电力电缆金属屏蔽的截面积及其短路热稳定要求

陈曼虹

（福建中能电气股份有限公司，福州 350002）

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表1所示。

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式（1）计算：

式中，Δθsc为短路时导线的最高温升（℃）；t为短路时间（s）；W为 erfc补余误差函数符号；a为短路前单位散热面积铜带发生的热量（W/cm2）；

式中，rs20为20℃时每cm铜带电阻（Ω/cm）；a为铜带电阻温度系数（a=0.003931/℃）；θ0为短路前铜带温度（℃）；Isc为短路电流（A）；dm为铜带包绕后平均直径（cm）。

K为铜带邻接物的温度传导系数（cm2/s），k为铜带邻接物的导热系数[J/（cm·s·℃）]；c为铜带邻接物的比热[J/（g·℃）]；γ为铜带邻接物的密度（g/cm3），αab=；M为单位散热面积铜带的热容量[J/（℃·cm2）]，2sMk Qmδ=；k2为铜带搭盖绕包对铜带厚度的增加系数；Q为铜带单位体积的热容量[J/（℃·cm3）]；δs为铜带厚度（cm）；m为铜带层数。

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，根据以上式（1）计算得出的允许短路电流如图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式（2）计算：

式中，I为短路电流有效值（A）；S为导体截面积（mm2）；t为短路时间（s）；θsc为允许的导体短路温度（℃）；θi为导体初始温度（℃）。

如果电缆的金属屏蔽分别为 16mm2、25mm2、35mm2、50mm2铜丝，短路前导体温度为90℃，铜丝温升为160℃时，根据以上式（2）计算得出的允许短路电流如图2所示。

图2 屏蔽铜丝的允许短路电流

3 电缆金属屏蔽层截面积的确定

随着城市电缆线路的延伸，电缆电容越来越大，发生单相对地短路时，短路电流也越来越大。为了保证发生系统短路时，不会烧坏电缆金属屏蔽层或损坏电缆绝缘，必须根据系统规划详细计算短路容量，根据短路容量确定电缆金属屏蔽层的结构尺寸。具体方法如下。

1）根据电力系统结构参数，计算短路电流Id；

2）根据电缆的结构参数，按照式（1）或式（2）计算电缆的允许短路电流Isc。

3）Isc≥Id即满足要求。

为了保证系统安全，一般考虑合适的安全系数k0，可以选择k0=1.2～1.5，Isc=k0Id。

4 结论

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，提供一种计算中压电力电缆的金属屏蔽层截面积的方法，可以用于电力电缆金属屏蔽层的设计和选型指导，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。

[1]GB/T 12706.2—2002 额定电压 1kV（Um＝1.2kV）到35kV(Um＝40.5kV)挤包绝缘电力电缆及附件 第2部分：额定电压6kV（Um＝7.2kV）到30kV（Um＝36kV）电缆[S].

[2][德]海因豪尔德, 斯杜伯, 门汉文, 崔国璋, 王海译.电力电缆及电线[M].北京： 中国电力出版社, 2001.

[3]《电线电缆手册》编委会组编.电线电缆手册[M].2版.北京： 机械工业出版社, 2001.7

[4]IEC 61442—1997 额定电压6kV（Um＝7.2kV）至30kV（Um＝36kV）电力电缆附件试验方法[S].