Trong thiết kế cáp điện, hai thành phần quan trọng không thể thiếu là lớp bán dẫn bảo vệ cách điện (Insulation Shielding) và lớp bán dẫn bảo vệ lõi dẫn (Conductor Shielding). Cả hai đều đóng vai trò cốt lõi trong việc đảm bảo hiệu quả và an toàn của cáp trong quá trình vận hành.
Lớp bảo vệ cách điện giúp ngăn chặn sự thất thoát điện năng và bảo vệ con người khỏi các rủi ro điện, trong khi lớp bảo vệ lõi dẫn cải thiện sự phân bổ điện trường xung quanh dây dẫn, giảm thiểu sự tập trung ứng suất điện và ngăn chặn các hư hại tiềm ẩn do điều kiện vận hành khắc nghiệt. Trong bài viết này chúng ta cùng nhau tìm hiểu về 2 lớp.
MÀNG CHẮN LÕI
Màng chắn lõi dẫn là một khía cạnh quan trọng trong thiết kế cáp điện, nhất là với các cáp có điện áp cao trên 2,000 volts. Lớp che chắn này, thường được làm từ vật liệu bán dẫn hoặc vật liệu có hằng số điện môi cao, giúp giảm ứng suất điện giữa lõi và mặt tiếp giáp với cách điện nhằm cải thiện độ bền của cáp.
Ban đầu, vật liệu chắn lõi dẫn được tạo từ các băng bán dẫn quấn xoắn quanh dây. Tuy nhiên, kinh nghiệm cho thấy chỉ sử dụng băng bán dẫn là không đủ. Vì vậy, ngành công nghiệp chế tạo cáp đã chuyển sang sử dụng một lớp bán dẫn ép trực tiếp lên lõi, đặc biệt đối với các loại cáp điện trung thế.
Trong các loại cáp ép đùn, lớp này được ép trực tiếp lên lõi dẫn và dính liền với lớp cách điện tiếp giáp bên trên. Điều quan trọng là không có khoảng trống hoặc vật liệu lạ giữa hai lớp này.
Các lớp ép ngày nay không chỉ sạch mà còn rất trơn và tròn, giảm thiểu lão hóa cách điện cáp dạng “cây nước “do bề mặt không đều. Bằng cách ép cùng một lúc hai lớp, lớp màng chắn và lớp cách điện được nung chín cùng một lúc, tạo ra mối liên kết không tách rời giúp giảm thiểu khả năng hình thành khoảng trống tại lớp tiếp giáp với cách điện là rất quan trọng.
Vì mục đích tương thích, lớp màn chắn này thường được làm từ loại polymer giống hoặc tương tự như lớp cách điện. Than chì đặc biệt được sử dụng để cho phép có tính bán dẫn, từ đó cung cấp khả năng dẫn điện cần thiết. Theo tiêu chuẩn ngành, vật liệu bán dẫn này phải có độ điện trở không vượt quá 1000 mét-ôm và phải qua bài kiểm tra độ bền về điện trở ở nhiệt độ hoạt động cao nhất để đảm bảo lớp này vẫn giữ được tính dẫn điện, qua đó kéo dài tuổi thọ của cáp.
Màn chắn bán dẫn (conductor shielding) là một thành phần quan trọng trong thiết kế và sản xuất cáp điện, đặc biệt là trong các cáp có điện áp cao. Mục đích chính của việc sử dụng lớp này là để cải thiện đồng đều điện trường xung quanh dây dẫn, từ đó giảm bớt sự tập trung ứng suất điện tại những điểm không đồng nhất trên bề mặt dây dẫn.
Trong các cáp điện, lõi dẫn thường được làm từ nhiều sợi dây nhỏ xoắn lại với nhau, tạo ra một bề mặt không hoàn toàn trơn tru. Sự không đều này có thể dẫn đến sự phân bổ không đồng đều của điện trường xung quanh dây dẫn, làm tăng ứng suất điện tại các điểm cụ thể. Điều này không chỉ làm suy giảm hiệu quả cách điện gây hiện tượng lão hóa hình dạng “cây nước ” mà còn có thể dẫn đến hư hỏng cấu trúc vật lý của cáp theo thời gian.
Màn chắn bán dẫn đóng một vai trò thiết yếu trong việc đảm bảo rằng cáp điện có thể hoạt động hiệu quả và an toàn trong điều kiện sử dụng khác nhau, đặc biệt là ở những nơi có điện áp cao và yêu cầu về độ bền cao. Do đó, việc lựa chọn và áp dụng đúng loại vật liệu che chắn dây dẫn là rất quan trọng để cải thiện tuổi thọ và hiệu suất của các hệ thống cáp điện.
MÀNG CHẮN CÁCH ĐIỆN
Màng chắn bảo vệ cách điện cho cáp trung áp đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì độ bền và hiệu suất của hệ thống cáp điện. Lớp này gồm hai thành phần chính. Thứ nhất là lớp bán dẫn hoặc giảm ứng suất, được thiết kế để đảm bảo rằng điện trường xung quanh dây dẫn được phân bổ đều, từ đó giảm bớt sự tập trung ứng suất điện tại bất kỳ điểm nào trên cáp.
Thành phần thứ hai là lớp kim loại, thường được làm từ băng kim loại hoặc dây dẫn. Lớp này cung cấp một đường dẫn điện trở thấp, cho phép dòng điện cảm ứng hoặc dòng sự cố chảy an toàn về mặt đất.
Sự kết hợp giữa hai lớp này trong lớp bảo vệ cách điện là cần thiết để cáp có thể hoạt động hiệu quả và đạt được tuổi thọ dài lâu.
Lớp bán dẫn hoặc giảm ứng suất
Lớp polymer hiện đại được sử dụng cho các cáp ép đùn đã dần thay thế các băng bảo vệ truyền thống mà đã được sử dụng trong nhiều năm qua. Lớp mới này, thường được gọi là lớp bảo vệ cách điện, có các đặc tính và yêu cầu tương thích tương tự như lớp bảo vệ lõi dẫn mà đã được đề cập trước đó, nhưng có một điểm khác biệt là độ điện trở thể tích của nó được giới hạn ở mức 500 mét-ôm.
Lớp này, không chứa kim loại, nằm ngay trên lớp cách điện và có ứng suất điện áp tại điểm tiếp xúc thấp hơn so với lớp bảo vệ lõi dẫn. Đối với các cáp có điện áp lên đến 35kV, không yêu cầu lớp này phải được liên kết chặt chẽ với lớp cách điện. Tuy nhiên, đối với các điện áp cao hơn, việc liên kết chặt chẽ giữa hai lớp này lại được khuyến khích để đảm bảo an toàn và hiệu quả cao hơn.
Lớp màng chắn kim loại
Lớp kim loại trong lớp bảo vệ cách điện của cáp điện đóng vai trò thiết yếu như một đường dẫn điện trở thấp cho phép dòng điện cảm ứng an toàn chảy về mặt đất. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng các vật liệu bảo vệ ép thông thường không thể chịu được dòng điện liên tục cao hơn vài miliampe. Chúng chỉ có khả năng xử lý những lượng nhỏ dòng cảm ứng và không đủ sức chịu đựng các dòng không cân bằng hoặc dòng sự cố, có thể cao hơn nhiều.
Do đó, thành phần kim loại trong hệ thống bảo vệ cách điện cần được thiết kế để có thể chịu được các dòng điện cao hơn mà không gặp vấn đề. Mặc dù lớp kim loại này quan trọng trong việc bảo vệ an toàn cho cáp, nhưng cũng cần cẩn thận không để có quá nhiều kim loại hơn mức cần thiết. Việc sử dụng lượng kim loại dư thừa không những làm tăng chi phí ban đầu của cáp mà còn gây ra tổn thất năng lượng cao hơn trong quá trình vận hành do sự tăng của dòng điện trong lõi dẫn. Điều này không chỉ làm tăng chi phí vận hành mà còn ảnh hưởng đến hiệu quả tổng thể của hệ thống cáp điện.