محافظ مورد استفاده در محصولات سیم و کابل دو مفهوم کاملاً متفاوت دارد: محافظ الکترومغناطیسی و محافظ میدان الکتریکی. محافظ الکترومغناطیسی برای جلوگیری از تداخل خارجی کابل‌های منتقل‌کننده سیگنال‌های فرکانس بالا (مانند کابل‌های RF و کابل‌های الکترونیکی) یا جلوگیری از تداخل امواج الکترومغناطیسی خارجی با کابل‌هایی که جریان‌های ضعیف را منتقل می‌کنند (مانند کابل‌های سیگنال یا اندازه‌گیری) و همچنین کاهش تداخل بین سیم‌ها طراحی شده است. محافظ میدان الکتریکی برای متعادل کردن میدان الکتریکی قوی روی سطح هادی یا سطح عایق کابل‌های برق ولتاژ متوسط و بالا طراحی شده است.
۱. ساختار و الزامات لایه‌های محافظ میدان الکتریکی
محافظ کابل‌های برق شامل محافظ هادی، محافظ عایق و محافظ فلزی است. طبق استانداردهای مربوطه، کابل‌هایی با ولتاژ نامی بیشتر از 0.6/1 کیلوولت باید دارای یک لایه محافظ فلزی باشند که می‌تواند روی هر هسته عایق یا روی هسته کابل چند رشته‌ای اعمال شود. برای کابل‌های با عایق XLPE با ولتاژ نامی حداقل 3.6/6 کیلوولت و کابل‌های با عایق نازک EPR با ولتاژ نامی حداقل 3.6/6 کیلوولت (یا کابل‌های با عایق ضخیم با ولتاژ نامی حداقل 6/10 کیلوولت)، ساختارهای محافظ نیمه رسانای داخلی و خارجی نیز مورد نیاز است.
(1) محافظ هادی و محافظ عایق
محافظ هادی (محافظ نیمه رسانای داخلی) باید غیرفلزی باشد و از مواد نیمه رسانای اکسترود شده یا یک نوار نیمه رسانا که به دور هادی پیچیده شده و به دنبال آن یک لایه نیمه رسانای اکسترود شده قرار دارد، تشکیل شده باشد.
محافظ عایق (محافظ نیمه رسانای بیرونی) یک لایه نیمه رسانای غیرفلزی است که مستقیماً روی سطح بیرونی هر هسته عایق اکسترود می‌شود، که می‌تواند محکم به عایق متصل شود یا از آن جدا شود. لایه‌های نیمه رسانای داخلی و خارجی اکسترود شده باید محکم به عایق متصل شوند، با سطوح مشترک صاف، بدون رد رشته‌های واضح، و بدون لبه‌های تیز، ذرات، جای سوختگی یا خراش. مقاومت ویژه قبل و بعد از فرسودگی نباید از 1000 اهم متر برای لایه محافظ هادی و 500 اهم متر برای لایه محافظ عایق تجاوز کند.
مواد محافظ نیمه رسانای داخلی و خارجی با مخلوط کردن مواد عایق مربوطه (مانند پلی اتیلن شبکه‌ای، لاستیک اتیلن-پروپیلن و غیره) با کربن سیاه، آنتی‌اکسیدان‌ها، کوپلیمر اتیلن-وینیل استات و سایر افزودنی‌ها ساخته می‌شوند. ذرات کربن سیاه باید به طور یکنواخت در پلیمر پراکنده شوند، بدون تجمع یا پراکندگی ضعیف.
ضخامت لایه‌های محافظ نیمه‌رسانای داخلی و خارجی با افزایش سطح ولتاژ افزایش می‌یابد. از آنجا که قدرت میدان الکتریکی روی لایه عایق در داخل بیشتر و در خارج کمتر است، ضخامت لایه‌های محافظ نیمه‌رسانا نیز باید در داخل بیشتر از خارج باشد. در گذشته، محافظ نیمه‌رسانای خارجی کمی ضخیم‌تر از داخلی ساخته می‌شد تا از خراش ناشی از کنترل ضعیف افت یا سوراخ شدن ناشی از نوارهای مسی بیش از حد سخت جلوگیری شود. اکنون، با نظارت خودکار آنلاین افت و نوارهای مسی نرم آنیل شده، لایه محافظ نیمه‌رسانای داخلی باید کمی ضخیم‌تر یا برابر با لایه بیرونی ساخته شود. برای کابل‌های ۶-۱۰-۳۵ کیلوولت، ضخامت لایه داخلی عموماً ۰.۵-۰.۶-۰.۸ میلی‌متر است.
(2) محافظ فلزی
کابل‌های با ولتاژ نامی بیشتر از 0.6/1 کیلوولت باید دارای یک لایه محافظ فلزی باشند. لایه محافظ فلزی باید روی هر هسته عایق یا مغز کابل اعمال شود. محافظ فلزی باید شامل یک یا چند نوار فلزی، نوارهای فلزی، لایه‌های متحدالمرکز سیم‌های فلزی یا ترکیبی از سیم‌های فلزی و نوارهای فلزی باشد.
در اروپا و سایر کشورهای توسعه‌یافته، به دلیل استفاده از سیستم‌های مدار دوگانه زمین‌شده با مقاومت با جریان‌های اتصال کوتاه بالاتر، معمولاً از محافظ سیم مسی استفاده می‌شود. برخی از تولیدکنندگان سیم‌های مسی را در غلاف جداکننده یا غلاف بیرونی جاسازی می‌کنند تا قطر کابل را کاهش دهند. در چین، به جز برخی از پروژه‌های کلیدی که از سیستم‌های مدار دوگانه زمین‌شده با مقاومت استفاده می‌کنند، اکثر سیستم‌ها از منابع تغذیه تک مدار زمین‌شده با سیم‌پیچ مهار قوس استفاده می‌کنند که جریان اتصال کوتاه را به حداقل محدود می‌کند، بنابراین می‌توان از محافظ نوار مسی استفاده کرد. کارخانه‌های کابل، نوارهای مسی سخت خریداری‌شده را با برش و آنیل کردن پردازش می‌کنند تا قبل از استفاده به یک کشیدگی و استحکام کششی خاص برسند (خیلی سخت لایه محافظ عایق را خراش می‌دهد، خیلی نرم چروک می‌شود). نوارهای مسی نرم باید با GB/T11091-2005 نوار مسی برای کابل‌ها مطابقت داشته باشند.
محافظ نوار مسی باید شامل یک لایه نوار مسی نرم همپوشانی شده یا دو لایه نوار مسی نرم مارپیچی پیچیده شده با فاصله باشد. میانگین میزان همپوشانی نوار مسی باید 15٪ از عرض آن (مقدار اسمی) باشد و حداقل میزان همپوشانی نباید کمتر از 5٪ باشد. ضخامت اسمی نوار مسی باید حداقل 0.12 میلی متر برای کابل های تک رشته ای و حداقل 0.10 میلی متر برای کابل های چند رشته ای باشد. حداقل ضخامت نوار مسی نباید کمتر از 90٪ از مقدار اسمی باشد. بسته به قطر بیرونی محافظ عایق (≤25 میلی متر یا >25 میلی متر)، عرض نوار مسی معمولاً 30 تا 35 میلی متر است.
محافظ سیم مسی از سیم‌های مسی نرم به صورت مارپیچ ساخته شده است که با یک پوشش مارپیچ معکوس از سیم‌های مسی یا نوارهای مسی محکم شده‌اند. مقاومت آن باید الزامات GB/T3956-2008 هادی‌های کابل را برآورده کند و سطح مقطع اسمی آن باید بر اساس ظرفیت جریان خطا تعیین شود. محافظ سیم مسی را می‌توان روی غلاف داخلی کابل‌های سه رشته‌ای یا مستقیماً روی عایق، لایه محافظ نیمه رسانای بیرونی یا یک غلاف داخلی مناسب برای کابل‌های تک رشته‌ای اعمال کرد. میانگین فاصله بین سیم‌های مسی مجاور نباید از 4 میلی‌متر تجاوز کند. میانگین فاصله G با استفاده از فرمول زیر محاسبه می‌شود:
کجا:
D - قطر هسته کابل زیر محافظ سیم مسی، بر حسب میلی‌متر؛
د - قطر سیم مسی، بر حسب میلی‌متر؛
n – تعداد سیم‌های مسی.
۲. نقش لایه‌های محافظ و ارتباط آنها با سطوح ولتاژ
(1) نقش محافظ نیمه رسانای داخلی و خارجی
هادی‌های کابل عموماً از سیم‌های چند رشته‌ای فشرده می‌شوند. در طول اکستروژن عایق، ممکن است شکاف‌ها، برآمدگی‌ها و سایر بی‌نظمی‌های سطحی بین سطح هادی و لایه عایق وجود داشته باشد که باعث تمرکز میدان الکتریکی، تخلیه موضعی در شکاف هوایی و تخلیه درختی و کاهش عملکرد دی‌الکتریک می‌شود. با اکسترود کردن یک لایه از ماده نیمه رسانا (محافظ هادی) روی سطح هادی، تماس محکم با عایق تضمین می‌شود. از آنجا که لایه نیمه رسانا و هادی در پتانسیل یکسانی هستند، حتی اگر شکاف‌هایی بین آنها وجود داشته باشد، هیچ گونه اثر میدان الکتریکی وجود نخواهد داشت و در نتیجه از تخلیه‌های جزئی جلوگیری می‌شود.
به طور مشابه، بین سطح عایق بیرونی و غلاف فلزی (یا محافظ فلزی) شکاف‌هایی وجود دارد و هرچه سطح ولتاژ بالاتر باشد، احتمال تخلیه در شکاف هوایی بیشتر می‌شود. با بیرون کشیدن یک لایه نیمه رسانا (محافظ عایق) روی سطح عایق بیرونی، یک سطح هم پتانسیل بیرونی با غلاف فلزی تشکیل می‌شود که میدان‌های الکتریکی را در شکاف‌ها حذف کرده و از تخلیه‌های جزئی جلوگیری می‌کند.
(2) نقش محافظ فلزی
وظایف محافظ فلزی شامل موارد زیر است: حمل جریان خازنی در شرایط عادی، به عنوان مسیری برای جریان اتصال کوتاه در هنگام خطا؛ محدود کردن میدان الکتریکی درون عایق (کاهش تداخل الکترومغناطیسی خارجی) و تضمین میدان الکتریکی شعاعی یکنواخت؛ عمل به عنوان خط خنثی در سیستم‌های سه فاز چهار سیمه برای حمل جریان نامتعادل؛ و ارائه محافظت در برابر مسدود کردن شعاعی آب.
زمان ارسال: ۲۸ ژوئیه ۲۰۲۵