В силовых кабелях среднего, высокого и сверхвысокого напряжения внутренний и внешний полупроводящие слои (также известные как экран по жиле и экран по изоляции) выполняют функцию барьеров, выравнивающих электрическое поле. Поскольку основная изоляция кабеля, такая как сшитый полиэтилен (XLPE / СПЭ), крайне чувствительна к локальным градиентам электрического напряжения, эти слои незаменимы для устранения частичных разрядов и обеспечения идеально симметричного радиального электрического поля.
Обычно изготовленные из полиэтиленовой основы с высоким содержанием электропроводящей сажи (углеродного сажевого наполнителя), эти слои обладают промежуточным удельным объемным сопротивлением (10¹ to 10⁴ Ω·cm). Это помещает их по электронным свойствам между металлическим проводником и чистым диэлектриком, позволяя им действовать как эквипотенциальные границы, капсулирующие стенку изоляции.
Матрица технических параметров: внутренний и внешний полупроводящие слои
В таблице ниже приведены физические границы и функциональные задачи обоих полупроводящих слоев в соответствии со стандартами, такими как IEC 60502-2:
| Технический параметр | Экран по жиле (Внутренний полупроводник) | Экран по изоляции (Внешний полупроводник) |
| Физическое расположение | Наносится непосредственно поверх скрученной металлической токопроводящей жилы. | Располагается между изоляцией из XLPE (СПЭ) и медным экраном / металлическим бронепокровом. |
| Электрический потенциал | Находится под тем же высоким потенциалом напряжения, что и сама токопроводящая жила. | Подключается непосредственно к системе заземления (потенциал 0 В). |
| Основная электрическая функция | Устраняет зоны высокой напряженности электрического поля, вызванные геометрией отдельных проволок жилы. | Обеспечивает строго перпендикулярное завершение линий электрического поля относительно плоскости заземления. |
| Механическая подфункция | Поглощает микроскопические термические расширения и сжатия проволок жилы. | Предотвращает образование локальных воздушных зазоров под сморщенными медными лентами экрана. |
| Характер сцепления (связи) | Всегда жестко связанный (молекулярно сплавлен с внутренней стенкой XLPE). | Выпускается как легкосъемный (для холодной разделки), так и жестко связанный (приплавленный). |
Инженерная физика: почему полупроводящие слои незаменимы
1. Функция экрана по жиле (Эффект клетки Фарадея)
Если экструдировать чистую изоляцию XLPE непосредственно поверх стандартной скрученной жилы, спиральный профиль ее наружных проволок образует неровную волнистую поверхность. Под высоким напряжением силовые линии электрического поля будут естественно концентрироваться на выступах этих проволок из-за малого радиуса их кривизны.
Кроме того, във впадинах между проволоками образуются зазоры с воздухом. Поскольку относительная диэлектрическая проницаемость воздуха ниже, чем у XLPE (εr=1.0 против εr=2.3), градиент напряжения в этих воздушных прослойках усиливается. Это приводит к ионизации воздуха, вызывая разрушительные частичные разряды (ЧР) и прогрессирующий электрический триинг.
Внутренний полупроводящий слой полностью заполняет впадины между проволоками, создавая идеально гладкую цилиндрическую поверхность для слоя изоляции. Он действует как молекулярная клетка Фарадея, устраняя электрическое поле внутри рельефных впадин и выравнивая силовые линии в равномерное радиальное поле.
2. Функция экрана по изоляции (Ограничение диэлектрического поля)
Заземленный металлический экран (состоящий из медных проволок или лент), оборачивающий изоляционную жилу снаружи, также имеет геометрические неровности. Если наложить металлический экран прямо на изоляцию, незначительный изгиб кабеля при монтаже приведет к образованию миллиметровых зазоров между изоляцией и металлической лентой.
Внешний полупроводящий слой создает непрерывную однородную заземленную поверхность, непосредственно связанную с наружным периметром изоляции XLPE. Он устраняет любые падения напряжения в воздушных зазорах под металлическим экраном, локализуя все электрическое поле строго внутри основной стенки изоляции. Это гарантирует, что внешние слои кабеля (такие как стальная броня или ПВХ-оболочка) остаются полностью защищенными от опасных градиентов напряжения.