中压单芯电力电缆金属屏蔽结构的选择

黄海

（湖南省电线电缆产品质量监督检验中心，湖南 衡阳 421001）

中压电力电缆采用单芯结构，有助于增加电缆的载流量，提升系统负荷，并能够减少电缆绝缘故障时发生相间短路，同时也减轻了单根电缆的重量，增加了装盘长度，方便运输和施工，大幅减少了线路的接头数量，变三相接头为单相接头，使接头密封更简单可靠。但设计时容易忽视正确选择和确定中压单芯电力电缆的金属屏蔽的结构和截面，造成电力系统严重运行事故的隐患。

1 金属屏蔽的结构

金属屏蔽层作为中压电力电缆的一个重要结构，在电缆正常运行情况下会通过电容电流，短路时又作为短路电流的通路；同时将电缆通电时产出的电磁场屏蔽在绝缘线芯内，减少对外界的电磁干扰。

GB/T12706-2008标准中对中压电力电缆的金属屏蔽结构形式做了规定，即由一根或多根金属带、金属编织、金属丝的同心层或金属丝与金属带的组合结构组成，也可以是金属套或金属铠装层。

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，单芯电缆屏蔽用铜带的标称厚度不小于0.12mm。铜丝屏蔽由疏绕的软铜线组成，其表面采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。

2 金属屏蔽结构的工艺特点

在整根电缆的制造过程中，金属屏蔽工序并不复杂，但其与绝缘线芯直接接触，对细节问题不加注意就容易使金属屏蔽丧失功能，严重还会造成电缆质量问题。

2.1 铜带绕包屏蔽工艺特点

铜带绕包屏蔽是传统的屏蔽工艺，也以单层重叠搭盖绕包的方式居多。采用这种方式的电力电缆具有外径较小、重量较轻、成本较低的优点。

要求使用的铜带为退火软铜带，铜带不允许有破裂、卷边等缺陷。绕包时要调节合适包带的张力，且收线盘要用泡沫珍珠棉衬垫，避免线芯扎伤。

铜带的绕包应紧密平整，不得有氧化、卷曲、隆起、铜带裂纹、打皱和露出里面半导电层的现象。

铜带的接头严禁采用胶带搭接或锡焊的方式，必须使用电焊，且搭盖长度不小于20mm，焊接应平整牢固，接头处应用砂纸进行打平抛光。

但屏蔽用软铜带多采用回收铜，其电性能难以满足GB/T 11091-2005标准的要求。采用这种方式的电缆在投入运行后，铜带接触面容易被氧化，且由于弯曲和冷热变形铜带接触面减小，造成接触电阻增加，也容易使铜带起拱嵌入绝缘屏蔽层而损伤线芯。

2.2 铜丝与铜带疏绕屏蔽工艺特点

铜丝与铜带疏绕屏蔽方式能够从结构上改善铜带绕包屏蔽方式的弊端，它既没有铜带搭盖产生的氧化层，也没有很强的弯曲和冷热变形，疏绕的铜带更不容易起拱嵌入绝缘屏蔽层。

但采用这种方式生产的电缆外径较大、重量较重、成本较高。尤其是疏绕的铜丝很容易在生产和使用中勒进绝缘屏蔽层，影响绝缘线芯外观，造成电缆局部放电量增大甚至超标，严重时会使电缆击穿。

为了避免铜丝疏绕对绝缘线芯的损伤，设计时可以采用两种方法：①在绝缘线芯外绕包1～2层厚度约为0.2mm的半导电尼龙带；②在三层共挤工序增加绝缘屏蔽层厚度，将厚度由通常的0.6mm增加到1.0～1.2mm。

3 金属屏蔽的截面确定

金属屏蔽的截面直接影响电缆承受故障时短路电流的能力，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。因此，需要根据故障电流容量确定金属屏蔽的截面。

通过IEC 60949绝热状态下短路电流计算公式

可推导出金属屏蔽最小截面Smin为

式中，IAD为短路电流，单位为 A；t为短路时间，单位为s；K为取决于载流体材料的常数，铜导体K=226；θf为短路时最终温度，单位为℃；θi为短路时起始温度，单位为℃；β为0℃时导体电阻温度系数倒数，铜导体取β=234.5。

在未获得短路电流的情况下，可参照表1选择金属屏蔽截面进行设计。

表1 DIN-VDE0276屏蔽层的最小截面积（单位：mm2）

4 不同结构金属屏蔽截面的计算

4.1 铜带绕包屏蔽截面的计算

铜带绕包屏蔽的截面有两种计算方法，具体如下：

1）根据IEC 60949规定的屏蔽截面S的计算公式为

式中，n为金属带层数；ω为带宽，单位为mm；δ为带厚，单位为mm。

2）屏蔽截面S的另一种计算方法公式为

式中，D为屏蔽前缆芯外径；k为重叠率；δ为带厚，单位为mm；η为接触电阻系数，取0.5～0.8。

4.2 铜丝与铜带疏绕屏蔽截面的计算

铜丝疏绕屏蔽截面S的计算公式为

式中，n为疏绕铜丝的根数；d为疏绕铜丝单丝直径，单位为mm。

该公式不计疏绕铜带的截面和疏绕铜丝的绞入率。

5 实例

某系统的3s短路电流为1kA，采用额定电压为26/35kV单芯95mm2交联聚乙烯绝缘电力电缆。由式（2）计算出所需的金属屏蔽最小截面为12.1mm2。

当采用标称厚度为0.12mm、宽度为40mm的单层重叠绕包方式，重叠率不小于15%，其计算截面按式（3）计算为 4.8mm2，按式（4）计算为 7.9mm2。因此，使用单层重叠绕包的铜带屏蔽无法满足短路电流对屏蔽截面的要求，故改用铜丝与铜带疏绕屏蔽方式，通过计算可得出，使用33根直径为0.7mm的铜丝疏绕可满足短路电流对金属屏蔽截面的要求。

6 结论

现在许多标书中要求电缆企业根据敷设条件和短路电流设计屏蔽结构、确定屏蔽截面，因此对中压单芯电力电缆的设计应充分考虑金属屏蔽承载短路电流的能力，通过计算和选型，为用户提供合格放心的产品。

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