电力电缆载流量计算的研究与发展

武汉第二电线电缆有限公司 邓鹏飞

电缆的载流量是指电缆在传输电力时通过的电流量。最大载流量应在研究范围内，能满足试验电流中导体工作温度允许值的要求，且不能超过绝缘发热的寿命。相应地，需要严格控制温度，让导体的值来控制，建立科学的控制和限定，如果电流额定值小于截止数据，则不能保证选用合适的电缆型号，从而造成投资浪费，电力线路时间长，分布广、环境多变，以及不同进程对当前载体的影响更大。

1 电线、电缆、电缆载流量的概念

电线：大部分产品只是金属导体，导体外包一层绝缘层（如棉线编织层、玻璃纤维编织层、塑料、橡胶等），结构简单，外径相对较小，工作电压和电流绝缘的电线，称为电线。

电缆：现有的导体（线芯）和抵抗电流的绝缘层，以及包覆在绝缘层上的保护层，防止绝缘材料受潮和损坏，从而保持绝缘性能。长期允许（防止拉紧）电压等级稍高的电缆在导体和绝缘层外有一层由半导体或金属材料制成的屏蔽层。

电缆载流量：电缆载流量是指电缆在传输电力时通过的电流量。在热稳定性方面，电缆导体达到长期贮存工作温度时的电缆载流量称为线路的长期馈电载流量。

2 常用电线、电缆型号选择

2.1 以下方面应选用铜芯电缆或电线

第一，运行时需保证线路、一次、二次负荷的接通；第二，住宅楼、幼儿园、卫生院饮水、医院等用电设备配电；第三，爆炸、火灾、潮湿、腐蚀、与移动设备的连接；第四，监测和控制电路；第五，包括保护电缆在内的应急程序；第六，室外电源线。常用电线电缆的规格见表1。

表1 常用选择电线电缆的规格

2.2 选择电源线的芯数和线数

三相回路电力电缆线数的选择：第一，1kV及以下TN-C 系统必须使用4芯电缆或4线；第二，1kV 及以下TN-S 系统必须使用5芯电缆或5核心。单相电路中电力电缆芯数和芯数的选择：第一，1kV 及以下TN-C 系统单相电路宜采用2芯电缆或2线；第二，1kV 及以下TN-S 系统宜选用3芯电缆或3线。

2.3 电线电缆截面选择

不要因长期负载电流使导线过热，以免造成绝缘损坏或短路等事故；线路上的电压降不能太大，电力线路，电压降通常不能超过额定电压的10%，确保满足用户的生产和生活用电需求。电线电缆的截面选择步骤：第一，对于距离L ≤200m 的小功率输电线路，通常根据加热过程的计算选择钢截面，然后用参数检查是否有负电和耗电量；第二，对于长度L＞200m 的电气设备，通常按允许电损耗的计算方法选择截面，然后与热源和电源进行校核。

3 电力电缆的载流量

3.1 电缆的长期允许载流量

电缆的长期允许载流量是指电缆通过电流并达到热稳定后，导体温度仅上升到长期允许工作温度时的电流值。主要决定因素：电缆的长期允许工作温度；电缆本身的散热性能；电缆安装的状况及其周围的空调安装情况。

不同的电缆和绝缘类型具有不同的工作温度。电缆绝缘层的热膨胀导致保护层过大，会使电缆中出现空气，这些空气按电场次序释放，最终导致绝缘破坏。电缆的电压越高，空气温差的影响越重要，允许的工作温度越低；无油电缆不产生气隙，最高允许工作温度高；PVC 结构中存在极性基团，当温度较低时，介质的介电强度会因电导迅速增加而降低，因此其最高使用温度较低。

一般情况下，根据长期允许承载电流选择截面线，然后对3kV 以下的低压线路进行压降检查，对3kV 以上的电缆进行短路时的热稳定性检查。

3.2 电力电缆载流量影响因素

根据热力方程求出载流量的计算公式：

式中，θc表示导体允许最高工作温度；θa表示周围媒质温度；Wi表示介质损耗；λ1、λ2分别为金属屏蔽和铠装层损耗因数；Tl、T2、T3、T4分别为单位长度电缆绝缘层、内衬层、外披层、周围媒质热阻；Rc表示导体的交流电阻。

3.2.1 损耗的影响

以一单芯电缆为例，并且仅分析线芯至金属屏蔽层部分，传输功率为：

由上式可知，电缆的传输容量与线芯半径的3/2次方成正比，与材料电阻率强度的1/2成反比。金属芯采用高导电材料，可以提高电缆的传输性能，使木头穿过金属芯。但是，随着线芯直径的增加，电缆的体积也会随之增加。成本增加，生产和交付的复杂性增加。而且皮肤的效果也会增加。因此，对于截面在800mm2～1000mm2之间的导体，必须使用隔离导体的工艺来克服集肤效应引起的电阻增加。一般来说，电流应该在2.5A/mm2的业务电流密度[1]。

3.2.2 绝缘层

优选耐热性和绝缘性强的电缆材料，提高电缆的绝缘层的耐热性和最大工作强度（Emax），使得电缆绝缘层的热阻提高，并保证电缆的传输性能稳定可靠，换句话说，如果能找到工作强度高、能在较高温度下工作、热系数小的新型绝缘材料，则可以改进传输电缆的维修和电子设备的尺寸。改善电缆的电性能（曲率等）对于10kV 以下的低压系统，介质损耗占很小的一部分，可以忽略不计。但随着电压等级的升高，介电损耗与电压的平方有关，所以其电阻会随着电压的升高而增大，并引起介电损耗的较大变化。因此，应严格限制使用高压和特高压电力电缆。

3.2.3 敷设条件的影响

目前，电缆敷设方式较多，包括直埋、穿管和风敷。由于不同电缆之间存在差异，电缆载流量的影响也不同，虽然电缆在管内敷设的距离有所增加，但载流量仍低于直埋，约为直埋7%输电载流量的93%。潜在地，电力传输电缆已成为整个电缆线路承载能力的障碍，限制了感染的可能性。

随着电缆埋深的增加，电缆的承载能力明显下降，传输容量也相应下降。为了满足要求的传输容量，电缆必须按照制造商要求的深度敷设，如果敷设太深，载流量下降会很大，敷设太浅则不能承受重压。

3.2.4 热阻的影响

开始测量电缆载流量时，如果土壤异常或混有导热性能较差的物质（如粉煤灰、碎石），可采用1.2K·m/W 计算出土壤的热阻率。考虑到土壤的热阻率随季节变化，这对于我国南方和沿海等地下水随季节变化的地区非常重要，因为热阻率受水分的影响很大土壤中的含量，土壤热电阻率的量度应显示时间测量期间的土壤水分含量。

考虑土壤中水的运动也很重要。国内外房地产实践表明，电缆线芯温度在70℃以上直埋电缆敷设一段时间后，当电缆表皮温度达到50℃时，电缆附近的水分会逐渐移动干燥，造成热阻增加，出现电缆线芯运行温度超过额定值的恶性循环，导致绝缘速度加快，最后引起绝缘击穿[2]热阻也会对载流量产生影响，土壤热阻系数越高，就说明散热性越差，那么电缆载流量就会越小，各种土壤特的土壤热阻系数及载流量的校正系数见表2。

表2 各种土壤特的土壤热阻系数及载流量的校正系数

计算载流量时必须留有余量；如果不能接受载流量的降低，可以使用替换土，用小而稳定的回填土代替电缆周围的“干”土，选择合适的砂和水泥混合物作为回填土的比例。在工程应用中发现，土壤的热阻率稳定，即使在干燥状态下，其热阻率也能保持在1.2K·m/W。

4 选择电缆截面

本着满足电缆敷设时间要求的原则，兼顾我国电缆行业发展的要求，即芯线由铝改铜，绝缘层也应改变。橡塑浸油材料，金属护套由铝改铅，外护套由铝改，生产橡塑护套或制作多层护套。

第一，柴油机房、空压机房、缎面车间等振动大、移动机械的供电。必须使用铜芯电缆；对于其他地区，应首先考虑铝芯电缆。第二，对于地下直埋电缆，当电缆需要穿过铁路、公路、桥梁、隧道等可能损坏一些地方时，一般应采用塑料护套电缆。应选用带钢带铠装的电缆，并做好穿管等防护措施。第三，大型调度中心、通信中心、计算机中心停车场等重要部门在室内、夹层或易燃易爆场所敷设的电力电缆，必须选用阻燃或难燃电缆。第四，电力电缆穿过有化学腐蚀和直流漏电的区域时，应选用塑料材质或裸露保鲜膜电缆。第五，在沼泽地、水中或垂直敷设的抗拉的电缆，必须选用能承受拉力的全钢铠装电缆。但是，在通过小溪流时，可以使用带有装置和外部屏蔽的电线。第六，当整条电缆线周围有很多不同的介质时，应按最负的来选择电缆结构[3]。

例如，变电站有100m 长的供电本体线，供电类型为本体，380V 电机接24台三相异步电机，10kW 电机20台，4.5kW 电机4台环境敷设地温度25℃，主线绝缘外露，每台电机负载系数KX=0.35，平均功率因数cosφ=0.7。尽量选择主干线的交叉点，因为负载的性质是低压耗电，负载大，而且线路不长，只有100m，所以首选全线。主线路中用电设备功率按用电设备分类：

视在总计算负荷：

总计算负荷电流为：

所选截面的允许载流量IZ应满足：IZ≥IC＝165.6A ，选择截面为35mm2的铜芯塑料线，其导线允许载流量为170A ＞165.6A，满足要求。

5 电缆载流量优化方法

第一，合理控制介质损耗量；第二，直埋电缆载流量实现优化；第三，针对电缆沟电缆载流量进行合理的优化；第四，隧道电缆载流量的优化；第五，埋管电缆载流量的优化。

6 结语

根据影响载流量的主要因素，结合电缆敷设条件和环境，提出通过以下措施提高载流量：降低介质损耗；直埋放置时，通过优化层距或记录高导热系数的土壤回填土；铺设电缆沟时，通过测量适当的通风或用导热系数回填土壤；放置隧道时，优化布局，加强通风；敷设埋地管道时，用外导热管代替回土。在电缆的承载能力中增加中间的热阻对于提高电缆的使用成本和保证电缆的运行安全具有重要意义。