電力電纜短期允許負(fù)載電流的計(jì)算
劉 英 ，王 磊 ， 曹曉瓏 ，徐西永。，紀(jì)衛(wèi)。
(1．西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710049；
2．特變電工山東魯能泰山電纜有限公司，新泰271200)
摘要：綜合了空氣中、直接埋地兩種敷設(shè)下電力電纜短期允許負(fù)載電流的計(jì)算方法，研究了其中土壤劃分區(qū)域
個(gè)數(shù)的選擇、短時(shí)負(fù)載前電纜非滿載運(yùn)行下線芯溫度的確定等問題并參考載流量計(jì)算中相關(guān)參數(shù)的確定方式，給
出了電纜在直埋更換回填土以及水泥槽中管道敷設(shè)情況下的短期負(fù)載電流計(jì)算公式，并以簡單計(jì)算驗(yàn)證其正確
性。相關(guān)設(shè)計(jì)思想可供其它敷設(shè)方式的電纜短期負(fù)載電流計(jì)算參考。
關(guān)鍵詞：電力電纜；短期負(fù)載電流；非滿載運(yùn)行；復(fù)雜敷設(shè)
中圖分類號：TM726．4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003—6520(2005)11-0052—03
Calculation of Short—term Load-current for Power Cables
LIU Ying ，W ANG Lei ，CAO Xiaolong ，XU Xiyong。，jI Wei。
(1．State Key I aboratory of Electrical Insulation and Power Equipment，Xi’an Jiaotong University，
Xi’an 710049，China；2．TBEA Shangdong Imneng Taishan Cable LTD．，Xintai 271200，China)
Abstract：The calculation methods of short-term perm issible load—current for power cables laid in air and buried in
earth are introduced l and some relevant issues are studied，that is，the choice of the region number to divide the sur—
rounding soil and the determ ination of the cOre temperature for cables that is not fully loaded．Based on them，and
referring to the determ ination of parameters in current capacity as well，the methods to calculate the short-term load—
current for cables buried in earth with backfill soil and laid in pipes in cement duct are presented and certified by sim—
pie calculation instances． rhe design means can be extended to other laying conditions of power cables．
Key words：power cables；short—term load-current；non-full load；complex laying condition
0 引 言
電纜額定載流量確定可按國際電工委員會制定
的IEC60287標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行E 引，而國內(nèi)外相關(guān)人員的大
量研究成果可作為該標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)補(bǔ)充和完善E4~l1]。
電纜由于接地故障(短路)在極短時(shí)間(幾s)內(nèi)承受
的短路電流可根據(jù)IEC_949(1988)及IEC-986
(1989)的標(biāo)準(zhǔn)確定¨】。叫引。實(shí)際運(yùn)行中由于各種原
因，確定電纜短期負(fù)載電流目前還未有成熟的標(biāo)準(zhǔn)，
用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)方法計(jì)算太復(fù)雜，其公式也不符合日
常計(jì)算的要求。本文綜合了現(xiàn)有的簡單敷設(shè)情況下
電纜短期負(fù)載電流J。的計(jì)算方法，研究了其計(jì)算過
程中的相關(guān)問題，并對復(fù)雜敷設(shè)下的J。做了推廣和
延伸，給出了電纜在現(xiàn)有常用敷設(shè)下Jz的計(jì)算方法
和經(jīng)驗(yàn)公式，可供電力線路設(shè)計(jì)和運(yùn)行部門參考，以
滿足工程實(shí)際應(yīng)用需要。
1 空氣中敷設(shè)電纜
由于空氣的熱容一般可忽略，而電纜本體可由
一集中熱阻 和一集中熱容CT來表示，空氣中敷
設(shè)的電纜其J。為EH
J2一(( 一 1)／rT(1一e-t，r)／R2+ R ／R2)) ／2，
式中，rT— T1+(1+ 1)r4，Cr—CTc+k(( i+
CT。)，r— rTCT，其中，r】、r4分別為絕緣層及電纜
表面至周圍媒質(zhì)熱阻，Tt~cm； 為護(hù)套與線芯損耗
之比；C 、CTi、Cr。分別為線芯、絕緣層、護(hù)套熱容，J／
cm。。C；k為常數(shù)，取0．5； 為電纜允許短期負(fù)載時(shí)
間，s；r為電纜等效時(shí)間常數(shù)，s；J 為過負(fù)載前流過
線芯電流，A； 、 分別為過負(fù)載前線芯及短期負(fù)
載線芯允許溫度，。C；R 、Rz分別為單位長度線芯在
、 下的電阻，t~／cm。
2 直接埋地敷設(shè)電纜
確定敷設(shè)在土壤中的Jz時(shí)，可將電纜及其周圍
媒質(zhì)分成若干區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的溫度用一指數(shù)曲線
表示，電纜溫升等于各區(qū)溫升之和Ll 。通常下，電
纜本體分為線芯和絕緣層的一半與電纜的剩余部分
2個(gè)區(qū)域。若電纜為管道中敷設(shè)，則第1區(qū)域?yàn)榫�
芯和絕緣層，第2區(qū)域?yàn)殡娎|表面至管道外表面。
以周圍土壤劃分方式為第3個(gè)區(qū)域簡要說明。
土壤第1區(qū)域的內(nèi)徑等于電纜外徑D (對管道
敷設(shè)為管道外徑)。電纜周圍 一(PT ／2托)In(4L／
D )，式中PT 為土壤熱阻系數(shù)，Tflcm；L為電纜敷
設(shè)深度，mm。由此土壤第3個(gè)區(qū)域的外徑設(shè)定為
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2005年11月 高電壓技術(shù) 第31卷第11期·53·
電纜敷設(shè)深度的4倍，即Da一4L。然后，將區(qū)間7【
(D；一D )／4按體積比1：4：16同心圓分成3個(gè)區(qū)
域，其它2個(gè)區(qū)域的外徑分別為
D + D。 ／ A,'D2 D2+既
已知電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)及 及熱容系數(shù) ，后，即
可獲得相應(yīng)區(qū)域的 ～ ，f5，C ～C5及r1～ ，因此
一(忐 莓半 R1)) 。
《
媛
搭
躁
為求最佳周圍土壤劃分區(qū)域個(gè)數(shù)，對110 kV、
線芯截面積500 mm。的XI PE電纜，在單回路等邊
三角形直埋敷設(shè)條件下(PT 一120 Tf~cm， ，一
2．52 J／cma。C，電纜敷設(shè)深度分別為720、1 500、
3 000 ram)，原jz為400 A，取不同的允許短期負(fù)載
t(36 000，6 000，600，60，6 s)在變化周圍土壤劃分
的個(gè)數(shù)，獲得，z結(jié)果見圖1。
2 3 4 5 6 2 3 4 5 6 2 3 4 5 6 2 3 4 5 6 2 3 4 5 6
土壤區(qū)域個(gè)數(shù)
+ 720mm；+ 1500mm；十3O00mm
圖l 短期I2隨周圍土壤劃分區(qū)域個(gè)數(shù)的變化
Fig．1 Relationship between the allowable short-term currents of cables and the zone numbe rs of the ambient soil
顯然，劃分區(qū)域越多，以指數(shù)曲線表示的電纜線
芯溫度上升速度越快，因此，在同樣的短期負(fù)載允許
線芯溫度下，相應(yīng)的，z就越小。由圖1見，電纜敷
設(shè)越深，短期負(fù)載允許時(shí)間越短，土壤劃分區(qū)域個(gè)數(shù)
對jz的影響越小。將土壤分為4個(gè)區(qū)域，計(jì)算得線
芯溫升在較長時(shí)間能與實(shí)際情況較好吻合 叫 。
因此，建議計(jì)算時(shí)將土壤分為4個(gè)區(qū)。
3 直埋更換回填土敷設(shè)電纜
通常情況下已知回填土的PT ，而 未知。參
考這種情況下確定載流量時(shí)的 計(jì)算法，求取土
壤PT4一{) - jr 。 一{) - )e-w ，式中，{) - 食
別為更換回填土、原來土壤的熱阻系數(shù)；w、H分別
為更換回填土部分的寬、高度，mm。
對同前的110 kV Xl PE電纜，在埋深720 mm，
允許時(shí)間6 s下，取回填土PT4—1．2 TI2cm，獲得其
，z一9 507 A，與直埋時(shí)完全相同。這是由于此時(shí)回
填土 、 均與土壤相同，等價(jià)于直埋敷設(shè)情況。
若取回填土 =0．8 TI2cm，獲得，2—9 655 A，顯
著大于直埋敷設(shè)值。顯然此時(shí)低熱阻回填土發(fā)揮作
用，降低了線芯溫升，使電纜獲得了更大的，z。
4 水泥槽中敷設(shè)電纜
若電纜管道敷設(shè)于水泥槽中，可利用與回填情
況相似的方法處理，即首先求得帶水泥槽的土壤等
效PT ，然后，完全按埋地敷設(shè)求解。
但是，水泥的P，為1．84 J／cma。C，與土壤有較
大差異，因此，將水泥槽作為一單獨(dú)區(qū)域來處理，其
Do 4 ／7【，其中W和h分別為水泥槽的寬、高，
外部的土壤再分4個(gè)區(qū)，第1區(qū)域的內(nèi)徑變?yōu)镈0。
對同前的110 kV XI PE電纜，在720 mm敷設(shè)
深度，允許時(shí)間6 s下，其，z按2種情況獲得的值分
別為10 609和10 604 A。顯然，第1方式將使獲得
的結(jié)果偏大，為從電纜的實(shí)際安全運(yùn)行考慮，建議采
用將水泥槽作為一單獨(dú)區(qū)域處理。
另外，對回填情況，若已知回填土的 ，建議
將回填土部分作為一單獨(dú)區(qū)域考慮。
5 過負(fù)載前線芯溫度的確定
過負(fù)載前，電纜可滿載運(yùn)行，XI PE電纜通常為
85或90。C["]，其線芯溫度 為工作溫度。但出于
安全考慮或受電纜有限型號限制，電纜的實(shí)際運(yùn)行
負(fù)荷， 小于其額定載流量，例如，本文算例中電纜
在過負(fù)載前均是非滿載運(yùn)行，其電流為400 A，小于
其額定載流量。此時(shí)，須想辦法獲得電纜在該電流
下線芯的溫度。
由于已知運(yùn)行溫度的電纜載流量已有成熟的計(jì)
算方法，故用一子函數(shù)IcCalculate(0~，，。)實(shí)現(xiàn)，這個(gè)
函數(shù)的輸人參數(shù)為電纜允許運(yùn)行溫度 ，輸出為該
溫度下的允許載流量，。，再用逐次逼近法求取電纜
在某一過負(fù)載前運(yùn)行電流下的線芯溫度。
首先，設(shè)定溫度上限 為電纜允許長期運(yùn)行溫
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· 54 ·Nov．2005 High Voltage
度 ，溫度下限 為環(huán)境溫度 ，將其平均值作為
，并將計(jì)算獲得的J 與J 比較，若其差值的絕對
值大于設(shè)定值(由該設(shè)定值來限定計(jì)算精度，此處取
1)，根據(jù)J 與J 的相對大小，給 和 重新賦值，
重復(fù)以上計(jì)算，直到J 與J 的差的絕對值小于設(shè)
定值為止。這樣，獲得了電纜在非滿載的負(fù)載j