多芯电力电缆载流量的软件计算

0 引言

　　在电气工程设计中电力电缆的选择要求满足工程实际需求及相关规范要求，准确选择电缆截面的前提条件之一是正确计算电缆的载流量。目前市面上的电气设计计算软件虽具有强大的辅助计算功能，但这些功能有局限性，通常确定电缆载流量，必须输入基础数据，选取大量的参数。每次计算都要反复经过同样的步骤才能获得计算结果，耗费大量时间，且结果多为孤立，不便于后期统计和整理。

　　本文介绍一种电缆载流量软件计算方法，其运用电子表格软件Excel的数值计算、逻辑判断和数据查找等函数功能，针对YJV-1kV低压三相多芯电力电缆的载流量计算问题，依据最新出版的相关国家规范及设计手册中的数据，并根据IEC标准中相对应的多芯电缆的8种敷设方式，自动查找相对应的温度校正系数、载流量校正系数及降低系数，计算电缆实际载流量。软件计算结果通常采用两种表达方式：单一敷设方式YJV载流量计算书和不同敷设方式下的电缆载流量表，既方便设计人员校验计算过程，又便于根据载流量进行电缆选型。电缆载流量的软件计算能对设计人员的工作提供便利，同时也能降低工作强度和提高工作效率。

1 电子表格函数及功能

　　a.使用IF函数与OR函数，进行条件判断。

　　b.使用VLOOKUP函数，在表格或数值数组的首列查找指定的数值，并由此返回表格或数组当前行中指定列处的数值。

　　c.使用INDEX和MATCH函数，根据行标、列标或同时根据行标和列标在数据清单中查找值。INDEX函数返回在某个区域内特定行和列交叉点上对单元格的引用，而MATCH函数则根据所要查询的值来查找某个区域内单元格的相对位置。当同时使用这两个函数时，它们会根据行标或列标返回一个值。

　　d.使用名称管理器及INDIRECT函数，辅以下拉序列形式的数据验证形式，让用户选择条件与参数。在方便输入的同时，保证根据实际情况选择数据的有效性。

　　e.使用超级链接及返回功能，在参数设置时给予使用者必要的参考信息。

　　2 计算书及计算表的自动生成

　　2.1选择电缆敷设方式及电缆标称截面面积设计人员根据设计所需选择相应的电缆敷设方式及YJV电缆标称截面面积，Excel依据二者参数自动查询相关数据表格，自动计算相应的基础载流量值。

　　其中，电缆的敷设方式引自GB/T16895.6-2014《低压电气装置第5-52部分：电气设备的选择和安装布线系统》附录表A.52.3;电缆的基础载流量值以XLPE绝缘、3根带负荷铜导体在空气温度为30℃或埋地温度20℃为基准，引自GB/T16895.6-2014附录表B.52.5及表B.52.12，参见表1。

　　2.2根据城市确定温度及环境温度校正系数设计人员选择工程项目所在地，依据全国主要城市气象参数，参数引自《工业与民用供配电设计手册》第4版(以下简称《配四》)表17.6-3，得到最热月14时平均干球温度及7月0.8m深土壤温度，并求得空气和埋地不同环境下的环境温度校正系数Kt(温度对电缆敷设处环境的影响及温度校正系数计算Kt引自《配四》表9.3-8)，其计算公式为：

　　式中：θn———电线、电缆线芯允许长期工作温度，℃;θa———敷设处的环境温度，℃;θc———已知载流量数据的对应温度，℃。

　　2.3根据埋地情况确定载流量校正系数设计人员依据设计要求及现场条件选择地质材料、区域及沙土、粘土、沙泥土的含水量，根据所选的区域和含水量得出相应的热阻系数值，再由穿管埋地和直接埋地的不同选择确定载流量校正系数。

　　土壤热阻系数引自《配四》表9.3-11(参见表2);不同土壤热阻系数的载流量校正系数引自GB/T16895.6-2014附录表B.52.16和《配四》表9.3-12(参见表3);常见地质材料热阻数据引自文献中“表5-18常用地质资料”(参见表4)，其中热阻系数由导热系数换算而来。

　　2.4根据敷设及排列方式确定降低系数及载流量计算对已确定的8种敷设方式：A1、A2、B1、B2、C、D、D2、E(三芯)，设计人员根据设计要求选择相应的排列方式及成束回路数，求得多回路或多根电缆成束敷设的降低系数，系数引自GB/T16895.6-2014附录表B.52.17~表B.52.21。其中D敷设方式(敷设在埋地管槽内多回路电缆)需额外选择管槽数、管槽间距;D2敷设方式(直埋在土壤内的多回路电缆)需额外选择回路数、电缆间距;E敷设方式(敷设在自由空气中多根多芯线缆束)需额外选择具体敷设方式、每个托盘中的电缆数、托盘梯架数。

　　根据不同的敷设方式将所得电缆标准载流量值与各项相关校正系数相乘即可求得计算载流量值，并将该值与回路计算电流或保护设备额定电流比较判断电缆的选型是否合适。

　　2.5软件计算结果依据设计人员提供的设计基础数据所求得的各项参数，计算结果采用单一敷设方式YJV载流量计算书形式和不同敷设方式的载流量列表两种形式体现，参见表5、表6。

3 软件计算的说明和问题研究

　　a.本文软件计算部分适用于无铠装电缆与非单芯情况下的铠装电缆。

　　b.从设计常用功能出发，软件未考虑与YJV-1kV低压三相多芯电力电缆无关的其他敷设方式、其他电压等级的电缆载流量计算，如YJV单芯电缆在F、G敷设方式下的载流量计算，两芯电缆载流量计算，高压电缆载流量计算，也未考虑四芯、五芯电缆的谐波对载流量的影响。同时，采用相类似的方法，根据工作回路的计算电流自动完成电缆选型和压降校验等设计工作。

　　c.关于本文涉及载流量部分所引用的GB/T16895.6-2014附录表B.52.5中D敷设方式与被代替的老版规范GB/T16895.15-2002《建筑电气装置第5部分：电气设备的选择和安装第523节：布线系统载流量》表52-C4的D敷设方式数据有所变化。值得注意的是《配四》已引用了新版国标数据，但目前仍有不少工程设计人员使用国标图集04DX101《建筑电气常用数据》的载流量数据;还有很多2014年前的出版物，其D敷设方式的载流量均引自已废止的GB/T16895.15-2002表52-C4的D敷设方式的数据。

　　通过比较两个版本规范的D敷设方式载流量数据，GB/T16895.15-2002D敷设方式的载流量比GB/T16895.6-2014D敷设方式载流量值平均高出6.15%，参见表7。但GB/T16895.6-2014前言中并未直接说明D敷设方式的数据已经更新，容易使读者习惯性沿用老版规范的相关数据，在此特别提醒广大设计人员注意。d.通常土壤热阻系数的确定有3种方式：①地质材料的热阻;②所在区域的土壤热阻;③不同湿度下沙土、黏土的热阻。软件计算尽量根据具体工程情况取值，条件不成熟时，建议选用表2中3种热阻系数中最大值作为计算载流量的修正系数。对于不同土壤热阻系数相应的校正系数的取值以表3为依据，从电缆运行可靠性的角度出发，选取匹配区间的较大值。如依据表4中常见地质材料数据，查得钢筋混凝土的导热系数并换算成热阻系数，其值为0.65，而在表3中并无热阻系数为0.65所对应的值，故从电缆可靠运行的角度出发，选取表3中系数0.7作为选定校正系数时热阻系数值。表3中的校正系数适用于敷设于埋地管槽中的电缆，但对于直埋电缆，当土壤热阻系数小于2.5(K·m)/W时校正系数将会高一些。

　　电缆载流量的数学模型计算可以采用JB/T10181.11-2014/IEC60287-1-1：2006《电缆载流量计算第11部分：载流量公式(100%负荷因数)和损耗计算一般规定》1.4.1.1节中的公式，但是IEC提供的计算公式复杂且计算工作量较大，不适用于工程计算;如果在已知土壤热阻系数或土壤导热系数的情形下，如同表2~表4，查得土壤载流量校正系数，更加容易计算。

　　e.GB/T16895.6-2014中B.52.6.1要求，对于敷设方式为A1与A2时，必须保证“内墙面的表面传热系数不小于10W/(m2·K)。导管尽量靠近但不需与内护墙板接触，从电缆产生的热流量仅通过内护墙板散热。”，且IEC60364-5-52-2009中B.52.6.1同样要求至少10W/(m2·K)，但文献附录1-4中“常用护围结构的传热系数K值[10W/(m2·℃)]”，其数据全部小于10W/(m2·℃)。为何两者要求截然不同，笔者对此还需进一步求证。

4 结语

　　本文通过电子表格软件Excel实现YJV-1kV低压三相多芯电力电缆的载流量计算。设计人员应在工程设计初期，通过选择相应的基础数据，得到不同工程地域、不同敷设方式下的载流量计算结果，并作为电气工程设计计算书之一，用于施工图电缆规格的正确选型。大型工程的多位电气设计人员在设计过程中参照同一个电缆载流量表，可大大提高工作效率，同时也避免了电缆选型原则不一致的问题。