塑料电缆屏蔽技术详解

塑料电缆的电气性能与其绝缘结构密切相关。影响塑料电力电缆运行寿命的树枝放电和局部放电都与屏蔽结构、屏蔽性能的好坏有直接的关系。因此，屏蔽结构与屏蔽性能的好坏直接影响高压塑料电力电缆的运行寿命。

塑料绝缘电力电缆的屏蔽包括内半导电屏蔽、防发射屏蔽、外半导电屏蔽和绝缘外金属薄带屏蔽，现分述如下。

（一）内半导电屏蔽层

电力电缆绝缘层内侧（即导电线芯表面）的半导电薄层，称为内半导电屏蔽层。其作用是：

（1）消除导电线芯表面的气隙，提高耐局部放电、树枝放电的能力。

（2）均匀导电线芯表面电场，减少因导丝效应所增加的导体表面最大场强。一般可降低导丝表面电场强度的20%～30%。

（3）抑制树枝的引发。当导体表面金属毛刺直接刺入绝缘层时，尖刺高场强的场致发射会引发电树枝。内半导电屏蔽将有效地减弱毛刺附近的电场强度，减少场致发射，从而提高耐树枝放电的特性。

（4）热屏蔽作用。当电缆温度突然升高（线芯发热）时，有了半导电层的隔离，高温不会立即冲击到绝缘层，在一定程度上降低了绝缘的温升，保护主绝缘，故有热屏障作用。从“IEC20A29”文件中对聚乙烯电缆的规定可以看出，用合适的半导电材料屏蔽后，其最大额定短路温度可由130℃提高到150℃。

半导电屏蔽材料的电阻率ρ≤105Ω·cm。

（二）防发射屏蔽层

塑料电缆向高压等级发展，面临着局部高场强区域场致发射电子，引发电树枝而绝缘击穿的重大技术问题。国内外不少电缆技术专家正致力于高压塑料电缆绝缘结构中界面引发电树枝性能的研究。防发射屏蔽是这种研究中的一项专利技术，是目前研究复合介质抑制界面电树枝在电缆中应用的一项重要成果。这对于110kV以上高压塑料电力电缆具有十分重要的意义。

防发射屏蔽层能有效地防止绝缘层中电场畸变导致电子的发射，控制电树枝的引发。

电缆绝缘层中电场分布的均匀性与绝缘材料的介质常数ε、绝缘结构中介电常数的分布情况有很大关系。特别是中高压塑料电力电缆出现了不可缺少的内、外半导电屏蔽层后，又带来了新的问题，如果半导电界面不平整，半导电层有尖凸物、半导电层有凹陷、或分阶式绝缘（接头部位多采用分阶绝缘）、复合绝缘界面有缺陷，都将严重恶化绝缘层中电场的均匀性。

根据电场知识，圆心电缆绝缘层中电场强度E可写成

式中　U——额定电压；

r——绝缘层内任意点半径；

R——绝缘层外半径；

r0——绝缘层内半径。

对于具有分阶绝缘的电缆绝缘层中，若其具有n层复合介质，第k层中的电场Ek一般可表示为

式中　rk、εk——第k层绝缘内半径和该层绝缘的相对介电常数。(www.xing528.com)

由上式可见，E是介电常数ε的函数，随着ε分布情况的改变，电场分布的均匀性也在变化。

防发射屏蔽层就是基于聚乙烯和交联聚乙烯的ε值较小（2.3），而在半导电尖刺或半导电层表面可能混入的杂质尖刺处，这些尖刺的高场强区容易导致冷发射而引发树枝。若取一薄层介质（ε＞2.3）将内半导电层再屏蔽上一层，这时，尖刺周围以较大的ε取代原先聚乙烯或交联聚乙烯较小的ε，使尖刺附近电场强度减弱，冷发射电子不易产生，从而改善树枝化特性，抑制了树枝的引发。

半导电层具有尖刺物时，有无防发射层时的恶化电场如图1-3-12和图1-3-13所示。

图1-3-12　有防发射层的恶化电场分布

图1-3-13　无防发射层的恶化电场分布

（三）外半导电屏蔽层

外半导电屏蔽层位于电缆线芯绝缘层的外表面。对于外半导电屏蔽层，一般认为由于绝缘外表面电场强度较低，作用不大。其实不然，在较高电压下，如IEC规定聚乙烯和交联聚乙烯绝缘电缆在3kV以上；聚氯乙烯绝缘电缆在6kV以上，都要有内、外屏蔽层。这是由于运行中的电缆受弯曲，电缆绝缘表面受到张力作用而伸长，若这时存在局部放电，则会由于表面弯曲应力产生亚微观裂纹导致电树枝的引发，或表面受局部放电腐蚀引起新的开裂，引发新的树枝。故认为外屏蔽层也不可缺少，只是由于电压等级不同，屏蔽的结构与方式可以改变，低电压等级可以用绕包半导电布带方式，而高电压等级则采用挤出聚氯乙烯或聚乙烯半导电材料的方式，或在绝缘层外涂上半导电石墨胶后再绕包半导电布带等。

外半导电屏蔽层的另一个作用是：消除了绝缘层与金属带屏蔽层之间的气隙，特别是挤出型外半导电层和涂石墨半导电胶的效果更好。因为，不论金属薄带屏蔽层的加工工艺多么完善，其运行中的弯曲变形、冷热作用，多少都会在金属带屏蔽层与绝缘层之间产生气隙，按照前文中的分析将产生环状扁平气隙，这对电场的恶化作用很大，首先导致气隙放电，直至绝缘击穿。

（四）金属薄带屏蔽层

金属薄带屏蔽层，一般是用薄铜带（或细铜丝网）绕包在外半导电层之外的屏蔽层。其作用如下：

（1）加强限制电场在绝缘层内的作用，使电场方向与绝缘半径方向一致（即径向），金属屏蔽带接地，电场终止在金属带上，金属带外不再有电场。

（2）在三相四线制中，它可以作为中心线承担不平衡电流。

（3）防止沿轴向产生表面放电。

电缆在没有良好接地的环境中，由于半导电层具有一定的电阻系数（ρ≤105Ω·cm），在电缆轴向可能引起电位分布不均匀，造成电缆沿面放电。聚氯乙烯的ε值较大，电容电流就大，其沿轴向的放电更为严重。图1-3-14说明了电缆沿轴向表面电位u的分布与变化。

如图1-3-14所示，当电缆沿轴向在A、B两点接地（或A、B两点间接地不良）时，其分布电容电流i0在两接地点的中间形成高电位区，而越靠近两接地端的电压降越大，因而在两接地端附近将形成高场强，引起电晕，导致轴向放电，这是实际运行中经常发生的现象。

（4）电站保护系统需要外导体屏蔽。绕包铜带屏蔽层具有优异的防雷特性。

（5）正常情况下流过电容电流，短路时金属带可以作为短路故障电流的回路。

图1-3-14　接地不良电缆的轴向电位分布