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电缆屏蔽、金属网屏蔽效能工程计算


众所周知,电缆屏蔽层包括金属屏蔽和非金属屏蔽。采用哪种屏蔽形式取决于电缆的类型。为了屏蔽和均化电场并承载故障电流,电力电缆通常采用金属屏蔽。然而,国家标准GB/T12706“额定电压为1kV(Um=1.2kV)至35kV(Um=40.5kV)的挤压绝缘电力电缆和附件”仅规定:“金属屏蔽应由一个或多个金属带、金属编织物、金属线同心层或金属线和金属带的组合组成。”铜带屏蔽由一层软铜带重叠包裹而成,或双层软铜带可用于间隙包裹“单芯电缆铜带的标称厚度≥0.12毫米,三芯电缆铜带的标称厚度≥0.10毫米。”铜线屏蔽由松散缠绕的软铜线组成,其表面应使用反向缠绕铜线或铜带扎紧。相邻铜线之间的平均间隙不得超过4毫米。”

各类电缆

金属条或线屏蔽主要用于短路时在一定时间内承受部分故障电流,以避免绝缘在过大电流的影响下产生热击穿。前提是金属屏蔽必须有可靠的接地措施,金属屏蔽的几何截面面积应能满足相应的电气要求。


当电压等级小于35kV或导体标称截面积小于500mm2时,国家标准GB/T12706没有明确规定金属带或导线屏蔽的使用范围,在中国没有特殊要求时采用铜带屏蔽结构。DINVED0276和AS/NZS1429.1要求电缆的金属屏蔽应采用铜线屏蔽结构,并规定铜线屏蔽的几何横截面积或电气要求。主要原因是国内电缆大多通过小电阻接地,铜带屏蔽可以满足承载故障电流的要求。国外电缆大多直接接地,需要铜线屏蔽以满足承载故障电流的要求。那么,如何计算铜带和铜线屏蔽结构能够承载的故障电流呢?在计算过程中应该注意哪些问题?


容许故障电流的计算


在计算之前,应解释以下符号的含义:


答——考虑常熟周边或邻近材料的热性能,(mm2/s)1/2;B—常熟,mm2/s,考虑周围或相邻材料的热性能;F—不完全热接触系数;I-短路期间允许故障电流的有效值,a;IAD——短路期间基于绝热计算的故障电流,a;K—载液的物质常数;M—热接触系数,s-1/2;S—载液的几何截面,mm2;N—包装带的层数或单线数;单丝直径,毫米;t-短路持续时间,s。W—带宽,mm。β-0℃时电阻温度系数的倒数;δ—金属护套、屏蔽层或铠装层的厚度,mm;ε-考虑相邻层的热损失因素;θf—终止温度,℃;θi—起始温度,℃;ρ2和ρ3——金属护套、屏蔽层或铠装层周围介质的热阻,k.m/w;ζ1—屏蔽层、金属护套或铠装层的比热,j/km3;ζ2和ζ3——屏蔽层、金属护套或铠装层周围介质的比热,j/k.m3。上述符号的具体值可在IEC60949中找到,作者在此不再解释。


根据IEC60949,允许的故障电流如下:


当使用绝热方法时,ε=1。


注:当故障电流持续很长时间且导体横截面积


绝热条件下允许的故障电流:


从上述公式可以看出,承载故障电流的能力主要与载液材料、载液的几何横截面积、短路持续时间、载液的起始温度和终止温度有关。因此,如何确定载流流体的几何横截面积以及载流流体的起始和终止温度是计算金属屏蔽故障电流的关键。a)载液的几何横截面积:导线屏蔽:


IEC60949规定,导线屏蔽的载流流体的几何横截面积是单根导线的几何横截面积乘以导线数量,即:


金属胶带屏蔽:


可以看出,金属带载液的几何横截面积仅与金属带的宽度、厚度和层数有关,与金属带屏蔽的重叠覆盖率无关。也就是说,重叠缠绕金属带和间隙缠绕金属带具有相同的承载故障电流的能力。b)载液的开始和结束温度:


短路情况下载液的终端温度可根据国际电工委员会60986“额定电压从6kV(UM=7.2kV)至30kV(UM=36kV)的电缆短路温度”进行选择;由于启动温度没有标准,如铜线屏蔽结构,根据中国的经验,通常使用55℃作为启动温度。值得注意的是,对于海外产品,客户通常会指定金属屏蔽结构短路时的起始温度。例如,澳大利亚标准AS/NZS1429.1“电缆-聚合物绝缘第1部分:工作电压1.9/3.3(3.6)千伏至19/33(36)千伏及以下”明确规定,金属屏蔽的故障电流应通过IEC60949中规定的绝热方法计算,屏蔽的起始温度应为80℃。此时,如果导线屏蔽的几何横截面积计算在55℃,将会出现严重的误差,这将很容易导致客户投诉或电缆使用故障。


因子ε的计算


当采用非绝热方法计算金属屏蔽允许故障电流时,应计算ε值。为了着重介绍电缆金属屏蔽结构的确定方法,仅举铜带屏蔽和铜线屏蔽为例:a)


铜带屏蔽ε值的计算:


在计算初始接触金属带的屏蔽故障电流时,作者错误地将上述公式2中的(s-1/2)理解为计算载流短路时间的平方,但实际上并非如此。


从等式1可以看出,相邻层的热损失系数ε应该是一个常数,没有单位。如果用公式2(s-1/2)计算载液短路时间的平方,将得到无单位的M值,用公式1中无单位的M值乘以T,得到有s1/2单位的ε值,导致计算误差。b)铜线屏蔽ε值的计算:


对于铜线屏蔽:


当考虑热性能不理想的接触因素时,f的推荐值为0.7。0.7也是作者在计算初始接触线屏蔽故障电流时采用的计算值。然而,IEC60949明确规定,当屏蔽线之间的间隙不小于1线直径且所有线都嵌入非金属材料时,F值为0.7。当屏蔽线外部有挤压管,并且单线之间有气隙时,F值为0.5。澳大利亚所有中压电缆均采用铜线屏蔽结构。作者与澳大利亚技术人员进行了讨论,认为0.5的不完全接触系数更准确、更合理,至今仍在使用。


总结:


导体、金属屏蔽层、金属护套层和铠装层允许故障电流的计算过程参照IEC60949。短路时载液的起始温度和终止温度应根据IEC60986进行选择。根据相应的条件计算,可以得到准确的允许故障电流值。通过我自己的经历,我将与你分享我所遇到的错误,以避免类似问题的再次发生。

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