电缆导体形式的选用优化方法

（1）电缆材质选择

导体是电缆中具有传导电流特定功能的一个部件。常用的电缆导体材料可选用铜导体、铝或铝合金导体。铜、铝和铝合金导体的特点见表1.1。

表1.1　铜、铝和铝合金导体对比

续表

对铜、铝、铝合金材料的选择，要综合考虑电缆的载流量要求、电缆的生命周期成本及材料的特点，选择合适的导电材料。《电力工程电缆设计标准》（GB50217—2018）规定：用于下列情况的电力电缆，应采用铜导体：

①电机励磁、重要电源（一级及以上负荷供电的电源）、移动式电气设备等需保持连接具有高可靠性的回路。

②振动场所、有爆炸危险或对铝有腐蚀等工作环境。

③耐火电缆。

④紧靠高温设备布置。

⑤人员密集场所。

电压等级1kV以上的电缆不宜选用铝合金导体。

常用电缆导体一般采用绞合导体结构，由多根小截面圆形截面金属线绞合组成，可满足电缆的柔韧性和弯曲要求。绞合导体采用紧压结构变成不规则的形状，如图1.2所示。紧压结构可减少单线间的间隙，缩小导体外径，使线芯表面光滑，均匀线芯表面的不均匀电场，减小导丝效应引起的电场集中，防止水分和其他杂质进入线芯。

单芯电缆和10kV及以上的交联聚乙烯电缆导体一般为圆形规则绞合导体结构，圆形表面电场较均匀，能传输的电流较大；10kV以下多芯挤包绝缘电缆对电场要求较低，可采用扇形、腰圆形，能减少电缆直径，节约材料消耗，如图1.3所示。

图1.2　导体紧压结构

（2）电缆芯数选择

电力电缆的芯数分为单芯、2芯、3芯、4芯及5芯。在配网中，单芯电缆可用于传输单相交流电、高低压直流电，也可用于蓄电池组、高压电机引出线等场合，或是工作电流较大的回路、敷设在水下的电缆选用，一般中低压大截面电力电缆多为单芯。2芯电缆多用于传送单相交流电或低压直流电。3芯电缆主要用于三相回路，在35kV及以下各种中小截面的电缆线路中广泛应用。4芯和5芯电缆多用于低压配电线路。只有电压等级为1kV的电缆才有2芯、3芯、4芯及5芯。在1kV及以下电源中性点直接接地时，具体的电缆芯数选用见表1.2。

图1.3　电缆导体形状

多芯电缆绝缘线芯的不同颜色标志见表1.3。主线芯应为黄、绿、红，蓝色（为淡蓝色）用于中性线芯。

表1.2　1kV及以下电源中性点直接接地时电缆芯数选用

续表

表1.3　多芯电缆绝缘线芯的颜色标志

目前，额定电压0.6/1kV及以下的系统中还有一种特殊的电缆，是将光纤组合在电力电缆的结构层中，使其具有电力传输和光纤通信两种功能的光纤复合电缆，电缆芯数增加，如图1.4所示。这种电缆可在电力传输同时实现光纤入户，可实现信息内网居民用电信息采集，满足智能电网信息化、自动化、互动化需求，实现“智能电网、电信网、广播电视网和互联网四网融合”入户端。

（3）导体截面积的选择

1）电缆载流量

在一个确定的适用条件下，当电缆导体流过的电流在电缆各部分所产生的热量能够及时向周围媒质散发，使绝缘层温度不超过长期最高允许工作温度，这时电缆导体上所流过的电流值，称为电缆载流量。

电缆载流量高，则代表电缆的传输能力强。电缆发热会使温度升高，降低绝缘性能，发生老化击穿。因此，需要绝缘材料有较高的耐热性、耐老化性。最大工作电流作用下的电缆导体温度不得超过电缆绝缘最高允许值，最大短路电流和短路时间作用下的电缆导体温度、持续工作回路的电缆导体工作温度应符合表1.4要求。10kV及以下电缆截面还需要按电缆的初始投资与使用寿命期间的运行费用总和经济的原则选择。

图1.4　光纤复合电缆

表1.4　常用电缆导体的最高允许温度

注：铝芯电缆短路允许最高温度为200℃。

①电缆载流量的计算公式

计算电缆载流量的基本公式为

式中　I——电缆连续额定载流量，A；

　　　θC——电缆导体允许最高温度，℃；

　　　θ0——周围媒质温度，℃；

　　　Wd——电缆绝缘介质损耗；

　　　R——单位长度导体在θC温度时的电阻，Ω/m；

　　　T1，T2，T3，T4——单位长度电缆绝缘层、内衬层、外被层和周围媒质热阻，K·m/W；

　　　λ1，λ2——金属屏蔽层和铠装层损耗系数；

　　　n——在一个护套内所包含的电缆导体数（芯数）。

②电缆载流量的影响因素

由式（1.1）可知，电缆的绝缘层、内衬层、外被层和周围媒质会产生热阻，影响热量向外散发。在电场作用下，金属屏蔽层和铠装层会有能量损耗，绝缘性能、导体温度、周围媒质温度等都会影响到载流量的大小。具体分析，影响因素如下：

A.电缆导体电阻值越小，载流量越大。

已知单位长度导体电阻R的计算为

由式（1.2）可知，电阻与导体材料的电阻率ρ成正比，与导体截面积成反比。因此，在其他条件不变时，将式（1.2）代入式（1.1）中，可知电缆载流量和导体材料的电阻率ρ的平分根成反比，与导体截面积的平方根成正比。常用的铜ρCu=1.724×10-8Ω·m，铝ρAl=2.8×10-8Ω·m。因此，选用电阻率更小的铜芯比同等截面积下的铝芯载流量更大。导体截面越大，其载流量也越大。

B.导体允许最高温度越高，即绝缘材料的耐热性能和耐老化性能越好，载流量越大。

由表1.4可知，交联聚乙烯允许工作温度为90℃，传输容量大。绝缘材料的介质损耗越小，载流量越大。选用热阻系数较小、击穿强度较高以及绝缘厚度较薄的绝缘材料能降低绝缘层热阻，有利于提高电缆传输容量。

C.周围环境温度越高，载流量越小。

电缆线路附近有热源，如与热力管道平行、交叉或周围敷设有电缆等使周围媒质温度变化，会对电缆载流量造成影响。电缆线路与热力管道交叉或平行时，周围土壤温度会受到热力管道散热的影响，只有任何时间该地段土壤与其他地方同样深度土壤的温升不超过10℃时，电缆载流量才可认为不受影响，否则必须降低电缆负荷。同沟敷设的多条电缆邻近并列，相互影响，电缆负荷应降低。电缆导体工作温度大于70℃的电缆多根敷设于未装机械通风的隧道、竖井时，应计入对环境温升的影响。电缆持续允许载流量的环境温度应按使用地区的气象温度多年平均值确定，并符合表1.5的规定。

表1.5　电缆持续允许载流量的环境温度

D.周围媒质热阻越大，载流量越小。

a.土壤热阻影响。电缆直埋敷设，当埋深深度确定后，土壤热阻取决于土壤热阻系数。不同土壤热阻系数分类见表1.6。可选择热阻系数小的土壤替换的方式降低土壤热阻系数，电缆直埋敷设在干燥或潮湿土壤中，除实施换土处理能避免水分迁移的情况外，土壤热阻系数取值宜不小于2.0m·K/W。

b.敷设方式影响。电缆敷设在管道中，周围媒质热阻有电缆表面到管道内壁的热阻、管道热阻和管道的外部热阻3部分，比直接埋入地下热阻大。因此，其载流量比直接埋设在地下要小，排管中不同孔位的电缆还应分别考虑互热影响。敷设于耐火电缆槽盒中的电缆应计入包含该型材质及其盒体厚度、尺寸等因素对热阻增大的影响。施加在电缆上的防火涂料、阻火包带等覆盖层厚度大于1.5mm时，应计入其热阻影响。电缆沟内电缆埋沙且无经常性水分补充时，应按沙质情况选取大于2.0m·K/W的热阻系数计入电缆热阻增大的影响。可采取冷却水管道循环降低地下通道温度，从而降低周围媒质热阻。

表1.6　不同土壤热阻系数的分类

③电缆载流量的校正

环境温度、土壤热阻系数、多根电缆并列等因素影响电缆载流量，载流量计算时在额定载流量上要考虑相应的校正系数。不同环境温度载流量的校正系数见表1.7，其他环境的载流量校正系数按式（1.3）计算；不同土壤热阻系数的载流量校正系数见表1.6；土壤中直埋多根电缆并列时载流量校正系数见表1.8，一般设计中取8根并列计算；在空气中支架上并列敷设时载流量校正系数见表1.9。(www.xing528.com)

表1.7　不同环境温度时载流量校正系数

环境载流量校正系数计算公式为

式中　θm——电缆导体最高工作温度，℃；

　　　θ1——对应于额定载流量的基准环境温度，℃；

　　　θ2——实际环境温度，℃。

表1.8　土壤中直埋多根电缆并列时载流量校正表

表1.9　电缆空气中并列敷设时载流量校正表

④电缆载流量查表

a.380V电缆载流量见表1.10。

表1.10　380V电缆载流量（适用于8根并列直埋敷设）

注：1.本表适用于铜导体，铝导体应乘以0.78。
2.土壤热阻系数按1.0m·K/W计算。

b.1kV聚氯乙烯绝缘电缆载流量见表1.11。

表1.11　1kV聚氯乙烯绝缘电缆敷设时持续允许载流量/A

注：1.适用于铝芯电缆，铜芯电缆的持续允许载流量值可乘以1.29。
2.单芯只适用于直流。

c.10kV交联聚乙烯绝缘电缆载流量见表1.12。

表1.12　10kV3芯交联聚乙烯绝缘电缆持续允许载流量/A

续表

注：适用于铝芯电缆，铜芯电缆的持续允许载流量值可乘以1.29。

2）电缆导体截面的选择方法

电缆导体截面的选择需满足负荷电流、短路电流以及短路时的热稳定等要求，一般是按负荷电流和长期允许载流量进行选择；对较长的高压电缆线路，应按经济电流密度选择电缆截面，再校验电压降、热稳定性等进行校核。

①按电缆长期允许载流量选择导体截面

电缆载流量越高，对应的电缆导体截面越大。按长期允许载流量进行导体截面积选择，要满足

式中　Imax——通过电缆的最大持续负荷电流；

　　　I0——指定条件下的长期允许载流量；

　　　K——电缆长期允许载流量的总修正系数。

②根据经济电流密度选择导体截面

A.经济电流截面选择的计算

10kV及以下电缆导体截面积要满足初始投资和使用寿命期间的运行费用总和经济的原则，可按照经济电流截面进行选择。根据经济电流密度选择电缆截面时，首先应知道电缆线路中年最大负荷利用时间，从表1.13中查得所选导体材料的经济电流密度，然后计算导体截面为

式中　Imax——最大负荷电流，A；

　　　J——经济电流密度，A/mm2。

根据计算所得的导线截面值，通常选择不小于这个值且最靠近这个值的标称截面。一般经济电流截面比长期允许载流量对应的截面要大，传输容量提高，线损降低，投资增加。要综合考虑敷设成本和运行费用、电缆的经济寿命、电价及负荷增长率等因素，合理选择导体截面。

表1.13　经济电流密度/（A·mm-2）

B.10kV及以下电力电缆按经济电流截面选择的要求

a.按照工程条件、电价、电缆成本、贴现率等计算拟选用的10kV及以下铜芯或铝芯的聚氯乙烯、交联聚乙烯绝缘等电缆的经济电流密度值。

b.对备用回路的电缆，如备用的电动机回路等，宜按正常使用运行小时数的一半选择电缆截面。对一些长期不使用的回路，不宜按经济电流密度选择截面。

c.当电缆经济电流截面比按热稳定、允许电压降或持续载流量要求的截面小时，则应按热稳定、电压降或持续载流量较大要求截面选择。当电缆经济电流截面介于电缆标称截面档次之间，可视其接近程度，选择较接近一档截面，并且宜偏小选取。

③按最大短路电缆短路时的热稳定性校核导体截面

电缆线芯耐受短路电流热效应而不致损坏的能力，称为电缆的热稳定性。中高压电缆和低压非熔断器保护的电缆要进行热稳定条件下的导体截面积校验，保证电缆在最大短路电流和通过的短路时间下线芯温度不超过规定数值，校核计算为

式中　Smin——短路热稳定要求的最小截面积，mm2；

　　　I∞——稳态短路电流，A；

　　　t——短路电流的作用时间，s；

　　　C——热稳定系数。

④按允许电压降校核导体截面

当负载电流通过电缆时，因导体电阻和电抗的存在，末端和始端电压会存在电压降，电压降要在允许范围内。低压线路中按照允许电压降校核电缆截面S。

在三相系统中

在单相系统中

式中　S——电缆导体截面积，mm2；

　　　I——负荷电流，A；

　　　U——网络额定电压，三相系统为线电压，单相系统为相电压，V；

　　　L——电缆长度，m；

　　　Δu%——允许电压降百分数；

　　　ρ——电阻率，Ω·m。

配网系统根据需要也可用允许最大电缆长度替代电压降进行校核。