导线电缆允许载流量的选择及确定

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1、武警学院本科毕业论文（设计） 导线电缆允许载流量的确定及选择导线电缆允许载流量的确定及选择 【摘 要】本文介绍了导体允许载流量的计算方法和国际确定导体允许载流的标准，分析了影响导体允许载流量的主要因素，提出了提高导体允许载流的方法及实际工程应注意的问题。【关键词】 导线电缆允许载流量 电缆结构 应用条件 敷设条件 1.引言据有关资料统计表明：在我国每年的电气火灾中电气线路所引起的火灾占4060，而其中导线电缆火灾一直占居首位。导线电缆引发火灾的具体原因是多方面的但主要原因在于：一是电的需求量的迅速增长和电力改造及电气设计规范修订的相对滞后的矛盾造成电气线路的原来的设计容量不能满足要求，电气线路

2、超负荷运转，从而加速绝缘的老化甚至失效而发生短路引发火灾。再则，我国的电气防火规范与标准还不是很健全，如有些建筑电气设计规范不适应当今社会的需要。再如目前还没有从消防安全的角度对电气工程的设计，施工，检查，验收等进行规范的标准。在电气线路设计时，线路敷设以及载流量的选择不科学不合理，检查验收时无章可循，造成火灾隐患。电气线路过负荷导致的电气设施的温升和电气绝缘的燃点是引发火灾的主要矛盾。在设计、施工、检测、维护等方面都必须保证线缆的实际工作温度不超过允许工作温度也就是须保证线缆的允许长期工作电流(简称载流量)不应小于线路的工作电流。因此可以说：导线电缆允许载流量的确定及选择是否合适，是整个电气

3、线路能否安全运行最重要的决定性因素，它直接影响着导体和绝缘的寿命，也是电气安全设计的重要内容之一。本文主要是在讨论在正常工作条件下，以导线、电缆所承载的电流的热效应为依据的载流量的确定和选择的过程中，以本人所学及参考资料提出个人的一些想法。2.导线电缆允许载流量理论计算（100负载率）及国家IEC-364-5-523标准2.1.基本机理电线及电缆均为匀质导体全长截面和材料相同，在计算电线电缆的载流量时，可以取单位长度的导体进行研究。在导体未通电流时，其温度与周围介质的温度相等；当电流通过时，由于导体电流的热效应使导体发热。其热量一部分使导体温度升高，另一部分则由于导体温度高于周围介质的温度而散

4、发到介质中。在导体温度未达稳定时，其热平衡方程式可以写成： （1） 式中：I-通过导体的电流(A)； Kzh-导体的总放热系数W(m2)；R-导体的电阻()； ，0-导体及周围环境的温度()；m导体的质量(Kg)； C-导体材料的比热J/Kg； r-导体对周围环境的温升，r=-0；F-导体的散热面积(m2)。 图 1 均质导体温升曲线上式为常系数线性非齐次一阶微分方程。解之得： ； （2）可看出均质导体的温升是按时间指数函数增长,如图1曲线所示。当t=(3-4)T时，导体温升即趋于稳定温升w；其中T是发热时间常数， 且有 （3）此式为牛顿公式。由（3）式可知，在稳定发热状态下，导体中产生的全部

5、热量都散失到周围环境中。2.2、理论上导体的允许载流量设导体长期允许电流(导体载流量)为Iy，导体长期发热允许温度为y，由(3)式可得 （4）式中 ry，是导体长期发热允许温升（）在已知Iy的情况，用(4)式可计算出导体正常发热温度y，或计算出对应导体的截面S；这表明，当环境温度0一定时，在y条件下，对于不同截面的导体，有一个允许载流量值与之对应。根据国家规定一般环境温度025。尽管该公式可以用于任何情况，任何导体的允许载流量的计算，但由于在各种具体条件下，对载流量影响的主导因素差别较大；又该公式没有考虑带有绝缘的电线电缆的绝缘损耗;另外，Kzh是一个综合考虑几种散热形式的中散热系数，尽管使用

6、起来方便，但由于影响它因素多而且随不同使用条件，随时间的变化性大，准确地确定其值比较困难且误差较大。 所以该公式可操作性较差(除去对于裸导体的载流量的计算)。在电气工程设计中，国家标准JB/T101812000给出了一定条件下电缆额定载流量计算公式，其充分考虑了介质损耗，并对各种因素的影响进行了量化，可操作性极大提高。2.3. 我国标准给出的电线电缆额定载流量计算方法在工程设计中，电缆载流量的选择和确定必须计及载流导体的负载特性(持续、短时、周期性的负载)，其中持续负载下的载流量是各类负载下载流量的计算基础，其它负载特性下的载流量只要用相应的系数加以校正即可。我国电线电缆额定载流量计算标准(J

7、B/T101812000)等同于IEC-287标准适合于所有交流电压及直流电压5Kv及以下,直接埋于土壤、地沟、电缆槽或管道内有或无局部土壤变干以及在空气中敷设的各种电缆稳态运行的情况。利用等值热路和热流场概念, 由热流场富氏定律, 可导出热流与温升、热阻的关系, 即热流与温度成正比, 与热阻成反比。得出电缆连续允许载流量的计算公式如下（100负载率）: （5）式中：I-通过某一导电线芯的电流, A; -导电线芯相对环境的温度, K；R-最高工作温度下,单位长度导电线芯的交流电阻,/m； Wd-单位长度导电线芯外面绝缘的介质损耗,w/m；T1-单位长度电缆导体和护套间的绝缘热阻,Km/w；T2

8、-单位长度电缆护套和铠装间的衬垫热阻,Km/w；T3-单位长度电缆外护层热阻, Km/w；T4-单位长度电缆和周围媒质间的热阻,Km/w；n-电缆中载流导电线芯数；2-铠装损耗与导电线芯总损耗之比；1-金属护套损耗与导电线芯总损耗之比； 其中为介质损耗，在交流电压作用下，电介质中的部分电能将转化成热能，是电场角频率，是电介质电容，是介质损耗因数。，由所选电缆绝缘和输送电的性质决定，一般可认为是定量。影响的因素有：在温度一定时，在某一频率处出现高峰，Wd增长最快，低频时Wd与频率无关,高频区时迅速减小，但很大，Wd 仍很大；一定时，在某一温度处（）出现峰值，Wd增长最快；湿度，电场强度，辐射强度

9、增加，也使增加，损耗增加。 该式校正了由介质损耗而导致的温升，也就是说除了导体的电流热效应外，电介质的损耗也是一个热源，从而导致允许载流量变小。由公式，可表征电介质损耗对载流量影响大小，从而在电气工程设计中决定电介质的损耗能否忽略。计算电缆允许载流量, 必须知道电缆导体允许最高温度。根据电缆绝缘材料性能、运行和使用经验,对于不同型式、不同电压等级的电缆, 分别规定了长期和短时最高允许工作温度（可查阅电缆说明或有关标准）。在电缆允许载流量的计算中, 求取电缆各部分热阻T 1、T 2、T 3、T 4 和护套铠装损耗系数K1、K2, 需进行一系列比较复杂的数学运算。现在, 一般应用计算机进行电缆载流

10、量的辅助计算, 现举一计算35kV 分相铅包油纸绝缘电缆的允许载流量的实例如下。已知条件为:铜芯电缆、铅套、钢带铠装,3120mm2,导体直径14mm，绝缘厚度9mm ,铅套厚度1.7mm ,铠装厚度20.5 mm ,内衬垫厚1.5mm ,纤维外被层厚2.0mm,电缆外径91.6mm,埋设深度1.0m,土壤热阻系数1.0k.m/W.=50, 0 =25按IEC287 推荐公式算出（参考资料给出）, 50时,导体电阻R = 1.710-4/m ,T 1= 0.271 k.m/W , T 2= 0.44 k.m/W , T 3= 0.0352k.m/W；1= 01021, 2=-0.0075 ,代

11、入公式计算此公式适用于直接埋地辐射,管道内敷设,沟道或钢管敷设,以及空气中敷设的各种电压等级的电缆。在运用公式进行计算时，关键是参数的选定。据有关资料计算表明：计算载流量的环境条件,我国与IEC 推荐的计算参数不尽一致,用IEC 参数计算载流量将增加20 %左右,因此需要我们进一步做工作,以得到符合国情的合理的计算参数。尤其是一些重大工程更须在设计完成后，做必要的检测工作，以确保线路运行的安全性。2.4 建筑物中电缆的载量IEC-364-5-523标准本标准是IEC-TC64依据IEC-287标准计算方法对IEC-502“额定电压1kV5kV挤包固体绝缘电力电缆中0.6/1kV及以下非铠装电缆

12、载流量计算整理后而得。要求在正常工作情况下以持续时间承受电流热效应为条件提供导体和绝缘的合理寿命。其它影响导体截面选择的方面诸如电击穿保护、热效应保护、过电流和电压降等均不在本标准之列。本标准适用于额定电压1kV(直流电压1.5kV及以下无铠装绝缘（包括PVC、XLPE、 EPR和矿物绝缘）导线和电缆 。 单回路包括导体根数如下：(1)两根绝缘导线或两根单芯电缆或一根两芯电缆（单相系统）。 (2)三根绝缘导线或三根单芯电缆，或一根三芯电缆（三相系统）。构成单回路的相同绝缘导线或电缆自成一组，所有电缆都具有相同允许工作温度。若更多的导线或电缆敷设在同一组中时要乘以修正系数加以校正。3.影响载流量

13、主要因素及提高载流量的方法影响载流量的参数主要有：（1）与电缆特性及其结构有关的参数；（2）与应用条件有关的参数包括环境温度，敷设条件等;(3)负载特性。但是根据上式获得的载流量即电缆额定安全载流量仅是从电缆热性能考虑的而没从经济方面和其它如触电防护，过电防护，火灾中的热效应防护等方面考虑。3.1.确定及选择载流量的主要影响因素3.1.1与导线电缆本身有关的参数（通常在电缆产品的标准中给出）（1）导电线芯一一导体电阻率；依据（4）、（5）式可知：在相同条件下，与I成正比即,导体的电阻率越小，导体本身所产生的热量越少，导体所允许通过的电流越大。此外，接触电阻也是影响载流量的重要因素之一，接触电阻

14、是动态的，在电流热效应下呈现正阻特性，会造成导线电缆局部发热，裸导体长期允许温度为70，主要就是受导体接触连接部分限制。 （2）绝缘和护层材料一热阻系数包括电缆各部分热阻T 1、T 2、T 3、T 4 和护套铠装损耗系数1、2；散热系数；绝缘的允许极限温度，它是决定导线电缆允许载流量的主要因素，如果能有效的提高绝缘的允许极限温度，电缆的允许载流量将得到极大提升如导体（线芯）允许极限温度为70的聚氯乙稀（PVC）绝缘铜芯（截面120mm2）电缆,在环境温度为30，自由空气中两芯有载敷设时的允许载流量为328A。假如能将其允许温度提高到120而其它条件不变，带入公式（4）或（5）可以得出允许载流量

15、为 ，增长率为 ，可见选用耐热的绝缘是提高载流量的极其有效途径。(3)电缆结构一一单芯或多芯，线芯结构及扩套等结构尺寸：线芯结构（截面形状、根数、直径），绝缘标称厚度，护套标称厚度，电缆外径等等。电缆的结构参数主要影响电缆的散热性能，在截面相同的情况下，多芯比单芯的表面积要大；多芯时还应考虑邻近效应的影响；绝缘和护套的厚度将直接影响到散热速率。3.1.2负载特性参数在设备和装置的实际运行中，负载有时可能是断续的（周期的）或短时的，载流量如仍按连续负载计算选择必将提高在成本，增大结构尺寸。所以应根据实际在计算出连续负载下的允许载流量后加以适当校正。国家标准GBJ 55对断续工作和短时工作的电动机

16、供电电线和电缆的载流量规定了校正系数。3.1.3应用条件有关的参数因为电缆在不同的应用环境（空气中直接敷设，埋地敷设，穿管敷设，特殊环境如高温、强日照等）中，对导线电缆的允许载流量的选择和确定起主导作用的影响因素（包括温度，风速，日照，敷设方式，敷设条件及变化等）也不尽相同，所以应根据具体条件准确选定参数通过计算来确定。如高压架空输电线就要以日照强度，环境温度，风速为确定载流量的主要参数；直接埋地敷设则主要考虑土壤热阻率，环境温度。（1）导线电缆载流量受环境温度的影响。空气中敷设时一般取环境为2530，埋地敷设一般取为20左右。（2）敷设条件：敷设点处环境包括温度、散热情况、媒质热阻、土壤热阻

17、率，湿度，辐射强度；敷设方式，电缆的布置方式（并排、矩形、回路数、载流导体的根数）等3.1.4其它影响因素和特殊的功能要求。经济电流密度，导线电缆的接头数量及接触电阻，高温环境（如火灾中），电压降，消防用配电等3.2.提高导体长期允许电流的基本方法3.2.1减小导体电阻(1)采用电阻率小的导体。铜芯导体的载流能力比铝可增加30，尽管根据国家“以铝代铜”的政策，般采用铝芯线，但在爆炸危险环境，腐蚀性严重的地方，移动设备处和控制回路，宜用铜芯线。在高层建筑中，由于负荷比较集中，为提高截面的载流能力，便于敷设，也多采用铜芯线。(2)减小导体接触电阻。严格按规范布线，改善导体的接头处理，最好用焊接，尽

18、量避免两种不同的线芯相接和减少不必要的接头。(3)在不影响电缆的正常使用及过大增加投资的情况下，适当增加导体的横截面积。3.2.2导体的散热面积导体的散热面积和导体的几何形状有关，在截面积相同的条件下，圆柱形外表面积最小，矩形，槽形外表面积较大，所以工程上很少使用圆柱形母线。在截面积相同的条件下，但从散热面积考虑，多根要比单根导体电缆的散热面积大，有效提高散热率。3.2.3提高散热速率提高散热系数方法主要有：（1）加强空气流动，降低环境温度，强迫冷却。如对200A以上的大电流母线，可采用强迫水冷和风冷来提高母线的对流放热量。（2）合理布置导体：可提高自然对流放热率，如矩形母线的长边垂直布置比水

19、平布置的自然对流放热率高。（3）裸导体表面涂漆和采用新型绝缘护套：导体表面涂漆，可以提高辐射散热能力，故屋中配电装置母线涂漆；工程中尽量采用允许温升幅度大，介质损耗小和散热系数大的绝缘护套，提高其散热能力。减小绝缘和护套的厚度，加快电缆的散热速率。4.实际工程中导线电缆载流量的确定及选择导线电缆允许载流量的选择的基本原则是：IuxIj。Iux导线电缆允许载流量; Ij-计算负荷。在工程设计中，为了满足发展的需要，要有一定的安全余量即一般情况下Iux要小于Ij。而具体安全余量的取值应依据当地经济和人民对电的消费水平的发展状况，建筑的使用性质，电气线路的设计年限等因素综合考虑决定。在电气工程设计中

20、，电缆载流量计算公式由于理论和参数选择已经过长期的验证，相当准确只要参数选择适当，一般不必通过试验验证，只需查表确定。然而对于新结构新材料的电缆或敷设在特殊环境条件下的电缆都需要进行试验。在运用公式（5）进行计算时应特别注意的是，对参数的选择。像电阻率及温度系数、绝缘材料的热阻系数等是国际上同意的或是在实际使用中通常被认可的参数，是静态变量一般不随使用环境不同发生大的变化，可直接拿来为我所用。而对于如环境温度和土壤热阻系数等与电缆运行有关的参数，则须根据施工条件具体测定，否则直接选用国际推荐的参数将造成较大误差。据有关资料计算：用IEC 提供的参数计算的载流量将比根据我国给定的参数所得计算值增

21、加20 %左右。下面给出几种国家规范或标准在其规定条件下的导线电缆允许载流量：4.1.矿用橡套软电缆在空气中敷设时的允许载流量国家标准GB1170给出了适用与矿山移动电气设备及采掘机械配套用铜芯绝缘橡皮护套UZ、U、UP、UC、UCP型号的软电缆的规格和技术要求。标准具体规定了各种型号电缆的电压等级，主线芯截面、主线芯、控制线芯的芯数；各种型号电缆的线芯乘以截面，线芯结构，绝缘标称厚度，护套标称厚度，电缆外径，主线芯直流电阻等参数。各型号电缆导电线芯的长期允许工作温度为65。考虑上述参数，标准给出了主线芯界面和载流量的关系表（详见国家标准GB1170）。该表的环境温度取为+25，温度不同时按标

22、准给定的校正系数进行校正。4.2.断续和短时负载下的绝缘电缆允许载流量国家标准GBJ55对断续和短时工作的电动机的供电导线和电缆的允许载流量规定了校正系数。在电气工程设计其它的断续和短时负载下导线和电缆的允许载流量的选择可参考该标准。校正系数计算式如下：断续负载下的校正系数： 短时负载下的校正系数： T全周期系数，它等于每周期工作时间和停止时间； t短时工作时间，min；负载持续率，它等于每周期工作时间与全周期时间的百分率； 绝缘导线或电缆的发热时间常数，min，其确定与导线截面，电线电缆的敷设条件，电线的根数或电缆的芯数直接有关。其值详见国家标准GBJ55。4.3、 建筑设施内的电缆持续载流

23、量建筑物中电缆的载量IEC-364-5-523标准给出了在不同的敷设方式和绝缘类型条件下，对应的载流量数值表及相应的环境温度系数表、多回路成组敷设校正系数表。具体值详见国家标准IEC-364-5-523。4.4在查表时确定载流量时应注意：（1）空气敷设载流量表是以环境温度30为标准；埋地敷设时环境温度为25、土壤热阻系数1.2m/W为基准；当环境温度不同时应按下面公式进行校正： ，式中：n电线、电缆线芯允许长期工作温度，（详见电缆产品标准或产品说明）；a敷设处的环境温度，；c已知载流量数据的对应温度。（2）环境温度采用辐射地点最热月平均最高温度。（3）穿电线的铁管或塑料管多根并列时，由于电流的

24、集肤效应和邻近效应使允许载流量有所减少，应乘以校正系数Kg。有关资料提供的校正系数如下：24根时取0.95；多于4根取0.90。备用及正常情况下载流量很小时不校正（包括中性线）。多线共管时，电线同时100负载58根修正系数取0.6；912根时取0.45。（4）多根并列在空气中明敷和埋地敷设时的修正系数详见民用建筑电气设计手册。5.结论5.1 绝缘允许极限温度是影响载流量的主要因素,提高其允许温度是提高载流量的有效途径。如我国规定输电线路导线温度为70 ,而国际上大多数国家规定导线温度在80 及以上。当导线温度从70 提高到80 ,载流量可提高24 %27 % 。即输送容量不变,所需截面至少可降

25、低一档，节省大量资金。5.2对于一般的电气工程，可直接查阅有关规范确定和选择载流量，必要时根据提供的校正系数进行修正。对于重要工程及特殊应用条件需要根据公式（5）计算。计算载流量的环境条件,我国与IEC 推荐的计算参数不尽一致,用IEC 参数计算载流量将增加20 %左右,值得我们进一步做工作,以得到符合国情的合理的计算参数。5.3确定选择载流量时，要根据实际留出一定安全余量，以满足发展的需要。参考资料：【1】 陈南 电气防火安全技术 内蒙古人民出版社.1998 【2】 李世林 电气安全技术手册 中国计量出版社.1995 【3】 赵德威、马国栋 论电气消防安全检测的方法,消防科学与技术,2001年第01期【4】 叶鸿明 高压输电线路导线载流量计算的探讨，电力 发展，2000年第12期【5】 戴瑜兴 民用建筑电气设计手册，中国建筑工业出版社.1999【6】史传卿 电缆的结构和特性，供用电，2001年第3期致 谢本文在撰写过程中得到了卫耀明老师的悉心指导，同时也得到了蒋慧玲老师的极大帮助，在此表示衷心的感谢！ 笔者由于能力有限，不当之处在所难免，敬请批评指正。 第 15 页 共 15 页