Warstwa półprzewodząca w kablach SN — ekran żyły i ekran izolacji według IEC 60502-2

Artykuł o zakończeniach kablowych — stożek naprężeniowy i sterowanie polem opisuje, jak stożek naprężeniowy zarządza lokalnym polem w miejscu, w którym przycina się zewnętrzny ekran kabla średniego napięcia. Ten artykuł dotyczy samej warstwy, która jest tam przycinana: ekranów półprzewodzących, które zawiera każdy kabel średniego napięcia według IEC 60502-2, oraz dlaczego są one funkcjonalnym, a nie kosmetycznym elementem konstrukcji kabla.

Dwie warstwy półprzewodzące, dwie różne granice

Kabel średniego napięcia według IEC 60502-2 domyślnie zawiera dwie wytłaczane warstwy półprzewodzące, o rezystywności właściwej zwykle rzędu od kilku do kilkuset Ω·cm, z maksimum według IEC 60502-2 rzędu 1000 Ω·m (10⁵ Ω·cm) w temperaturze roboczej — znacznie bardziej przewodzące niż izolacja, ale nie tak przewodzące jak miedziana żyła czy sam ekran metaliczny:

• Ekran żyły (wewnętrzna warstwa półprzewodząca): nakładany bezpośrednio na skręconą żyłę, przed izolacją.
• Ekran izolacji (zewnętrzna warstwa półprzewodząca): nakładany bezpośrednio na izolację, między izolacją a ekranem metalicznym (druty, taśma lub folia miedziana), który następnie zapewnia uziemienie powłoki kabla.

W nowoczesnych kablach obie warstwy są chemicznie związane z izolacją („bonded"), dzięki czemu nie może powstać mikroskopijna szczelina powietrzna między ekranem a izolacją, w której mogłoby dojść do wyładowań niezupełnych.

Dlaczego te warstwy istnieją: jednorodne, promieniowe pole

Skręcona żyła miedziana, nawet po zagęszczeniu, ma nieregularną, lekko żeberkowaną powierzchnię. Bez ekranu żyły pole elektryczne koncentrowałoby się lokalnie wokół każdej drobnej nierówności lub przejścia między drutami, powodując ostre szczyty pola — dokładnie warunek, w którym mogą powstawać wyładowania niezupełne i, z czasem, elektryczne drzewienie przez izolację. Ekran żyły elektrycznie wygładza tę powierzchnię, dzięki czemu izolacja „widzi" jednorodne, czysto promieniowe pole zamiast szeregu lokalnych koncentracji pola. Ekran izolacji pełni tę samą funkcję na zewnątrz izolacji, między izolacją a uziemionym ekranem metalicznym.

Uwaga: warstwa półprzewodząca nie jest więc inną nazwą metalicznego (miedzianego) ekranu kabla. Ekran metaliczny przewodzi prąd uziemienia i ewentualny prąd zwarciowy; warstwy półprzewodzące jedynie wygładzają pole elektryczne po obu stronach izolacji. Kabel potrzebuje obu, każdej z odrębną funkcją.

Powiązanie z zakończeniami kablowymi

Dokładnie w miejscu, w którym kabel jest przygotowywany do zakończenia lub muflowania, ekran izolacji musi zostać przycięty, aby odsłonić gołą izolację do podłączenia. To miejsce przycięcia jest nieuchronnie punktem, w którym starannie wygładzone pole nagle ponownie się koncentruje — dokładnie ten problem musi następnie opanować stożek naprężeniowy (zob. powiązany artykuł), stopniowo „rozprowadzając" ekran na określonej długości, zamiast pozwalać mu kończyć się nagle.

Ryzyko uszkodzenia: dlaczego jest to częsta przyczyna awarii

Usuwanie ekranu izolacji podczas przygotowywania zakończenia lub mufy jest pracą precyzyjną, przy której mogą wystąpić dwa błędy:

• Niecałkowicie usunięte pozostałości ekranu: cienka warstwa materiału półprzewodzącego, która pozostaje przyklejona do izolacji poza zamierzoną granicą przycięcia, tworzy niekontrolowany, niezdefiniowany punkt przejścia, w którym nadal może rozwinąć się lokalna koncentracja pola i wyładowania niezupełne.
• Uszkodzenie leżącej pod spodem izolacji: niewłaściwe narzędzie do ściągania ekranu lub zbyt duży nacisk przy ręcznym usuwaniu ekranu może pozostawić rowki lub zadrapania na powierzchni izolacji — dokładnie w miejscu, gdzie pole jest już najbardziej krytyczne.

To jeden z powodów, dla których wyładowania koronowe i wyładowania niezupełne (zob. powiązane artykuły) są stosunkowo często wykrywane właśnie przy zakończeniu kablowym, a nie na prostym odcinku kabla: zakończenie jest miejscem, w którym fabrycznie kontrolowane sterowanie polem zapewniane przez warstwy półprzewodzące zostaje po raz pierwszy przerwane.

Znaczenie praktyczne

Przy ocenie instalacji kabla średniego napięcia — szczególnie podczas przygotowywania lub kontroli zakończenia lub mufy — ważne jest sprawdzenie, czy ekran izolacji został usunięty dokładnie zgodnie ze specyfikacją producenta (wymiar przycięcia, kąt fazowania), bez widocznych pozostałości ekranu poza zamierzoną granicą i bez rowków na odsłoniętej izolacji.

Częste błędy

1. Niecałkowite usunięcie pozostałości ekranu izolacji poza zamierzoną granicą przycięcia, co pozostawia niezdefiniowany, krytyczny punkt przejścia w polu.
2. Użycie niewłaściwego narzędzia do ściągania lub zastosowanie zbyt dużej siły przy ręcznym usuwaniu ekranu, powodujące zadrapania lub rowki w leżącej pod spodem izolacji.
3. Mylenie warstwy półprzewodzącej z ekranem metalicznym kabla — obie pełnią inną, uzupełniającą się funkcję.
4. Nieprzestrzeganie wymiaru przycięcia i kąta fazowania producenta przy przygotowywaniu zakończenia lub mufy, przez co stożek naprężeniowy nie może prawidłowo sterować polem.

Powiązane materiały

• Zakończenia kablowe — stożek naprężeniowy i sterowanie polem w kablach SN
• Pomiar wyładowań niezupełnych (PD/tan-delta) w kablach SN
• Wyładowania koronowe — kamera UV i detekcja ultradźwiękowa
• Mufy kablowe — połączenia podziemne