Hoe is de afscherming van hoogspanningskabels ontworpen?

Hoogspanningskabels zijn essentiële componenten in moderne elektrische systemen, die elektriciteit efficiënt en veilig over lange afstanden transporteren. Een van de meest kritische aspecten van deze kabels is hun afschermend ontwerp , dat een cruciale rol speelt bij het garanderen van zowel de operationele betrouwbaarheid als de veiligheid.

De rol van afscherming begrijpen

Afscherming in hoogspanningskabels dient meerdere doelen:

1. Elektrische veldcontrole: Hoogspanningsgeleiders genereren sterke elektrische velden. Afscherming zorgt ervoor dat deze velden gelijkmatig worden verdeeld, waardoor plaatselijke spanning wordt voorkomen die de isolatie zou kunnen aantasten of storingen zou kunnen veroorzaken.
2. Veiligheid: Door het elektrische veld in te dammen, vermindert de afscherming het risico op onbedoeld contact, wat vooral van cruciaal belang is voor werknemers en apparatuur in de buurt.
3. Minimaliseren van elektromagnetische interferentie (EMI): Hoogspanningsstromen kunnen elektromagnetische velden opwekken die de nabijgelegen gevoelige elektronica verstoren. Een goede afscherming verhelpt dit probleem.
4. Spanningsstress verminderen: Afscherming helpt de uniforme spanningsgradiënt binnen de kabel te behouden, waardoor de levensduur van de isolatie wordt verlengd en de betrouwbaarheid wordt vergroot.

In wezen is afscherming zowel een beschermende als prestatieverhogende functie.

Componenten van afscherming in hoogspanningskabels

Hoogspanningskabels zijn complexe structuren en afscherming is een van de integrale lagen. De belangrijkste componenten die verband houden met afscherming zijn onder meer:

1. Leiderscherm:

   • Dit is een halfgeleidende laag die direct over de geleider wordt aangebracht.
   • De primaire functie ervan is het elimineren van scherpe randen op het geleideroppervlak die het elektrische veld zouden kunnen concentreren en de isolatie zouden kunnen belasten.
   • Materialen: Typisch geëxtrudeerde halfgeleidende polymeerverbindingen.

2. Isolatie:

   • Hoewel het op zichzelf geen schild is, werkt de isolatielaag samen met de geleider en de isolatieschermen om elektrische storingen te voorkomen.

3. Isolatiescherm:

   • Deze halfgeleidende laag wordt over de isolatie aangebracht.
   • Het doel ervan is om te zorgen voor een soepele interface tussen de isolatie en de metalen afscherming, waardoor holtes of luchtspleten worden voorkomen die tot gedeeltelijke ontlading kunnen leiden.

4. Metalen schild (of scherm):

   • Deze laag bestaat uit koperdraden, tapes of loden omhulsels die de isolatie volledig omringen.
   • Het biedt een pad voor foutstromen, aarding en elektromagnetische afscherming.
   • Metalen afschermingen beschermen de kabel bij sommige ontwerpen ook tegen externe mechanische schade.

5. Buitenmantel:

   • De buitenmantel is de laatste beschermende laag en beschermt het metalen scherm tegen omgevingsfactoren zoals vocht, chemicaliën en mechanische schokken.

Soorten afscherming in hoogspanningskabels

De afscherming kan variëren afhankelijk van het spanningsniveau, de kabeltoepassing en de installatieomgeving. De belangrijkste typen zijn onder meer:

1. Concentrische neutraal (of draadafscherming)

• Koperdraden zijn spiraalvormig rond de isolatie of geleider gewikkeld.
• Biedt uitstekende aarding en is eenvoudig af te sluiten met standaard connectoren.
• Vaak gebruikt in midden- en hoogspanningskabels in industriële en nutstoepassingen.

2. Tape-afscherming

• Dunne metalen tapes, meestal koper of aluminium, worden spiraalvormig of in de lengterichting rond de isolatie gewikkeld.
• Biedt een uniforme dekking en vermindert de impedantie voor foutstromen.
• Veel voorkomend in hoogspannings- en extrahoogspanningskabels vanwege de soepele interface met isolatie.

3. Loodmantelafscherming

• Voor zowel elektrische afscherming als bescherming tegen vocht kan een loodlaag worden aangebracht.
• Wordt voornamelijk gebruikt in ondergrondse of onderzeese hoogspanningskabels waar milieubescherming van cruciaal belang is.
• Loodschilden zijn zeer duurzaam, maar zwaarder en minder flexibel dan op koper gebaseerde schilden.

4. Cross-linked polyethyleen (XLPE) met halfgeleidende schilden

• Moderne hoogspanningskabels maken vaak gebruik van XLPE-isolatie in combinatie met halfgeleidende afschermingen.
• Halfgeleidende lagen verminderen het risico van gedeeltelijke ontlading en zorgen tegelijkertijd voor een uniforme spanningsverdeling.
• Lichtgewicht en geschikt voor ondergrondse hoogspanningstoepassingen.

Ontwerpoverwegingen voor afscherming

Het ontwerpen van afscherming voor hoogspanningskabels vereist een zorgvuldige afweging van elektrische, mechanische en omgevingsfactoren.

1. Spanningsniveau

• Hoe hoger de spanning, hoe kritischer de afscherming wordt.
• Hoogspanningstoepassingen vereisen nauwkeurige controle van elektrische velden om doorbraak van de isolatie te voorkomen.

2. Huidige draagkracht

• Afscherming moet foutstromen veilig kunnen opvangen.
• Ontwerpers berekenen het vereiste dwarsdoorsnedeoppervlak van metalen schilden om maximale potentiële foutstromen aan te kunnen zonder oververhitting.

3. Omgevingsomstandigheden

• Ondergrondse kabels kunnen te maken krijgen met vocht, bodemchemicaliën of mechanische druk.
• Onderzeese kabels vereisen waterdichte afscherming en corrosiebestendige materialen.

4. Elektromagnetische compatibiliteit (EMC)

• Hoogspanningskabels kunnen aanzienlijke elektromagnetische velden genereren.
• Het afschermingsontwerp houdt rekening met de nabijheid van gevoelige apparatuur om interferentie te verminderen.

5. Flexibiliteit en installatie

• Kabels moeten mogelijk om hoeken buigen of door leidingen gaan.
• Afscherming moet de elektrische en mechanische integriteit behouden, zelfs onder buigspanningen.

6. Thermische overwegingen

• Schilden geleiden de warmte weg van de geleider.
• Een goed thermisch ontwerp garandeert een lange levensduur van de isolatie en voorkomt oververhitting tijdens normale omstandigheden of bij storingen.

Afschermingsprestatietests

Ervoor zorgen dat de afscherming presteert zoals bedoeld, is van cruciaal belang voor een veilige en betrouwbare werking. Veel voorkomende tests zijn onder meer:

1. Gedeeltelijke ontlading testen

   • Detecteert holtes, defecten of gaten tussen isolatie- en afschermingslagen.

2. Spanningsbestendigheidstest

   • Er wordt hoge spanning toegepast om te bevestigen dat de isolatie en afscherming veilig bedrijfsspanningen aankunnen.