高压电缆金属屏蔽层(铜带)的直流电阻应如何计算
time:2018-06-15 09:32:28
金属屏蔽不但起到静电屏蔽的作用，还起到了导通故障电流的作用。因此无论在
电缆的选型和电缆的制造环节都应注意金属屏蔽的截面满足短路电流容量。
1、 标准的规定
中压电缆的金属屏蔽有铜带和铜丝之分，对于金属屏蔽GB/T12706.2的附录G有如下规定(黑体字部分)：
Ｇ4 金属屏蔽
Ｇ4.1 电缆应有金属性屏蔽层,金属屏蔽有铜丝屏蔽、金属丝编织屏蔽和铜带屏蔽等结构型式。
Ｇ4.3 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％。
GB/T 12706.3的附录G与GB/T12706.2的规定基本相同，但增加了“标称截面为 500ｍｍ2及以上电缆的金属屏蔽应采用铜丝屏蔽结构”的规定。
DL401—91高压电缆选用导则对金属屏蔽层截面有如下规定（黑体字部分）：
5.3 交联聚乙烯电缆金属屏蔽层截面选择
5.3.1 为了使系统在发生单相接地或不同地点两相接地时，故障电流流过金属屏蔽层而不至将其烧损，该屏蔽层最小截面宜满足表5要求。
表5 交联聚乙烯电缆金属屏蔽层最小截面推荐值
系统额定电压U
kV
6～10
35
63
110
220
330
500
金属屏蔽层截面
mm2
25
35
50
75
95
120
150
3、铜带截面的计算
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,根据电缆的绝缘外径而定。铜带的截面计算方法根据有关文献有两种：第1种按照IEC949-88:
S=N·W·δ
式中：S—铜带截面 mm2
N—铜带层数
W—铜带宽度 mm
δ—铜带厚度 mm
按这种方法计算，单芯电缆的铜带截面为:
1*30*0.12=3.6mm2
或1*35*0.12=4.2mm2,
三芯电缆的铜带截面为：
3*30*0.10=9.0mm2
或3*35*0.10=10.5mm2
而且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。
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 mm2
D—屏蔽前外径 mm
N—铜带层数
δ—铜带厚度 mm
K—重叠率
用这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。
4、短路电流的计算：
根据IEC949-88,电缆短路过程中，短路容量大，短路时间短，可以看作是绝热过程(偏于安全)。
式中：IAD—短路电流
K—与载流体有关的常数，对于铜取226K(AS1/2/mm2)
S—电缆标称截面,mm2
β—温度系数的倒数-20, 对于铜取234.5, ℃
θf—最终短路温度，℃
θi—起始短路温度，℃
t—短路时间，s
以上计算公式并不算复杂，关键在于起始短路温度和最终短路温度的选取。我们知道对于导体的短路电流时，起始短路温度和最终短路温度分别取90℃和250℃(由于短路时间不可能达到5秒，这样取值偏于安全)。
三芯电缆由于一部分屏蔽在导体中间，起始短路温度可以直接取90℃，而对于单芯电缆金属屏蔽层来说，起始短路温度介于导体温度与环境温度之间，可以参照在流量的计算，不考虑绝缘损耗的影响，可根据以下公式计算：
θi=θ-I2RT
式中：
θ—导体长期工作温度,℃
I—导体长期工作电流，A
R—导体工作温度下的交流电阻，Ω/m
T—绝缘层的热阻，K·m/W
由此可见，不同的护层材料、敷设方式会影响电缆的计算载流量，同样也影响了电缆金属屏蔽层的起始短路温度。
对于最终短路温度可以参照GB50217－94《电力工程电缆设计规范》 中的规定：
3.7.12电力电缆金属屏蔽层的有效截面，应满足在可能的暂态电流作用下温升值不超过绝缘与外护层的短路容许最高温度平均值。
按照此条文，对于交联电缆来说，最终短路温度为250/2+160/2=205℃，而根据有关文献，此值取300℃仍偏于安全。
