探讨配电电缆截面选择

　　配电电缆是建筑电气工程的重要部分，占有建筑电气工程投资的重大比例。怎么合理选择配电电缆是值得每一位电气设计者探讨的问题。配电电缆的选择包括导体材质、绝缘水平、绝缘类型、护层类型、电缆芯数、电缆截面等的选择。配电电缆截面选择过小、电压损失会增大，导致末端电压偏差超过允许值；且配电电缆选择过小会引起电缆发热，引发火灾安全事故。配电电缆截面选择过大缺点很明显，会造成经济损失。电线、电缆截面选择主要从几方面考虑：按温升选择；按经济条件选择；按短路热稳定选择；按线路电压降允许范围选择；按机械强度选择。

　　1 按温升选择电线电缆

　　1.1 导体载流量应大于持续工作电流

　　根据《电力工程电缆设计标准》GB50217-2018(简称《电缆标准》)第3.6.2条，10kV及以下常用电缆按100%持续工作电流确定电缆导体允许最小截面时，应符合本标准附录C和附录D的规定，其载流量应考虑敷设方式的影响，并按照下列主要使用条件差异影响计入校正系数：环境温度的差异；直埋敷设时土壤热阻系数差异；电缆多根并列的影响；户外架空敷设无遮阳时的日照影响。

　　电缆的载流量应大于设计的计算电流：IZ≥IB，式中IZ为导体允许持续载流量，A；IB为回路计算电流，A。电缆允许持续载流量并不等于《电缆标准》附录C中的持续载流量，需对附录C中的电缆持续载流量进行环境校正：IZ=It× CwCtCdCq1Cq2CyChCz，式中It为《电缆标准》附录C中电缆持续载流量，A；Cw为环境温度校正系数；Ct为土壤热阻校正系数；Cd为土壤多根电缆校正系数；Cq1为空气中单层多根电缆校正系数；Cq2为电缆桥架上无间距多层电缆校正系数；Cy为电缆户外明敷无遮阳时校正系数；Ch为谐波电流校正系数；Cz为《电缆标准》附录C表中电缆为铝芯电缆时铜芯电缆持续载流量系数，取1.29。

　　1.2 校正系数

　　校正系数的取值可参考《电缆标准》附录D，本文不进行累赘介绍，对几个关键点进行阐述。

　　1.2.1 不同环境温度时载流量校正系数k

　　，式中θm为电缆导体最高工作温度(℃)；θ1为对应于额定载流量的基准环境温度(℃)；θ2为实际环境温度(℃)。《电缆标准》表D.0.1中空气中的基准校正系数θ1为40℃，土壤中基准校正系数为25℃。且该规范附录C中表C.0.1-1～C.0.1-4、表C.0.2、表C.0.3中的基准温度取值也是40℃或25℃，前后基准温度取值相对应。

　　在《低压电气装置第5-52部分电气设备的选择和安装 布线系统》GB/T16895.6-2014/IEC60364-5-52:29(简称《IEC 5-52布线系统》)中电缆载流量参考的基准温度，空气中为30℃，土壤中为20℃。在《工业与民用供配电设计手册第四版》(简称《配四》)中第9.3节电缆载流量参考的基准温度，空气中为30℃，土壤中为20℃。《配四》中电缆载流量与《IEC 5-52布线系统》相对应，而与《电缆标准》中有所不同。因此在考虑温度校正系数时需注意，不同基准值时需查相对应标准规范中的电缆载流量，不可将规范、标准、手册混合查阅取值。

　　1.2.2 不同土壤热阻系数时载流量校正系数

　　《电缆标准》表D.0.3中土壤热阻系数为1.2K·m/W时，校正系数取1.00，即为基准校正系数，并且该表底注2对校正系数进行说明：校正系数仅适用于本标准附录C表中C.0.1-2采取土壤热阻系数为1.2K·m/W的情况下，不适用于三相交流系统的高压单芯电缆。那么《电缆标准》表D.0.3是否真仅适用于附录C中表C.0.1-2呢?附录C中表C.0.1-4，附录C表C.0.2，附录C表C.0.3是否同样能结合附录D表D.03确定土壤校正系数?

　　《电缆标准》附录C中表C.0.1-2与附录D中表D.0.3的基准土壤热阻系数为1.2K·m/W，基准热阻校正系数为1，所以附录C中表C.0.1-2的电缆载流量可直接用附录C中表C.0.1-2校正系数修改。而附录C中表C.0.1-4、附录C表C.0.2、附录C表C.0.3中基准土壤热阻系数为2K·m/W，不可以直接套用附录D中表D.0.3的校正系数修正电缆载流量，需对附录D中表D.0.3中的校正系数进行二次修正：，式中Ct为土壤热阻校正系数；C1为根据土壤分类特性，查《电缆标准》表D.0.3中的校正系数；C2为查《电缆标准》表D.0.3中土壤热阻系数为2K/W时的校正系数，即0.87。

　　综上所述，《电缆标准》表D.0.3中的电缆载流量校正系数同样适用于附录C中表C.0.1-4，附录C表C.0.2、附录C表C.0.3在查阅此校正系数时需进行二次修正。

　　1.2.3 谐波校正系数Ch

　　《电缆标准》中并未提及谐波校正系数，因为当线路中存在谐波时，谐波电流对相导体的选择影响较小。，IB为回路基波电流方均根值，A；Il为回路中含有谐波电流方均根值，A；Ih为回路中谐波电流含有量，A。则可得谐波电流校正系数：

　　当三次谐波在33%以下时，Ch>0.95，所以谐波电流对相导体选择的影响较小，可以忽略。但在三相平衡系统中对中性线导体却有明显的影响，尤其是三次谐波电流，根据《低压配电设计规范》GB50054-2011(简称《低规》)中第3.2.9条表3.2.9中的要求，对中性导体及保护接地的中性导体选择做出了一些规定。

　　《低规》)中表3.2.9电缆载流量的降低系数规定，相电流中三次谐波分量(%)在0～15及>15且≤33时按相电流选择截面降低系数，分别为1.0、0.86；相电流中三次谐波分量(%)在>33且≤45及>45时按中性导体电流选择截面降低系数，分别为0.86、1。可知当三次谐波电流超过33%时，其引起的中性线导体电流超过基波的相电流，此时应按中性导体电流选择导体截面。

　　2 按经济条件选择电线电缆

　　经济条件选择电缆的本质是按电缆导体寿命期内的总费用(初始投资与线路损耗费用之和)CT最少的原则选择。基于总拥有费用法的概念，国际电工委员会(IEC)给出了两种电缆截面经济选型的实用方法：计算电缆标称截面积的经济电流范围方法和计算电缆的经济电流密度的方法。

　　2.1 经济电流范围

　　在一定的敷设条件下，每一线芯导体截面都有一个经济电流范围：

　　式中Iec1为经济电流下限值，A；Iec2为经济电流上限值，A；CI为某一截面电缆的总投资，元；CI1为比CI小一级截面电缆的总投资，元；CI2为比CI大一级截面电缆的总投资，元；F为等效损耗费用系数，元/kW；L为电缆长度，km；R、R1、R2为分别为CI、CI1、CI2对应截面电缆单位长度的交流电阻，Ω/km。上式中经济电流范围的上限值通过《配四》表16.4-1、表16.4-2、表16.4-3查阅可得，在电流相关的两个截面中选择大值。

　　2.2 经济电流密度

　　电缆的经济电流密度，是指使用电缆总成本为最小的电缆截面所对应的工作电流密度。用此法选择电缆截面积，首先求出电缆的经济电流密度，然后利用最大负荷电流除以经济电流密度求得最佳经济截面，并取临近的两个电缆标称截面中的一个：j=Imax/Sec，式中Imax为流过电缆的最大负荷电流，A；j为电流经济电流密度A/mm2；Sec为电缆最佳经济截面，mm2。

　　设计中比较关注的是电缆最佳经济截面Sec，要得到最佳经济截面就需要知道另外两个参数Imax和j，Imax工程中可通过设备参数求得，而j相关的参数求得过程比较复杂，为使用方便把电流经济密度做成曲线以便查阅，具体可查阅《配四》图16.4-2和图16.4-3或查阅《电缆标准》图B.0.2-1至图B.0.2-12。

　　按经济电流选择电缆截面有两点需要注意：当电缆经济电流截面介于电缆标称截面档次间时，可视其接近程度选择较接近一档截面，这与热稳定、允许电压降、持续载流量要求选择截面有所不同。比如通过计算得电缆经济电缆截面为100mm2，那么可选择截面95mm2电缆、而非120mm2；对于备用回路的电缆、如备用的电动机回路等，根据其运行情况对其运行小时数进行折算后选择电缆截面。对一些长期不使用的回路，不按经济电流密度选择截面。

　　3 选择电线电缆

　　3.1 按短路热稳定选择电线电缆

　　短路过程中，因大电流导致电缆发热，合理地选择电缆截面能保证电缆在保护电器跳闸或熔断前不至于被烧断。高压电缆、低压电缆选择时都需进行热稳定校验，根据《电缆标准》附录E得：，Q=I2(t+Tb)，式中S为电缆导体截面(mm2)，Q为短路电流的热效应、KA2•A，C为热稳定系数；I为系统电源供给短路电流的周期分量起始有效值(A)，t为短路电流持续时间(s)，Tb为系统电源非周期分量的衰减时间常数(s)。式中短路电流持续时间t可通过保护电器产品获得，远程短路时可忽略Tb的影响。电缆的热稳定系数C可通过表1得到。

　　表1 电缆的热稳定系数 导出到EXCEL

　　导体的种类和材料 导体长期允许工作温度(℃) 短路时导体允许最高温度(℃) C值

　　10kV架空绝缘电缆 铜芯 高密度聚乙烯绝缘 75 150 100

　　交联聚乙烯绝缘 90 250 137

　　铝芯 高密度聚乙烯绝缘 75 150 66

　　交联聚乙烯绝缘 90 250 90

　　1～30kV聚氯乙烯绝缘电缆 铜芯：≤300mm2 70 160 115

　　铝芯：≤300mm2 70 160 72

　　≤110kV交联聚乙烯绝缘电缆 铜芯：≤300mm2 90 250 137

　　铝芯：≤300mm2 90 250 90

　　表1中需注意的是，在一般情况下可按正常运行时导体的长期允许工作温度选择电缆外护套材料，避免电缆外护套材料对导体的长期允许工作温度的影响。例如，导体最高工作温度为80℃时，可选用ST1型聚氯乙烯外护套；导体最高工作温度为90℃时，可选用ST2型聚氯乙烯外护套或ST7型聚氯乙烯外护套。

　　3.2 按线路电压降允许范围选择电缆

　　电缆敷设较长时电压压降明显，根据GB50052-2009《供配电系统设计规范》，用电设备端子的电压偏差允许值为：电动机5%～-5%；其他用电设备(当无特殊规定时)5%～-5%；一般工作场所5%～-5%，远离变电站的小面积一般工作场所及应急照明、道路照明、警卫照明与用安全特低压供电的照明均为5%～-10%，照明电压偏差允许值空缺。

　　以上照明部分的数据同时结合了GB50034-2013《建筑照明设计标准》以及CJJ45-2015《城市道路照明设计标准》中的规定；电动机部分的数据结合了GB755-2008《旋转电机定额和性能》的规定。合理地选择电缆以满足电压降要求，《配四》表9.4-3中列举了各种情况的线路电压降计算公式，其中列举两种比较常用的计算公式。

　　三相平衡负荷线路，单相负荷线路，式中Δu为电压降百分数，%；Un为系统标称电压，kV；I为负荷电流，A；cosϕ为负荷功率因素；l为线路长度，km；R’、X’为三相线路单位长度的电阻和电抗，Ω/km；Δui为三相线路单位电流长度的电压降百分数，%/(A•km)。

　　3.3 按机械强度选择电缆

　　除按上述要求选择电缆截面外，电缆截面选择还需满足机械强度的要求，以防电缆敷设过程中被拉扯断。交流回路的相导体和直流回路中带电导体的截面不应小于以下要求：裸导体敷设在绝缘子上时，铜导体、铝导体最小截面积(mm2)分别为10、16；绝缘导体敷设在绝缘子上时，绝缘子支撑点间距L(m)分别为L≤2、2

　　4 计算示例

　　某车间采用低压三相供电，线路长度L=50m，允许电压降5%，保护装置0.4s内可切断短路器故障，最大短路电流Ik=6.8KA。系统采用铜芯交联聚氯乙烯电力电缆直埋敷设，埋深处最热月平均地温30℃，土壤热阻系数3.0K•m/W，电缆导体最高温度90℃，电缆经济电流密度2.0A/mm2,热稳定系数为137，设备功率28kW，功率因素取0.8，计算电流53.2A。

　　导体载流量应大于持续工作电流：根据《电缆标准》表C.0.1-4、表D.0.1、表D.0.3得温度校正系数Cw=0.96，土壤校正系数Ct=0.75/ 0.87=0.86。则拟选25mm2时。电缆实际载流量90×0.94×0.86=74.3满足要求；按经济电流密度选择电缆截面：，电缆截面选择25mm2；按热稳定选择电缆截面：，电缆截面选择35mm2；按允许电压降选择电缆截面：拟选用截面35mm2电缆，电压损失百分数0.5%(kW•km)，检验电压降是否满足要求。Δu=P×l× Δup=28×0.05×0.5%=0.7%，满足电压偏差允许值。

　　综上所述，最终电缆截面选择35mm2。

　　总之，电缆截面的选择需满足温升条件、经济条件、热稳定校验、电压降允许范围、机械强度要求，根据各种条件选择电缆截面，将其中最大截面作为最终结果。此外还需根据某些特殊环境选择电缆截面，如爆炸性环境、直流供电、400Hz频率供电等，本文不再介绍。