电力电缆金属屏蔽的截面积及其短路热稳定要求
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电力电缆金属屏蔽的截面积及其短路热稳定要求
摘 要：参考国内外相关标准，根据电力电缆金属屏蔽的热稳定性能，对中压电力电缆的金属屏蔽层截面积提出明确的要求，以规范招投标技术要求，保证电力电缆金属屏蔽满足电网长期稳定安全运行要求。
关键词：电力电缆 金属屏蔽 截面积 热稳定
Requirements for metallic screen size and thermal short-circuit of power cable Abstract: According to national and international standards, this paper specifies the cross-section sizes of metallic screen of power cable so that it meets with the thermal short-circuit requirements. It ensures that the metallic screen meet the requirements for long-term safe operation of power distribution systems. The conclusion is part of technical specifications for tender documents.
Key words: power cable, metallic screen, cross-section, thermal short-circuit
0 引 言
按照现有国家有关标准规定，电力电缆屏蔽短路试验由制造厂与用户考虑电网实际短路条件确定；中压电力电缆标准缺少关于金属屏蔽截面积的规定，制造厂一般都没有对电缆的金属屏蔽层进行短路热稳定试验；在实际招投标过程中，往往缺少对电力电缆金属屏蔽的截面积的明确规定；本文在总结国内外相关文献资料的基础上，根据铜导体的热稳定性能计算公式，提出了电缆金属屏蔽层截面积的确定方法。
1 电缆金属屏蔽层的规定
额定电压U0为1kV及以上的电力电缆，其绝缘层的外面应设计有绝缘屏蔽，其作用是改善绝缘表面的电场分布、提供短路电流流通路径。绝缘屏蔽由半导电材料加金属带或金属丝组合组成，半导电材料除了改善绝缘层表面的电场分布以外，还起到消除绝缘层与金属带或金属丝之间的气隙的作用，金属带或金属丝为短路电流提供流通路径。金属带或金属丝一般选用导电性能良好的铜材。金属屏蔽层的截面积由系统的短路电流决定，若截面积太小，当短路电流通过时将产生过热或烧断，并损坏绝缘。所以，在实际应用电力电缆过程中，应根据系统的单相对地短路容量大小，选择合适截面积的金属屏蔽。
GB/T 12706.2-2002附录G规定，铜丝屏蔽由疏绕的软铜线组成，其表面应用反向绕包的铜丝或铜带扎紧，相邻铜丝的平均间隙应不大于4mm，任何两根相邻铜丝间隙应不大于8mm，铜丝屏蔽的标称截面可根据故障电流容量要求选用；铜带屏蔽由一层重叠绕包的软铜带组成，也可采用双层铜带间隙绕包，铜带间的平均搭盖率应不小于15%（标称值），其最小搭盖率应不小于5%，铜带标称厚度应按下列要求选用：
单芯电缆：≥0.12mm；
三芯电缆：≥0.10mm；
铜带的最小厚度应不小于标称值的90%。
DIN-VDE0276，620和622部分对电缆金属屏蔽的最小截面积规定如下表1所示：
表1 DIN-VDE0276，620和622部分屏蔽层的最小截面积
导体截面
（mm2）
屏蔽层截面
（mm2）
导体截面
（mm2）
屏蔽层截面
（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）对敷设在土壤中的电缆16mm2截面是允许的；
2）对敷设在土壤中的单芯电缆16mm2截面是允许的。
2 铜导体的热稳定性能
对于铜带屏蔽电力电缆，当系统发生短路时，短路电流通过屏蔽铜带所引起的温升可由下面公式2-1计算：
⎥
⎦
⎤⎢⎣⎡−−−−=
Δ)1(1)1(1)(2211212121t WR e R t WR e R M
R R a t
R t R sc θ （公式2-1）
公式中——短路时导线的最高温升（℃）；
sc θΔt——短路时间（s）；
W——erfc 补余误差函数符号；
a ——短路前单位散热面积铜带发生的热
量（W/cm 2
）；
m
sc
s d I r a πθα2
020)]20(1[−+=
20s r ——20℃时每cm 铜带电阻（Ω/cm）;
α——铜带电阻温度系数（α=0.003931/
℃）
0θ——短路前铜带温度（℃）;
sc I ——短路电流（A）
； m d ——铜带包绕后平均直径（cm）。 M
b K M k K M k R +
+
=
22142 M b K M k K
M k
R +
−=22242
K ——铜带邻接物的温度传导系数
（cm 2
/s）， γ
c k K = k ——铜带邻接物的导热系数[J/
（cm·s·℃）]；
c ——铜带邻接物的比热[J/（g·℃）]
γ——铜带邻接物的密度（g/cm 3
）
αa b =
M ——单位散热面积铜带的热容量[J/
（℃·cm 2
）]，m Q k M s δ2=
2k ——铜带搭盖绕包对铜带厚度的增加系
数；
Q ——铜带单位体积的热容量[J/
（℃·cm 3
）]； s δ——铜带厚度（cm）
； m ——铜带层数。
如果电缆的金属屏蔽只有一层铜带，厚度为0.10mm，1/4搭盖绕包，铜带温升为160℃时，根据以上公式2-1计算得出的允许短路电流如下图
1所示。
图1 屏蔽铜带的允许短路电流
对于铜丝屏蔽电力电缆，当系统发生短路时，短路电流通过屏蔽铜丝所引起的温升可由下面公式2-2计算：
)5
.2345
.234ln(
1011.5242++×××=i sc S t I θθ
（公式2-2）
公式中I ——短路电流有效值（A）
； S ——导体截面积（mm 2）； t ——短路时间（s）；
sc θ——允许的导体短路温度（℃）； i θ——导体初始温度（℃）；
如果电缆的金属屏蔽分别为16、25、35、50mm 2
铜丝，短路前导体温度为90℃，铜丝温升为160℃时，根据以上公式2-2计算得出的允许短路电流如下图2所示。