屏蔽電纜單端接地與雙端接地電容效應仿真研究

曾清

關(guān)鍵詞：屏蔽電纜；屏蔽層；接地；仿真；電容效應

屏蔽電纜因其抗干擾性好，屏蔽層能夠起到一個連接信號的回路，因而廣泛應用于航空工業(yè)和電子工業(yè)中[1]。在《電力工程電纜設計規(guī)范》[2] 中，指出不同條件時應使用屏蔽電纜以及相應規(guī)范。在《AF-200 電纜標準》中。列出適用于交流額定電壓600V 及以下飛機布線、電器、電訊設備和儀器儀表的屏蔽電纜。屏蔽電纜抗干擾的能力除與屏蔽層本身的質(zhì)量有關(guān)外，還與屏蔽層接地方式、接地點數(shù)和接地位置有關(guān)[3]。同時，對于高壓電纜在屏蔽層接地時，會有過大電流流過屏蔽層，會導致其屏蔽層上產(chǎn)生大量附加損耗，縮短屏蔽電纜使用壽命[4]，但工程試驗很難評估。隨著計算機科學的快速發(fā)展，借助仿真可以快速評估各種工程應用。有學者通過有限元仿真，獲得的傳輸線參數(shù)，并對比分析了3種屏蔽結(jié)構(gòu)對傳輸線參數(shù)的影響[5]。本文主要基于有限元數(shù)值計算，研究屏蔽電纜單端接地與雙端接地的電容效應。

1 理論分析

基于麥克斯韋方程組分析屏蔽電纜低頻電磁仿真環(huán)境。低頻電流在屏蔽電纜芯層中可看作均勻分布，在沿著電流傳導中電壓因?qū)Ь€阻性產(chǎn)生電勢降，在屏蔽層通常接地。在忽略磁場作用下，認為電場為無旋場時，通過標量電勢來描述電場[6]，

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)及模型設計

假設1：高相電勢會感應產(chǎn)生均勻充電電流：環(huán)向材料特性一致，金屬屏蔽層電導率遠大于其他電介質(zhì)，因此可以看做環(huán)向切面電流分布特性一致，即高相電勢會感應產(chǎn)生均勻充電電流。

假設2：充電電流與屏蔽層電勢無關(guān)：其相可能隨時間和空間發(fā)生變化，但大小保持恒定。

假設3：在軸向上，可按一定比例因子（ 文章選用10E5）對空間尺度進行縮放：電纜幾何結(jié)構(gòu)的軸向長度為10 km，其徑向特征的厚度約為1 mm。為便于仿真，使用縮放坐標系，在軸向上，按一定比例因子（文章選用10E5）對空間尺度進行縮放，從而描述10 km 的屏蔽電纜。這會導致，拉伸的空間會導致空間電場數(shù)的值明顯減小，因此，軸向電場和電流密度將乘以此因子。

假設4：屏蔽電纜間相互影響忽略：屏蔽電纜芯線的電勢相對在屏蔽層上電場感應的電勢小10E5，因此可以忽略屏蔽電纜間相互影響。

推斷：假設電流沿電纜長度方向呈線性累積，會在互聯(lián)端和相交處達到最大值。

以10 km 長137/220 kV 屏蔽電纜作為仿真對象進行研究，模型的幾何結(jié)構(gòu)與材料分布如圖1。

3 結(jié)果分析

最終，通過仿真得到10 km 長，137/220 kV 屏蔽電纜的電壓、電流單端與雙端接地各端點的結(jié)果，如表1和表2。

通過仿真，可以清晰地看出空間中單端、雙端接地屏蔽電纜電壓分布特性，如圖3。

可以看出，單端接地時，右側(cè)（下）接地端電勢為0，左側(cè)（上）電勢最大；而雙端接地，右側(cè)和左側(cè)接地端電勢為0，中間電勢最大。

單端、雙端接地屏蔽電纜電壓分布特性，如圖4。

可以看出，單端接地時， 右側(cè)（下）接地端電流最大，左側(cè)（上）電流為0；而雙端接地，右側(cè)和左側(cè)接地電流最大，中間電流最小。

最終，可以通過積分計算得到單端接地屏蔽層上損耗為1 531.2 W，而雙端接地屏蔽層損耗為383.04 W。可以判斷對于10 km長，137/220 kV 屏蔽電纜，接地方式的不同會導致屏蔽層損耗有很大影響，單端接地的損耗是雙端接地的損耗的4 倍。

3.2 結(jié)果與分析

對工程中常用的220 kV、330 kV、500 kV 屏蔽電纜進行仿真（峰值電流均為665 A），可以得到其單端接地屏蔽電流、電壓分布特性， 如圖5。

可以看出，單端接地屏蔽電壓分布呈拋物線形式，懸浮端電勢最大；電流呈線性形式，接地端電流最大。

雙端接地屏蔽電流、電壓分布特性，如圖6。

可以看出，雙端接地屏蔽電壓分布也呈拋物線形式，懸浮端（中間）電勢最大；電流呈線性形式，接地的兩端電流最大，懸浮端電流趨近0 A。

最后，計算得到單、雙端接地屏蔽層電壓VS. 損耗的變化特性，如圖7。

可以看出，單、雙端接地屏蔽層電壓對比損耗均呈現(xiàn)指數(shù)增長，且單端接地電壓越大的屏蔽電纜的屏蔽層比雙端接地屏蔽層的損耗越大。

4 結(jié)束語

本文通過麥克斯韋方程等理論分析建立了137/220 kV屏蔽電纜電磁仿真環(huán)境，模擬單端接地與雙端接地屏蔽電纜的電容效應，通過機理描述了屏蔽電纜電容、電流、電壓和損耗特性，通過仿真得到，單端、雙端接地屏蔽電纜電壓、電流分布特性，通過分析得到，接地方式的不同會導致屏蔽層損耗有很大影響，單端接地的損耗是雙端接地的損耗的4 倍。進而通過對工程中常用的220、330、500 kV 屏蔽電纜進行仿真，得到單、雙端接地屏蔽層電壓VS. 損耗均呈現(xiàn)指數(shù)增長，且單端接地電壓越大的屏蔽電纜的屏蔽層比雙端接地屏蔽層的損耗越大。研究結(jié)果對實際工程中不同電壓下屏蔽電纜的設計、優(yōu)化、維護提供了理論基礎。