電力電纜金屬屏蔽的截面積及其短路熱穩定要求

陳曼虹

（福建中能電氣股份有限公司，福州 350002）

按照現有國家有關標準規定，電力電纜屏蔽短路試驗由制造廠與用戶考慮電網實際短路條件確定；中壓電力電纜標準缺少關于金屬屏蔽截面積的規定，制造廠一般都沒有對電纜的金屬屏蔽層進行短路熱穩定試驗；在實際招投標過程中，往往缺少對電力電纜金屬屏蔽的截面積的明確規定；本文在總結國內外相關文獻資料的基礎上，根據銅導體的熱穩定性能計算公式，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定

額定電壓U0為 1kV及以上的電力電纜，其絕緣層的外面應設計有絕緣屏蔽，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。絕緣屏蔽由半導電材料加金屬帶或金屬絲組合組成，半導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電性能良好的銅材。金屬屏蔽層的截面積由系統的短路電流決定，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。所以，在實際應用電力電纜過程中，應根據系統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規定，銅絲屏蔽由疏繞的軟銅線組成，其表面應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，任何兩根相鄰銅絲間隙應不大于8mm，銅絲屏蔽的標稱截面可根據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不小于15%（標稱值），其最小搭蓋率應不小于5%，銅帶標稱厚度應按下列要求選用：

單芯電纜：≥0.12mm；

三芯電纜：≥0.10mm；

銅帶的最小厚度應不小于標稱值的90%。

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

2 銅導體的熱穩定性能

對于銅帶屏蔽電力電纜，當系統發生短路時，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為短路時導線的最高溫升（℃）；t為短路時間（s）；W為 erfc補余誤差函數符號；a為短路前單位散熱面積銅帶發生的熱量（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（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系數（cm2/s），k為銅帶鄰接物的導熱系數[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；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。

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，當系統發生短路時，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為導體截面積（mm2）；t為短路時間（s）；θsc為允許的導體短路溫度（℃）；θi為導體初始溫度（℃）。

如果電纜的金屬屏蔽分別為 16mm2、25mm2、35mm2、50mm2銅絲，短路前導體溫度為90℃，銅絲溫升為160℃時，根據以上式（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，發生單相對地短路時，短路電流也越來越大。為了保證發生系統短路時，不會燒壞電纜金屬屏蔽層或損壞電纜絕緣，必須根據系統規劃詳細計算短路容量，根據短路容量確定電纜金屬屏蔽層的結構尺寸。具體方法如下。

1）根據電力系統結構參數，計算短路電流Id；

2）根據電纜的結構參數，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。

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

4 結論

參考國內外相關標準，根據電力電纜金屬屏蔽的熱穩定性能，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計和選型指導，以規范招投標技術要求，保證電力電纜金屬屏蔽滿足電網長期穩定安全運行要求。

[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： 機械工業出版社, 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].