探討配電電纜截面選擇

廣東省建筑設計研究院有限公司 譚陽勤

配電電纜是建筑電氣工程的重要部分，占有建筑電氣工程投資的重大比例。怎么合理選擇配電電纜是值得每一位電氣設計者探討的問題。配電電纜的選擇包括導體材質、絕緣水平、絕緣類型、護層類型、電纜芯數、電纜截面等的選擇。配電電纜截面選擇過小、電壓損失會增大，導致末端電壓偏差超過允許值；且配電電纜選擇過小會引起電纜發熱，引發火災安全事故。配電電纜截面選擇過大缺點很明顯，會造成經濟損失。電線、電纜截面選擇主要從幾方面考慮：按溫升選擇；按經濟條件選擇；按短路熱穩定選擇；按線路電壓降允許范圍選擇；按機械強度選擇。

1 按溫升選擇電線電纜

1.1 導體載流量應大于持續工作電流

根據《電力工程電纜設計標準》GB50217-2018（簡稱《電纜標準》）第3.6.2條，10kV及以下常用電纜按100%持續工作電流確定電纜導體允許最小截面時，應符合本標準附錄C和附錄D的規定，其載流量應考慮敷設方式的影響，并按照下列主要使用條件差異影響計入校正系數：環境溫度的差異；直埋敷設時土壤熱阻系數差異；電纜多根并列的影響；戶外架空敷設無遮陽時的日照影響。

電纜的載流量應大于設計的計算電流：IZ≥IB，式中IZ為導體允許持續載流量，A；IB為回路計算電流，A。電纜允許持續載流量并不等于《電纜標準》附錄C中的持續載流量，需對附錄C中的電纜持續載流量進行環境校正：IZ=It×CwCtCdCq1Cq2CyChCz，式中It為《電纜標準》附錄C中電纜持續載流量，A；Cw為環境溫度校正系數；Ct為土壤熱阻校正系數；Cd為土壤多根電纜校正系數；Cq1為空氣中單層多根電纜校正系數；Cq2為電纜橋架上無間距多層電纜校正系數；Cy為電纜戶外明敷無遮陽時校正系數；Ch為諧波電流校正系數；Cz為《電纜標準》附錄C表中電纜為鋁芯電纜時銅芯電纜持續載流量系數，取1.29。

1.2 校正系數

校正系數的取值可參考《電纜標準》附錄D，本文不進行累贅介紹，對幾個關鍵點進行闡述。

1.2.1 不同環境溫度時載流量校正系數k

在《低壓電氣裝置第5-52部分電氣設備的選擇和安裝 布線系統》GB/T16895.6-2014/IEC60364-5-52:29（簡稱《IEC 5-52布線系統》）中電纜載流量參考的基準溫度，空氣中為30℃，土壤中為20℃。在《工業與民用供配電設計手冊第四版》（簡稱《配四》）中第9.3節電纜載流量參考的基準溫度，空氣中為30℃，土壤中為20℃。《配四》中電纜載流量與《IEC 5-52布線系統》相對應，而與《電纜標準》中有所不同。因此在考慮溫度校正系數時需注意，不同基準值時需查相對應標準規范中的電纜載流量，不可將規范、標準、手冊混合查閱取值。

1.2.2 不同土壤熱阻系數時載流量校正系數

《電纜標準》表D.0.3中土壤熱阻系數為1.2K·m/W時，校正系數取1.00，即為基準校正系數，并且該表底注2對校正系數進行說明：校正系數僅適用于本標準附錄C表中C.0.1-2采取土壤熱阻系數為1.2K·m/W的情況下，不適用于三相交流系統的高壓單芯電纜。那么《電纜標準》表D.0.3是否真僅適用于附錄C中表C.0.1-2呢？附錄C中表C.0.1-4，附錄C表C.0.2，附錄C表C.0.3是否同樣能結合附錄D表D.03確定土壤校正系數？

《電纜標準》附錄C中表C.0.1-2與附錄D中表D.0.3的基準土壤熱阻系數為1.2K·m/W，基準熱阻校正系數為1，所以附錄C中表C.0.1-2的電纜載流量可直接用附錄C中表C.0.1-2校正系數修改。而附錄C中表C.0.1-4、附錄C表C.0.2、附錄C表C.0.3中基準土壤熱阻系數為2K·m/W，不可以直接套用附錄D中表D.0.3的校正系數修正電纜載流量，需對附錄D中表D.0.3中的校正系數進行二次修正：，式中Ct為土壤熱阻校正系數；C1為根據土壤分類特性，查《電纜標準》表D.0.3中的校正系數；C2為查《電纜標準》表D.0.3中土壤熱阻系數為2K/W時的校正系數，即0.87。

綜上所述，《電纜標準》表D.0.3中的電纜載流量校正系數同樣適用于附錄C中表C.0.1-4，附錄C表C.0.2、附錄C表C.0.3在查閱此校正系數時需進行二次修正。

1.2.3 諧波校正系數Ch

《電纜標準》中并未提及諧波校正系數，因為當線路中存在諧波時，諧波電流對相導體的選擇影響較小。，IB為回路基波電流方均根值，A；Il為回路中含有諧波電流方均根值，A；Ih為回路中諧波電流含有量，A。則可得諧波電流校正系數：

當三次諧波在33%以下時，Ch＞0.95，所以諧波電流對相導體選擇的影響較小，可以忽略。但在三相平衡系統中對中性線導體卻有明顯的影響，尤其是三次諧波電流，根據《低壓配電設計規范》GB50054-2011（簡稱《低規》）中第3.2.9條表3.2.9中的要求，對中性導體及保護接地的中性導體選擇做出了一些規定。

《低規》）中表3.2.9電纜載流量的降低系數規定，相電流中三次諧波分量（%）在0～15及＞15且≤33時按相電流選擇截面降低系數，分別為1.0、0.86；相電流中三次諧波分量（%）在＞33且≤45及＞45時按中性導體電流選擇截面降低系數，分別為0.86、1。可知當三次諧波電流超過33%時，其引起的中性線導體電流超過基波的相電流，此時應按中性導體電流選擇導體截面。

2 按經濟條件選擇電線電纜

經濟條件選擇電纜的本質是按電纜導體壽命期內的總費用（初始投資與線路損耗費用之和）CT最少的原則選擇。基于總擁有費用法的概念，國際電工委員會（IEC）給出了兩種電纜截面經濟選型的實用方法：計算電纜標稱截面積的經濟電流范圍方法和計算電纜的經濟電流密度的方法。

2.1 經濟電流范圍

在一定的敷設條件下，每一線芯導體截面都有一個經濟電流范圍：

式中Iec1為經濟電流下限值，A；Iec2為經濟電流上限值，A；CI為某一截面電纜的總投資，元；CI1為比CI小一級截面電纜的總投資，元；CI2為比CI大一級截面電纜的總投資，元；F為等效損耗費用系數，元/kW；L為電纜長度，km；R、R1、R2為分別為CI、CI1、CI2對應截面電纜單位長度的交流電阻，Ω/km。上式中經濟電流范圍的上限值通過《配四》表16.4-1、表16.4-2、表16.4-3查閱可得，在電流相關的兩個截面中選擇大值。

2.2 經濟電流密度

電纜的經濟電流密度，是指使用電纜總成本為最小的電纜截面所對應的工作電流密度。用此法選擇電纜截面積，首先求出電纜的經濟電流密度，然后利用最大負荷電流除以經濟電流密度求得最佳經濟截面，并取臨近的兩個電纜標稱截面中的一個：j=Imax/Sec，式中Imax為流過電纜的最大負荷電流，A；j為電流經濟電流密度A/mm2；Sec為電纜最佳經濟截面，mm2。

設計中比較關注的是電纜最佳經濟截面Sec，要得到最佳經濟截面就需要知道另外兩個參數Imax和j，Imax工程中可通過設備參數求得，而j相關的參數求得過程比較復雜，為使用方便把電流經濟密度做成曲線以便查閱，具體可查閱《配四》圖16.4-2和圖16.4-3或查閱《電纜標準》圖B.0.2-1至圖B.0.2-12。

按經濟電流選擇電纜截面有兩點需要注意：當電纜經濟電流截面介于電纜標稱截面檔次間時，可視其接近程度選擇較接近一檔截面，這與熱穩定、允許電壓降、持續載流量要求選擇截面有所不同。比如通過計算得電纜經濟電纜截面為100mm2，那么可選擇截面95mm2電纜、而非120mm2；對于備用回路的電纜、如備用的電動機回路等，根據其運行情況對其運行小時數進行折算后選擇電纜截面。對一些長期不使用的回路，不按經濟電流密度選擇截面。

3 選擇電線電纜

3.1 按短路熱穩定選擇電線電纜

短路過程中，因大電流導致電纜發熱，合理地選擇電纜截面能保證電纜在保護電器跳閘或熔斷前不至于被燒斷。高壓電纜、低壓電纜選擇時都需進行熱穩定校驗，根據《電纜標準》附錄E得：，Q=I2(t+Tb)，式中S為電纜導體截面（mm2），Q為短路電流的熱效應、KA2·A，C為熱穩定系數；I為系統電源供給短路電流的周期分量起始有效值（A），t為短路電流持續時間（s），Tb為系統電源非周期分量的衰減時間常數（s）。式中短路電流持續時間t可通過保護電器產品獲得，遠程短路時可忽略Tb的影響。電纜的熱穩定系數C可通過表1得到。

表1 電纜的熱穩定系數

表1中需注意的是，在一般情況下可按正常運行時導體的長期允許工作溫度選擇電纜外護套材料，避免電纜外護套材料對導體的長期允許工作溫度的影響。例如，導體最高工作溫度為80℃時，可選用ST1型聚氯乙烯外護套；導體最高工作溫度為90℃時，可選用ST2型聚氯乙烯外護套或ST7型聚氯乙烯外護套。

3.2 按線路電壓降允許范圍選擇電纜

電纜敷設較長時電壓壓降明顯，根據GB50052-2009《供配電系統設計規范》，用電設備端子的電壓偏差允許值為：電動機5%～-5%；其他用電設備（當無特殊規定時）5%～-5%；一般工作場所5%～-5%，遠離變電站的小面積一般工作場所及應急照明、道路照明、警衛照明與用安全特低壓供電的照明均為5%～-10%，照明電壓偏差允許值空缺。

以上照明部分的數據同時結合了GB50034-2013《建筑照明設計標準》以及CJJ45-2015《城市道路照明設計標準》中的規定；電動機部分的數據結合了GB755-2008《旋轉電機定額和性能》的規定。合理地選擇電纜以滿足電壓降要求，《配四》表9.4-3中列舉了各種情況的線路電壓降計算公式，其中列舉兩種比較常用的計算公式。

3.3 按機械強度選擇電纜

除按上述要求選擇電纜截面外，電纜截面選擇還需滿足機械強度的要求，以防電纜敷設過程中被拉扯斷。交流回路的相導體和直流回路中帶電導體的截面不應小于以下要求：裸導體敷設在絕緣子上時，銅導體、鋁導體最小截面積（mm2）分別為10、16；絕緣導體敷設在絕緣子上時，絕緣子支撐點間距L（m）分別為L≤2、2＜L≤6、6＜L≤16、16＜L≤25時銅導體、鋁導體最小截面積（mm2）分別為10/16、1.5/10、2.5/10、4/10、6/10；穿導管敷設或在槽盒中敷設時，銅導體、鋁導體最小截面積（mm2）分別為1.5、10。

4 計算示例

某車間采用低壓三相供電，線路長度L=50m，允許電壓降5%，保護裝置0.4s內可切斷短路器故障，最大短路電流Ik=6.8KA。系統采用銅芯交聯聚氯乙烯電力電纜直埋敷設，埋深處最熱月平均地溫30℃，土壤熱阻系數3.0K·m/W，電纜導體最高溫度90℃，電纜經濟電流密度2.0A/mm2,熱穩定系數為137，設備功率28kW，功率因素取0.8，計算電流53.2A。

導體載流量應大于持續工作電流：根據《電纜標準》表C.0.1-4、表D.0.1、表D.0.3得溫度校正系數Cw=0.96，土壤校正系數Ct=0.75/ 0.87=0.86。則擬選25mm2時。電纜實際載流量90×0.94×0.86=74.3滿足要求；按經濟電流密度選擇電纜截面：，電纜截面選擇25mm2；按熱穩定選擇電纜截面：，電纜截面選擇35mm2；按允許電壓降選擇電纜截面：擬選用截面35mm2電纜，電壓損失百分數0.5%（kW·km），檢驗電壓降是否滿足要求。Δu=P×l×Δup=28×0.05×0.5%=0.7%，滿足電壓偏差允許值。

綜上所述，最終電纜截面選擇35mm2。

總之，電纜截面的選擇需滿足溫升條件、經濟條件、熱穩定校驗、電壓降允許范圍、機械強度要求，根據各種條件選擇電纜截面，將其中最大截面作為最終結果。此外還需根據某些特殊環境選擇電纜截面，如爆炸性環境、直流供電、400Hz頻率供電等，本文不再介紹。