淺析美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下電纜選型設(shè)計(jì)

張鵬迪，劉森，張艷梅，徐自強(qiáng)

1 前言

近年來，隨著公司在北美及中南美洲項(xiàng)目的逐步開展，基于美國(guó)電氣標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范（以下簡(jiǎn)稱“美標(biāo)”）的項(xiàng)目投標(biāo)和執(zhí)行也逐漸增多。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中，電壓等級(jí)、頻率、接地形式、線規(guī)等與IEC標(biāo)準(zhǔn)和中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)都不盡相同，造成產(chǎn)品的規(guī)格、參數(shù)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)等也有很大差異。因此，項(xiàng)目電氣設(shè)計(jì)在執(zhí)行美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)前，需要對(duì)美國(guó)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)和安全標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行詳盡的了解。

應(yīng)用最為廣泛的美國(guó)電氣標(biāo)準(zhǔn)是由美國(guó)國(guó)家防火協(xié)會(huì)（NFPA）所制訂的NEC-NFPA70《美國(guó)電氣安裝規(guī)范》；另外，美國(guó)電氣設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)大多要求設(shè)備帶UL認(rèn)證。基于此，本文將介紹符合美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的常用電纜選型設(shè)計(jì)思路，以供廣大設(shè)計(jì)者在執(zhí)行美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目中參考。

2 AWG線規(guī)

IEC標(biāo)準(zhǔn)、中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)以及其他一些國(guó)家的電氣標(biāo)準(zhǔn)采用公制的mm2來表示導(dǎo)體的截面大小，而美標(biāo)中導(dǎo)線規(guī)格采用AWG（美國(guó)線規(guī)號(hào)）和MCM（千圓密爾）兩種表示方式，“中小截面導(dǎo)線（≤107.2mm2）用 AWG，大截面導(dǎo)線（≥126.7mm2）用MCM”。

美國(guó)AWG線規(guī)是一種反向線規(guī)，即AWG值越大，導(dǎo)體的截面積越小。導(dǎo)線截面積從小到大，線規(guī)號(hào)依次為28、27、26、······、3、2、1（常用規(guī)格為18號(hào)以下的偶數(shù)號(hào)），再大就是0、00、000、0000（表示為1/0、2/0、3/0、4/0）。AWG是一個(gè)關(guān)于導(dǎo)體直徑（與絕緣層厚度無關(guān)）的函數(shù)，假設(shè)導(dǎo)體直徑為A（單位為英寸），則AWG=-19.931 568 57×lg（A）-9.737 24，計(jì)算結(jié)果取整即為對(duì)應(yīng)的AWG號(hào)數(shù)。

美標(biāo)中還習(xí)慣用mil（密爾）為單位（1mil=0.001in=0.025 4mm）表示導(dǎo)線線芯的直徑d，導(dǎo)線截面積用d2表示，其單位為CM（圓密爾）或MCM（千圓密爾），1CM=0.000 506 7mm2、1MCM=0.506 7mm2。MCM表示的常見導(dǎo)線規(guī)格從小到大依次為250、300、350、······、1 500、1 750、2 000 MCM。表1列出了一些常用的線材線規(guī)對(duì)照值供參考。

3 電纜材料及截面積選擇

美標(biāo)中電線電纜用的導(dǎo)體有銅、銅合金、銅包鋼、鍍層銅（鍍錫、鍍鎳、鍍銀等）、鋁、鋁合金和鋁包鋼等多種。多數(shù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)中采用銅芯電纜，但如果業(yè)主要求降低電纜成本，也可采用鋁芯或銅包鋁芯電纜。美標(biāo)電線電纜用導(dǎo)體結(jié)構(gòu)按產(chǎn)品用途細(xì)分為AA類、A類、B類、······、V類多種，在UL1581-1997等專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)導(dǎo)體有相應(yīng)的規(guī)定，具體可查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

美標(biāo)中電纜截面積等于AWG線號(hào)對(duì)應(yīng)截面積與芯數(shù)之積。電纜截面選擇需考慮的因素很多，如電壓等級(jí)、導(dǎo)體及絕緣材質(zhì)、環(huán)境溫度變化、電纜敷設(shè)及排列方式等都對(duì)電纜的允許載流量有影響。目前設(shè)計(jì)中，電纜截面主要還是按照長(zhǎng)期允許載流量進(jìn)行選擇，再根據(jù)網(wǎng)絡(luò)允許電壓降來進(jìn)行校驗(yàn)。如果壓降過大，則要增大電纜截面以減小電壓降。表2所示為在環(huán)境溫度為40℃時(shí)，單芯裸銅導(dǎo)體在不同電壓等級(jí)、導(dǎo)體溫度90℃和105℃時(shí)的載流量大小，更多導(dǎo)體載流量速查表詳見“NEC-NFPA70-ARTICLE310”。

如為多芯電纜，電纜載流量使用校正比例如表3所示。

表1 常用線材線規(guī)對(duì)照表[1]

表2 不同電壓及導(dǎo)體溫度條件下單芯銅導(dǎo)線載流量參照表[2]（環(huán)境溫度40℃）

表3 多芯電纜載流量校正系數(shù)參照表[2]

4 UL電線電纜標(biāo)志及選型

UL是美國(guó)保險(xiǎn)商試驗(yàn)室（Underwriter Laborato?ries Inc.）的簡(jiǎn)寫，是美國(guó)最權(quán)威、也是世界上從事安全試驗(yàn)和鑒定的較大的民間機(jī)構(gòu)，主要關(guān)注工業(yè)民用領(lǐng)域的消防安全。一般來說，ANSI市場(chǎng)只接受UL對(duì)于電纜及設(shè)備的認(rèn)證，不接受其他第三方實(shí)驗(yàn)室的認(rèn)證。

美標(biāo)電線電纜分為很多型號(hào)，每個(gè)型號(hào)所對(duì)應(yīng)的UL線規(guī)不盡相同，且每種型號(hào)又可細(xì)分為許多子型號(hào)。一般情況下，UL電線電纜型號(hào)用英文名稱的每個(gè)單詞第一個(gè)字母組合而成，由導(dǎo)體材料、電纜結(jié)構(gòu)、絕緣或護(hù)套材料、耐溫等級(jí)、燃燒特性、耐潮、耐油、耐光等各種特性英文單詞首字母組合而成。因此，UL電線電纜的型號(hào)比較復(fù)雜，電纜選型要根據(jù)具體的應(yīng)用特性、場(chǎng)合等查閱相應(yīng)的UL標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)，通常美標(biāo)電線電纜對(duì)應(yīng)UL1582標(biāo)準(zhǔn)。另外，UL還有一個(gè)技術(shù)規(guī)范“Subject-758”，這個(gè)規(guī)范中電線電纜沒有型號(hào)，只用一個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字代碼表示不同用途。

美標(biāo)中根據(jù)電纜用途、絕緣類型、電纜結(jié)構(gòu)特征以及溫度等級(jí)等建立了一個(gè)詳細(xì)的編碼系統(tǒng)，對(duì)于常用的電纜類型，如交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜、鎧裝電力電纜、變頻電力電纜、控制電纜、計(jì)算機(jī)屏蔽電纜、補(bǔ)償導(dǎo)線、阻燃電纜等都有涵蓋，并且劃分更為詳細(xì)。美標(biāo)電纜選型設(shè)計(jì)時(shí)，首先要明確電纜用途，確定是用做電源線、電子線還是信號(hào)線；其次確定電纜使用條件及其配套設(shè)備，確定是直埋還是架空、是否變頻、是否需要信號(hào)屏蔽等；最后，考慮該電纜的應(yīng)用特性，如耐火、耐油、耐溫等級(jí)等。具體電纜選型時(shí)，還需要根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目情況選擇相應(yīng)的UL產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)語

美標(biāo)電氣規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)與IEC標(biāo)準(zhǔn)及中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)差異較大，美標(biāo)重視產(chǎn)品的材料及質(zhì)量檢驗(yàn)，在電氣安全和人員防護(hù)等方面尤為重視。另外，美國(guó)幾大專業(yè)協(xié)會(huì)制定的標(biāo)準(zhǔn)各有差異，不同的州對(duì)產(chǎn)品的要求也有所不同。具體到美標(biāo)電纜選型應(yīng)用，筆者認(rèn)為可以在總結(jié)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上，與美標(biāo)電纜規(guī)范進(jìn)行橫向比較，對(duì)一些常規(guī)參數(shù)進(jìn)行比較替換，就能將美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)很好地應(yīng)用于實(shí)際工作中。■