問(wèn)
電纜屏蔽金屬網(wǎng)屏蔽效能的工程如何計(jì)算？
答
眾所周知，電纜屏蔽層包括金屬屏蔽和非金屬屏蔽兩種形式，采用哪一種屏蔽形式取決于電纜的種類(lèi)。電力電纜為了屏蔽和均化電場(chǎng)，承載故障電流，通常采用金屬屏蔽形式。而在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12706《額定電壓1kV(Um=1.2kV)到35kV(Um=40.5kV)擠包絕緣電力電纜及附件》中僅規(guī)定：“金屬屏蔽應(yīng)由一根或多根金屬帶、金屬編織、金屬絲的同心層或金屬絲與金屬帶的組合結(jié)構(gòu)組成?！薄般~帶屏蔽由一層重疊繞包的軟銅帶組成，也可采用雙層軟銅帶間隙繞包?！薄皢涡倦娎|銅帶標(biāo)稱(chēng)厚度≥0.12mm，三芯電纜銅帶標(biāo)稱(chēng)厚度≥0.10mm。”“銅絲屏蔽由疏繞的軟銅線(xiàn)組成，其表面應(yīng)用反向繞包的銅絲或銅帶扎緊，相鄰銅絲的平均間隙應(yīng)不大于4mm。”
金屬帶或金屬絲屏蔽主要是在發(fā)生短路的情況下，在一定時(shí)間內(nèi)承擔(dān)一部分故障電流，避免絕緣在過(guò)高的電流影響下產(chǎn)生熱擊穿。前提是金屬屏蔽必須有牢靠的接地措施，金屬屏蔽的幾何截面積應(yīng)能滿(mǎn)足相應(yīng)的電氣要求。
當(dāng)電壓等級(jí)低于35kV或?qū)w標(biāo)稱(chēng)截面積小于500mm2時(shí)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12706沒(méi)有明確規(guī)定金屬帶或金屬絲屏蔽的使用范圍，國(guó)內(nèi)在沒(méi)有特殊要求時(shí)均采用銅帶屏蔽結(jié)構(gòu)；DIN VED 0276和AS/NZS 1429.1要求電纜的金屬屏蔽應(yīng)采用銅絲屏蔽結(jié)構(gòu)，并對(duì)銅絲屏蔽的幾何截面積或電氣要求進(jìn)行規(guī)定。主要原因?yàn)閲?guó)內(nèi)電纜大多采用經(jīng)小電阻接地方式，采用銅帶屏蔽即可滿(mǎn)足承載故障電流的要求；國(guó)外電纜大多采用直接接地方式，需采用銅絲屏蔽才可滿(mǎn)足承載故障電流的要求。那么，怎樣計(jì)算銅帶和銅絲屏蔽結(jié)構(gòu)可承載的故障電流呢？在計(jì)算過(guò)程中又應(yīng)注意哪些問(wèn)題呢？
2 允許故障電流的計(jì)算
在進(jìn)行計(jì)算前，需對(duì)以下符號(hào)的含義加以說(shuō)明：
A—考慮到四周或鄰近材料的熱性能常熟，(mm2/s)1/2； B—考慮到四周或鄰近材料的熱性能常熟，mm2/s； F—不完善的熱接觸因數(shù)；
I—短路期間允許故障電流的有效值，A；
IAD—短路期間，在絕熱基礎(chǔ)上計(jì)算的故障電流，A； K—載流體材料常數(shù)； M—熱接觸因數(shù)，S-1/2；
S—載流體幾何截面，mm2；
n—包帶層數(shù)或單線(xiàn)根數(shù)； d—單絲直徑，mm； t—短路持續(xù)時(shí)間，s； w—帶寬，mm； β—0℃時(shí)電阻溫度系數(shù)的倒數(shù)，K；
δ—金屬護(hù)套、屏蔽層或鎧裝層厚度，mm； ε—考慮熱量損失在臨近層的因數(shù)； θf(wàn)—終止溫度，℃； θi—起始溫度，℃；
ρ
2、ρ3—金屬護(hù)套、屏蔽層或鎧裝層四周媒介熱阻，K.m/W；
ζ1—屏蔽層、金屬護(hù)套或鎧裝層比熱，J/K.m3；
ζ2、ζ3—屏蔽層、金屬護(hù)套或鎧裝層四周媒介比熱，J/K.m3。
注：以上符號(hào)的具體數(shù)值均能在IEC60949中找到答案，筆者在此不再進(jìn)行說(shuō)明。
根據(jù)IEC60949可知允許故障電流：
當(dāng)采用絕熱法計(jì)算時(shí)，ε=1。
注：當(dāng)持續(xù)故障電流時(shí)間與導(dǎo)體截面積<0.1s/mm2時(shí)，故障電流的增加可以忽略，采用絕熱法計(jì)算，否則應(yīng)采用非絕熱法計(jì)算。
絕熱情況下允許故障電流:
由上式可看出，承載故障電流的能力主要與載流體材料、載流體的幾何截面積、短路持續(xù)時(shí)間、載流體的起始溫度及終止溫度有關(guān)。所以，如何確定載流體的幾何截面積和載流體起始溫度及終止溫度為計(jì)算金屬屏蔽故障電流的關(guān)鍵。 a) 載流體的幾何截面積： 金屬絲屏蔽：
IEC60949中規(guī)定，金屬絲屏蔽的載流體幾何截面積為單根金屬絲幾何截面積乘以金屬絲的根數(shù)，既：
金屬帶屏蔽：
可看出，金屬帶載流體的幾何截面積僅與金屬帶的寬度、厚度及層數(shù)有關(guān)，與金屬帶屏蔽的重疊搭蓋率無(wú)關(guān)。也就是說(shuō)，重疊繞包的金屬帶與間隙繞包的金屬帶具有同等的承載故障電流的能力。 b) 載流體的起始溫度和終止溫度：
載流體在發(fā)生短路情況下的終止溫度可參照IEC60986《Short-circuit temperature limits of electric cables with rated voltages from 6kV(Um=7.2kV) up to 30kV(Um=36kV)》進(jìn)行選擇；因起始溫度沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，如銅絲屏蔽結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以55℃作為起始溫度計(jì)算。值得注意的是，對(duì)于海外產(chǎn)品，客戶(hù)通常會(huì)對(duì)金屬屏蔽結(jié)構(gòu)發(fā)生短路時(shí)的起始溫度做出規(guī)定，如澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)AS/NZS 1429.1《Electric cables—Polymeric insulated Part 1: For working voltages 1.9/3.3(3.6) kV up to and including 19/33(36)kV》中明確規(guī)定：金屬屏蔽的故障電流應(yīng)采用IEC60949中規(guī)定的絕熱法計(jì)算，屏蔽起始溫度為80℃。此時(shí)若按照55℃計(jì)算金屬絲屏蔽幾何截面積，將產(chǎn)生嚴(yán)重錯(cuò)誤，很容易造成客戶(hù)投訴或電纜使用故障。
3 因數(shù)ε值的計(jì)算
當(dāng)采用非絕熱法計(jì)算金屬屏蔽允許故障電流時(shí)，需計(jì)算ε值。為著重介紹電纜金屬屏蔽結(jié)構(gòu)的確定方法，僅以銅帶屏蔽和銅絲屏蔽舉例說(shuō)明： a）
銅帶屏蔽ε值計(jì)算：
筆者在最初接觸金屬帶屏蔽故障電流計(jì)算時(shí)，錯(cuò)誤的將上述式2中的(s-1/2)理解為對(duì)載流體短路時(shí)間進(jìn)行開(kāi)方計(jì)算，實(shí)則不然。
從式1中可看出，熱量損失在鄰近層的因數(shù)ε應(yīng)為不帶單位的常數(shù)。若將式2中(s-1/2)對(duì)載流體的短路時(shí)間進(jìn)行開(kāi)方計(jì)算，將得到不帶單位的M值，而不帶單位的M值與式1中的t相乘，將得到帶有s1/2單位的ε值，造成計(jì)算錯(cuò)誤。 b）銅絲屏蔽ε值計(jì)算：
對(duì)于銅絲屏蔽：
當(dāng)考慮熱性不完善接觸因素時(shí)，F(xiàn)推薦值取0.7。0.7也是筆者在最初接觸金屬絲屏蔽故障電流計(jì)算時(shí)采取的計(jì)算值。然而在IEC60949中有明確規(guī)定：當(dāng)屏蔽金屬絲之間間隙不小于1根金屬絲直徑且金屬絲全部嵌入在非金屬材料中時(shí)，F(xiàn)值取0.7。當(dāng)屏蔽金屬絲外有擠出管狀物且單線(xiàn)間存在氣隙時(shí)，F(xiàn)值取0.5。澳大利亞中壓電纜全部采用銅絲屏蔽結(jié)構(gòu)，筆者曾經(jīng)與澳大利亞技術(shù)人員討論，一致認(rèn)為采用0.5的不完善接觸因數(shù)較為準(zhǔn)確合理且使用至今。
4 總結(jié)
導(dǎo)體、金屬屏蔽層、金屬護(hù)套層、鎧裝層允許故障電流的計(jì)算過(guò)程參照IEC60949，載流體在短路情況下的起始溫度及終止溫度參照IEC60986進(jìn)行選擇，根據(jù)相應(yīng)條件進(jìn)行計(jì)算均可得到準(zhǔn)確的允許故障電流值。筆者通過(guò)自身經(jīng)驗(yàn)，將親身遇到錯(cuò)誤與大家分享，以避免類(lèi)似問(wèn)題的再次發(fā)生。
答
眾所周知，電纜屏蔽層包括金屬屏蔽和非金屬屏蔽兩種形式，采用哪一種屏蔽形式取決于電纜的種類(lèi)。電力電纜為了屏蔽和均化電場(chǎng)，承載故障電流，通常采用金屬屏蔽形式。而在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12706《額定電壓1kV(Um=1.2kV)到35kV(Um=40.5kV)擠包絕緣電力電纜及附件》中僅規(guī)定：“金屬屏蔽應(yīng)由一根或多根金屬帶、金屬編織、金屬絲的同心層或金屬絲與金屬帶的組合結(jié)構(gòu)組成?！薄般~帶屏蔽由一層重疊繞包的軟銅帶組成，也可采用雙層軟銅帶間隙繞包?！薄皢涡倦娎|銅帶標(biāo)稱(chēng)厚度≥0.12mm，三芯電纜銅帶標(biāo)稱(chēng)厚度≥0.10mm?！薄般~絲屏蔽由疏繞的軟銅線(xiàn)組成，其表面應(yīng)用反向繞包的銅絲或銅帶扎緊，相鄰銅絲的平均間隙應(yīng)不大于4mm。”
金屬帶或金屬絲屏蔽主要是在發(fā)生短路的情況下，在一定時(shí)間內(nèi)承擔(dān)一部分故障電流，避免絕緣在過(guò)高的電流影響下產(chǎn)生熱擊穿。前提是金屬屏蔽必須有牢靠的接地措施，金屬屏蔽的幾何截面積應(yīng)能滿(mǎn)足相應(yīng)的電氣要求。
當(dāng)電壓等級(jí)低于35kV或?qū)w標(biāo)稱(chēng)截面積小于500mm2時(shí)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12706沒(méi)有明確規(guī)定金屬帶或金屬絲屏蔽的使用范圍，國(guó)內(nèi)在沒(méi)有特殊要求時(shí)均采用銅帶屏蔽結(jié)構(gòu)；DIN VED 0276和AS/NZS 1429.1要求電纜的金屬屏蔽應(yīng)采用銅絲屏蔽結(jié)構(gòu)，并對(duì)銅絲屏蔽的幾何截面積或電氣要求進(jìn)行規(guī)定。主要原因?yàn)閲?guó)內(nèi)電纜大多采用經(jīng)小電阻接地方式，采用銅帶屏蔽即可滿(mǎn)足承載故障電流的要求；國(guó)外電纜大多采用直接接地方式，需采用銅絲屏蔽才可滿(mǎn)足承載故障電流的要求。那么，怎樣計(jì)算銅帶和銅絲屏蔽結(jié)構(gòu)可承載的故障電流呢？在計(jì)算過(guò)程中又應(yīng)注意哪些問(wèn)題呢？
2 允許故障電流的計(jì)算
在進(jìn)行計(jì)算前，需對(duì)以下符號(hào)的含義加以說(shuō)明：
A—考慮到四周或鄰近材料的熱性能常熟，(mm2/s)1/2； B—考慮到四周或鄰近材料的熱性能常熟，mm2/s； F—不完善的熱接觸因數(shù)；
I—短路期間允許故障電流的有效值，A；
IAD—短路期間，在絕熱基礎(chǔ)上計(jì)算的故障電流，A； K—載流體材料常數(shù)； M—熱接觸因數(shù)，S-1/2；
S—載流體幾何截面，mm2；
n—包帶層數(shù)或單線(xiàn)根數(shù)； d—單絲直徑，mm； t—短路持續(xù)時(shí)間，s； w—帶寬，mm； β—0℃時(shí)電阻溫度系數(shù)的倒數(shù)，K；
δ—金屬護(hù)套、屏蔽層或鎧裝層厚度，mm； ε—考慮熱量損失在臨近層的因數(shù)； θf(wàn)—終止溫度，℃； θi—起始溫度，℃；
ρ
2、ρ3—金屬護(hù)套、屏蔽層或鎧裝層四周媒介熱阻，K.m/W；
ζ1—屏蔽層、金屬護(hù)套或鎧裝層比熱，J/K.m3；
ζ2、ζ3—屏蔽層、金屬護(hù)套或鎧裝層四周媒介比熱，J/K.m3。
注：以上符號(hào)的具體數(shù)值均能在IEC60949中找到答案，筆者在此不再進(jìn)行說(shuō)明。
根據(jù)IEC60949可知允許故障電流：
當(dāng)采用絕熱法計(jì)算時(shí)，ε=1。
注：當(dāng)持續(xù)故障電流時(shí)間與導(dǎo)體截面積<0.1s/mm2時(shí)，故障電流的增加可以忽略，采用絕熱法計(jì)算，否則應(yīng)采用非絕熱法計(jì)算。
絕熱情況下允許故障電流:
由上式可看出，承載故障電流的能力主要與載流體材料、載流體的幾何截面積、短路持續(xù)時(shí)間、載流體的起始溫度及終止溫度有關(guān)。所以，如何確定載流體的幾何截面積和載流體起始溫度及終止溫度為計(jì)算金屬屏蔽故障電流的關(guān)鍵。 a) 載流體的幾何截面積： 金屬絲屏蔽：
IEC60949中規(guī)定，金屬絲屏蔽的載流體幾何截面積為單根金屬絲幾何截面積乘以金屬絲的根數(shù)，既：
金屬帶屏蔽：
可看出，金屬帶載流體的幾何截面積僅與金屬帶的寬度、厚度及層數(shù)有關(guān)，與金屬帶屏蔽的重疊搭蓋率無(wú)關(guān)。也就是說(shuō)，重疊繞包的金屬帶與間隙繞包的金屬帶具有同等的承載故障電流的能力。 b) 載流體的起始溫度和終止溫度：
載流體在發(fā)生短路情況下的終止溫度可參照IEC60986《Short-circuit temperature limits of electric cables with rated voltages from 6kV(Um=7.2kV) up to 30kV(Um=36kV)》進(jìn)行選擇；因起始溫度沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，如銅絲屏蔽結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以55℃作為起始溫度計(jì)算。值得注意的是，對(duì)于海外產(chǎn)品，客戶(hù)通常會(huì)對(duì)金屬屏蔽結(jié)構(gòu)發(fā)生短路時(shí)的起始溫度做出規(guī)定，如澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)AS/NZS 1429.1《Electric cables—Polymeric insulated Part 1: For working voltages 1.9/3.3(3.6) kV up to and including 19/33(36)kV》中明確規(guī)定：金屬屏蔽的故障電流應(yīng)采用IEC60949中規(guī)定的絕熱法計(jì)算，屏蔽起始溫度為80℃。此時(shí)若按照55℃計(jì)算金屬絲屏蔽幾何截面積，將產(chǎn)生嚴(yán)重錯(cuò)誤，很容易造成客戶(hù)投訴或電纜使用故障。
3 因數(shù)ε值的計(jì)算
當(dāng)采用非絕熱法計(jì)算金屬屏蔽允許故障電流時(shí)，需計(jì)算ε值。為著重介紹電纜金屬屏蔽結(jié)構(gòu)的確定方法，僅以銅帶屏蔽和銅絲屏蔽舉例說(shuō)明： a）
銅帶屏蔽ε值計(jì)算：
筆者在最初接觸金屬帶屏蔽故障電流計(jì)算時(shí)，錯(cuò)誤的將上述式2中的(s-1/2)理解為對(duì)載流體短路時(shí)間進(jìn)行開(kāi)方計(jì)算，實(shí)則不然。
從式1中可看出，熱量損失在鄰近層的因數(shù)ε應(yīng)為不帶單位的常數(shù)。若將式2中(s-1/2)對(duì)載流體的短路時(shí)間進(jìn)行開(kāi)方計(jì)算，將得到不帶單位的M值，而不帶單位的M值與式1中的t相乘，將得到帶有s1/2單位的ε值，造成計(jì)算錯(cuò)誤。 b）銅絲屏蔽ε值計(jì)算：
對(duì)于銅絲屏蔽：
當(dāng)考慮熱性不完善接觸因素時(shí)，F(xiàn)推薦值取0.7。0.7也是筆者在最初接觸金屬絲屏蔽故障電流計(jì)算時(shí)采取的計(jì)算值。然而在IEC60949中有明確規(guī)定：當(dāng)屏蔽金屬絲之間間隙不小于1根金屬絲直徑且金屬絲全部嵌入在非金屬材料中時(shí)，F(xiàn)值取0.7。當(dāng)屏蔽金屬絲外有擠出管狀物且單線(xiàn)間存在氣隙時(shí)，F(xiàn)值取0.5。澳大利亞中壓電纜全部采用銅絲屏蔽結(jié)構(gòu)，筆者曾經(jīng)與澳大利亞技術(shù)人員討論，一致認(rèn)為采用0.5的不完善接觸因數(shù)較為準(zhǔn)確合理且使用至今。
4 總結(jié)
導(dǎo)體、金屬屏蔽層、金屬護(hù)套層、鎧裝層允許故障電流的計(jì)算過(guò)程參照IEC60949，載流體在短路情況下的起始溫度及終止溫度參照IEC60986進(jìn)行選擇，根據(jù)相應(yīng)條件進(jìn)行計(jì)算均可得到準(zhǔn)確的允許故障電流值。筆者通過(guò)自身經(jīng)驗(yàn)，將親身遇到錯(cuò)誤與大家分享，以避免類(lèi)似問(wèn)題的再次發(fā)生。