交流1 kV無鎧裝電纜載流量實用校正方法

周 程 里

[同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司,上海 200092]

0 引 言

低壓電纜截面的選擇與優化是建筑電氣工程設計中的重要課題,部分工程項目為了節省投資減小電纜截面,流經回路導體的過負荷引起導體的溫升,對絕緣、接頭、端子和導體周圍的物質造成損害,甚至引起火災。同時在2021年以銅為代表的大宗商品暴漲背景下,設計中不考慮回路低負荷運行工況,成束降低系數取值過于保守,電纜截面選取過大而造成浪費的現象仍存在。準確計算電纜載流量是選擇低壓電纜截面的先決條件,本文基于GB/T 16895.6—2014《低壓電器裝置 第5-52部分 電氣設備的選擇和安裝 布線系統》[1],從電纜材質、多回路線纜束等方面闡述了影響交流1 kV無鎧裝電纜載流量的因素,并結合工程經驗給出了一個實用的載流量校正公式。

1 影響載流量的因素

載流量值可以由IEC 60287系列標準計算得出,但由于計算復雜且影響因素多,工程中通常采用電纜廠或配電手冊中的試驗數據。本文討論的載流量均為正常工作情況下,持續負荷導致的熱效應時,不影響導體和絕緣的正常使用壽命的載流量[2]。其他因素也會影響導體截面的選擇,如電擊防護、熱效應保護、過電流保護、電壓降,以及與導體相連的設備端子的溫度限值等,但這些因素并不在本文討論范圍內。影響電纜載流量的直接因素有電纜的材質(不同絕緣材料最高運行溫度)和多根線纜成束的降低系數。

2 電纜材質

任何導體所承載的負荷電流在正常持續運行中產生的溫度不應超過導體絕緣材料的溫度限值。對于GB/T 16895.6—2014中表52.1中所列絕緣材料類型,按表列值應用即可滿足規定。絕緣材料最高運行溫度如表1所示。非消防負荷常用的YJY-1 kV電纜屬于熱固性絕緣,導體溫度限值為90 ℃;消防負荷常用的剛性礦物絕緣類電纜取決于電纜額定溫度、電纜終端接線端子、環境情況和其他外界影響等條件,因此可允許較高的運行溫度,導體溫度比護套溫度高5～10 ℃。而根據文獻[3]中表9.3-1,柔性礦物絕緣電纜導體長期允許工作溫度為125 ℃。對于不讓接觸的裸礦物絕緣電纜(BTTZ),適用于火災工況,其制造原理與普通電纜不同,成束敷設時載流量不需要校正。

表1 絕緣材料最高運行溫度

3 多根線纜成束的降低系數

多根線纜成束的降低系數適用于具有相同最高運行溫度的絕緣導線束或電纜束,束中所有電纜或絕緣導線的載流量應根據其中最高運行溫度最低的線纜來確定,并采用適當的線纜束降低系數來校正。對于電纜的載流量需根據標準GB/T 16895.6—2014附錄B中的環境溫度校正系數以及成束降低系數進行校正,對埋地電纜還應考慮土壤的實際熱阻。按附錄的表格選取載流量值時,參考環境溫度如下:對于空氣中的絕緣導體與電纜,參考環境溫度為30 ℃;對于埋地電纜(直埋在土壤中或敷設在埋地管槽中),參考環境溫度為20 ℃。對于不同工程項目所在地,設計人員需對環境溫度進行校正[4]。

環境空氣溫度不同于30 ℃時的校正系數(用于敷設在空氣中的電纜載流量)如表2所示。

表2 環境空氣溫度不同于30 ℃時的校正系數(用于敷設在空氣中的電纜載流量)

地下溫度不同于20 ℃時的校正系數(用于埋地電纜的載流量)如表3所示。

表3 地下溫度不同于20 ℃時的校正系數(用于埋地電纜的載流量)

當土壤熱阻系數不同于2.5 km/W時,需要對電纜載流量進行校正,校正系數查國家標準GB/T 16895.6—2014表B.52.16;當土壤熱阻類型及地理不明時通常取土壤熱阻系數為2.5 km/W,對于非常干燥或多石層地區(熱阻系數大于2.5 km/W)應適當降低載流量或更換貼近電纜周圍的土壤。當土壤溫度一年當中只有幾個星期超過選定溫度時,不需校正。土壤熱阻系數不同于2.5 km/W時用于直埋或埋地管槽中電纜的載流量校正系數如表4所示。

表4 土壤熱阻系數不同于2.5 km/W時用于直埋或埋地管槽中電纜的載流量校正系數

多回路管線或多根多芯電纜在不同敷設方式下散熱條件不同,需根據電纜根數或回路數以及敷設方式對電纜載流量進行校正,校正系數查標準GB/T 16895.6—2014表B.52.17,此表與表B.52.2～表B.52.13各電纜試驗載流量參數結合使用,工程中可直接采用電纜廠的試驗載流量數據。這些校正系數是假定各回路電纜截面相等且都是在額定載流量的情況下計算得到的。實際情況會有所不同,計算方式十分復雜。多回路或多根電纜成束敷設的降低系數如表5所示。在工程設計時,當負荷率小于100%時,實際校正系數可提高一些,需要對表中的降低系數進行修改。如果運行條件已知,預計某根電纜或絕緣導線承載電流不超過其成束敷設載流量的30%,則在計算線纜束中其他線纜的降低系數時,此電纜可忽略不計。從表中數據可知,敷設方式的散熱條件越好,載流量降低越少。在有條件情況下,建議采用有孔托盤或梯架敷設。

表5 多回路或多根電纜成束敷設的降低系數

除上述校正載流量方法外,敷設在導管、電纜管槽或電纜槽盒中的線纜束,束內有不同截面的絕緣導體或電纜,偏安全的成束降低系數為:

(1)

式中:n——電纜束中多芯電纜數或回路數。

采用式(1)得到的電纜束降低系數將減小截面電纜的過負荷危險,但可能導致大截面電纜未充分利用。工程設計建議將大截面與小截面電纜分開敷設在不同電纜束內。由于式(1)的降低系數偏于保守,工程設計中不建議使用。

4 載流量校正

考慮到電纜的材質、環境溫度、敷設方式等多方面影響因素,并結合工程經驗,提出的交流1 kV無鎧裝電纜修正后載流量為

(2)

式中:In——電纜額定載流量;

Kw——環境空氣溫度不同于30 ℃時的校正系數(用于敷設在空氣中的電纜載流量)或地下溫度不同于20 ℃時的校正系數(用于埋地管槽中的電纜的載流量);

Kt——土壤熱阻系數不同于2.5 km/W時用于直埋或埋地管槽中電纜的載流量校正系數,空氣中敷設取1;

Kd——多回路或多根電纜成束敷設的降低系數;

Kx——成束敷設載流量修正系數(經驗值)。

成束敷設載流量的修正系數Kx如表6所示。

表6 成束敷設載流量的修正系數Kx

5 結 語

本文通過對GB/T 16895.6—2014《低壓電器裝置 第5-52部分 電氣設備的選擇和安裝 布線系統》中電纜載流量校正因素的分析,結合工程經驗對成束敷設載流量進行修正,并提出一個實用的交流1 kV無鎧裝電纜載流量校正公式。校正后的電纜載流量可以準確地選擇電纜截面,避免電纜截面選小而引起的過負荷情況。同時根據電纜成束敷設的發熱特性,建議在有條件的情況下盡可能降低環境溫度或埋地敷設時的土壤熱阻,將大截面與小截面電纜分開敷設在不同電纜束內,并采用散熱性能良好的有孔托盤或梯架敷設,以減小電纜截面,節約銅(鋁)資源。