导线电缆允许载流量影响因素的分析.docx
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导线电缆允许载流量影响因素的分析
导线电缆允许载流量影响因素的分析
摘要:
详细分析影响导线电缆允许载流量的各个因素的作用机理和影响的方式、程度等,并同时提出提高线缆允许载流量的方法。
关键词:
导线电缆允许载流量绝缘材料环境温度
前言
允许载流量是导线电缆的一个重要参数。
在供配电系统中,必须根据发热条件、电压损失、机械强度要求等来选择导线截面和导线材料,以利于经济安全地配线;同时,又要根据使用环境、用户要求来确定截面形状、有无绝缘、线芯数及敷设方式,以确保安全;另外,熔断器等保护装置又是供配电中必需的设备,应通过准确计算来确定。
以上各个方面是安全供电的重要环节,而其中所有的确定和选择(包括校验过程),都与导线电缆允许载流量有着直接关系,可以说允许载流量是各种选择、确定过程的主要依据。
因而,准确地测定、计算一种线缆的允许载流量,是电气安全工程的重要基础性环节。
允许载流量,又称安全载流量或允许电流。
它是指在规定条件下,线缆能够连续承载而不致使其稳定温度超过规定值的最大电流。
所谓规定条件,也就是指环境温度、绝缘材料类型、敷设方式、导线材料及截面等。
由此看得出,允许载流量就是在某一条件下不使导线电缆发热超过某温度(长期工作最高允许温度)的最大电流。
也可看得出,导线电缆允许载流量是一个由许多因素决定的值,且随影响因素改变而改变。
本文将根据实际,结合实例,详细、综合地分析影响线缆允许载流量的各种因素及其影响的程度、方式等,并同时提出如何减小各因素的负面影响、充分利用一些有利因素,来尽量提高线缆允许载流量的方法。
1 绝缘材料
一般都认为,绝缘材料是决定线缆允许电流的主要因素,只因为绝缘的耐热温度是有限的。
(耐热温度:
该类绝缘材料所能承受的而不致使其机械特性和电气特性降低的最高工作温度。
)导线的寿命主要决定于其绝缘材料,根据八度原则,导线长期工作温度每超过耐热温度八摄氏度,导线的寿命就会减半,这主要就是指绝缘材料在超过能使其长期稳定工作的耐热温度时,就会明显加快老化。
如今材料科学在发展,绝缘材料的耐热温度已得到很大提高,如C类绝缘材料耐热温度可达到180℃以上,有的已达300℃以上,然而,导线的允许载流量并没有得到相应大的提高。
原因在于,实际应用中,导线电缆的允许载流量是在考虑一些薄弱环节(如接头)、电线穿管不利于散热,以及导线长期工作绝缘老化等因素,结合实际数据,人为规定的。
如1.0mm2的BV导线,按工作温度确定的载流量可达20A,但考虑到实际运行情况,文献4《工厂供电》附录表2-4的电工表格给出在环境温度25℃时允许载流量为15A,减小了25%。
有一种观点认为,人为规定的载流量比按照绝缘材料耐热温度确定的均质导线的允许载流量要低,是因为故意做了一定比例的保留,以更加增大系统的安全系数。
但是,实际上,人为的那些调整并不是以某一比例而来的,而是允许载流量被其它因素限制在了某一档。
如,裸导线的正常工作最高允许温度,一般不超过70℃,绝缘导线正常工作最高允许温度不超过65℃, 而穿管时就限制的更小了。
各国对导线长期工作最高允许温度的不同的取值更说明了这一点:
日本、美国为90℃;西德、荷兰、瑞士为80℃;英国、瑞典为50℃;我国和前苏联为70℃。
允许温度被限制,则允许载流量就相应被限制了。
当然,对于均质导体来说,因为不考虑导体的薄弱环节,不断提高绝缘材料的耐热温度,就可提高导体允许使用温度,就可以相应提高其允许载流量。
实际使用中,线缆的允许载流量并非主要由绝缘材料决定,而是由其它因素综合影响,以下各点会更清楚地说明这一问题。
2 接触电阻
2.1 接触电阻产生的原因
导体存在许多连接部分,这就造成了过大的接触电阻(当两个金属导体以某种机械方式互相接触时,在接触区域所呈现的附加电阻,主要由收缩电阻和表面膜电阻两部分组成。
),也就是说造成了许多薄弱环节。
具体地说,接触电阻存在于导线的相互连接处、导线与电器的连接处、开关的触点之间和接插件的接触面之间。
接头的热胀冷缩及长期慢退火使接触松动,致使大气侵入间隙,并在电热作用下使接触面氧化,形成接触电阻。
接触电阻和接触压力、接触面积、环境状况以及导体材质有关。
以下实际情况都会形成、增大接触电阻。
(1) 安装质量差,造成导线与导线、导线与电气设备连接点连接不牢。
(2) 导线的连接处粘有杂质,如氧化层、泥土、油污等。
(3) 连接点由于长期震动或冷热变化,使接头松动。
(4) 铜铝混接时,由于接头处理不当,在电腐蚀作用下接触电阻会很快增大。
特别是对于铝线,其断面十分容易氧化,易被绝缘中分解出的氯化氢腐蚀,加之铝材料膨胀系数大可使接头松动,这就会使铝线连接处形成很大的接触电阻。
然而在一些较老的建筑中,我国多年来一直执行“以铝代铜”的技术政策,大量的小截面铝线被不科学地连接、敷设在建筑中,先天性地埋下了长期的火灾隐患。
2.2 接触电阻的影响作用
接触电阻是动态的。
接触电阻是结点电阻,在通电以后,该结点电阻构成局部热源,在电流较大时,有可能造成结点处的热过载。
热过载作用于绝缘导线上,会降低绝缘层的强度,并使导线结头高温氧化,继而可能发生短路、断路或引燃易燃物品等。
热过载作用于接线端子、接插件时,会使绝缘基座碳化,导致漏电、接地等故障,热过载作用于触头之间,会形成触头毛刺及凹凸面,造成触头接触不良,弱化线路通断能力,产生拉弧,甚至会使触头熔焊。
局部热过载在负荷不过载的情况下也会发生,这时候电路的过载保护不会起作用。
居民户内配电常常因为接触电阻造成热过载,在这种极端情况下,电路故障往往造成破坏性的后果。
而我们现在居民住宅等民用建筑中不规范的接线方式十分普遍,形成了大量的火灾隐患。
这种情况下,规范中一方面要求在敷设线缆时要正确规范地处理连接部分,另一方面,只能在宏观上采取减小导线允许载流量的方式来防止、减少事故的发生。
但这也造成了材料的浪费。
2.3 减小接触电阻的措施
2.3.1 严格按照规范布线、处理导线接头部分。
(1)应尽量减少不必要的接头,对于必不可少的接头,必须紧密结合,牢固可靠。
(2)铜芯导线采用绞接时,应尽量再进行锡焊处理,铝导线不应采用绞接,一般应采用焊接和压接。
(3)铜铝相接应采用铜铝过渡接头,并用压接法连接。
(4)避免接头风化、腐蚀。
(5)安装工艺上,注意清洗油污、氧化物,涂刷导电脂等,但最主要的是螺栓的扭矩应符合要求,防止松动。
为了防止或减少配电线路事故的发生,必须按照电气安全技术规程进行设计,安装使用时要严格遵守岗位责任制和安全操作规程,加强维护管理,及时消除隐患,保障用电安全。
2.3.2 材料选择
在材料选择上,虽然同面积的铜芯电缆比铝芯电缆贵1.4-2.2倍,但允许载流量可增加30%,重要的是,铜与铜导体的接触电阻比铝与铜导体的接触电阻小10-30倍左右。
有关资料表明,电气线路火灾事故中铜芯线缆仅占铝芯的1/55。
在较重要的供电场合应优先选用铜导线,以确保安全供电,又可降低线损。
2.3.3 采用预制分支电缆
预制分支电缆根据各个具体建筑的结构特点和配电要求,将主干电缆、分支电缆、分支联接体三部分进行一体化设计制造,因此具有优良的技术经济指标,在工程经济性、技术先进性和安装便利性方面比传统电缆和母线槽具有突出的优点。
如,YJV—交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套电力电缆,常常作为干线配电系统的大动脉,其正常工作最高允许温度可达90℃,允许温度之所以能达到这么高,一个十分重要的原因就是其分支联接体处接触电阻小。
3 环境温度和导体散热
3.1 环境温度的确定方法:
一般在计算导线载流量时,线缆环境温度:
空气中敷设时取30℃,埋地敷设时取25℃。
但根据文献1,应采用以下方法确定环境温度值:
(1)设在屋外电缆沟中的电缆,采用最热月的平均最高温度;敷设在屋内电缆沟中的电缆取屋内通风设计温度,无资料时取最热月的平均最高温度加5℃。
(2)电缆在土中直埋时,取最热月的平均地温.
(3)设在空气中的裸导体,屋外采用敷设地区最热月的平均最高温度;屋内采用敷设地点通风设计温度,无资料时取最热月的平均最高温度加5℃。
(最热月平均最高温度为:
最热月每日最高温度的月平均值,再取10年或以上的总平均值。
)
3.2 环境温度的影响
---
(1)
---
(2)
以上两式中,
Iy导线允许载流量
环境温度θt时的允许载流量
R导线电阻θy长期工作最高允许温度
θ0导体载流量标准中采用的环境温度
θt实际环境温度Kzh总散热系数
由式
(1)和式
(2)可知,环境温度越高,线缆允许载流量越小。
如2.5mm2BLV铝芯线(θe=65℃),环境温度为25℃时Iy=25A,而在40℃时Iy降为19A,降低环境温度,可提高导线散热系数,使导线运行温度比导线长期工作允许温度更小,可延长导线寿命。
现有的许多有关电气设计的资料以及许多线缆生产厂家都详细地列出了各种线缆对应于不同环境温度时的允许载流量或者校正系数值。
若只给出25℃时的允许载流量,对应于其它温度,只需用式
(2)校正。
对于空气中的电缆和导线,在环境温度偶尔超过参考环境温度的地方,可以不校正。
[6]
3.3 降低环境温度及提高散热系数的措施
3.3.1对于室外布线,应尽量避免日光照射。
3.3.2加强自然通风。
3.3.3对于机房、变电所、配电室等场所,不能单纯依靠自然散热,应适当安装如空调等致冷设备,这是一个不容忽视的问题。
3.3.4对200A以上的大电流母线,可采用强迫水冷和风冷来提高母线的对流放热量。
3.3.5导体表面涂漆可以提高导体辐射散热能力,故室内母线应涂漆,室外为了避免加剧日照而不应涂漆。
4 敷设方式
4.1 敷设方式分类[6]
(1) 穿管敷设在绝缘墙内;
(2) 直敷在绝缘墙内;
(3) 多芯电缆敷设在墙上;(4) 敷设在墙面上;
(5) 敷设在楼板或天花板面上;(6) 直埋在地中:
(7) 敷设在导管内;(8) 敷设在自由空气中
(9) 多回路或多根多芯电缆成组敷设
4.2 影响作用及校正
例:
2.5mm2BLV铝芯线(θe=65℃,θ0=25℃),明敷时Iy=25A,而穿PVC管敷设时,二根单芯共敷则Iy=18A,四根共敷则Iy=14A。
可见,敷设方式对导线允许载流量的影响是十分显著的。
实际表明,导线穿管时允许载流量减小30%,多条电缆并敷时,允许载流量会减小10-27%。
究其原因,一是由于多条线缆并敷时会形成邻近效应和集肤效应,使电荷集中在了导线截面的局部,增大了局部截面电流密度,降低了导线允许载流量;二是由于多条线缆并缚不利于散热,使导体的运行温度和环境温度升高,降低了其允许载流量。
对应于不同的敷设方式,相关文献都给出了不同的允许载流量(如文献1、文献6),使用时注意与其它条件的对应,考虑各项校正。
4.3 敷设要求及注意事项
敷设方式是由使用需要和客观条件决定的,确定敷设方式后才能综合考虑各个影响因素的作用,对允许载流量进行校正,一般不能为了提高允许载流量就改变了敷设方式。
以下是从规范中选出来的有关敷设的条文,这些都会影响到导线的允许载流量:
应避免因外部热源、灰尘聚集及腐蚀或污染物存在对布线系统带来的影响;应避免由于强烈日光辐射而带来的损害;当导线垂直敷设至地面低于1.8m时,应穿管保护;在建筑物的顶棚内,必须采用金属管、金属线槽布线;电缆直接埋地敷设时,沿同一路径敷设的电缆数量不宜超过8根;电缆在排管内的敷设,应采用塑料护套电缆或裸铠装电缆。
[9]工程中尽量采用允许温升幅度大和散热系数大的绝缘护套。
线槽内布线,导线的规格和数量应符合设计规定;当无设计规定时,包括绝缘层在内的导线总截面积不应大于线槽截面积的60%。
在可拆卸盖板的线槽内,包括绝缘层在内的导线接头处所有导线截面积之和,不应大于线槽截面积的75%。
[1]
5 日照和风速
这主要是针对架空送电线路以及其它暴露于室外空气中的敷设方式。
那样敷设的线缆计算其允许载流量时就必须考虑日照和风速的影响。
对于LGJ-240/40导线,采用日照强度0.1W/cm2,气温取30℃,风速取0.5m/s时,会计算出以下结果:
[7]
空载时导线会由于日照的影响而产生约9-13℃的温升,当导线通过电流时,其温升等于空载时的温升加上电流作用产生的温升。
当风速每增加1m/s时(在试验风速范围内),导线的温升减少3~4.1℃;风速越大,导线的对流散热越大,导线的温升就越小。
实际的民用建筑电气中,有一些架空送电线路、入户线路或直接暴露于室外的其它线路,其不仅会被腐蚀而老化,更会受日照而影响其允许载流量,因此,在实际敷设中,尽量要避免阳光直射,可以采取敷设在建筑背阴面等方法。
风速是个有利因素,但要考虑其能使绝缘老化的作用。
6 材料和截面
在电缆敷设方式、环境条件和护层结构一定的前提下,导线电缆的载流量大小取决于导体直流电阻,也就是取决于导体的材料和导体的截面积。
6.1截面积的影响
截面面积与导线电阻成反比关系,它们之间存在一个规律:
即同种材料的导线,其截面积(mm2)与导线线电阻(Ω/Km)的乘积接近一个常数:
对于低压导线(运行温度为20℃),铝导线为28.5,铜导线为17.5;对于高压线路(65℃),铝为33,铜为21。
可见,截面积越大,电阻就越小,允许载流量就越大。
以上给出的一些数据只是统计估算得来的,用以说明材料、截面的影响作用,不应作为精确计算的依据。
6.2材料方面
铜导线的电阻率比铝的低(铜与铝电阻率之比约为1:
1.6)。
导线的电阻率随温度升高而增大,如120mm2的10KV交联聚乙烯绝缘铜芯电力电缆,运行温度为65℃时,线电阻为0.173Ω/Km,而90℃时增大到0.187Ω/Km,增大了8%。
[1]
尽管铝比铜价格更便宜些,但性能远不如铜。
铜导线电阻率小,机械强度高,形成接触电阻小。
事实表明,同等条件下,相同截面积铜芯电缆的允许载流量约是铝芯电缆的1.3倍。
6.3截面形式
截面形式影响着导线的散热,同种材料相同截面积的导线,矩形截面的允许载流量大于圆形的。
而实际中圆形截面最为普遍,只有一些母线以及有特殊要求的导线采用矩形截面或环形截面的导线。
7 其它方面
对于架空线路,要考虑运行温度使一定档距的线路产生的垂弧,防止垂弧过大无法收回,也就是说对于档距一定的架空线路,在确定线路允许载流量时,应使导线温度不致达到使导线发生塑性变形的温度。
各种损耗(即电阻损耗、绝缘损耗、磁滞损耗、涡流损耗、附加损耗、金属屏蔽层损耗和铠装层损耗等)都会导致导体温度上升和绝缘老化,使导体允许载流量降低。
8 综合分析
以下介绍一个计算导线允许载流量的公式—法国载流量公式,它直接或间接地体现了各个影响因素的作用。
——(3)[3]
式中,B=eσπd〔(θy+273)4-(θt+273)4〕
V—风速,m/s Si——日照强度,W/m2
θt—环境温度 D—导线直径,mm
θy—导线长期工作的最高允许温度R—20℃时的线电阻,Ω/km
K—导线电阻的温度系数,1/℃(铜为0.00393,铝为0.004)
α—导线吸热系数(通常为0.5)e—导线的辐射系数(通常为0.6)σ—常数,取5.7×10-8W/m2
该公式的详细之处在于它描述了导线的散热状况。
本文论述的环境温度、散热系数、导线材料、日照、风速等各个影响因素在该公式中都有明显的体现。
而前面已提到接触电阻是个限制性因素,与载流量无函数关系;敷设方式的影响需另外校正,见本文第4点。
结论
1 对于均质导体,允许载流量主要由绝缘材料控制,提高绝缘材料的耐热温度就可相应提高导体允许载流量。
2 实际使用中,导线电缆允许载流量并非主要由绝缘材料决定。
实际中,接触电阻、敷设方式、环境温度等都对线缆允许载流量有显著的影响作用,其中在接触电阻问题上,接头温度一般不得超过70℃这一点在宏观上决定性地限制了允许载流量。
3 允许载流量的确定存在着很大人为的因素,要考虑到本国或本地区的自然环境、经济状况、材料供应、技术水平、人们的安全意识等。
4 确定线缆允许载流量时,必须考虑到线缆长期工作的状态,需校正的必须校正,做出最接近实际的计算结果,且还要留有一定余量。
5 布线路径中各部分发热条件不相同时,载流量的确定应适合路径中条件最不利的部分。
6 各个影响因素之间也是相互影响的,一个因素改变,其它因素也可能会随之改变,因此实际中使用现有数据时需要反复校正。
7 绝缘材料、敷设方式、导线材料、截面等一般都是静态的,环境温度、接触电阻、日照、风速等是动态的,所以导线电缆的允许载流量是动态的。
实际中往往是某一因素相对突出。
致谢
在本文的撰写过程中,得到了卫耀明老师和蒋慧灵老师的大力支持和帮助,在论文准备和撰写阶段曾多次指导、审阅,提出许多宝贵意见,在此表示诚挚的谢意。
参考文献
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中国建筑工业出版社,1999年5月
2 俞志敏.从电路故障谈户内配电.低压电器2001年第2期
3 叶鸿声.高压输电线路导线载流量计算的探讨.
电力建设2000年第12期
4 刘介才.工厂供电.北京:
机械工业出版社,1983年
5 陈南.电气防火安全技术. 内蒙古人民出版社,1998年12月
6 国际铜业协会(中国)、全国建筑物电气装置标准化技术委员会. 铜芯电线电缆载流量标准.1998年12月
7 袁永毅孙廷玺. 影响钢芯铝绞线允许载流量的因素.
电力安全技术2004年第5期
8 中华人民共和国行业标准.民用建筑电气设计规范(JGJ/T16-92).北京:
中国计划出版社,1993年
9 中华人民共和国机械工业部.低压配电设计规范.
北京:
中国计划出版社,1996年6月1日
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