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，從而造成投資浪費(fèi)，電力線路時(shí)間長，分布廣、環(huán)境多變，以及不同進(jìn)程對當(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)簡單，外徑相對較小，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。長期允許（防止拉緊）電壓等級稍高的電纜在導(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)到長期貯存工作溫度時(shí)的電纜載流量稱為線路的長期饋電載流量。

2 常用電線、電纜型號選擇

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，對于長度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 電纜的長期允許載流量

電纜的長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)體溫度僅上升到長期允許工作溫度時(shí)的電流值。主要決定因素：電纜的長期允許工作溫度；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)長期允許承載電流選擇截面線，然后對3kV 以下的低壓線路進(jìn)行壓降檢查，對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

開始測量電纜載流量時(shí)，如果土壤異?；蚧煊袑?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，這對于我國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?，土壤熱電阻率的量度?yīng)顯示時(shí)間測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；對于其他地區(qū)，應(yīng)首先考慮鋁芯電纜。第二，對于地下直埋電纜，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)中心停車場等重要部門在室內(nèi)、夾層或易燃易爆場所敷設(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 長的供電本體線，供電類型為本體，380V 電機(jī)接24臺三相異步電機(jī)，10kW 電機(jī)20臺，4.5kW 電機(jī)4臺環(huán)境敷設(shè)地溫度25℃，主線絕緣外露，每臺電機(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，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 電纜載流量優(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。