关于电力电缆的截面选型要点及工程案例分析

0.引言

电力电缆主要用于传输和分配电能，是电网建设不可或缺的部分，它连接着发电站、变电站及用户，不仅是电力传输的基础设施，还是保障电力系统安全、可靠、稳定运行的关键组成部分。选择合适的电力电缆是工程项目中至关重要的环节，除了考虑合适的电缆材料之外，电缆截面的选择更为重要。若截面选择过大，会导致材料成本和施工维护成本的增加，造成资源浪费；若截面选择过小，可能导致电缆无法承受实际电流负荷，长期超负荷运行会使电缆温度升高，引起过热、短路，甚至引发火灾。

在工程设计项目中，如何选择合适的电力电缆，能同时满足技术先进、经济合理、安全适用、便于施工和维护，国内外都制定了相关标准和规范。本文将针对电力电缆选择中的重要部分电缆截面选择做详细介绍，同时结合项目设计和施工过程中的实际案例，分析电力电缆截面选择不当的影响及最终的施工优化方案，同时提出对未来工程项目类似情况的优化建议。

1.电力电缆截面选型的要点

1.1载流量

电力电缆截面选择需满足用电负荷工作电流<电缆载流量，这里的电缆载流量是电缆额定载流量经过校正系数之后的电缆实际载流量值。10kV及以下常用电缆按100%持续工作电流确定电缆导体允许最小截面时，其载流量应考虑敷设方式的影响，并按使用条件差异影响计入校正系数，包括环境温度差异、直埋敷设时土壤热阻系数差异、电缆多根并列的影响及户外架空敷设无遮阳时的日照影响。

不同种类的电缆导体，其长期允许最高工作温度（θm）是一个定值，比如交联聚乙烯绝缘电缆的最高允许工作温度是90˚C。电缆的基准环境温度（θ1）是指电缆在正常工作状态下的环境温度，可在电缆厂家的产品样本中查到。当电缆的实际环境温度（θ2）和基准环境温度（θ1）不同时，需根据公式：

计算出电缆载流量校正系数。

对于埋地敷设的电力电缆来说，除土壤温度外，土壤热阻系数是另一个影响电缆载流量的主要因素。通常，电缆厂家的产品样本中会罗列某一个土壤热阻系数下的电缆载流量，当实际土壤热阻系数不同时，需要考虑相应的校正系数，如表1。

实际工程项目中多数电缆都是多回路敷设，因此在计算电力电缆实际载流量时，应考虑多回路敷设引起的载流量校正系数。若电缆埋地敷设时，直接埋地和穿管埋地的载流量校正系数不同，且校正系数和电缆或管道之间的间距相关。若电缆在空气中敷设时，根据有无托盘或梯架、是否相互接触、单层或品字形敷设等不同安装方式，电缆载流量的校正系数也不同。

当大电缆（电缆截面超过70mm2）在户外敷设无遮阳时，需要考虑日照影响引起的电缆载流量变化。实际工程项目中，中高压电缆截面通常大于70mm2，需考虑此校正系数；对低压电缆来说，可针对大截面电缆逐一校验。通常实际项目中最上层桥架会加装盖板，故此校正系数根据实际项目情况决定是否考虑。

1.2电压降校验

根据电缆载流量确定电缆截面后，需对电缆截面大小进行校验，首先是线路电压降的校验。正常运行情况，最大工作电流作用下，用电设备端子处电压偏差不得超过规范允许值。比如，电动机为±5%额定电压；照明在一般工作场所为±5%额定电压；其他用电设备当无特殊规定时为±5%额定电压。对于线路电压降（∆u），可以根据电缆阻抗（R， X）和电缆长度（L），负荷电流（I）和系统电压（Un）来计算，计算公式：

式中： 电缆阻抗值可在电缆厂家的产品样本中查得。

对于用电设备是交流电动机的情况，还需考虑电动机起动时，配电母线处的电压降应满足规范要求。通常，根据以往工程项目经验，当用电设备是电动机时，其电缆截面选择除考虑电动机正常运行时端子处压降不大于5%额定电压，还应考虑电动机起动时配电母线压降不大于15%。

1.3热稳定校验

热稳定校验也是电力电缆截面选择的一个重要步骤，通过评估电缆的导热性能和短路电流的持续时间，确保电缆在规定的短路时间内能维持其热稳定性，避免因过热而引发故障。电缆截面积的热稳定校验公式是：

式中： S是电缆截面积，I是短路电流，t是保护电器自动切断电流的动作时间，k是由电缆导体、绝缘和其他部分的材料以及初始和最终温度决定的系数，根据国家标准GB 50054-2011 附录A中系数k值的计算公式，可算出k是一个常数。

对于低压电力电缆来说，同样需要校验热稳定性，只是在满足电缆的载流量和电压降要求后，电缆的热稳定往往都能满足要求。但对于中高压电力电缆来说，电缆热稳定是主要矛盾，因此结合以往的工程项目经验，中高压电力电缆截面需根据电缆热稳定校验来选择。

2.实际工程案例分析

2.1工程案例背景

以某物流项目为例，该项目的电气设备分布较为广泛，涵盖了综合办公楼、仓库、生产车间、门卫和电动车充电桩等多个区域。有大型机械设备、自动化生产线、自动化仓储系统以及各类加工设备，也有仪表电信控制柜、照明系统、通风空调等设备。负载情况较为复杂，不同区域和设备的用电高峰存在差异。另外，由于物流项目的特殊性，运输车辆行驶中不能有阻碍和遮挡，因此变电站供电给各建筑物内的用电设备电缆在室外及过路处均采用穿管埋地、多根并列敷设。

2.2选型过程

在设计阶段，计算出了各支路在不同工作状态下的电流值，按照长期允许载流量选择的方法，考虑实际环境温度、实际土壤热阻率、穿管埋地多根敷设方式引起的电缆载流量校正系数，初步确定各支路的电缆截面。对于电流较大的支路，选择了截面较大的电缆，以确保足够的载流能力；对于电流较小的支路，则在满足载流要求的前提下，选择了较为经济合理的截面。

在确定了初步的电力电缆截面后，进行了电压降计算。根据电缆的长度、材质、截面以及电流大小，计算出各支路的电压降。将计算结果与允许的电压降范围进行比较，发现部分支路由于距离较远，电压降接近允许值上限，为了确保设备能够获得稳定的电压，对这些支路的电缆截面进行了调整，选择了更大截面的电缆，以减小电压降。

对于中压设备、中压母线及10/0.4kV变压器的进线电缆，还验证了所选电缆在短路故障时的热稳定性，经过校验，发现部分电缆在短路时可能无法承受高温，存在安全风险。针对这些情况，增大了电缆截面，以确保在短路故障发生时，电缆能够保持稳定，不发生损坏。

线路发生接地故障时，会产生最小接地故障电流。此项目中除消防负荷外，其他用电负荷采用负荷开关+熔断器的组合方式保护电缆，在校验电力电缆截面时需同时满足：1）熔芯躲过负荷安全电流；2）熔芯额定电流小于电缆实际载流量；3）熔芯5s断开短路电流，即熔芯5s约定动作电流小于最小接地故障电流。经上述校验，部分电缆截面不满足要求，因此增大了一级或两级，以确保熔断器保护电缆稳定运行。

2.3问题与解决方案

1）理论设计和实际施工的矛盾

此项目中有两个额定电压400V，功率240kW的电动车充电桩，电缆敷设长度150米，电缆出变电站后全程多根并列埋地敷设，过马路处并列穿管敷设20根，管道间距不到50mm。根据上述电缆载流量校正系数的选择方法，算得此用电负荷电缆载流量的总校正系数K=0.33。充电桩计算电流：

满足线路压降不超过5%的要求。根据计算电流433A，考虑裕量后选用额定电流是630A的熔断器。4根240mm2截面的电缆额定载流量是1460A，经过电缆载流量校正系数0.33进行校正后，实际载流量为1460*0.33=481.8A，小于熔断器额定电流，熔断器无法起到保护电缆的作用，因此需增加两根电缆，即选用6根240mm2截面的电力电缆，实际载流量为（365*6）*0.33=722.7A，满足设计要求。

但在现场施工阶段，发现6根240mm2的电力电缆根本无法接入充电桩配电柜内，电缆根数及截面远远超出此工程项目首期同规格充电桩电缆。经过深入研究和分析，发现电缆规格的差异主要是不同的敷设方式导致的电缆载流量校正系数不同引起的。由于此物流项目的电缆均是穿管埋地敷设，导致电缆载流量校正系数过低，又为了能同时满足电缆有足够的载流能力、比较小的线路压降，以及保护电器能断开短路电流等要求，电缆截面被逐级放大。

2）最终选型决策

在《工业与民用供配电设计手册》第四版中提到，电缆载流量的校正系数是假定各回路电缆截面相等且都是在额定载流量的情况下计算而得的数字。实际情况会有所不同，计算方法十分繁复。在工程设计中，可应用这些数字，当负荷率小于100%时，实际校正系数可提高一些。另外，手册中还提到，如果某一回路（管线或电缆）的实际电流不超过成束敷设的30%额定电流时，在选择校正系数时，此回路数可忽略不计。经过对充电桩电缆共同并列敷设的电缆进行研究后发现，确实有部分回路属于检维修负荷，平时回路中并无电流；而且这些电缆的实际负荷率确实小于100%。综上分析，最终经过业主方、设计方和施工方共同研究讨论后，决定提高充电桩电缆载流量的校正系数，进行校验后选择了4根240mm2的电缆接入充电桩配电柜，既满足了技术要求，也解决了现场施工的问题。

3）经验总结与思考

对于上述的电力电缆选型问题，如果从项目设计前期，根据以往的工程经验预估到240kW的大功率充电桩可能会用到多根大截面电缆，应考虑在充电桩附近设一台10/0.4kV的小变压器，从变电站供一路10kV电缆到变压器，再供电给充电桩配电柜，这样既减轻了配电柜进线的接线问题，同时也减少了低压电力电缆并列敷设的埋管根数，可提高电缆载流量校正系数，减小电力电缆截面。此方案是解决大功率设备长距离配电更合理的优化方案，但需要在项目前期就进行设计和规划。

3.电力电缆截面选型的优化建议

在设计阶段，可考虑在满足导体载流量和线路电压降等技术条件下，导体截面积适当加大预留裕量，以降低线路损耗。在设计前期，针对大功率的设备，考虑在用电负荷附近单独设立降压变压器，以缩短低一级电压的线路距离。对于不同的敷设方式，尤其是埋地敷设的电力电缆，选择电缆载流量校正系数时，在合理的前提下适当提高一些。另外，应考虑电气系统中谐波对配电线路的影响，导体的直径越大，受谐波影响的感抗增加越明显，谐波产生的附加损耗也越大，因此设计时应考虑谐波治理。为了实现能源的高效利用和经济效益的最大化，工程设计中可考虑经济电流密度，通过综合考虑电能损耗、维护费用和建设投资等多个方面，使电力电缆的运行费用达到较低。

在材料选择时，随着现代材料和工艺技术的日益发展，选择应用新型的传输介质、绝缘材料和屏蔽结构的电力电缆，可提高性能、降低电缆截面。同时采用智能化监测和管理技术，对电缆的运行状态进行实时监测和管理，以减少故障的发生，提高系统的可靠性。

4.结语

由此可见，选择合适的电力电缆截面，不仅要从技术安全性方面考虑，满足用电负荷在100%工作电流下正常运行、配电线路末端压降保持在允许范围内、电缆在规定的短路时间内能维持其热稳定性；还要从节能性、经济性，以及电缆安装的可行性、便利性等方面做长远考虑，对电缆选型进行优化设计。在项目的前期规划和中期校验时，除了考虑同种电压等级下电缆截面的优化方法，还可考虑不同电压等级、不同配电方式对项目整体节能性和经济性的影响，从宏观和整体上优化电缆选型。

参考文献：

（1）工业与民用供配电设计手册[M]. 第四版. 北京： 中国电力出版社， 2016.

（2）GB 50217-2018. 电力工程电缆设计标准[S]. 北京： 中国计划出版社， 2018.

（3）GB 50052-2009. 供配电系统设计规范[S]. 北京： 中国计划出版社， 2010.

（4）GB 50054-2011. 低压配电设计规范[S]. 北京： 中国计划出版社， 2012.

（5）GB 50055-2011. 通用用电设备配电设计规范[S]. 北京： 中国计划出版社， 2012.