中壓單芯電力電纜金屬屏蔽結構的選擇

黃海

（湖南省電線電纜產品質量監督檢驗中心，湖南 衡陽 421001）

中壓電力電纜采用單芯結構，有助于增加電纜的載流量，提升系統負荷，并能夠減少電纜絕緣故障時發生相間短路，同時也減輕了單根電纜的重量，增加了裝盤長度，方便運輸和施工，大幅減少了線路的接頭數量，變三相接頭為單相接頭，使接頭密封更簡單可靠。但設計時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構和截面，造成電力系統嚴重運行事故的隱患。

1 金屬屏蔽的結構

金屬屏蔽層作為中壓電力電纜的一個重要結構，在電纜正常運行情況下會通過電容電流，短路時又作為短路電流的通路；同時將電纜通電時產出的電磁場屏蔽在絕緣線芯內，減少對外界的電磁干擾。

GB/T12706-2008標準中對中壓電力電纜的金屬屏蔽結構形式做了規定，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構組成，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不大于4mm。

2 金屬屏蔽結構的工藝特點

在整根電纜的制造過程中，金屬屏蔽工序并不復雜，但其與絕緣線芯直接接觸，對細節問題不加注意就容易使金屬屏蔽喪失功能，嚴重還會造成電纜質量問題。

2.1 銅帶繞包屏蔽工藝特點

銅帶繞包屏蔽是傳統的屏蔽工藝，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、成本較低的優點。

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。繞包時要調節合適包帶的張力，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電層的現象。

銅帶的接頭嚴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，焊接應平整牢固，接頭處應用砂紙進行打平拋光。

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標準的要求。采用這種方式的電纜在投入運行后，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

銅絲與銅帶疏繞屏蔽方式能夠從結構上改善銅帶繞包屏蔽方式的弊端，它既沒有銅帶搭蓋產生的氧化層，也沒有很強的彎曲和冷熱變形，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和使用中勒進絕緣屏蔽層，影響絕緣線芯外觀，造成電纜局部放電量增大甚至超標，嚴重時會使電纜擊穿。

為了避免銅絲疏繞對絕緣線芯的損傷，設計時可以采用兩種方法：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短路電流的能力，若截面積太小，當短路電流通過時將產生過熱或燒斷，并損壞絕緣。因此，需要根據故障電流容量確定金屬屏蔽的截面。

通過IEC 60949絕熱狀態下短路電流計算公式

可推導出金屬屏蔽最小截面Smin為

式中，IAD為短路電流，單位為 A；t為短路時間，單位為s；K為取決于載流體材料的常數，銅導體K=226；θf為短路時最終溫度，單位為℃；θi為短路時起始溫度，單位為℃；β為0℃時導體電阻溫度系數倒數，銅導體取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行設計。

表1 DIN-VDE0276屏蔽層的最小截面積（單位：mm2）

4 不同結構金屬屏蔽截面的計算

4.1 銅帶繞包屏蔽截面的計算

銅帶繞包屏蔽的截面有兩種計算方法，具體如下：

1）根據IEC 60949規定的屏蔽截面S的計算公式為

式中，n為金屬帶層數；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，取0.5～0.8。

4.2 銅絲與銅帶疏繞屏蔽截面的計算

銅絲疏繞屏蔽截面S的計算公式為

式中，n為疏繞銅絲的根數；d為疏繞銅絲單絲直徑，單位為mm。

該公式不計疏繞銅帶的截面和疏繞銅絲的絞入率。

5 實例

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

當采用標稱厚度為0.12mm、寬度為40mm的單層重疊繞包方式，重疊率不小于15%，其計算截面按式（3）計算為 4.8mm2，按式（4）計算為 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 結論

現在許多標書中要求電纜企業根據敷設條件和短路電流設計屏蔽結構、確定屏蔽截面，因此對中壓單芯電力電纜的設計應充分考慮金屬屏蔽承載短路電流的能力，通過計算和選型，為用戶提供合格放心的產品。

[1]劉子玉.電氣絕緣結構設計原理[M].北京:機械工業出版社,1981.

[2]杜文學,王戰.35kV單芯電力電纜金屬屏蔽層截面選擇與運行實踐[J].電氣應用,2006(8):6-7.

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