低压电缆截面积选择分析

摘  要：为解决低压配电系统中电缆截面积选择不合理可能导致的安全隐患与经济浪费问题，本文对电缆截面积选取的基本原则、载流量校正、电压降校验及短路校验等方面进行了研究，提出基于温升、压降、故障特性及特殊工况的综合选型方法，以期为相关电气设计人员提供参考，提高电缆选型的安全性与经济性。

关键词：低压电缆；截面积；选择

一、截面积选取的基本原则

1. 温升

在电缆通电后，导体会出现温升。若截面积偏小，导体可能在正常负荷甚至过载与故障状态下达到或超过绝缘允许温度，给系统埋下隐患。选择截面积时，需要对相关标准中给出的绝缘材料允许温度和载流量表进行对照。对于不同绝缘材料（如交联聚乙烯、聚氯乙烯等），其最高允许温度各不相同，电缆工作环境温度也与导体温度极限存在差异。根据GB50217-2018及其他设计手册的推荐值，从而使运行温度维持在安全范围之内。

2. 压降

配电设计中，按电压降校验截面时，应使各种用电设备端电压符合电压偏差允许值。当供电距离较长或负荷电流较大时，线路末端电压会因线路阻抗而下降。如果压降明显超出标准或设备要求，便可能导致用电设备无法获得正常的工作电压。按照《工业与民用供配电手册》第四版（以下简称《配四》）以及GB50052、GB50054、GB50055等规范的相关限制，通常需要校对连续运行和启动过程中的压降值。

一旦在常规截面积满足载流量的基础上，出现末端电压不足现象，应考虑进一步增大截面积以减小线路阻抗，从而达到满足线路压降要求。对于应急照明、精密设备供电等对电压稳定度有较高要求的场合，线路压降甚至需要采取更严格的限制，不仅要校验压降，还要校验机械强度。

对于消防耐火电缆尤其要注意，因特殊时期，着火时电缆温度会急剧升高，从而导致电压降增大，应按最不利的原则来校验电压降。根据目前市面长电缆的质量，测算得出只需要将正常情况选择的电缆截面适当放大。一般会遵循以下原则：50mm2及以下截面，放大一级；70 mm2及以上截面，放大两级。

3. 故障及特殊要求

在故障状态下，电缆须经受短路电流或单相接地电流的冲击。若电缆热稳定性能不足，可能引起绝缘损坏或电气火灾等严重问题。此外，针对一些特殊应用环境（如含有大量谐波的工艺场所或机房场合、爆炸危险场合等），需要将各类特殊要求纳入截面积选用的综合考量。另有在《配四》16.4节和GB50217-2018附录B中提到的经济电流密度概念，从长远看有利于节能和降低运维成本，但其计算涉及较多因素，此处不再详细展开。

二、载流量的校正

1. 温度校正

不同环境温度会导致同规格电缆的散热条件存在差异。电缆在较高温度下运行时，温升会很快达到绝缘材料的温度上限，实际安全载流量会比额定值低。因此，应根据GB50217-2018表3.6.5的规定或相关数据，选择合理的环境温度并对载流量进行修正。

在校正过程中，常涉及两个温度参数：

①电缆导体的最高工作温度：由绝缘材料性能决定，一旦选择了相应的绝缘等级，就已基本固定。

②额定载流量的基准环境温度：用于说明标准表中载流量是在何种环境下测得。

不同规范或技术手册的基准环境温度可能并不相同，甚至在同一手册的不同数据表中，也会出现不一致。因此，务必先确认所依据的基准温度值，然后对照GB50217-2018附录表D.0.1查相应系数，或按照以下计算式确定温度校正系数KT：

其中：

θm——电缆导体最高工作温度（℃）；θ1——额定载流量的基准环境温度（℃）；θ2——实际环境温度（℃）。

2.敷设校正

敷设方式不同，电缆的散热环境就会不同，需要相应修正。尤其是成束电缆敷设时相互影响，或敷设于阻燃管道中时散热条件受限，都会降低单根电缆载流量。

（1）空气中敷设校正

当电缆在空气中以架空或电缆支架方式敷设，空气流通情况、太阳辐射、通风程度等都会影响其热量散发效果。若多条电缆并行或成层敷设，建议参照GB50217-2018或相关手册中电缆载流量的修正表，选出对应的校正系数。

（2）直埋敷设校正

电缆直埋敷设时，土壤热阻系数差异对电缆载流量影响显著。土壤条件并非恒定，干湿度、密实度及土壤热阻变化都会影响散热。若设计中无法确保理想土壤状况，可参考较为保守的土壤热阻系数进行修正，或者在特定区域采用良质回填并加装导热良好的沙层，以相应提高电缆的载流能力。此外，土壤中直埋多根并行敷设时也应按照相应的规范及手册，确定相应的电缆载流量校正系数。

三、电缆的电压降校验

当距离较长或负荷敏感度较高时，压降往往是选定截面积的限制条件之一。下面从连续运行、设备启动以及继电器回路等几个方面分别介绍电缆的压降验算方法。

1.连续工况的压降要求及计算

为保证末端用电设备能够得到符合额定范围的电压，设计时应对正常运行电压降进行核对。依据我国多项规范，可将末端电压偏差控制在一定比率内，具体允许值可参照相关标准。

在满足载流量的前提下，可根据《配四》表9.4-3中提供的公式，对三相平衡负荷、单相负荷及直流负荷的线路压降进行计算和对比。若针对应急照明中集中电源出线回路压降，还可按以下简化计算公式：

式中：u%为线路电压损失百分数（%），P为线路功率（W），L为线路长度（m），U为线路标称电压（V），S为导体截面积（mm2），ρθ为工作温度θ℃时导线电阻率（Ω⋅mm2/m）。

2.设备启动的压降要求与计算

配电系统中，电动机启动电流往往是额定电流的数倍。若此时线路压降过大，将导致配电母线或电动机端电压显著下降。用电设备端子电压偏差允许值可参照《配四》6.2.2.1。

但在实际设计中，当电动机容量占变压器容量比例较大且距离较远，容易令接触器线圈电压过低而无法动作。可依据《配四》表6.5-4公式，先行估算电动机端相对电压值ustM。若计算结果低于0.85（考虑继电器动作电压80%再加电源电压负偏差5%），就要采取增加电缆截面或使用降压启动、软启动等方式来减轻启动冲击。必要时，可在母线上增设无功补偿或采用变频器启动，以进一步缩小电压波动范围。

四、电缆的短路校验

1. 相导体的热稳定校验

三相短路会在导体上产生巨大的能量冲击。若电缆热稳定校验不足，瞬间高温可损坏导体和绝缘层。可根据《配四》5.6.2.4进行计算，电缆允许最小截面应按下列公式计算：

式中：Smin为电缆导体截面，Q为短路电流产生的热效应，C为导体热稳定系数。除发电厂3kV～10kV断路器馈线外的情况，Q值取I2t，其中I为短路电流，t为短路持续时间。当满足此关系式后，说明相导体在该短路条件下不致过热失效。

2. 保护导体的热稳定校验

保护导体（PE或PEN）也需承担部分故障电流，尤其在发生相线对外壳等接地故障时，保护线会成为故障电流路径。若其截面积太小，同样会在短时大电流冲击中温度骤升，危及系统接地完整性。同样也可根据《配四》5.6.2.4进行计算，选择合适的导体截面积，使其满足热稳定要求。

3.单相接地故障灵敏性校验

低压系统常见单相接地故障，如TN或TT接地形式下，需要使故障回路阻抗足够小，以便断路器或熔断器能够迅速动作。如果线路导体或保护导体的截面积不合适，故障电流难以达到保护动作门槛，造成隐患。设计阶段可结合整定计算，确认故障点短路电流在规定时间内能触发断路器或熔断器进行跳闸。

五、特殊情况及要求

1. 谐波影响

非线性负载（如变频器、UPS及精密电子设备等）普遍产生高次谐波，使中性线出现3次谐波电流的叠加。若中性线截面积过小，可能出现过热、线缆损坏等风险。

按照GB50054-2011《低压配电设计规范》表3.2.9的算法，可将谐波电流折算到等效电流，再选定开关与电缆规格。同时，为减少谐波对电网及其他设备的影响，可在配电箱附近配置滤波器或选择具有抑制谐波功能的电气设备。

2. 机械强度要求

电缆在运输、安装及运行中可能承受拉力、振动或局部冲击。若线芯截面过小，易在施工或后期维护中出现外观受损甚至断芯。基于此，许多规范在最小截面积上提出了限制：①按机械强度，穿管或槽盒敷设的绝缘导体：铜导体截面不得小于1.5mm²；铝导体则不小于10mm²。②PEN导体：铜芯不小于10mm²，铝芯不小于16mm²。③外置PE导体：若为铝芯，不小于16mm²；若为铜芯，在有机械保护时不小于2.5mm²，没保护时不小于4mm²。④多芯电力电缆：铜导体不低于2.5mm²，铝导体不低于4mm²。这些规则为电缆抵御一定程度的外力与拉伸提供了保证。

3. 爆炸危险环境中的要求

油漆间、油库、燃气房及危险品库等场所，存在较高的爆炸危险。电缆一旦产生火花或过热现象，会引起严重后果。对此，GB50058-2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》有以下几个要点：①1区内应使用铜芯电缆；2区内宜使用铜芯电缆，若选择铝芯，需确保其截面不小于16mm²。对于20区、21区及22区内振动较大的部位，也应优先铜芯。②线缆的载流量需达到熔断器额定电流或断路器长延时整定值的1.25倍以上；若是1kV以下鼠笼电机支路，需大于电机额定电流的1.25倍。③若电缆采取明敷或敷设于电缆沟中，最小截面积应符合表5.4.1-1中要求；若采用钢管配线，则按表5.4.1-2选用适宜截面。由于爆炸危险环境对安全要求较高，这些细节不可忽视。

六、结语

本文针对低压电缆截面积的选取原则、载流量校正方法、电压降及短路等常见验证环节展开了具体讨论，同时结合谐波因素、机械强度要求及爆炸危险环境做了说明。实际工程中，需结合环境条件、负荷特征与施工方式等多方面信息，灵活确定截面积。对于特殊项目或大型系统，更应在满足安全、运行与维护需要的同时兼顾经济效益，使电缆敷设方案更为合理。

参考文献

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