בידוד) על משטח הבידוד החיצוני, נוצר משטח אקוויוולנטי חיצוני עם המעטפת המתכתית, תוך ביטול שדות חשמליים בפערים ומונע פריקות חלקיות.

(2) תפקיד המיגון המתכתי

תפקידי המיגון המתכתי כוללים: נשיאת זרם קיבולי בתנאים רגילים, משמש כנתיב לזרם קצר חשמלי במהלך תקלות; כליאת השדה החשמלי בתוך הבידוד (הפחתת הפרעות אלקטרומגנטיות חיצוניות) והבטחת שדה חשמלי רדיאלי אחיד; משמש כקו ניטרלי במערכות תלת פאזיות בעלות ארבעה חוטים לנשיאת זרם לא מאוזן; ומתן הגנה רדיאלית מפני חסימת מים.