探讨中压电缆的金属屏蔽层

本文主要描述了中压电缆为什么要采用金属屏蔽结构以及金属屏蔽的 工艺及短路电流的计算方法。

金属屏蔽层是中压（3.6/6kV∽26/35kV ）） 交联聚乙烯绝缘电力电缆中 不可缺少 的结构 , G B /T12706 .2 — 200 8 和GB /T12706 .3 — 200 8第7部分 规定 所有电缆的 绝缘 线芯上应有金属屏蔽，可以在单根绝缘线芯上也可以在几根绝缘线芯上包覆金属屏蔽。 科学设计金属屏蔽的结构、准确计算屏蔽层所承受的短路电流并合理制定屏蔽层加工工艺 , 对确保交联电缆的质量乃至整个运行系统的安全 具有 至关重要的 作用 。

1 金属屏蔽的方式和作 用

中压 交联聚乙烯绝缘电力电缆金属屏蔽的方式主要 由 铜带搭盖绕包 屏蔽 和疏绕铜丝屏蔽两种方式。

根据GB/T12706-2008 额定电压6kV到35kV 电缆 的 标准 规定 ，铜带屏蔽方式中的铜带平均搭盖率不小于 铜带宽度的 15%（标称值），最小值不小于5%。单芯电缆的铜带厚度≥ 0.12mm ,多芯电缆的平均厚度≥ 0.10mm ,铜带最小厚度不小于标称值的90%。铜丝屏蔽由疏绕的软铜线组成 ，其表面应由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 。

电缆结构上的屏蔽是一种改善电场分布的措施 ， 金属屏蔽的作用主要有以下几个方面:

1、  电缆正常通电时金属屏蔽层通过 电容电流，短路故障时通过 短路电流。

2、  将电缆通电时引起的电磁场屏蔽在绝缘线芯内，以减少对外界产生的电磁干扰，金属屏蔽层也起到限制外界电磁场对内部产生的影响。

3、  电站保护系统要求外金属屏蔽具有较好的防雷特性。

4、  均化电场，防止轴向放电。由于半导电层具有一定的电阻，当金属屏蔽层接地不良时，在电缆轴向由于电位分布不均匀而造成电缆沿面放电。

2 金属屏蔽截面积的计算

为了保证系统发生短路时不烧坏金属屏蔽层 ，必须根据系统规划详细合理计算出短路容量，根据短路容量计算出金属屏蔽层的截面大小。 金属屏蔽层的截面积太小的话，当短路电流通过时就会产生过热或烧断，并损坏绝缘，所以在实际应用中根据单相对地短路容量，选择合适截面积的金属屏蔽。

DIN-VDE0276,620和622 （德国标准） 部分屏蔽层的最小截面积 可参考 下表：

1 对敷设在土壤中的电缆16mm 2 截面 是允许的 。

2 对敷设在土壤中的单芯电缆16mm 2 截面 是允许的 。

2.1铜带屏蔽的截面积的计算

铜带屏蔽的结构规定的较为具体，如铜带的厚度、重叠率等具体工艺参数。铜带的截面的宽度一般为30mm,或者35mm ，我公司采用的是 铜带 宽度为 35mm 。 截面计算方法根据有关文献有两种：

（1）第1种按照 IEC 60 949 :

S=N·W·δ

式中 ：   S -- 铜带截面mm 2

N -- 铜带层数

     W -- 铜带宽度 mm

 δ -- 铜带厚度 mm

单芯电缆的铜带截面为:1*35*0.12=4.2mm 2 ,

三芯电缆的铜带截面为 ： 3*35*0.10=10.5mm 2

     用此种方法计算 铜带的屏蔽截面与搭盖率无关，与绝缘外径无关，与铜带宽度有关，与实际情况不符合。

（2） 第2种按照环形截面计算:

S=π·(D +N·δ)·N·δ/(1-K)

式中： S — 铜带截面 mm 2 

D — 屏蔽前外径 mm

N — 铜带层数

     δ— 铜带厚度 mm

    K — 重叠率

用 此种 计算方法可以知道，铜带的屏蔽截面与搭盖率有关，与绝缘外径有关，与铜带宽度无关，与实际情况较为符合。考虑到铜带表面的氧化导致接触不良，铜带之间的焊接接头等因素，以上计算值乘以一个安全系数来计算承受的短路电流较为妥当。

2.2铜丝疏绕屏蔽的截面积计算

GB/T12706. 3 — 200 8 附录 G 规定 , 26/35 k V  500 mm2  及以上电缆 , 其金属屏蔽须采用疏绕铜丝+ 反向铜带或铜丝结构 ; 另外 , 若用户对电缆接地故障电流有特殊 要求时 , 亦采用该结构。

铜丝截面积的计算： S=n ( π d 2 /4 ) ,n 为疏绕铜丝根数 ， d 为疏绕铜丝单丝直径 。

3 屏蔽工艺

屏蔽工序在中压电缆生产过程中相对 比较简单，但是一些细节性的东西不注意的话也 会对电缆质量造成不可挽回的严重 后果。

3.1铜带屏蔽工艺

屏蔽所用的铜带必须是韧炼充分的软铜带 , 两边不允许有卷边或裂口等缺陷。 铜带太硬会割破 外半导电层,太软也容易发皱。 绕包时 , 绕包头角度要调好， 包带张力控制适当 , 避免张力过紧。因电缆通电时 , 绝缘会发热而有所膨胀 , 若 铜 带 绕的 太紧 话 , 有可能造成铜带嵌入绝缘屏蔽 , 或绷断铜带。屏蔽机收线盘的两侧应用软质材料衬垫 , 否则 , 容易造成两侧铜带在本道或下道工序轧伤 , 严重时 , 破裂铜带会刺入外屏蔽乃至绝缘 , 造成击穿。铜带接头应采用点焊 , 不宜采用锡焊 , 更不能采用插接或胶带粘结 或其他的一些 等不规范操作。

铜带搭盖绕包形式，在电缆运行时金属屏蔽层间由于其接触面产生氧化物，以及弯曲冷热变形后减少了接触压力，会造成接触电阻成倍增加，影响短路电流的容量和短路电流的导通。接触不良再加上热胀冷缩弯曲变形，将 会 直接损伤外半导电层。铜带金属屏蔽应与半导电层紧密接触，使之良好接地，但由于过热膨胀会导致铜带弓形膨胀变形以及半导电层损伤，所有的这些情况造成的不良接地均会使电缆局放性能下降。

如果铜带屏蔽层 断裂或铜带接头处焊接不良导致断裂，则有可能 从铜带屏蔽层非接地端流向接地端的 充电电流 会在铜带屏蔽层断裂处强行通过外半导电层流过 ， 该处外半导电层发热，温度上升。此 时 温度 会很高 ， 使铜带屏蔽层断裂处的外半导电层急剧老化。如 果 上述状态 持续 继续发展，外半导电层的电阻进一步增大，在铜带屏蔽层断裂处，铜带屏蔽层非接地端与接地端之间产生的电位差 的 作用下，产生的放电现象进一步加速电缆从绝缘体表层开始老化 。 因此，在铜带屏蔽层断裂后，其断裂处电缆绝缘会在较短时间内产生老化，直至绝缘破坏 。由此可见铜带屏蔽工艺在中压电缆生产过程中也是相当重要的。

3.2铜丝屏蔽工艺

若 采用疏绕铜丝屏蔽结构 , 如果铜丝直接缠绕在外屏表面会 很容易勒进 去 , 严重时损伤到绝缘 , 导致电缆击穿 ，所以 必须在 挤出半导电外屏蔽层后绕包 1 ～ 2 层半导电 尼龙 带。

采用 疏绕铜丝屏蔽结构 不会有铜带搭盖间的氧化层，弯曲变形小，热膨胀变形也少，接触电阻不至于成倍增加，所有的这些情况都有利于改善运行电缆的电性能、机械性能和热性能。 据有关文献介绍，国外大都采用铜丝屏蔽结构形式。

4 短路电流

根据 IEC 60949,屏蔽层短路电流的计算公式为 :

I 2 * t= ε 2   * K 2 * S 2 * ln[ ( θ f + β )/ ( θ i + β ) ]

ε — 非绝热因素的计算 , 对于疏绕 铜丝屏蔽 结构 可参见 IEC 60949 第 5 . 1 和 5 . 3  条 ， 铜带屏蔽可参见IEC60949 第 6 . 1 和 6 . 2 条 ；

K — 与载流体有关的常数 ；

s- 屏蔽截面 S 计算获得；

β - 温度系数的倒数 -20, 对于铜取 234.5, ℃；也可从 IEC 60949 表 1 中查得；

θ i -- 屏蔽层短路起始温度θ i  与电缆的型号、电压等级、 规格、结构、敷设方式和敷设环境等均有关 , 一般取90 ℃ ， 其中单芯电缆的散热条件要优于三芯电缆 , 取值范围在 60 ～ 80  ℃ , 当然不同的文献有不同的说法，具体怎么取值还是值得去研究的。

θ f -- 对于交联聚乙烯绝缘电力电缆 , 一般情况下取 250 ℃ ；

5 结束语

综上所述 , 了解金属屏蔽层的作用对生产中压电缆过程控制有着很重要的 指导意义 。 完善的 屏蔽 制造工艺 以及 屏蔽截面的合理设计和计算是确保交联电缆金属屏蔽质量重要的手段 。