电力电缆的屏蔽
本文节选自《电力电缆工程》（原书第三版）第六章 电缆绝缘材料电气性能（有删减和调整），主要介绍了电力电缆的屏蔽，包括导体屏蔽、中压电缆绝缘屏蔽等。
1.引言
电气系统用电力电缆的屏蔽由围绕单个导体或者一束绝缘导体的绝缘、接地的导电物质组成。屏蔽把电场限制在屏蔽内部使用了两种不同类型的屏蔽：金属结构以及非金属和金属复合结构。
绝缘屏蔽的目的如下：
1）在绝缘内实现均匀对称的径向电场分布。
2）消除绝缘表面的纵向和切线电场。
3）隔离绝缘与其他各种材料，如编织、包带、填充等。
4）感应电压或者过电压时保护电缆，通过在电缆沿线制造均一的浪涌阻抗来衰减电涌，保护电缆。
2.导体屏蔽
根据相关的工业标准，额定电压超过2kV的电缆就需要有导体屏蔽。导体屏蔽，也叫内屏蔽，它的作用是在相对粗糙的絞合导体表面形成一层光滑层，以减少在绝缘界面的电场集中。
充油电缆和挤包绝缘都有导体屏蔽层。导体屏蔽的材料是半导电材料或者是高介电常数材料，又称为应力控制材料。这两种材料都能起到应力消减的作用。
纸绝缘电缆的导体屏蔽采用炭黑包带或者金属化纸带。
导体屏蔽材料最初是把半导电带螺旋形绕包在导体上。现今的标准仍然允许在导体上包带，这种工艺特别适用于大截面导体中压电缆，可以在挤出半导电材料时 扎紧绞线。经验表明，仅釆用半导电包带是不够的，因此，电缆工业界改变了要 求，需要在导体上挤出导体屏蔽层。
现今，对于挤包绝缘电缆，导体屏蔽层作为半导电层与绝缘同时挤在导体上， 成为应力消减层。保持导体屏蔽和绝缘层界面上不能有微孔或杂质是至关重要的， 原因是在这个区域的电场强度是电缆中最高的。
如今的半导电挤出层材料是洁净的（最大限度地减少杂质），挤岀非常光滑和圆整。这能极大地减少水树的形成。水树在电场集中的不规则表面（常常称为突起）产生。把导体屏蔽和绝缘在挤出时同时交联，这样就能组成牢固的黏结，能尽可能减少在临界界面上微孔的形成。
考虑到兼容性，导体屏蔽材料常常与绝缘材料相同或者相近。在导体屏蔽中加入特殊的炭黑来保证一定的电导率。电缆工业标准要求导体屏蔽材料的电阻率最大不应超过1000Ω· m。这些标准同时要求半导电材料通过一个在紧急运行温度下的 长期电阻稳定性试验，来确保导体屏蔽层的电导率以及电缆的长期寿命。
还有一个做法没有广泛应用。它是把防水材料加入到导体屏蔽中来实现径向的防潮性能。这种设计是在半导电材料包含一薄层的铝或者铅三明治复合层。相同的复合层设计也可以用在绝缘屏蔽上。
没有一个确定的标准来描述挤出性屏蔽材料宣称的超光滑和超洁净等级。采用制造商的商标或者品名来描述材料，通常是不合适的。超光滑和超洁净只是当时描述与早期产品性能比较的一种宣传。由于知名制造商的旧牌号材料不再用于中压电缆，这仅是一个学术问题，使用超光滑和超洁净宣传是由于在实 验室评估中新材料对电缆性能有巨大的提高。
3.中压电缆的绝缘屏蔽
中压电缆的绝缘屏蔽由两部分组成：
1）半导电层或者应力消减层。
2）金属层，包括一层或多层金属带、屏蔽引出线、同心中性线或者金属管。这两个组成部分的功能是保证电缆的长期使用寿命。
挤出的聚合物屏蔽层多年以前就已经代替了包带屏蔽层。这挤出的一层叫做绝缘屏蔽或者外屏蔽。绝缘屏蔽的特性和兼容性要求与导体屏蔽相近。但是标准对绝 缘屏蔽的体积电阻率要求是不得大于500Ω · m。与导体屏蔽相比，电阻率要求值的降低意味着外面的金属屏蔽层可能不会连续接触绝缘屏蔽（比如屏蔽线间有空隙），而且事实上在电缆带电时，人员有可能接触电缆的外层。
非金属屏蔽层直接挤包在绝缘上，界面上电场强度低于导体屏蔽与绝缘层界面的场强。为了安装接头和终端的方便，在电压不高于46kV时，绝缘屏蔽不需要粘结绝缘层。在更高电压时，强烈建议使用粘结绝缘的屏蔽层。
由于大多数用户希望绝缘屏蔽易于剥离，绝缘电缆工程师协会（1CEA）的标 准S-94-649-2004⑵规定了剥离拉力的限值。目前限值是把平行于导体的0.5in的 薄片以与绝缘表面垂直方向剥离的拉力应该在3 ~24Ibf之间。
7.3.2金属屏蔽
绝缘屏蔽或者外屏蔽的金属部分为充电电流提供了必要低电阻接地通道。必须意识到，挤出的屏蔽层不能在持续的大于几毫安的电流下保持完好。这些材料能经受小的充电电流，但是不能承受不平衡电流或者故障电流。
一方面，绝缘屏蔽系统的金属部分必须能容纳更大的电流。另一方面，单芯电缆屏蔽中使用太多的金属在下述两个方面都很不划算，首先，多余的金属屏蔽层增加了电缆的初始成本。其次，绝缘屏蔽的金属越多（电导率大），导体电流在屏蔽 中产生的屏蔽损耗也就越大。
电缆设计时必须设计足够的金属屏蔽，以确保在电缆寿命期内出现电缆故障时能起动后备保护。这也关系到屏蔽损耗。因此，下列问题是很重要的。
1）分析回路的短路设备。熔断器、重合闸或者冋路断路器的设计和运行特性 如何？
2）在电缆寿命期内，故障电流水平如何？
3）能够承受的屏蔽损耗水平。屏蔽多少次接地？是否配有防止接地电流的屏蔽断路器？
尽管在1CEA标准中对单芯地下直埋电缆有全回流线和1/3回流线的布置，但 对于特定的工程，这可能不是最经济的设计。如何最优化中性线的金属使用已经有 研究成果发表，在进行电缆设计前，应该阅读相应的文献。
7.3.3同心中性线电缆
使用同心中性线电缆时，应按照适用的ICEA标准制造同心中性线。无镀层单 线应符合ASTM B3标准，有镀层单线应符合ASTM B33标准。屏蔽单线直接绞合 在非金属绝缘屏蔽上，絞合节距是中性线外径的6-10倍。该电缆用于承受屏蔽中 的中性回路电流，还能完成电缆金属屏蔽的其他功能。这有可能在屏蔽中需要使用 更多的金属，导致较大的屏蔽损耗。
回路的交变正弦波中不断增加的谐波是一个复杂的因素。如果谐波分量太大的 话，需要额外的中性线容量。
4.低压电力电缆的金属屏蔽
当低压电缆的感应干扰成为麻烦时，通常需要屏蔽。
在很多通信、仪表和控制电缆使用的场合，小的电气信号可能会沿着电缆导体 传播，在接收端放大。由于感应干扰产生的噪声（不希望的信号）可能会和需要 的信号同样大，这样会导致信号错误或者影响声音传播的音频噪声。
在全频段，有必要把干扰分开为电场效应和磁场效应。
4.1 电场
电场影响是电容耦合或者回路间的互电容。采用连续的金属屏蔽隔离受扰回路 和干扰回路就能起效。甚至使用与接地线相连的半导电挤出层或者包带都能有电场屏蔽的效果。
4.2磁场
磁场效应是回路间的磁场耦合。与电场相比要稍微复杂一些。
在甚高频，源的能量发射认为是辐射。辐射随频率的二次方增加。电磁场辐射 会在相当大的距离内产生干扰.它能侵入屏蔽的任一开路区。这种情况容易发生在 没有纵包屏蔽的状况，如编织屏蔽和包带屏蔽时。屏蔽使用的金属材质也会影响干 扰的量值。只要不是铁磁性金属材料，都能对金属屏蔽中冲击场致涡流有一定的屏 蔽效果，涡流的趋势是中和干扰场，非金属屏蔽，也就是半导电屏蔽对磁场效应是 无效的。通常，最有效的磁屏蔽是使用完整的钢管，但一般很难实施。
屏蔽的效能使用屏蔽因数表示，具体见式(7-1)：
SF =有屏蔽回路的感应电压/无屏蔽回路的感应电压(7-1)
Gooding和Slade已经研究和报告了测试不同屏蔽设计对电场和磁场屏蔽效果 的试验回路。