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安徽天康探討中壓電纜的金屬屏蔽層運(yùn)用及計(jì)算

本文主要描述了中壓電纜為什么要采用金屬屏蔽結(jié)構(gòu)以及金屬屏蔽的工藝及短路電流的計(jì)算方法。 【關(guān)鍵詞】金屬屏蔽；截面積；屏蔽工藝；短路電流； 0 引言     金屬屏蔽層是中壓（3.6/6kV∽26/35kV））交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜中*的結(jié)構(gòu),GB/T12706.2—2008和GB/T12706.3—2008第7部分規(guī)定所有電纜的絕緣線芯上應(yīng)有金屬屏蔽，可以在單根絕緣線芯上也可以在幾根絕緣線芯上包覆金屬屏蔽?？茖W(xué)設(shè)計(jì)金屬屏蔽的結(jié)構(gòu)、準(zhǔn)確計(jì)算屏蔽層所承受的短路電流并合理制定屏蔽層加工工藝,對(duì)確保交聯(lián)電纜的質(zhì)量乃至整個(gè)運(yùn)行系統(tǒng)的安全具有至關(guān)重要的作用。  

1 金屬屏蔽的方式和作用     中壓交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜金屬屏蔽的方式主要由銅帶搭蓋繞包屏蔽和疏繞銅絲屏蔽兩種方式。     根據(jù)GB/T12706-2008 額定電壓6kV到35kV電纜的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，銅帶屏蔽方式中的銅帶平均搭蓋率不小于銅帶寬度的15%（標(biāo)稱值），zui小值不小于5%。單芯電纜的銅帶厚度≥0.12mm,多芯電纜的平均厚度≥0.10mm,銅帶zui小厚度不小于標(biāo)稱值的90%。銅絲屏蔽由疏繞的軟銅線組成，其表面應(yīng)由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。   電纜結(jié)構(gòu)上的屏蔽是一種改善電場(chǎng)分布的措施，

金屬屏蔽的作用主要有以下幾個(gè)方面: 

 1、電纜正常通電時(shí)金屬屏蔽層通過(guò)電容電流，短路故障時(shí)通過(guò)短路電流。

 2、將電纜通電時(shí)引起的電磁場(chǎng)屏蔽在絕緣線芯內(nèi)，以減少對(duì)外界產(chǎn)生的電磁干擾，金屬屏蔽層也起到限制外界電磁場(chǎng)對(duì)內(nèi)部產(chǎn)生的影響。 

1. 電站保護(hù)系統(tǒng)要求外金屬屏蔽具有較好的防雷特性。 

 4、均化電場(chǎng)，防止軸向放電。由于半導(dǎo)電層具有一定的電阻，當(dāng)金屬屏蔽層接地不良時(shí)，在電纜軸向由于電位分布不均勻而造成電纜沿面放電。 

 2 金屬屏蔽截面積的計(jì)算     為了保證系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)不燒壞金屬屏蔽層，必須根據(jù)系統(tǒng)規(guī)劃詳細(xì)合理計(jì)算出短路容量，根據(jù)短路容量計(jì)算出金屬屏蔽層的截面大小。金屬屏蔽層的截面積太小的話，當(dāng)短路電流通過(guò)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生過(guò)熱或燒斷，并損壞絕緣，所以在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)單相對(duì)地短路容量，選擇合適截面積的金屬屏蔽。  DIN-VDE0276,620和622（德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)）部分屏蔽層的zui小截面積可參考下表：   導(dǎo)體截面積 (mm2) 屏蔽層截面 (mm2) 導(dǎo)體截面積 mm2  屏蔽層截面  (mm2) 25 35 50 70 95 120 16 16 16 16 16 16 150 185 240 300 400 500 25① 25① 25② 25 35 50 ① 對(duì)敷設(shè)在土壤中的電纜16mm2截面是允許的。  ② 對(duì)敷設(shè)在土壤中的單芯電纜16mm2截面是允許的。 2.1銅帶屏蔽的截面積的計(jì)算  銅帶屏蔽的結(jié)構(gòu)規(guī)定的較為具體，如銅帶的厚度、重疊率等具體工藝參數(shù)。銅帶的截面的寬度一般為30mm,或者35mm，我公司采用的是銅帶寬度為35mm。

截面計(jì)算方法根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)有兩種： 

1. 第1種按照IEC60949:   S=N·W·δ  式中： S--銅帶截面mm2   N--銅帶層數(shù)       W--銅帶寬度mm     δ--銅帶厚度 mm  單芯電纜的銅帶截面為:1*35*0.12=4.2mm2 , 三芯電纜的銅帶截面為：3*35*0.10=10.5mm2     用此種方法計(jì)算銅帶的屏蔽截面與搭蓋率無(wú)關(guān)，與絕緣外徑無(wú)關(guān)，與銅帶寬度有關(guān)，與實(shí)際情況不符合。
2.  （2）第2種按照環(huán)形截面計(jì)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(shù)       δ— 銅帶厚度 mm      K — 重疊率  用此種計(jì)算方法可以知道，銅帶的屏蔽截面與搭蓋率有關(guān)，與絕緣外徑有關(guān)，與銅帶寬度無(wú)關(guān)，與實(shí)際情況較為符合?？紤]到銅帶表面的氧化導(dǎo)致接觸不良，銅帶之間的焊接接頭等因素，以上計(jì)算值乘以一個(gè)安全系數(shù)來(lái)計(jì)算承受的短路電流較為妥當(dāng)。
3.   2.2銅絲疏繞屏蔽的截面積計(jì)算  GB/T12706.3—2008 附錄G規(guī)定, 26/35kV 500 mm2 及以上電纜,其金屬屏蔽須采用疏繞銅絲+反向銅帶或銅絲結(jié)構(gòu);另外,若用戶對(duì)電纜接地故障電流有特殊 要求時(shí),亦采用該結(jié)構(gòu)。     銅絲截面積的計(jì)算：S=n(πd2 /4),n為疏繞銅絲根數(shù)，d為疏繞銅絲單絲直徑。 
4.  3 屏蔽工藝  屏蔽工序在中壓電纜生產(chǎn)過(guò)程中相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但是一些細(xì)節(jié)性的東西不注意的話也會(huì)對(duì)電纜質(zhì)量造成不可挽回的嚴(yán)重后果。 
5. 3.1銅帶屏蔽工藝  屏蔽所用的銅帶必須是韌煉充分的軟銅帶,兩邊不允許有卷邊或裂口等缺陷。銅帶太硬會(huì)割破外半導(dǎo)電層,太軟也容易發(fā)皺。繞包時(shí),繞包頭角度要調(diào)好，包帶張力控制適當(dāng),避免張力過(guò)緊。因電纜通電時(shí),絕緣會(huì)發(fā)熱而有所膨脹,若銅帶繞的太緊話,有可能造成銅帶嵌入絕緣屏蔽,或繃斷銅帶。屏蔽機(jī)收線盤(pán)的兩側(cè)應(yīng)用軟質(zhì)材料襯墊,否則,容易造成兩側(cè)銅帶在本道或下道工序軋傷,嚴(yán)重時(shí),破裂銅帶會(huì)刺入外屏蔽乃至絕緣,造成擊穿。銅帶接頭應(yīng)采用點(diǎn)焊,不宜采用錫焊,更不能采用插接或膠帶粘結(jié)或其他的一些等不規(guī)范操作。  銅帶搭蓋繞包形式，在電纜運(yùn)行時(shí)金屬屏蔽層間由于其接觸面產(chǎn)生氧化物，以及彎曲冷熱變形后減少了接觸壓力，會(huì)造成接觸電阻成倍增加，影響短路電流的容量和短路電流的導(dǎo)通。接觸不良再加上熱脹冷縮彎曲變形，將會(huì)直接損傷外半導(dǎo)電層。銅帶金屬屏蔽應(yīng)與半導(dǎo)電層緊密接觸，使之良好接地，但由于過(guò)熱膨脹會(huì)導(dǎo)致銅帶弓形膨脹變形以及半導(dǎo)電層損傷，所有的這些情況造成的不良接地均會(huì)使電纜局放性能下降。  如果銅帶屏蔽層斷裂或銅帶接頭處焊接不良導(dǎo)致斷裂，則有可能從銅帶屏蔽層非接地端流向接地端的充電電流會(huì)在銅帶屏蔽層斷裂處強(qiáng)行通過(guò)外半導(dǎo)電層流過(guò)，該處外半導(dǎo)電層發(fā)熱，溫度上升。此時(shí)溫度會(huì)很高，使銅帶屏蔽層斷裂處的外半導(dǎo)電層急劇老化。如果上述狀態(tài)持續(xù)繼續(xù)發(fā)展，外半導(dǎo)電層的電阻進(jìn)一步增大，在銅帶屏蔽層斷裂處，銅帶屏蔽層非接地端與接地端之間產(chǎn)生的電位差的作用下，產(chǎn)生的放電現(xiàn)象進(jìn)一步加速電纜從絕緣體表層開(kāi)始老化。因此，在銅帶屏蔽層斷裂后，其斷裂處電纜絕緣會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生老化，直至絕緣破壞。由此可見(jiàn)銅帶屏蔽工藝在中壓電纜生產(chǎn)過(guò)程中也是相當(dāng)重要的。
6.  3.2銅絲屏蔽工藝  若采用疏繞銅絲屏蔽結(jié)構(gòu),如果銅絲直接纏繞在外屏表面會(huì)很容易勒進(jìn)去,嚴(yán)重時(shí)損傷到絕緣,導(dǎo)致電纜擊穿，所以必須在擠出半導(dǎo)電外屏蔽層后繞包1～2層半導(dǎo)電尼龍帶。  采用疏繞銅絲屏蔽結(jié)構(gòu)不會(huì)有銅帶搭蓋間的氧化層，彎曲變形小，熱膨脹變形也少，接觸電阻不至于成倍增加，所有的這些情況都有利于改善運(yùn)行電纜的電性能、機(jī)械性能和熱性能。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)介紹，國(guó)外大都采用銅絲屏蔽結(jié)構(gòu)形式。 
7.  4 短路電流  根據(jù)IEC 60949,屏蔽層短路電流的計(jì)算公式為: I2 *t =ε2 *K2*S2*ln[ (θf +β)/(θi +β)]  ε—非絕熱因素的計(jì)算,對(duì)于疏繞銅絲屏蔽結(jié)構(gòu)可參見(jiàn)IEC 60949第5.1和5.3 條，銅帶屏蔽可參見(jiàn)IEC60949第6.1和6.2條； K—與載流體有關(guān)的常數(shù)； s-屏蔽截面S計(jì)算獲得；  β-溫度系數(shù)的倒數(shù)-20,對(duì)于銅取234.5,℃；也可從IEC60949表1中查得；  θi--屏蔽層短路起始溫度θi 與電纜的型號(hào)、電壓等級(jí)、規(guī)格、結(jié)構(gòu)、敷設(shè)方式和敷設(shè)環(huán)境等均有關(guān),一般取90℃，其中單芯電纜的散熱條件要優(yōu)于三芯電纜,取值范圍在60～80 ℃,當(dāng)然不同的文獻(xiàn)有不同的說(shuō)法，具體怎么取值還是值得去研究的。  θf--對(duì)于交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜,一般情況下取250℃；