電力電纜載流量計(jì)算的研究與發(fā)展

武漢第二電線電纜有限公司 鄧鵬飛

電纜的載流量是指電纜在傳輸電力時(shí)通過的電流量。最大載流量應(yīng)在研究范圍內(nèi)，能滿足試驗(yàn)電流中導(dǎo)體工作溫度允許值的要求，且不能超過絕緣發(fā)熱的壽命。相應(yīng)地，需要嚴(yán)格控制溫度，讓導(dǎo)體的值來控制，建立科學(xué)的控制和限定，如果電流額定值小于截止數(shù)據(jù)，則不能保證選用合適的電纜型號(hào)，從而造成投資浪費(fèi)，電力線路時(shí)間長(zhǎng)，分布廣、環(huán)境多變，以及不同進(jìn)程對(duì)當(dāng)前載體的影響更大。

1 電線、電纜、電纜載流量的概念

電線：大部分產(chǎn)品只是金屬導(dǎo)體，導(dǎo)體外包一層絕緣層（如棉線編織層、玻璃纖維編織層、塑料、橡膠等），結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，外徑相對(duì)較小，工作電壓和電流絕緣的電線，稱為電線。

電纜：現(xiàn)有的導(dǎo)體（線芯）和抵抗電流的絕緣層，以及包覆在絕緣層上的保護(hù)層，防止絕緣材料受潮和損壞，從而保持絕緣性能。長(zhǎng)期允許（防止拉緊）電壓等級(jí)稍高的電纜在導(dǎo)體和絕緣層外有一層由半導(dǎo)體或金屬材料制成的屏蔽層。

電纜載流量：電纜載流量是指電纜在傳輸電力時(shí)通過的電流量。在熱穩(wěn)定性方面，電纜導(dǎo)體達(dá)到長(zhǎng)期貯存工作溫度時(shí)的電纜載流量稱為線路的長(zhǎng)期饋電載流量。

2 常用電線、電纜型號(hào)選擇

2.1 以下方面應(yīng)選用銅芯電纜或電線

第一，運(yùn)行時(shí)需保證線路、一次、二次負(fù)荷的接通；第二，住宅樓、幼兒園、衛(wèi)生院飲水、醫(yī)院等用電設(shè)備配電；第三，爆炸、火災(zāi)、潮濕、腐蝕、與移動(dòng)設(shè)備的連接；第四，監(jiān)測(cè)和控制電路；第五，包括保護(hù)電纜在內(nèi)的應(yīng)急程序；第六，室外電源線。常用電線電纜的規(guī)格見表1。

表1 常用選擇電線電纜的規(guī)格

2.2 選擇電源線的芯數(shù)和線數(shù)

三相回路電力電纜線數(shù)的選擇：第一，1kV及以下TN-C 系統(tǒng)必須使用4芯電纜或4線；第二，1kV 及以下TN-S 系統(tǒng)必須使用5芯電纜或5核心。單相電路中電力電纜芯數(shù)和芯數(shù)的選擇：第一，1kV 及以下TN-C 系統(tǒng)單相電路宜采用2芯電纜或2線；第二，1kV 及以下TN-S 系統(tǒng)宜選用3芯電纜或3線。

2.3 電線電纜截面選擇

不要因長(zhǎng)期負(fù)載電流使導(dǎo)線過熱，以免造成絕緣損壞或短路等事故；線路上的電壓降不能太大，電力線路，電壓降通常不能超過額定電壓的10%，確保滿足用戶的生產(chǎn)和生活用電需求。電線電纜的截面選擇步驟：第一，對(duì)于距離L ≤200m 的小功率輸電線路，通常根據(jù)加熱過程的計(jì)算選擇鋼截面，然后用參數(shù)檢查是否有負(fù)電和耗電量；第二，對(duì)于長(zhǎng)度L＞200m 的電氣設(shè)備，通常按允許電損耗的計(jì)算方法選擇截面，然后與熱源和電源進(jìn)行校核。

3 電力電纜的載流量

3.1 電纜的長(zhǎng)期允許載流量

電纜的長(zhǎng)期允許載流量是指電纜通過電流并達(dá)到熱穩(wěn)定后，導(dǎo)體溫度僅上升到長(zhǎng)期允許工作溫度時(shí)的電流值。主要決定因素：電纜的長(zhǎng)期允許工作溫度；電纜本身的散熱性能；電纜安裝的狀況及其周圍的空調(diào)安裝情況。

不同的電纜和絕緣類型具有不同的工作溫度。電纜絕緣層的熱膨脹導(dǎo)致保護(hù)層過大，會(huì)使電纜中出現(xiàn)空氣，這些空氣按電場(chǎng)次序釋放，最終導(dǎo)致絕緣破壞。電纜的電壓越高，空氣溫差的影響越重要，允許的工作溫度越低；無油電纜不產(chǎn)生氣隙，最高允許工作溫度高；PVC 結(jié)構(gòu)中存在極性基團(tuán)，當(dāng)溫度較低時(shí)，介質(zhì)的介電強(qiáng)度會(huì)因電導(dǎo)迅速增加而降低，因此其最高使用溫度較低。

一般情況下，根據(jù)長(zhǎng)期允許承載電流選擇截面線，然后對(duì)3kV 以下的低壓線路進(jìn)行壓降檢查，對(duì)3kV 以上的電纜進(jìn)行短路時(shí)的熱穩(wěn)定性檢查。

3.2 電力電纜載流量影響因素

根據(jù)熱力方程求出載流量的計(jì)算公式：

式中，θc表示導(dǎo)體允許最高工作溫度；θa表示周圍媒質(zhì)溫度；Wi表示介質(zhì)損耗；λ1、λ2分別為金屬屏蔽和鎧裝層損耗因數(shù)；Tl、T2、T3、T4分別為單位長(zhǎng)度電纜絕緣層、內(nèi)襯層、外披層、周圍媒質(zhì)熱阻；Rc表示導(dǎo)體的交流電阻。

3.2.1 損耗的影響

以一單芯電纜為例，并且僅分析線芯至金屬屏蔽層部分，傳輸功率為：

由上式可知，電纜的傳輸容量與線芯半徑的3/2次方成正比，與材料電阻率強(qiáng)度的1/2成反比。金屬芯采用高導(dǎo)電材料，可以提高電纜的傳輸性能，使木頭穿過金屬芯。但是，隨著線芯直徑的增加，電纜的體積也會(huì)隨之增加。成本增加，生產(chǎn)和交付的復(fù)雜性增加。而且皮膚的效果也會(huì)增加。因此，對(duì)于截面在800mm2～1000mm2之間的導(dǎo)體，必須使用隔離導(dǎo)體的工藝來克服集膚效應(yīng)引起的電阻增加。一般來說，電流應(yīng)該在2.5A/mm2的業(yè)務(wù)電流密度[1]。

3.2.2 絕緣層

優(yōu)選耐熱性和絕緣性強(qiáng)的電纜材料，提高電纜的絕緣層的耐熱性和最大工作強(qiáng)度（Emax），使得電纜絕緣層的熱阻提高，并保證電纜的傳輸性能穩(wěn)定可靠，換句話說，如果能找到工作強(qiáng)度高、能在較高溫度下工作、熱系數(shù)小的新型絕緣材料，則可以改進(jìn)傳輸電纜的維修和電子設(shè)備的尺寸。改善電纜的電性能（曲率等）對(duì)于10kV 以下的低壓系統(tǒng)，介質(zhì)損耗占很小的一部分，可以忽略不計(jì)。但隨著電壓等級(jí)的升高，介電損耗與電壓的平方有關(guān)，所以其電阻會(huì)隨著電壓的升高而增大，并引起介電損耗的較大變化。因此，應(yīng)嚴(yán)格限制使用高壓和特高壓電力電纜。

3.2.3 敷設(shè)條件的影響

目前，電纜敷設(shè)方式較多，包括直埋、穿管和風(fēng)敷。由于不同電纜之間存在差異，電纜載流量的影響也不同，雖然電纜在管內(nèi)敷設(shè)的距離有所增加，但載流量仍低于直埋，約為直埋7%輸電載流量的93%。潛在地，電力傳輸電纜已成為整個(gè)電纜線路承載能力的障礙，限制了感染的可能性。

隨著電纜埋深的增加，電纜的承載能力明顯下降，傳輸容量也相應(yīng)下降。為了滿足要求的傳輸容量，電纜必須按照制造商要求的深度敷設(shè)，如果敷設(shè)太深，載流量下降會(huì)很大，敷設(shè)太淺則不能承受重壓。

3.2.4 熱阻的影響

開始測(cè)量電纜載流量時(shí)，如果土壤異常或混有導(dǎo)熱性能較差的物質(zhì)（如粉煤灰、碎石），可采用1.2K·m/W 計(jì)算出土壤的熱阻率。考慮到土壤的熱阻率隨季節(jié)變化，這對(duì)于我國(guó)南方和沿海等地下水隨季節(jié)變化的地區(qū)非常重要，因?yàn)闊嶙杪适芩值挠绊懞艽笸寥乐械暮浚寥罒犭娮杪实牧慷葢?yīng)顯示時(shí)間測(cè)量期間的土壤水分含量。

考慮土壤中水的運(yùn)動(dòng)也很重要。國(guó)內(nèi)外房地產(chǎn)實(shí)踐表明，電纜線芯溫度在70℃以上直埋電纜敷設(shè)一段時(shí)間后，當(dāng)電纜表皮溫度達(dá)到50℃時(shí)，電纜附近的水分會(huì)逐漸移動(dòng)干燥，造成熱阻增加，出現(xiàn)電纜線芯運(yùn)行溫度超過額定值的惡性循環(huán)，導(dǎo)致絕緣速度加快，最后引起絕緣擊穿[2]熱阻也會(huì)對(duì)載流量產(chǎn)生影響，土壤熱阻系數(shù)越高，就說明散熱性越差，那么電纜載流量就會(huì)越小，各種土壤特的土壤熱阻系數(shù)及載流量的校正系數(shù)見表2。

表2 各種土壤特的土壤熱阻系數(shù)及載流量的校正系數(shù)

計(jì)算載流量時(shí)必須留有余量；如果不能接受載流量的降低，可以使用替換土，用小而穩(wěn)定的回填土代替電纜周圍的“干”土，選擇合適的砂和水泥混合物作為回填土的比例。在工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，土壤的熱阻率穩(wěn)定，即使在干燥狀態(tài)下，其熱阻率也能保持在1.2K·m/W。

4 選擇電纜截面

本著滿足電纜敷設(shè)時(shí)間要求的原則，兼顧我國(guó)電纜行業(yè)發(fā)展的要求，即芯線由鋁改銅，絕緣層也應(yīng)改變。橡塑浸油材料，金屬護(hù)套由鋁改鉛，外護(hù)套由鋁改，生產(chǎn)橡塑護(hù)套或制作多層護(hù)套。

第一，柴油機(jī)房、空壓機(jī)房、緞面車間等振動(dòng)大、移動(dòng)機(jī)械的供電。必須使用銅芯電纜；對(duì)于其他地區(qū)，應(yīng)首先考慮鋁芯電纜。第二，對(duì)于地下直埋電纜，當(dāng)電纜需要穿過鐵路、公路、橋梁、隧道等可能損壞一些地方時(shí)，一般應(yīng)采用塑料護(hù)套電纜。應(yīng)選用帶鋼帶鎧裝的電纜，并做好穿管等防護(hù)措施。第三，大型調(diào)度中心、通信中心、計(jì)算機(jī)中心停車場(chǎng)等重要部門在室內(nèi)、夾層或易燃易爆場(chǎng)所敷設(shè)的電力電纜，必須選用阻燃或難燃電纜。第四，電力電纜穿過有化學(xué)腐蝕和直流漏電的區(qū)域時(shí)，應(yīng)選用塑料材質(zhì)或裸露保鮮膜電纜。第五，在沼澤地、水中或垂直敷設(shè)的抗拉的電纜，必須選用能承受拉力的全鋼鎧裝電纜。但是，在通過小溪流時(shí)，可以使用帶有裝置和外部屏蔽的電線。第六，當(dāng)整條電纜線周圍有很多不同的介質(zhì)時(shí)，應(yīng)按最負(fù)的來選擇電纜結(jié)構(gòu)[3]。

例如，變電站有100m 長(zhǎng)的供電本體線，供電類型為本體，380V 電機(jī)接24臺(tái)三相異步電機(jī)，10kW 電機(jī)20臺(tái)，4.5kW 電機(jī)4臺(tái)環(huán)境敷設(shè)地溫度25℃，主線絕緣外露，每臺(tái)電機(jī)負(fù)載系數(shù)KX=0.35，平均功率因數(shù)cosφ=0.7。盡量選擇主干線的交叉點(diǎn)，因?yàn)樨?fù)載的性質(zhì)是低壓耗電，負(fù)載大，而且線路不長(zhǎng)，只有100m，所以首選全線。主線路中用電設(shè)備功率按用電設(shè)備分類：

視在總計(jì)算負(fù)荷：

總計(jì)算負(fù)荷電流為：

所選截面的允許載流量IZ應(yīng)滿足：IZ≥IC＝165.6A ，選擇截面為35mm2的銅芯塑料線，其導(dǎo)線允許載流量為170A ＞165.6A，滿足要求。

5 電纜載流量?jī)?yōu)化方法

第一，合理控制介質(zhì)損耗量；第二，直埋電纜載流量實(shí)現(xiàn)優(yōu)化；第三，針對(duì)電纜溝電纜載流量進(jìn)行合理的優(yōu)化；第四，隧道電纜載流量的優(yōu)化；第五，埋管電纜載流量的優(yōu)化。

6 結(jié)語

根據(jù)影響載流量的主要因素，結(jié)合電纜敷設(shè)條件和環(huán)境，提出通過以下措施提高載流量：降低介質(zhì)損耗；直埋放置時(shí)，通過優(yōu)化層距或記錄高導(dǎo)熱系數(shù)的土壤回填土；鋪設(shè)電纜溝時(shí)，通過測(cè)量適當(dāng)?shù)耐L(fēng)或用導(dǎo)熱系數(shù)回填土壤；放置隧道時(shí)，優(yōu)化布局，加強(qiáng)通風(fēng)；敷設(shè)埋地管道時(shí)，用外導(dǎo)熱管代替回土。在電纜的承載能力中增加中間的熱阻對(duì)于提高電纜的使用成本和保證電纜的運(yùn)行安全具有重要意義。