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智能屏蔽机柜
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问
电缆屏蔽金属网屏蔽效能的工程如何计算？
答
   众所周知，电缆屏蔽层包括金属屏蔽和非金属屏蔽两种形式，采用哪一种屏蔽形式取决于电缆的种类。电力电缆为了屏蔽和均化电场，承载故障电流，通常采用金属屏蔽形式。而在国家标准GB/T12706《额定电压1kV(Um=1.2kV)到35kV(Um=40.5kV)挤包绝缘电力电缆及附件》中仅规定：“金属屏蔽应由一根或多根金属带、金属编织、金属丝的同心层或金属丝与金属带的组合结构组成。”“铜带屏蔽由一层重叠绕包的软铜带组成，也可采用双层软铜带间隙绕包。”“单芯电缆铜带标称厚度≥0.12mm，三芯电缆铜带标称厚度≥0.10mm。”“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。”
    金属带或金属丝屏蔽主要是在发生短路的情况下，在一定时间内承担一部分故障电流，避免绝缘在过高的电流影响下产生热击穿。前提是金属屏蔽必须有牢靠的接地措施，金属屏蔽的几何截面积应能满足相应的电气要求。
   当电压等级低于35kV或导体标称截面积小于500mm2时，国家标准GB/T 12706没有明确规定金属带或金属丝屏蔽的使用范围，国内在没有特殊要求时均采用铜带屏蔽结构；DIN VED 0276和AS/NZS 1429.1要求电缆的金属屏蔽应采用铜丝屏蔽结构，并对铜丝屏蔽的几何截面积或电气要求进行规定。主要原因为国内电缆大多采用经小电阻接地方式，采用铜带屏蔽即可满足承载故障电流的要求；国外电缆大多采用直接接地方式，需采用铜丝屏蔽才可满足承载故障电流的要求。那么，怎样计算铜带和铜丝屏蔽结构可承载的故障电流呢？在计算过程中又应注意哪些问题呢？
2 允许故障电流的计算  
在进行计算前，需对以下符号的含义加以说明： 
A—考虑到四周或邻近材料的热性能常熟，(mm2/s)1/2； B—考虑到四周或邻近材料的热性能常熟，mm2/s；  F—不完善的热接触因数； 
I—短路期间允许故障电流的有效值，A； 
 IAD—短路期间，在绝热基础上计算的故障电流，A；  K—载流体材料常数；  M—热接触因数，S-1/2；  
S—载流体几何截面，mm2； 
n—包带层数或单线根数； d—单丝直径，mm； t—短路持续时间，s； w—带宽，mm； β—0℃时电阻温度系数的倒数，K； 
δ—金属护套、屏蔽层或铠装层厚度，mm； ε—考虑热量损失在临近层的因数； θf—终止温度，℃； θi—起始温度，℃； 
ρ
2、ρ3—金属护套、屏蔽层或铠装层四周媒介热阻，K.m/W； 
ζ1—屏蔽层、金属护套或铠装层比热，J/K.m3； 
ζ2、ζ3—屏蔽层、金属护套或铠装层四周媒介比热，J/K.m3。 
注：以上符号的具体数值均能在IEC60949中找到答案，笔者在此不再进行说明。
根据IEC60949可知允许故障电流： 
 当采用绝热法计算时，ε=1。 
注：当持续故障电流时间与导体截面积<0.1s/mm2时，故障电流的增加可以忽略，采用绝热法计算，否则应采用非绝热法计算。
绝热情况下允许故障电流: 
由上式可看出，承载故障电流的能力主要与载流体材料、载流体的几何截面积、短路持续时间、载流体的起始温度及终止温度有关。所以，如何确定载流体的几何截面积和载流体起始温度及终止温度为计算金属屏蔽故障电流的关键。 a) 载流体的几何截面积： 金属丝屏蔽：
 IEC60949中规定，金属丝屏蔽的载流体几何截面积为单根金属丝几何截面积乘以金属丝的根数，既：
金属带屏蔽：
可看出，金属带载流体的几何截面积仅与金属带的宽度、厚度及层数有关，与金属带屏蔽的重叠搭盖率无关。也就是说，重叠绕包的金属带与间隙绕包的金属带具有同等的承载故障电流的能力。 b) 载流体的起始温度和终止温度： 
载流体在发生短路情况下的终止温度可参照IEC60986《Short-circuit temperature limits of electric cables with rated voltages from 6kV(Um=7.2kV) up to 30kV(Um=36kV)》进行选择；因起始温度没有标准规定，如铜丝屏蔽结构，国内通常根据经验以55℃作为起始温度计算。值得注意的是，对于海外产品，客户通常会对金属屏蔽结构发生短路时的起始温度做出规定，如澳大利亚标准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》中明确规定：金属屏蔽的故障电流应采用IEC60949中规定的绝热法计算，屏蔽起始温度为80℃。此时若按照55℃计算金属丝屏蔽几何截面积，将产生严重错误，很容易造成客户投诉或电缆使用故障。
3 因数ε值的计算 
当采用非绝热法计算金属屏蔽允许故障电流时，需计算ε值。为着重介绍电缆金属屏蔽结构的确定方法，仅以铜带屏蔽和铜丝屏蔽举例说明： a） 
铜带屏蔽ε值计算：  
   笔者在最初接触金属带屏蔽故障电流计算时，错误的将上述式2中的(s-1/2)理解为对载流体短路时间进行开方计算，实则不然。 
   从式1中可看出，热量损失在邻近层的因数ε应为不带单位的常数。若将式2中(s-1/2)对载流体的短路时间进行开方计算，将得到不带单位的M值，而不带单位的M值与式1中的t相乘，将得到带有s1/2单位的ε值，造成计算错误。 b）铜丝屏蔽ε值计算：
对于铜丝屏蔽：
   当考虑热性不完善接触因素时，F推荐值取0.7。0.7也是笔者在最初接触金属丝屏蔽故障电流计算时采取的计算值。然而在IEC60949中有明确规定：当屏蔽金属丝之间间隙不小于1根金属丝直径且金属丝全部嵌入在非金属材料中时，F值取0.7。当屏蔽金属丝外有挤出管状物且单线间存在气隙时，F值取0.5。澳大利亚中压电缆全部采用铜丝屏蔽结构，笔者曾经与澳大利亚技术人员讨论，一致认为采用0.5的不完善接触因数较为准确合理且使用至今。
4 总结 
   导体、金属屏蔽层、金属护套层、铠装层允许故障电流的计算过程参照IEC60949，载流体在短路情况下的起始温度及终止温度参照IEC60986进行选择，根据相应条件进行计算均可得到准确的允许故障电流值。笔者通过自身经验，将亲身遇到错误与大家分享，以避免类似问题的再次发生。
答
   众所周知，电缆屏蔽层包括金属屏蔽和非金属屏蔽两种形式，采用哪一种屏蔽形式取决于电缆的种类。电力电缆为了屏蔽和均化电场，承载故障电流，通常采用金属屏蔽形式。而在国家标准GB/T12706《额定电压1kV(Um=1.2kV)到35kV(Um=40.5kV)挤包绝缘电力电缆及附件》中仅规定：“金属屏蔽应由一根或多根金属带、金属编织、金属丝的同心层或金属丝与金属带的组合结构组成。”“铜带屏蔽由一层重叠绕包的软铜带组成，也可采用双层软铜带间隙绕包。”“单芯电缆铜带标称厚度≥0.12mm，三芯电缆铜带标称厚度≥0.10mm。”“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。”
    金属带或金属丝屏蔽主要是在发生短路的情况下，在一定时间内承担一部分故障电流，避免绝缘在过高的电流影响下产生热击穿。前提是金属屏蔽必须有牢靠的接地措施，金属屏蔽的几何截面积应能满足相应的电气要求。
   当电压等级低于35kV或导体标称截面积小于500mm2时，国家标准GB/T 12706没有明确规定金属带或金属丝屏蔽的使用范围，国内在没有特殊要求时均采用铜带屏蔽结构；DIN VED 0276和AS/NZS 1429.1要求电缆的金属屏蔽应采用铜丝屏蔽结构，并对铜丝屏蔽的几何截面积或电气要求进行规定。主要原因为国内电缆大多采用经小电阻接地方式，采用铜带屏蔽即可满足承载故障电流的要求；国外电缆大多采用直接接地方式，需采用铜丝屏蔽才可满足承载故障电流的要求。那么，怎样计算铜带和铜丝屏蔽结构可承载的故障电流呢？在计算过程中又应注意哪些问题呢？
2 允许故障电流的计算  
在进行计算前，需对以下符号的含义加以说明： 
A—考虑到四周或邻近材料的热性能常熟，(mm2/s)1/2； B—考虑到四周或邻近材料的热性能常熟，mm2/s；  F—不完善的热接触因数； 
I—短路期间允许故障电流的有效值，A； 
 IAD—短路期间，在绝热基础上计算的故障电流，A；  K—载流体材料常数；  M—热接触因数，S-1/2；  
S—载流体几何截面，mm2； 
n—包带层数或单线根数； d—单丝直径，mm； t—短路持续时间，s； w—带宽，mm； β—0℃时电阻温度系数的倒数，K； 
δ—金属护套、屏蔽层或铠装层厚度，mm； ε—考虑热量损失在临近层的因数； θf—终止温度，℃； θi—起始温度，℃； 
ρ
2、ρ3—金属护套、屏蔽层或铠装层四周媒介热阻，K.m/W； 
ζ1—屏蔽层、金属护套或铠装层比热，J/K.m3； 
ζ2、ζ3—屏蔽层、金属护套或铠装层四周媒介比热，J/K.m3。 
注：以上符号的具体数值均能在IEC60949中找到答案，笔者在此不再进行说明。
根据IEC60949可知允许故障电流： 
 当采用绝热法计算时，ε=1。 
注：当持续故障电流时间与导体截面积<0.1s/mm2时，故障电流的增加可以忽略，采用绝热法计算，否则应采用非绝热法计算。
绝热情况下允许故障电流: 
由上式可看出，承载故障电流的能力主要与载流体材料、载流体的几何截面积、短路持续时间、载流体的起始温度及终止温度有关。所以，如何确定载流体的几何截面积和载流体起始温度及终止温度为计算金属屏蔽故障电流的关键。 a) 载流体的几何截面积： 金属丝屏蔽：
 IEC60949中规定，金属丝屏蔽的载流体几何截面积为单根金属丝几何截面积乘以金属丝的根数，既：
金属带屏蔽：
可看出，金属带载流体的几何截面积仅与金属带的宽度、厚度及层数有关，与金属带屏蔽的重叠搭盖率无关。也就是说，重叠绕包的金属带与间隙绕包的金属带具有同等的承载故障电流的能力。 b) 载流体的起始温度和终止温度： 
载流体在发生短路情况下的终止温度可参照IEC60986《Short-circuit temperature limits of electric cables with rated voltages from 6kV(Um=7.2kV) up to 30kV(Um=36kV)》进行选择；因起始温度没有标准规定，如铜丝屏蔽结构，国内通常根据经验以55℃作为起始温度计算。值得注意的是，对于海外产品，客户通常会对金属屏蔽结构发生短路时的起始温度做出规定，如澳大利亚标准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》中明确规定：金属屏蔽的故障电流应采用IEC60949中规定的绝热法计算，屏蔽起始温度为80℃。此时若按照55℃计算金属丝屏蔽几何截面积，将产生严重错误，很容易造成客户投诉或电缆使用故障。
3 因数ε值的计算 
当采用非绝热法计算金属屏蔽允许故障电流时，需计算ε值。为着重介绍电缆金属屏蔽结构的确定方法，仅以铜带屏蔽和铜丝屏蔽举例说明： a） 
铜带屏蔽ε值计算：  
   笔者在最初接触金属带屏蔽故障电流计算时，错误的将上述式2中的(s-1/2)理解为对载流体短路时间进行开方计算，实则不然。 
   从式1中可看出，热量损失在邻近层的因数ε应为不带单位的常数。若将式2中(s-1/2)对载流体的短路时间进行开方计算，将得到不带单位的M值，而不带单位的M值与式1中的t相乘，将得到带有s1/2单位的ε值，造成计算错误。 b）铜丝屏蔽ε值计算：
对于铜丝屏蔽：
   当考虑热性不完善接触因素时，F推荐值取0.7。0.7也是笔者在最初接触金属丝屏蔽故障电流计算时采取的计算值。然而在IEC60949中有明确规定：当屏蔽金属丝之间间隙不小于1根金属丝直径且金属丝全部嵌入在非金属材料中时，F值取0.7。当屏蔽金属丝外有挤出管状物且单线间存在气隙时，F值取0.5。澳大利亚中压电缆全部采用铜丝屏蔽结构，笔者曾经与澳大利亚技术人员讨论，一致认为采用0.5的不完善接触因数较为准确合理且使用至今。
4 总结 
   导体、金属屏蔽层、金属护套层、铠装层允许故障电流的计算过程参照IEC60949，载流体在短路情况下的起始温度及终止温度参照IEC60986进行选择，根据相应条件进行计算均可得到准确的允许故障电流值。笔者通过自身经验，将亲身遇到错误与大家分享，以避免类似问题的再次发生。
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