载流导体截面如何确定？电气设计必看指南

电缆的选型与截面计算是保证电气装置安全运行和性能达标的关键。如果电缆选得不合适，可能会导致过度发热、能耗增加，甚至让整个供电系统过早老化。那么，确定载流导体的截面需要考虑哪些因素？又该如何高效完成这一复杂计算？今天就为大家详细解读，文末将推荐一款高效的标准化工具。

一、确定导体截面的核心因素

要算出合适的导体截面，以下几个关键因素必须纳入考量：

  1. 持续允许电流校验
  2. 电压降核算
  3. 热应力承受能力验证
  4. 额定电流匹配

在最常见的场景（电缆由过载保护装置保护）中，需同时满足以下两个条件：

  1. 电缆的允许电流（Iz）必须大于保护装置的额定电流（In）或整定电流（Ir）；
  2. 保护装置的约定动作电流（I₂）需小于1.45 × Iz。

具体到不同保护装置，要求略有差异：

  1. 若使用断路器保护：Iz ≥ In
  2. 若使用gG/gM型熔断器保护：
    • 当In ≤ 4A时，Iz ≥ 1.45 × In
    • 当4A < In < 16A时，Iz ≥ 1.31 × In
    • 当In ≥ 16A时，Iz ≥ 1.10 × In

二、持续允许电流怎么算？

导体的持续允许电流，核心取决于其“持续运行时导体芯的最高温度”。

电流通过导体时，会因焦耳效应产生热量，这些热量会通过绝缘层传导到外部环境（空气或土壤），最终通过对流或传导散发。当发热与散热达到平衡时，导体芯将稳定在某个温度，即“持续运行温度”。该温度必须低于绝缘材料的最高允许温度，否则会显著缩短电缆的使用寿命。

简单说，“持续允许电流”就是在特定环境下，能让导体芯温度刚好达到允许最大值的电流。

1. 参考规范与简化计算

国际电工委员会IEC 60287系列标准详细规定了允许电流的计算方法，但对于低压电气装置设计中大量电缆的选型来说，直接应用该标准进行计算过于复杂。

好在低压电气装置相关标准（如IEC 60364-5-52，以及我国对应的GB 50054等）中，给出了“典型敷设方式”，让工程师能更轻松地确定允许电流。

具体需要结合以下参数：

  • 电缆/导体类型
  • 敷设方式
  • 基准敷设方式
  • 敷设相关的校正系数
  • 中性线的谐波含量

2. 电缆与导体的类型

导体芯材质

导体的电阻率（直接影响其电阻值）主要由芯材决定。实际设计中常用的有：

    • 退火铜（裸铜或带金属镀层）
    • 铝或铝合金

导体芯可分为实心和多股绞合，具体参数可参考IEC 60228标准。

  • 材质
  • ρ₀ (mΩ·mm²/m)
  • 铜
  • 18.51
  • 铝
  • 29.41

其他温度下的电阻率可按公式计算：ρθ = ρ0 [1 + α(Tθ -T0)]

绝缘材料

绝缘材料直接决定导体芯的最高允许温度，常见的有两类：

  • 热塑性材料（如PVC）：持续运行时导体芯最高温度为70℃
  • 热固性材料（如橡胶、XLPE、EPR）：持续运行时导体芯最高温度为90℃

电缆结构

允许电流与导体芯和环境的热平衡相关，因此电缆的结构也会影响计算，需明确类型：

  1. 绝缘导体：由导体芯、绝缘层及可能的屏蔽层组成，需要额外的机械保护措施（如穿管、线槽等）才能作为载流导体使用
  2. 电缆：包含一根或多根绝缘导体，可能有单独护套、集合保护套或保护管，可直接敷设使用，通常无需额外机械保护
    • 多芯电缆：包含多根绝缘导体
    • 单芯电缆：仅含一根绝缘导体，需明确同一回路的敷设方式（如“三叶形”或“平行排列”）

载流导体数量

载流导体的数量会影响电缆的热平衡。计算时，需统计“实际承载电流的导体”数量。

在三相平衡电路中，中性线通常不纳入载流导体数量统计。因此，4芯电缆的允许电流与同截面的3芯电缆相同。

三、敷设方式与基准方法

IEC 60364-5-52标准（国内可参考对应规范）的附录A（表A.52.3）列出了约50种典型敷设方式（编号1-73），这些典型敷设方式对应着 10 种“基准敷设方式”（A1, A2, B1, B2, C, D1, D2, E, F, G）。基准敷设方式的允许电流值已通过试验或计算确定。

举几个典型敷设方式的例子：

基于基准方式，IEC 60364-5-52标准提供了不同截面导体的允许电流表，还考虑了绝缘材料、导体材质、载流导体数量等参数。

比如，PVC绝缘电缆（3根载流导体，铜或铝芯，导体芯温度70℃，环境温度：空气30℃、土壤20℃）的允许电流如下（节选）：

四、校正系数怎么用？

上面表格中的允许电流值，仅适用于单根电缆在特定空气/土壤温度下的情况。实际中，若多根电缆并排敷设或环境温度变化，需用“校正系数”对表格值进行调整。

1. 空气温度校正

对于架空或明敷电缆（除D1、D2基准方式外），当环境温度不是30℃时，需根据 IEC 60364-5-52 表 B.52.14 进行校正。

2. 土壤温度与热阻校正

对于直埋电缆（D1、D2基准方式）：

  • 土壤温度不是20℃时，按表B.52.15校正（例如PVC绝缘电缆在40℃土壤中，校正系数为0.71）

  • 土壤热阻不是2.5 Km/W时，按表B.52.16校正（例如直埋电缆在热阻1.5 K·m/W的土壤中，校正系数为1.28）

3. 成组敷设校正

标准表格中的允许电流适用于单回路。若多根导体或电缆成组敷设，需根据基准方式套用校正系数。

例如，单芯电缆在多孔托盘或电缆架上（基准方式F）的校正系数，会因敷设排列（平行或三叶形）、回路数量不同而变化。

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