電力電纜金屬屏蔽的截面積及其短路熱穩(wěn)定要求

陳曼虹

（福建中能電氣股份有限公司，福州 350002）

按照現(xiàn)有國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，電力電纜屏蔽短路試驗由制造廠與用戶考慮電網(wǎng)實際短路條件確定；中壓電力電纜標(biāo)準(zhǔn)缺少關(guān)于金屬屏蔽截面積的規(guī)定，制造廠一般都沒有對電纜的金屬屏蔽層進(jìn)行短路熱穩(wěn)定試驗；在實際招投標(biāo)過程中，往往缺少對電力電纜金屬屏蔽的截面積的明確規(guī)定；本文在總結(jié)國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，根據(jù)銅導(dǎo)體的熱穩(wěn)定性能計算公式，提出了電纜金屬屏蔽層截面積的確定方法。

1 電纜金屬屏蔽層的規(guī)定

額定電壓U0為 1kV及以上的電力電纜，其絕緣層的外面應(yīng)設(shè)計有絕緣屏蔽，其作用是改善絕緣表面的電場分布、提供短路電流流通路徑。絕緣屏蔽由半導(dǎo)電材料加金屬帶或金屬絲組合組成，半導(dǎo)電材料除了改善絕緣層表面的電場分布以外，還起到消除絕緣層與金屬帶或金屬絲之間的氣隙的作用，金屬帶或金屬絲為短路電流提供流通路徑。金屬帶或金屬絲一般選用導(dǎo)電性能良好的銅材。金屬屏蔽層的截面積由系統(tǒng)的短路電流決定，若截面積太小，當(dāng)短路電流通過時將產(chǎn)生過熱或燒斷，并損壞絕緣。所以，在實際應(yīng)用電力電纜過程中，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的單相對地短路容量大小，選擇合適截面積的金屬屏蔽。

GB/T 12706.2—2002附錄G規(guī)定，銅絲屏蔽由疏繞的軟銅線組成，其表面應(yīng)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，任何兩根相鄰銅絲間隙應(yīng)不大于8mm，銅絲屏蔽的標(biāo)稱截面可根據(jù)故障電流容量要求選用；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，銅帶間的平均搭蓋率應(yīng)不小于15%（標(biāo)稱值），其最小搭蓋率應(yīng)不小于5%，銅帶標(biāo)稱厚度應(yīng)按下列要求選用：

單芯電纜：≥0.12mm；

三芯電纜：≥0.10mm；

銅帶的最小厚度應(yīng)不小于標(biāo)稱值的90%。

DIN-VDE0276，620和 622部分對電纜金屬屏蔽的最小截面積規(guī)定如表1所示。

2 銅導(dǎo)體的熱穩(wěn)定性能

對于銅帶屏蔽電力電纜，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路時，短路電流通過屏蔽銅帶所引起的溫升可由下面式（1）計算：

式中，Δθsc為短路時導(dǎo)線的最高溫升（℃）；t為短路時間（s）；W為 erfc補(bǔ)余誤差函數(shù)符號；a為短路前單位散熱面積銅帶發(fā)生的熱量（W/cm2）；

式中，rs20為20℃時每cm銅帶電阻（Ω/cm）；a為銅帶電阻溫度系數(shù)（a=0.003931/℃）；θ0為短路前銅帶溫度（℃）；Isc為短路電流（A）；dm為銅帶包繞后平均直徑（cm）。

K為銅帶鄰接物的溫度傳導(dǎo)系數(shù)（cm2/s），k為銅帶鄰接物的導(dǎo)熱系數(shù)[J/（cm·s·℃）]；c為銅帶鄰接物的比熱[J/（g·℃）]；γ為銅帶鄰接物的密度（g/cm3），αab=；M為單位散熱面積銅帶的熱容量[J/（℃·cm2）]，2sMk Qmδ=；k2為銅帶搭蓋繞包對銅帶厚度的增加系數(shù)；Q為銅帶單位體積的熱容量[J/（℃·cm3）]；δs為銅帶厚度（cm）；m為銅帶層數(shù)。

如果電纜的金屬屏蔽只有一層銅帶，厚度為0.10mm，1/4搭蓋繞包，銅帶溫升為160℃時，根據(jù)以上式（1）計算得出的允許短路電流如圖1所示。

圖1 屏蔽銅帶的允許短路電流

對于銅絲屏蔽電力電纜，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路時，短路電流通過屏蔽銅絲所引起的溫升可由下面式（2）計算：

式中，I為短路電流有效值（A）；S為導(dǎo)體截面積（mm2）；t為短路時間（s）；θsc為允許的導(dǎo)體短路溫度（℃）；θi為導(dǎo)體初始溫度（℃）。

如果電纜的金屬屏蔽分別為 16mm2、25mm2、35mm2、50mm2銅絲，短路前導(dǎo)體溫度為90℃，銅絲溫升為160℃時，根據(jù)以上式（2）計算得出的允許短路電流如圖2所示。

圖2 屏蔽銅絲的允許短路電流

3 電纜金屬屏蔽層截面積的確定

隨著城市電纜線路的延伸，電纜電容越來越大，發(fā)生單相對地短路時，短路電流也越來越大。為了保證發(fā)生系統(tǒng)短路時，不會燒壞電纜金屬屏蔽層或損壞電纜絕緣，必須根據(jù)系統(tǒng)規(guī)劃詳細(xì)計算短路容量，根據(jù)短路容量確定電纜金屬屏蔽層的結(jié)構(gòu)尺寸。具體方法如下。

1）根據(jù)電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，計算短路電流Id；

2）根據(jù)電纜的結(jié)構(gòu)參數(shù)，按照式（1）或式（2）計算電纜的允許短路電流Isc。

3）Isc≥Id即滿足要求。

為了保證系統(tǒng)安全，一般考慮合適的安全系數(shù)k0，可以選擇k0=1.2～1.5，Isc=k0Id。

4 結(jié)論

參考國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)電力電纜金屬屏蔽的熱穩(wěn)定性能，提供一種計算中壓電力電纜的金屬屏蔽層截面積的方法，可以用于電力電纜金屬屏蔽層的設(shè)計和選型指導(dǎo)，以規(guī)范招投標(biāo)技術(shù)要求，保證電力電纜金屬屏蔽滿足電網(wǎng)長期穩(wěn)定安全運(yùn)行要求。

[1]GB/T 12706.2—2002 額定電壓 1kV（Um＝1.2kV）到35kV(Um＝40.5kV)擠包絕緣電力電纜及附件 第2部分：額定電壓6kV（Um＝7.2kV）到30kV（Um＝36kV）電纜[S].

[2][德]海因豪爾德, 斯杜伯, 門漢文, 崔國璋, 王海譯.電力電纜及電線[M].北京： 中國電力出版社, 2001.

[3]《電線電纜手冊》編委會組編.電線電纜手冊[M].2版.北京： 機(jī)械工業(yè)出版社, 2001.7

[4]IEC 61442—1997 額定電壓6kV（Um＝7.2kV）至30kV（Um＝36kV）電力電纜附件試驗方法[S].