Wie ist die Abschirmung bei Hochspannungskabeln gestaltet?

Hochspannungskabel sind wesentliche Komponenten moderner elektrischer Systeme und übertragen Strom effizient und sicher über große Entfernungen. Einer der kritischsten Aspekte dieser Kabel ist ihre Abschirmungsdesign , was eine entscheidende Rolle bei der Gewährleistung der Betriebszuverlässigkeit und Sicherheit spielt.

Die Rolle der Abschirmung verstehen

Die Abschirmung von Hochspannungskabeln dient mehreren Zwecken:

1. Elektrische Feldsteuerung: Hochspannungsleiter erzeugen starke elektrische Felder. Durch die Abschirmung wird sichergestellt, dass diese Felder gleichmäßig verteilt werden, wodurch lokale Spannungen verhindert werden, die die Isolierung beeinträchtigen oder Ausfälle verursachen könnten.
2. Sicherheit: Durch die Eindämmung des elektrischen Feldes verringert die Abschirmung das Risiko eines unbeabsichtigten Kontakts, der besonders für Arbeiter und in der Nähe befindliche Geräte kritisch ist.
3. Minimierung elektromagnetischer Störungen (EMI): Hochspannungsströme können elektromagnetische Felder induzieren, die empfindliche Elektronik in der Nähe stören. Eine ordnungsgemäße Abschirmung mildert dieses Problem.
4. Reduzierung der Spannungsbelastung: Die Abschirmung trägt dazu bei, den gleichmäßigen Spannungsgradienten im Kabel aufrechtzuerhalten, wodurch die Lebensdauer der Isolierung verlängert und die Zuverlässigkeit erhöht wird.

Im Wesentlichen ist die Abschirmung sowohl eine schützende als auch leistungssteigernde Funktion.

Komponenten der Abschirmung in Hochspannungskabeln

Hochspannungskabel sind komplexe Strukturen und die Abschirmung ist eine der integralen Schichten. Zu den Hauptkomponenten der Abschirmung gehören:

1. Leiterschirm:

   • Dabei handelt es sich um eine halbleitende Schicht, die direkt über dem Leiter angebracht wird.
   • Seine Hauptfunktion besteht darin, scharfe Kanten auf der Leiteroberfläche zu beseitigen, die das elektrische Feld konzentrieren und die Isolierung belasten könnten.
   • Materialien: Typischerweise extrudierte halbleitende Polymerverbindungen.

2. Isolierung:

   • Obwohl die Isolationsschicht selbst keine Abschirmung ist, arbeitet sie mit dem Leiter und den Isolationsschirmen zusammen, um einen elektrischen Durchschlag zu verhindern.

3. Isolierschirm:

   • Diese halbleitende Schicht wird über der Isolierung aufgebracht.
   • Sein Zweck besteht darin, eine glatte Schnittstelle zwischen der Isolierung und der Metallabschirmung sicherzustellen und Hohlräume oder Luftspalte zu verhindern, die zu Teilentladungen führen können.

4. Metallschild (oder Schirm):

   • Diese Schicht besteht aus Kupferdrähten, Bändern oder Bleimänteln, die die Isolierung vollständig umgeben.
   • Es bietet einen Weg für Fehlerströme, Erdung und elektromagnetische Abschirmung.
   • Metallische Abschirmungen schützen das Kabel bei einigen Ausführungen auch vor äußeren mechanischen Beschädigungen.

5. Außenmantel:

   • Der Außenmantel ist die letzte Schutzschicht und schützt den Metallschirm vor Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit, Chemikalien und mechanischen Einwirkungen.

Arten der Abschirmung in Hochspannungskabeln

Die Abschirmung kann je nach Spannungsniveau, Kabelanwendung und Installationsumgebung variieren. Zu den Haupttypen gehören:

1. Konzentrischer Neutralleiter (oder Drahtabschirmung)

• Kupferdrähte werden spiralförmig um die Isolierung oder den Leiter gewickelt.
• Bietet eine hervorragende Erdung und lässt sich einfach mit Standardsteckern abschließen.
• Wird häufig in Mittel- und Hochspannungskabeln in Industrie- und Versorgungsanwendungen verwendet.

2. Bandabschirmung

• Dünne Metallbänder, meist Kupfer oder Aluminium, werden spiralförmig oder in Längsrichtung um die Isolierung gewickelt.
• Bietet eine gleichmäßige Abdeckung und reduziert die Impedanz für Fehlerströme.
• Aufgrund seiner glatten Schnittstelle zur Isolierung häufig in Hochspannungs- und Höchstspannungskabeln verwendet.

3. Bleimantelabschirmung

• Eine Bleischicht kann sowohl zur elektrischen Abschirmung als auch zum Schutz vor Feuchtigkeit aufgetragen werden.
• Wird hauptsächlich in Erd- oder Untersee-Hochspannungskabeln verwendet, bei denen der Umweltschutz von entscheidender Bedeutung ist.
• Bleiabschirmungen sind sehr langlebig, aber schwerer und weniger flexibel als Abschirmungen auf Kupferbasis.

4. Vernetztes Polyethylen (XLPE) mit halbleitenden Abschirmungen

• Moderne Hochspannungskabel verwenden häufig eine XLPE-Isolierung in Kombination mit halbleitenden Abschirmungen.
• Halbleiterschichten reduzieren das Risiko von Teilentladungen und sorgen gleichzeitig für eine gleichmäßige Spannungsverteilung.
• Leicht und für unterirdische Hochspannungsanwendungen geeignet.

Designüberlegungen zur Abschirmung

Die Entwicklung der Abschirmung für Hochspannungskabel erfordert eine sorgfältige Berücksichtigung elektrischer, mechanischer und umweltbedingter Faktoren.

1. Spannungspegel

• Je höher die Spannung, desto kritischer wird die Abschirmung.
• Hochspannungsanwendungen erfordern eine präzise Steuerung elektrischer Felder, um einen Isolationsdurchschlag zu verhindern.

2. Aktuelle Tragfähigkeit

• Die Abschirmung muss Fehlerströme sicher aufnehmen.
• Designer berechnen die erforderliche Querschnittsfläche von Metallabschirmungen, um maximale potenzielle Fehlerströme ohne Überhitzung zu bewältigen.

3. Umgebungsbedingungen

• Erdkabel können Feuchtigkeit, Bodenchemikalien oder mechanischem Druck ausgesetzt sein.
• Unterseekabel erfordern eine wasserdichte Abschirmung und korrosionsbeständige Materialien.

4. Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)

• Hochspannungskabel kann erhebliche elektromagnetische Felder erzeugen.
• Das Abschirmungsdesign berücksichtigt die Nähe zu empfindlichen Geräten, um Störungen zu reduzieren.

5. Flexibilität und Installation

• Kabel müssen möglicherweise um Ecken gebogen oder durch Leitungen geführt werden.
• Die Abschirmung muss auch unter Biegebeanspruchung ihre elektrische und mechanische Integrität bewahren.

6. Thermische Überlegungen

• Abschirmungen leiten die Wärme vom Leiter weg.
• Das richtige thermische Design gewährleistet eine lange Lebensdauer der Isolierung und verhindert eine Überhitzung unter normalen oder fehlerhaften Bedingungen.

Prüfung der Abschirmleistung

Für einen sicheren und zuverlässigen Betrieb ist es von entscheidender Bedeutung, dass die Abschirmung ordnungsgemäß funktioniert. Zu den gängigen Tests gehören:

1. Teilentladungsprüfung

   • Erkennt Hohlräume, Defekte oder Lücken zwischen Isolations- und Abschirmschichten.

2. Spannungsfestigkeitstest

   • Es wird Hochspannung angelegt, um sicherzustellen, dass die Isolierung und Abschirmung den Betriebsspannungen sicher standhalten kann.