Trong cấu tạo cáp trung áp, ngoài lõi dẫn và lớp cách điện, một thành phần quan trọng không thể thiếu chính là lớp bán dẫn trong cáp. Đây là lớp vật liệu có tính chất điện trở trung gian, không dẫn điện hoàn toàn như kim loại nhưng cũng không cách điện tuyệt đối như polyethylene.
Vật liệu này thường được chế tạo từ polymer trộn với than chì, nhờ đó có khả năng dẫn điện nhẹ và tạo bề mặt đẳng thế xung quanh lõi dẫn. Theo tài liệu về đo phóng điện cục bộ trong cáp, lớp bán dẫn luôn được bố trí kề sát lõi dẫn và lớp cách điện, nhằm thực hiện chức năng quản lý điện trường và bảo vệ cách điện.
Xem thêm
Cơ chế ghi lại dạng sóng sự cố của các thiết bị bảo vệ hệ thống điện
Thời gian bảo dưỡng bảo trì điện được khuyến nghị là bao lâu?
Các loại nguồn điều khiển trong thiết bị đóng cắt
Hiện tượng điện trường không đồng đều trong cáp
Khi lõi dẫn mang điện áp xoay chiều, điện trường hình thành và truyền qua lớp cách điện. Trong trường hợp không có lớp bán dẫn, điện trường sẽ tập trung mạnh tại các vị trí bề mặt lõi dẫn gồ ghề, tại điểm nhọn hoặc khe hở. Điều này tạo ra những vùng điện trường cục bộ với cường độ vượt xa mức trung bình. Những điểm tập trung này được gọi là “điểm nóng điện trường”.
Khi điện trường tại các điểm nóng vượt quá độ bền điện môi của cách điện, phóng điện cục bộ sẽ khởi phát. Đây là cơ chế đầu tiên dẫn đến suy giảm cách điện và hình thành hiện tượng “cây điện” lan rộng theo thời gian.
Để khắc phục hiện tượng điện trường tập trung, lớp bán dẫn trong được ép đùn trực tiếp lên lõi dẫn. Nhờ điện trở suất vừa phải, lớp này tạo ra một bề mặt đẳng thế quanh lõi. Các đường sức điện trường từ lõi dẫn nhờ vậy được phân bố đều, thay vì tập trung vào một điểm nhỏ. Quá trình này gọi là làm mịn phân bố điện trường. Tác dụng của nó là giữ cho cường độ điện trường trong toàn bộ khối cách điện ổn định, giảm thiểu nguy cơ khởi phát phóng điện cục bộ.
Song song với lớp bán dẫn trong, một lớp bán dẫn khác được bố trí ở mặt ngoài cách điện, tiếp giáp với vỏ kim loại của cáp. Lớp này được gọi là bán dẫn ngoài hay màng chắn cách điện. Nhiệm vụ của nó là duy trì phân bố điện trường đồng đều ở biên ranh giữa cách điện và vỏ.
Nếu thiếu lớp này, điện trường dễ tập trung tại điểm tiếp xúc với vỏ kim loại, từ đó hình thành những vùng ứng suất điện cao. Khi kết hợp cả hai lớp bán dẫn, điện trường bên trong cáp trung áp được kiểm soát chặt chẽ, giúp ngăn ngừa tập trung điện trường cục bộ và bảo vệ toàn bộ hệ thống cách điện.
Khi lớp bán dẫn bị khiếm khuyết, chẳng hạn như có đầu nhọn hoặc bề mặt không đều, điện trường sẽ trở nên mất cân bằng. Vùng điện trường cao sẽ hình thành tại điểm khuyết tật này, nhanh chóng vượt qua độ bền điện môi của cách điện và phát sinh phóng điện cục bộ.
Lâu dài, sự phóng điện này dẫn đến hình thành các “cây điện” lan dần trong cách điện, gây hỏng hóc và mất an toàn vận hành. Điều này giải thích tại sao chất lượng chế tạo lớp bán dẫn có ảnh hưởng quyết định đến tuổi thọ cáp
Kỹ thuật chế tạo lớp bán dẫn trong cáp công nghệ hiện đại
Trong sản xuất cáp ngày nay, lớp bán dẫn được ép đùn đồng thời với lớp cách điện. Nhờ đó, sự kết dính giữa hai lớp trở nên chặt chẽ, không tồn tại khe hở không khí hay bề mặt gồ ghề.
Cách làm này giúp đảm bảo điện trường phân bố trơn tru từ lõi dẫn ra lớp cách điện, đồng thời giảm thiểu nguy cơ tạo điểm tập trung điện trường. Vật liệu polymer trộn than chì cũng được kiểm soát để có điện trở suất đủ thấp, đảm bảo dẫn điện bề mặt liên tục nhưng vẫn giữ đặc tính điện môi phù hợp.
Trong vận hành thực tế, lớp bán dẫn có vai trò như một “lá chắn điện trường”. Nó không chỉ kiểm soát sự phân bố điện trường mà còn giảm ứng suất điện, bảo vệ lớp cách điện chính khỏi các tác động cục bộ nguy hiểm. Nhờ lớp bán dẫn, cáp trung áp duy trì được độ tin cậy cao, tuổi thọ dài và khả năng chống lại sự lão hóa điện môi.
Đặc biệt, trong các phép thử phóng điện cục bộ theo tiêu chuẩn IEC 60270, chất lượng của lớp bán dẫn được xem như một yếu tố quyết định đến độ ổn định của kết quả đo.