Экраны силовых кабелей предназначены для выравнивания поля и для устранения влияния полей фаз друг на друга. Наличие экрана снижает угрозу повреждения изоляции за счет неравномерного распределения напряженности поля.
Чтобы разобраться в этом сложном вопросе, рассмотрим кривую ионизации кабелей (рис. 3). Кривая ионизации кабеля — зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от напряжения — является важной характеристикой кабеля высокого напряжения.
На рисунке представлена кривая ионизации для кабеля с неэкранированной (поясной) изоляцией и для кабеля с экранированной изоляцией. Как видно, кривая экранированного кабеля проходит ниже.
Рис. 3. Кривые ионизации кабеля: 1 — с поясной изоляцией; 2 — с экранированной изоляцией
У этого кабеля меньше тангенс угла диэлектрических потерь и соответственно меньше диэлектрические потери и нагрев изоляции под действием электрического поля переменного тока. У кабеля с неэкранированной (поясной) изоляцией при напряжении около 25 кВ наблюдается перелом, называемый порогом ионизации или началом ионизации.
Рис. 4. Электрическое поле в трехфазном кабеле: а — с поясной изоляцией; б — с экранированной изоляцией жил
Это означает, что в имеющихся в изоляции воздушных включениях начинается процесс ионизации, вследствие чего резко возрастают диэлектрические потери и начинается процесс постепенного разрушения изоляции. У кабеля с экранированной изоляцией тоже есть свое начало ионизации, но оно имеет место при значительно более высоком напряжении и поэтому не видно на той части кривой, которая изображена на рисунке.
Для сравнения рассмотрим электрическое поле в трехфазном кабеле с поясной и экранированной изоляциями (рис. 4). У кабеля с поясной изоляцией поле крайне неравномерное, местами резко повышена его напряженность (на рисунке в этих местах сгущены силовые линии). Поэтому начало ионизации имеет место при меньшем напряжении, чем у кабеля с экранированной изоляцией, у которого поле равномерное. Искажение поля у кабеля с поясной изоляцией объясняется взаимодействием электрических полей трех фаз между собой. Изоляция жилы экранированного кабеля окружена заземленной металлической оболочкой, которая как бы изолирует поле каждой фазы от влияния посторонних полей.
В качестве экрана жилы кабеля может служить свинцовая или алюминиевая оболочка. У кабеля с пластмассовой или резиновой изоляцией, не имеющей металлических оболочек, в случае ее экранирования применяют специальные экраны из полупроводящих лент из медной или алюминиевой фольги.
Кабели с пластмассовой или резиновой изоляцией необходимо экранировать, начиная с рабочего напряжения 6 кВ. Это объясняется тем, что в пластмассовой и резиновой изоляции образование включений (пустот) неизбежно. При изготовлении кабелей изоляцию накладывают в горячем виде на жилы. Остывает она сначала в наружной части, а затем во внутренней, в результате чего образуются пустоты. Чтобы довести эти пустоты до минимума, толстую изоляцию накладывают в два или несколько приемов.
Помимо экранирования изоляции жил для обеспечения равномерного поля между токоведущей жилой и ее изоляцией экранируют саму жилу. Известно, что для получения благоприятного поля наилучшей формой жилы является круглая с гладкой поверхностью. У жил больших сечений, состоящих из многих проволок, каждая
проволока по своей форме приближается к острию, искажающему напряженность поля. Наложение экрана из полупроводящей ленты, имеющего такой же электрический потенциал, как и сама жила, сглаживает наружную поверхность жилы, поле при этом становится равномерным. Кроме того, этот экран служит тепловым барьером между жилой и изоляцией в случае внезапного кратковременного нагрева жилы при коротком замыкании.
Экранирование жил применяют для кабелей с пластмассовой изоляцией на напряжение 10 кВ и более.
