高壓電纜金屬屏蔽層(銅帶)的直流電阻應如何計算
time:2018-06-15 09:32:28
金屬屏蔽不但起到靜電屏蔽的作用，還起到了導通故障電流的作用。因此無論在
電纜的選型和電纜的制造環節都應注意金屬屏蔽的截面滿足短路電流容量。
1、 標準的規定
中壓電纜的金屬屏蔽有銅帶和銅絲之分，對于金屬屏蔽GB/T12706.2的附錄G有如下規定(黑體字部分)：
Ｇ4 金屬屏蔽
Ｇ4.1 電纜應有金屬性屏蔽層,金屬屏蔽有銅絲屏蔽、金屬絲編織屏蔽和銅帶屏蔽等結構型式。
Ｇ4.3 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％。
GB/T 12706.3的附錄G與GB/T12706.2的規定基本相同，但增加了“標稱截面為 500ｍｍ2及以上電纜的金屬屏蔽應采用銅絲屏蔽結構”的規定。
DL401—91高壓電纜選用導則對金屬屏蔽層截面有如下規定（黑體字部分）：
5.3 交聯聚乙烯電纜金屬屏蔽層截面選擇
5.3.1 為了使系統在發生單相接地或不同地點兩相接地時，故障電流流過金屬屏蔽層而不至將其燒損，該屏蔽層最小截面宜滿足表5要求。
表5 交聯聚乙烯電纜金屬屏蔽層最小截面推薦值
系統額定電壓U
kV
6～10
35
63
110
220
330
500
金屬屏蔽層截面
mm2
25
35
50
75
95
120
150
3、銅帶截面的計算
銅帶屏蔽的結構規定的較為具體，如銅帶的厚度、重疊率等具體工藝參數。銅帶的截面的寬度一般為30mm,或者35mm,根據電纜的絕緣外徑而定。銅帶的截面計算方法根據有關文獻有兩種：第1種按照IEC949-88:
S=N·W·δ
式中：S—銅帶截面 mm2
N—銅帶層數
W—銅帶寬度 mm
δ—銅帶厚度 mm
按這種方法計算，單芯電纜的銅帶截面為:
1*30*0.12=3.6mm2
或1*35*0.12=4.2mm2,
三芯電纜的銅帶截面為：
3*30*0.10=9.0mm2
或3*35*0.10=10.5mm2
而且銅帶的屏蔽截面與搭蓋率無關，與絕緣外徑無關，與銅帶寬度有關，與實際情況不符合。
第2種按照環形截面計算:
S=π·(D+N·δ)·N·δ/(1-K)
式中：S—銅帶截面 mm2
D—屏蔽前外徑 mm
N—銅帶層數
δ—銅帶厚度 mm
K—重疊率
用這種計算方法可以知道，銅帶的屏蔽截面與搭蓋率有關，與絕緣外徑有關，與銅帶寬度無關，與實際情況較為符合。考慮到銅帶表面的氧化導致接觸不良，銅帶之間的焊接接頭等因素，以上計算值乘以一個安全系數來計算承受的短路電流較為妥當。
4、短路電流的計算：
根據IEC949-88,電纜短路過程中，短路容量大，短路時間短，可以看作是絕熱過程(偏于安全)。
式中：IAD—短路電流
K—與載流體有關的常數，對于銅取226K(AS1/2/mm2)
S—電纜標稱截面,mm2
β—溫度系數的倒數-20, 對于銅取234.5, ℃
θf—最終短路溫度，℃
θi—起始短路溫度，℃
t—短路時間，s
以上計算公式并不算復雜，關鍵在于起始短路溫度和最終短路溫度的選取。我們知道對于導體的短路電流時，起始短路溫度和最終短路溫度分別取90℃和250℃(由于短路時間不可能達到5秒，這樣取值偏于安全)。
三芯電纜由于一部分屏蔽在導體中間，起始短路溫度可以直接取90℃，而對于單芯電纜金屬屏蔽層來說，起始短路溫度介于導體溫度與環境溫度之間，可以參照在流量的計算，不考慮絕緣損耗的影響，可根據以下公式計算：
θi=θ-I2RT
式中：
θ—導體長期工作溫度,℃
I—導體長期工作電流，A
R—導體工作溫度下的交流電阻，Ω/m
T—絕緣層的熱阻，K·m/W
由此可見，不同的護層材料、敷設方式會影響電纜的計算載流量，同樣也影響了電纜金屬屏蔽層的起始短路溫度。
對于最終短路溫度可以參照GB50217－94《電力工程電纜設計規范》 中的規定：
3.7.12電力電纜金屬屏蔽層的有效截面，應滿足在可能的暫態電流作用下溫升值不超過絕緣與外護層的短路容許最高溫度平均值。
按照此條文，對于交聯電纜來說，最終短路溫度為250/2+160/2=205℃，而根據有關文獻，此值取300℃仍偏于安全。
