中壓單芯電力電纜金屬屏蔽結(jié)構(gòu)的選擇

黃海

（湖南省電線電纜產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，湖南 衡陽 421001）

中壓電力電纜采用單芯結(jié)構(gòu)，有助于增加電纜的載流量，提升系統(tǒng)負(fù)荷，并能夠減少電纜絕緣故障時(shí)發(fā)生相間短路，同時(shí)也減輕了單根電纜的重量，增加了裝盤長度，方便運(yùn)輸和施工，大幅減少了線路的接頭數(shù)量，變?nèi)嘟宇^為單相接頭，使接頭密封更簡單可靠。但設(shè)計(jì)時(shí)容易忽視正確選擇和確定中壓單芯電力電纜的金屬屏蔽的結(jié)構(gòu)和截面，造成電力系統(tǒng)嚴(yán)重運(yùn)行事故的隱患。

1 金屬屏蔽的結(jié)構(gòu)

金屬屏蔽層作為中壓電力電纜的一個(gè)重要結(jié)構(gòu)，在電纜正常運(yùn)行情況下會(huì)通過電容電流，短路時(shí)又作為短路電流的通路；同時(shí)將電纜通電時(shí)產(chǎn)出的電磁場屏蔽在絕緣線芯內(nèi)，減少對外界的電磁干擾。

GB/T12706-2008標(biāo)準(zhǔn)中對中壓電力電纜的金屬屏蔽結(jié)構(gòu)形式做了規(guī)定，即由一根或多根金屬帶、金屬編織、金屬絲的同心層或金屬絲與金屬帶的組合結(jié)構(gòu)組成，也可以是金屬套或金屬鎧裝層。

銅帶屏蔽由一層重疊繞包的軟銅帶組成，也可采用雙層銅帶間隙繞包，單芯電纜屏蔽用銅帶的標(biāo)稱厚度不小于0.12mm。銅絲屏蔽由疏繞的軟銅線組成，其表面采用反向繞包的銅絲或銅帶扎緊。相鄰銅絲的平均間隙應(yīng)不大于4mm。

2 金屬屏蔽結(jié)構(gòu)的工藝特點(diǎn)

在整根電纜的制造過程中，金屬屏蔽工序并不復(fù)雜，但其與絕緣線芯直接接觸，對細(xì)節(jié)問題不加注意就容易使金屬屏蔽喪失功能，嚴(yán)重還會(huì)造成電纜質(zhì)量問題。

2.1 銅帶繞包屏蔽工藝特點(diǎn)

銅帶繞包屏蔽是傳統(tǒng)的屏蔽工藝，也以單層重疊搭蓋繞包的方式居多。采用這種方式的電力電纜具有外徑較小、重量較輕、成本較低的優(yōu)點(diǎn)。

要求使用的銅帶為退火軟銅帶，銅帶不允許有破裂、卷邊等缺陷。繞包時(shí)要調(diào)節(jié)合適包帶的張力，且收線盤要用泡沫珍珠棉襯墊，避免線芯扎傷。

銅帶的繞包應(yīng)緊密平整，不得有氧化、卷曲、隆起、銅帶裂紋、打皺和露出里面半導(dǎo)電層的現(xiàn)象。

銅帶的接頭嚴(yán)禁采用膠帶搭接或錫焊的方式，必須使用電焊，且搭蓋長度不小于20mm，焊接應(yīng)平整牢固，接頭處應(yīng)用砂紙進(jìn)行打平拋光。

但屏蔽用軟銅帶多采用回收銅，其電性能難以滿足GB/T 11091-2005標(biāo)準(zhǔn)的要求。采用這種方式的電纜在投入運(yùn)行后，銅帶接觸面容易被氧化，且由于彎曲和冷熱變形銅帶接觸面減小，造成接觸電阻增加，也容易使銅帶起拱嵌入絕緣屏蔽層而損傷線芯。

2.2 銅絲與銅帶疏繞屏蔽工藝特點(diǎn)

銅絲與銅帶疏繞屏蔽方式能夠從結(jié)構(gòu)上改善銅帶繞包屏蔽方式的弊端，它既沒有銅帶搭蓋產(chǎn)生的氧化層，也沒有很強(qiáng)的彎曲和冷熱變形，疏繞的銅帶更不容易起拱嵌入絕緣屏蔽層。

但采用這種方式生產(chǎn)的電纜外徑較大、重量較重、成本較高。尤其是疏繞的銅絲很容易在生產(chǎn)和使用中勒進(jìn)絕緣屏蔽層，影響絕緣線芯外觀，造成電纜局部放電量增大甚至超標(biāo)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使電纜擊穿。

為了避免銅絲疏繞對絕緣線芯的損傷，設(shè)計(jì)時(shí)可以采用兩種方法：①在絕緣線芯外繞包1～2層厚度約為0.2mm的半導(dǎo)電尼龍帶；②在三層共擠工序增加絕緣屏蔽層厚度，將厚度由通常的0.6mm增加到1.0～1.2mm。

3 金屬屏蔽的截面確定

金屬屏蔽的截面直接影響電纜承受故障時(shí)短路電流的能力，若截面積太小，當(dāng)短路電流通過時(shí)將產(chǎn)生過熱或燒斷，并損壞絕緣。因此，需要根據(jù)故障電流容量確定金屬屏蔽的截面。

通過IEC 60949絕熱狀態(tài)下短路電流計(jì)算公式

可推導(dǎo)出金屬屏蔽最小截面Smin為

式中，IAD為短路電流，單位為 A；t為短路時(shí)間，單位為s；K為取決于載流體材料的常數(shù)，銅導(dǎo)體K=226；θf為短路時(shí)最終溫度，單位為℃；θi為短路時(shí)起始溫度，單位為℃；β為0℃時(shí)導(dǎo)體電阻溫度系數(shù)倒數(shù)，銅導(dǎo)體取β=234.5。

在未獲得短路電流的情況下，可參照表1選擇金屬屏蔽截面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

表1 DIN-VDE0276屏蔽層的最小截面積（單位：mm2）

4 不同結(jié)構(gòu)金屬屏蔽截面的計(jì)算

4.1 銅帶繞包屏蔽截面的計(jì)算

銅帶繞包屏蔽的截面有兩種計(jì)算方法，具體如下：

1）根據(jù)IEC 60949規(guī)定的屏蔽截面S的計(jì)算公式為

式中，n為金屬帶層數(shù)；ω為帶寬，單位為mm；δ為帶厚，單位為mm。

2）屏蔽截面S的另一種計(jì)算方法公式為

式中，D為屏蔽前纜芯外徑；k為重疊率；δ為帶厚，單位為mm；η為接觸電阻系數(shù)，取0.5～0.8。

4.2 銅絲與銅帶疏繞屏蔽截面的計(jì)算

銅絲疏繞屏蔽截面S的計(jì)算公式為

式中，n為疏繞銅絲的根數(shù)；d為疏繞銅絲單絲直徑，單位為mm。

該公式不計(jì)疏繞銅帶的截面和疏繞銅絲的絞入率。

5 實(shí)例

某系統(tǒng)的3s短路電流為1kA，采用額定電壓為26/35kV單芯95mm2交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜。由式（2）計(jì)算出所需的金屬屏蔽最小截面為12.1mm2。

當(dāng)采用標(biāo)稱厚度為0.12mm、寬度為40mm的單層重疊繞包方式，重疊率不小于15%，其計(jì)算截面按式（3）計(jì)算為 4.8mm2，按式（4）計(jì)算為 7.9mm2。因此，使用單層重疊繞包的銅帶屏蔽無法滿足短路電流對屏蔽截面的要求，故改用銅絲與銅帶疏繞屏蔽方式，通過計(jì)算可得出，使用33根直徑為0.7mm的銅絲疏繞可滿足短路電流對金屬屏蔽截面的要求。

6 結(jié)論

現(xiàn)在許多標(biāo)書中要求電纜企業(yè)根據(jù)敷設(shè)條件和短路電流設(shè)計(jì)屏蔽結(jié)構(gòu)、確定屏蔽截面，因此對中壓單芯電力電纜的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮金屬屏蔽承載短路電流的能力，通過計(jì)算和選型，為用戶提供合格放心的產(chǎn)品。

[1]劉子玉.電氣絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1981.

[2]杜文學(xué),王戰(zhàn).35kV單芯電力電纜金屬屏蔽層截面選擇與運(yùn)行實(shí)踐[J].電氣應(yīng)用,2006(8):6-7.

[3]鄭建康.35kV單芯電纜金屬屏蔽層截面選擇應(yīng)注意的問題[J].高電壓技術(shù),2004(S1):31.