探討配電電纜截面選擇

廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 譚陽(yáng)勤

配電電纜是建筑電氣工程的重要部分，占有建筑電氣工程投資的重大比例。怎么合理選擇配電電纜是值得每一位電氣設(shè)計(jì)者探討的問(wèn)題。配電電纜的選擇包括導(dǎo)體材質(zhì)、絕緣水平、絕緣類型、護(hù)層類型、電纜芯數(shù)、電纜截面等的選擇。配電電纜截面選擇過(guò)小、電壓損失會(huì)增大，導(dǎo)致末端電壓偏差超過(guò)允許值；且配電電纜選擇過(guò)小會(huì)引起電纜發(fā)熱，引發(fā)火災(zāi)安全事故。配電電纜截面選擇過(guò)大缺點(diǎn)很明顯，會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失。電線、電纜截面選擇主要從幾方面考慮：按溫升選擇；按經(jīng)濟(jì)條件選擇；按短路熱穩(wěn)定選擇；按線路電壓降允許范圍選擇；按機(jī)械強(qiáng)度選擇。

1 按溫升選擇電線電纜

1.1 導(dǎo)體載流量應(yīng)大于持續(xù)工作電流

根據(jù)《電力工程電纜設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50217-2018（簡(jiǎn)稱《電纜標(biāo)準(zhǔn)》）第3.6.2條，10kV及以下常用電纜按100%持續(xù)工作電流確定電纜導(dǎo)體允許最小截面時(shí)，應(yīng)符合本標(biāo)準(zhǔn)附錄C和附錄D的規(guī)定，其載流量應(yīng)考慮敷設(shè)方式的影響，并按照下列主要使用條件差異影響計(jì)入校正系數(shù)：環(huán)境溫度的差異；直埋敷設(shè)時(shí)土壤熱阻系數(shù)差異；電纜多根并列的影響；戶外架空敷設(shè)無(wú)遮陽(yáng)時(shí)的日照影響。

電纜的載流量應(yīng)大于設(shè)計(jì)的計(jì)算電流：IZ≥IB，式中IZ為導(dǎo)體允許持續(xù)載流量，A；IB為回路計(jì)算電流，A。電纜允許持續(xù)載流量并不等于《電纜標(biāo)準(zhǔn)》附錄C中的持續(xù)載流量，需對(duì)附錄C中的電纜持續(xù)載流量進(jìn)行環(huán)境校正：IZ=It×CwCtCdCq1Cq2CyChCz，式中It為《電纜標(biāo)準(zhǔn)》附錄C中電纜持續(xù)載流量，A；Cw為環(huán)境溫度校正系數(shù)；Ct為土壤熱阻校正系數(shù)；Cd為土壤多根電纜校正系數(shù)；Cq1為空氣中單層多根電纜校正系數(shù)；Cq2為電纜橋架上無(wú)間距多層電纜校正系數(shù)；Cy為電纜戶外明敷無(wú)遮陽(yáng)時(shí)校正系數(shù)；Ch為諧波電流校正系數(shù)；Cz為《電纜標(biāo)準(zhǔn)》附錄C表中電纜為鋁芯電纜時(shí)銅芯電纜持續(xù)載流量系數(shù)，取1.29。

1.2 校正系數(shù)

校正系數(shù)的取值可參考《電纜標(biāo)準(zhǔn)》附錄D，本文不進(jìn)行累贅介紹，對(duì)幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行闡述。

1.2.1 不同環(huán)境溫度時(shí)載流量校正系數(shù)k

在《低壓電氣裝置第5-52部分電氣設(shè)備的選擇和安裝 布線系統(tǒng)》GB/T16895.6-2014/IEC60364-5-52:29（簡(jiǎn)稱《IEC 5-52布線系統(tǒng)》）中電纜載流量參考的基準(zhǔn)溫度，空氣中為30℃，土壤中為20℃。在《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)第四版》（簡(jiǎn)稱《配四》）中第9.3節(jié)電纜載流量參考的基準(zhǔn)溫度，空氣中為30℃，土壤中為20℃?！杜渌摹分须娎|載流量與《IEC 5-52布線系統(tǒng)》相對(duì)應(yīng)，而與《電纜標(biāo)準(zhǔn)》中有所不同。因此在考慮溫度校正系數(shù)時(shí)需注意，不同基準(zhǔn)值時(shí)需查相對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中的電纜載流量，不可將規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、手冊(cè)混合查閱取值。

1.2.2 不同土壤熱阻系數(shù)時(shí)載流量校正系數(shù)

《電纜標(biāo)準(zhǔn)》表D.0.3中土壤熱阻系數(shù)為1.2K·m/W時(shí)，校正系數(shù)取1.00，即為基準(zhǔn)校正系數(shù)，并且該表底注2對(duì)校正系數(shù)進(jìn)行說(shuō)明：校正系數(shù)僅適用于本標(biāo)準(zhǔn)附錄C表中C.0.1-2采取土壤熱阻系數(shù)為1.2K·m/W的情況下，不適用于三相交流系統(tǒng)的高壓?jiǎn)涡倦娎|。那么《電纜標(biāo)準(zhǔn)》表D.0.3是否真僅適用于附錄C中表C.0.1-2呢？附錄C中表C.0.1-4，附錄C表C.0.2，附錄C表C.0.3是否同樣能結(jié)合附錄D表D.03確定土壤校正系數(shù)？

《電纜標(biāo)準(zhǔn)》附錄C中表C.0.1-2與附錄D中表D.0.3的基準(zhǔn)土壤熱阻系數(shù)為1.2K·m/W，基準(zhǔn)熱阻校正系數(shù)為1，所以附錄C中表C.0.1-2的電纜載流量可直接用附錄C中表C.0.1-2校正系數(shù)修改。而附錄C中表C.0.1-4、附錄C表C.0.2、附錄C表C.0.3中基準(zhǔn)土壤熱阻系數(shù)為2K·m/W，不可以直接套用附錄D中表D.0.3的校正系數(shù)修正電纜載流量，需對(duì)附錄D中表D.0.3中的校正系數(shù)進(jìn)行二次修正：，式中Ct為土壤熱阻校正系數(shù)；C1為根據(jù)土壤分類特性，查《電纜標(biāo)準(zhǔn)》表D.0.3中的校正系數(shù)；C2為查《電纜標(biāo)準(zhǔn)》表D.0.3中土壤熱阻系數(shù)為2K/W時(shí)的校正系數(shù)，即0.87。

綜上所述，《電纜標(biāo)準(zhǔn)》表D.0.3中的電纜載流量校正系數(shù)同樣適用于附錄C中表C.0.1-4，附錄C表C.0.2、附錄C表C.0.3在查閱此校正系數(shù)時(shí)需進(jìn)行二次修正。

1.2.3 諧波校正系數(shù)Ch

《電纜標(biāo)準(zhǔn)》中并未提及諧波校正系數(shù)，因?yàn)楫?dāng)線路中存在諧波時(shí)，諧波電流對(duì)相導(dǎo)體的選擇影響較小。，IB為回路基波電流方均根值，A；Il為回路中含有諧波電流方均根值，A；Ih為回路中諧波電流含有量，A。則可得諧波電流校正系數(shù)：

當(dāng)三次諧波在33%以下時(shí)，Ch＞0.95，所以諧波電流對(duì)相導(dǎo)體選擇的影響較小，可以忽略。但在三相平衡系統(tǒng)中對(duì)中性線導(dǎo)體卻有明顯的影響，尤其是三次諧波電流，根據(jù)《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50054-2011（簡(jiǎn)稱《低規(guī)》）中第3.2.9條表3.2.9中的要求，對(duì)中性導(dǎo)體及保護(hù)接地的中性導(dǎo)體選擇做出了一些規(guī)定。

《低規(guī)》）中表3.2.9電纜載流量的降低系數(shù)規(guī)定，相電流中三次諧波分量（%）在0～15及＞15且≤33時(shí)按相電流選擇截面降低系數(shù)，分別為1.0、0.86；相電流中三次諧波分量（%）在＞33且≤45及＞45時(shí)按中性導(dǎo)體電流選擇截面降低系數(shù)，分別為0.86、1?？芍?dāng)三次諧波電流超過(guò)33%時(shí)，其引起的中性線導(dǎo)體電流超過(guò)基波的相電流，此時(shí)應(yīng)按中性導(dǎo)體電流選擇導(dǎo)體截面。

2 按經(jīng)濟(jì)條件選擇電線電纜

經(jīng)濟(jì)條件選擇電纜的本質(zhì)是按電纜導(dǎo)體壽命期內(nèi)的總費(fèi)用（初始投資與線路損耗費(fèi)用之和）CT最少的原則選擇。基于總擁有費(fèi)用法的概念，國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）給出了兩種電纜截面經(jīng)濟(jì)選型的實(shí)用方法：計(jì)算電纜標(biāo)稱截面積的經(jīng)濟(jì)電流范圍方法和計(jì)算電纜的經(jīng)濟(jì)電流密度的方法。

2.1 經(jīng)濟(jì)電流范圍

在一定的敷設(shè)條件下，每一線芯導(dǎo)體截面都有一個(gè)經(jīng)濟(jì)電流范圍：

式中Iec1為經(jīng)濟(jì)電流下限值，A；Iec2為經(jīng)濟(jì)電流上限值，A；CI為某一截面電纜的總投資，元；CI1為比CI小一級(jí)截面電纜的總投資，元；CI2為比CI大一級(jí)截面電纜的總投資，元；F為等效損耗費(fèi)用系數(shù)，元/kW；L為電纜長(zhǎng)度，km；R、R1、R2為分別為CI、CI1、CI2對(duì)應(yīng)截面電纜單位長(zhǎng)度的交流電阻，Ω/km。上式中經(jīng)濟(jì)電流范圍的上限值通過(guò)《配四》表16.4-1、表16.4-2、表16.4-3查閱可得，在電流相關(guān)的兩個(gè)截面中選擇大值。

2.2 經(jīng)濟(jì)電流密度

電纜的經(jīng)濟(jì)電流密度，是指使用電纜總成本為最小的電纜截面所對(duì)應(yīng)的工作電流密度。用此法選擇電纜截面積，首先求出電纜的經(jīng)濟(jì)電流密度，然后利用最大負(fù)荷電流除以經(jīng)濟(jì)電流密度求得最佳經(jīng)濟(jì)截面，并取臨近的兩個(gè)電纜標(biāo)稱截面中的一個(gè)：j=Imax/Sec，式中Imax為流過(guò)電纜的最大負(fù)荷電流，A；j為電流經(jīng)濟(jì)電流密度A/mm2；Sec為電纜最佳經(jīng)濟(jì)截面，mm2。

設(shè)計(jì)中比較關(guān)注的是電纜最佳經(jīng)濟(jì)截面Sec，要得到最佳經(jīng)濟(jì)截面就需要知道另外兩個(gè)參數(shù)Imax和j，Imax工程中可通過(guò)設(shè)備參數(shù)求得，而j相關(guān)的參數(shù)求得過(guò)程比較復(fù)雜，為使用方便把電流經(jīng)濟(jì)密度做成曲線以便查閱，具體可查閱《配四》圖16.4-2和圖16.4-3或查閱《電纜標(biāo)準(zhǔn)》圖B.0.2-1至圖B.0.2-12。

按經(jīng)濟(jì)電流選擇電纜截面有兩點(diǎn)需要注意：當(dāng)電纜經(jīng)濟(jì)電流截面介于電纜標(biāo)稱截面檔次間時(shí)，可視其接近程度選擇較接近一檔截面，這與熱穩(wěn)定、允許電壓降、持續(xù)載流量要求選擇截面有所不同。比如通過(guò)計(jì)算得電纜經(jīng)濟(jì)電纜截面為100mm2，那么可選擇截面95mm2電纜、而非120mm2；對(duì)于備用回路的電纜、如備用的電動(dòng)機(jī)回路等，根據(jù)其運(yùn)行情況對(duì)其運(yùn)行小時(shí)數(shù)進(jìn)行折算后選擇電纜截面。對(duì)一些長(zhǎng)期不使用的回路，不按經(jīng)濟(jì)電流密度選擇截面。

3 選擇電線電纜

3.1 按短路熱穩(wěn)定選擇電線電纜

短路過(guò)程中，因大電流導(dǎo)致電纜發(fā)熱，合理地選擇電纜截面能保證電纜在保護(hù)電器跳閘或熔斷前不至于被燒斷。高壓電纜、低壓電纜選擇時(shí)都需進(jìn)行熱穩(wěn)定校驗(yàn)，根據(jù)《電纜標(biāo)準(zhǔn)》附錄E得：，Q=I2(t+Tb)，式中S為電纜導(dǎo)體截面（mm2），Q為短路電流的熱效應(yīng)、KA2·A，C為熱穩(wěn)定系數(shù)；I為系統(tǒng)電源供給短路電流的周期分量起始有效值（A），t為短路電流持續(xù)時(shí)間（s），Tb為系統(tǒng)電源非周期分量的衰減時(shí)間常數(shù)（s）。式中短路電流持續(xù)時(shí)間t可通過(guò)保護(hù)電器產(chǎn)品獲得，遠(yuǎn)程短路時(shí)可忽略Tb的影響。電纜的熱穩(wěn)定系數(shù)C可通過(guò)表1得到。

表1 電纜的熱穩(wěn)定系數(shù)

表1中需注意的是，在一般情況下可按正常運(yùn)行時(shí)導(dǎo)體的長(zhǎng)期允許工作溫度選擇電纜外護(hù)套材料，避免電纜外護(hù)套材料對(duì)導(dǎo)體的長(zhǎng)期允許工作溫度的影響。例如，導(dǎo)體最高工作溫度為80℃時(shí)，可選用ST1型聚氯乙烯外護(hù)套；導(dǎo)體最高工作溫度為90℃時(shí)，可選用ST2型聚氯乙烯外護(hù)套或ST7型聚氯乙烯外護(hù)套。

3.2 按線路電壓降允許范圍選擇電纜

電纜敷設(shè)較長(zhǎng)時(shí)電壓壓降明顯，根據(jù)GB50052-2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，用電設(shè)備端子的電壓偏差允許值為：電動(dòng)機(jī)5%～-5%；其他用電設(shè)備（當(dāng)無(wú)特殊規(guī)定時(shí)）5%～-5%；一般工作場(chǎng)所5%～-5%，遠(yuǎn)離變電站的小面積一般工作場(chǎng)所及應(yīng)急照明、道路照明、警衛(wèi)照明與用安全特低壓供電的照明均為5%～-10%，照明電壓偏差允許值空缺。

以上照明部分的數(shù)據(jù)同時(shí)結(jié)合了GB50034-2013《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》以及CJJ45-2015《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中的規(guī)定；電動(dòng)機(jī)部分的數(shù)據(jù)結(jié)合了GB755-2008《旋轉(zhuǎn)電機(jī)定額和性能》的規(guī)定。合理地選擇電纜以滿足電壓降要求，《配四》表9.4-3中列舉了各種情況的線路電壓降計(jì)算公式，其中列舉兩種比較常用的計(jì)算公式。

3.3 按機(jī)械強(qiáng)度選擇電纜

除按上述要求選擇電纜截面外，電纜截面選擇還需滿足機(jī)械強(qiáng)度的要求，以防電纜敷設(shè)過(guò)程中被拉扯斷。交流回路的相導(dǎo)體和直流回路中帶電導(dǎo)體的截面不應(yīng)小于以下要求：裸導(dǎo)體敷設(shè)在絕緣子上時(shí)，銅導(dǎo)體、鋁導(dǎo)體最小截面積（mm2）分別為10、16；絕緣導(dǎo)體敷設(shè)在絕緣子上時(shí)，絕緣子支撐點(diǎn)間距L（m）分別為L(zhǎng)≤2、2＜L≤6、6＜L≤16、16＜L≤25時(shí)銅導(dǎo)體、鋁導(dǎo)體最小截面積（mm2）分別為10/16、1.5/10、2.5/10、4/10、6/10；穿導(dǎo)管敷設(shè)或在槽盒中敷設(shè)時(shí)，銅導(dǎo)體、鋁導(dǎo)體最小截面積（mm2）分別為1.5、10。

4 計(jì)算示例

某車間采用低壓三相供電，線路長(zhǎng)度L=50m，允許電壓降5%，保護(hù)裝置0.4s內(nèi)可切斷短路器故障，最大短路電流Ik=6.8KA。系統(tǒng)采用銅芯交聯(lián)聚氯乙烯電力電纜直埋敷設(shè)，埋深處最熱月平均地溫30℃，土壤熱阻系數(shù)3.0K·m/W，電纜導(dǎo)體最高溫度90℃，電纜經(jīng)濟(jì)電流密度2.0A/mm2,熱穩(wěn)定系數(shù)為137，設(shè)備功率28kW，功率因素取0.8，計(jì)算電流53.2A。

導(dǎo)體載流量應(yīng)大于持續(xù)工作電流：根據(jù)《電纜標(biāo)準(zhǔn)》表C.0.1-4、表D.0.1、表D.0.3得溫度校正系數(shù)Cw=0.96，土壤校正系數(shù)Ct=0.75/ 0.87=0.86。則擬選25mm2時(shí)。電纜實(shí)際載流量90×0.94×0.86=74.3滿足要求；按經(jīng)濟(jì)電流密度選擇電纜截面：，電纜截面選擇25mm2；按熱穩(wěn)定選擇電纜截面：，電纜截面選擇35mm2；按允許電壓降選擇電纜截面：擬選用截面35mm2電纜，電壓損失百分?jǐn)?shù)0.5%（kW·km），檢驗(yàn)電壓降是否滿足要求。Δu=P×l×Δup=28×0.05×0.5%=0.7%，滿足電壓偏差允許值。

綜上所述，最終電纜截面選擇35mm2。

總之，電纜截面的選擇需滿足溫升條件、經(jīng)濟(jì)條件、熱穩(wěn)定校驗(yàn)、電壓降允許范圍、機(jī)械強(qiáng)度要求，根據(jù)各種條件選擇電纜截面，將其中最大截面作為最終結(jié)果。此外還需根據(jù)某些特殊環(huán)境選擇電纜截面，如爆炸性環(huán)境、直流供電、400Hz頻率供電等，本文不再介紹。