2021/02/04

【電氣設計】決定電纜導體大小時須考慮的因素(Factors to be considered in sizing of cable conductors)

電纜尺寸的選擇及電壓降計算應該是電力系統最常見的計算了。無論是計算普通用電設備或者是電動機(Motor)都需要輸入電纜的數量、尺寸,通過計算出電纜的載流量、電壓降、電能損耗來確定最合適的電纜選型及大小。

在計算中,無論什麽情況,三大公式必須要滿足,也是電纜計算的硬條件,即:

1)電纜的載流量(Current Carrying Capacity,即CCC,Iz)> 上級保護開關(In)> 負載之設計電流/額定電流(Ib)

2)縂配電綫路之電壓降 < 電力(線路)規例(COP)要求(由供電點計算至末端設備前,香港爲<4%,内地為<5%)

3)縂配電綫路之 電能損耗 < 能源效益條例(BEC)要求(由供電點計算至末端設備前,香港爲<4%,内地暫無相關要求)





當然,滿足了以上條件,在Cable Sizing的過程就需要根據實際情況在槼定的範圍内自由發揮了。那麽在計算過程中需要考慮到那些變量呢?

下面羅列了決定電纜導體大小時須考慮的因素:

a. 電纜導體的材料 (conductor material)


電氣設計最常用的導體材料就是銅和鋁了。但在一般樓宇電氣設計中,主要還是采用銅導綫,原因主要是因爲銅綫電阻率低、延展性好、強度高、穩定性好、耐腐蝕、載流量大、发熱量低。因此在計算中往往可以得到更低的電壓損失和電能損耗,更易滿足規範要求。但是銅線價格高、銅線比重大,兩者決定了銅線成本高。所以我們常見的架空線基本不用銅線,因爲銅綫過重,往往鋁線用得多,地線通常就用銅線。

由於銅和鋁性能的差別,要留意的是同一單項目一般選用同一種材質的導綫,由於直接連接在一起會发生電化學反應(腐蝕),所以嚴格禁止銅鋁直接連接。當然,銅鋁連接若不可避免的話,當需要連接時,一般采用銅鋁過渡線夾,銅鋁過渡接頭,銅線搪錫或鋁線搪錫後直接連接。

b. 電纜絕緣的材料 (insulating material)

電纜的絕緣材料常見的主要分為PVC和XLPE兩類,材質分別是聚氯乙烯(PVC)和交連聚乙烯(XLPE)。在電纜計算中,兩種絕緣材料的區別主要在於載流量。相同導體截面積下,XLPE的載流量一般是PVC的1.25倍。工作溫度XLPE一般也較PVC高,XLPE爲90度,PVC為70度。但由於XLPE的絕緣性能好過PVC,工作溫度較PVC高,所以電阻一般大過PVC電纜,電壓降和電能損耗較大。

XLPE在其他很多方面也好過PVC,例如相同導體截面積下,電纜外徑一般小於PVC,XLPE的壽命較PVC更長。另外,PVC燃燒時會分解釋放大量黑煙和有毒氣體,而XLPE燃燒時不會產生鹵素有毒氣體。XLPE除了成本高過PVC外,其他在電氣性能、耐熱性能、物理機械性能、耐氣候性及毒性方面都比PVC絕緣電纜強。因此近年來提倡環保及可持續性設計,電纜已經大部分都會選用XLPE絕緣了。

c. 電纜保護的材料 (有裝甲armoured or 無裝甲non-armoured)


電纜有無裝甲也會影響電纜的載流量以及電阻率,進一步影響電纜大小、電壓降以及電能損耗。但是對於載流量以及電阻率來講,并不一定是有裝甲的電纜比無裝甲的載流量大/電阻率低。參考例書COP提供的電纜載流量的數據(Table A6(1)~(8)),對於single core PVC,300sqm以下的電纜,有裝甲的比無裝甲的載流量高,電阻及電抗小;300sqm以上的電纜,有裝甲的比無裝甲的載流量低,電阻及電抗大。

比較其他種類的電纜之後發現對於multicore core PVC,single core XLPE以及multicore core XLPE也有類似情況,也就是說電纜更大的話,有裝甲的未必比無裝甲的載流量大。在網上搜尋也沒有找到對這種現象的解釋,個人認爲的原因是因爲裝甲一般是由galvanised steel wires組成,一圈圈套在電纜上,在電流大的情況下,或者電纜線徑大的情況下會產生更强的電磁場,從而產生較大渦流效應,增大電纜阻抗,降低電纜的載流性能。不過這個衹是我的一個假設,歡迎大家一起討論。

d. 電纜所處的環境溫度(ambient temperature in which the cable is installed)


環境溫度是影響電纜載流量的重要因素。電纜的環境溫度係數(Ca)更代表了所處環境對電纜散熱性能的影響,係數值越高,散熱性能越好。如例書Table A5(1)所示,儅環境溫度為30度時,對於PVC電纜以及XLPE電纜係數的基準值為1.00。儅環境溫度上升為40度時,PVC電纜以及XLPE電纜係數分別爲0.87及0.91。相當於損失了13%和9%的載流量。由此也可看出相同環境溫度下,XLPE電纜比PVC電纜在載流量方面勝出4%。表中還列出了礦物絕緣電纜(mineral)的係數,可以看到,熱塑性礦物絕緣電纜由於材質問題,散熱性能表現更差過PVC電纜。


e. 電纜安裝方式及組合情況(method and grouping of installation)


電纜的安裝方式對電纜的性能的影響大家很容易理解,由例書Table A5(3)可以看出,對於不同的安裝方式,在電纜數量一致的情況下,係數是不同的。一般情況載流性能由高到低分別是:

置於電纜梯架或等線夾 > 置於疏孔線架 > 置於牆上或地板上 > 置於捆紮/一個表面上/嵌入/密封
cable ladder system or cleats > cable tray system > on wall or floor > bunched in air, on a surface, embedded or enclosed


不難理解,電纜一定是與空氣接觸的面積越大越容易散熱,而電纜梯架和等綫夾上的電纜和空氣接觸面最大,嵌入在密封空間的電纜則最不利於散熱。

另外,安裝在一起的電纜的數量也影響電纜的散熱性能,電纜數量越多,越不利於散熱。表Table A5(3)最後的注解有很多可以探討的地方,也需要大家留意。比如第2點,“若相鄰電纜之間的水平距離超過該等電纜總直徑的兩倍,則無需使用額定值因數。”,也就是説,若一條很寬的線架只有幾條電纜,由於之間間距都很寬,超過了電纜直徑的兩倍,理論上係數可以不計,設置爲1.00。又如第8點,“若在已知的操作情況下,有一條電纜的預期負載不超過其組合額定電流的 30%,則在計算該組合餘下電纜的額定值因數時,可不考慮這條電纜。”,通常一些照明電路的負載率都不高,10A的額定電流值只會用到1~2A,在這種情況下,假設有9條電纜在同一條trunking,只要負載不超過30%x0.50x10A=1.5A,則該9條電纜都可以不計算在組合電纜的總數量内。

f. 電纜是否受隔熱材料影響(whether or not the cable is affected by thermal insulating material)


電纜如藏於隔熱牆內或隔熱天花板上,且有一側接觸到導熱面,其載流量會相應降低。滿足特殊條件,可以參考表A5(4)查找隔熱係數(Ci)計算。對於其他尺寸的電纜及不同隔熱性能的絕緣材料,應向有關製造商徵詢意見。



g. 製造商的建議(manufacturer’s recommendation)


由於每個品牌的電纜其導電、載流、導熱性能的差異,若尋求準確的信息,應該向製造商尋求意見。由於例書上的表格只是提供基於BS 7671標準的數值表,可以説只是最低標准。因此工程師在電纜選型的最初設計時可以參考該表,一旦進入施工階段,承建商需根據實際的電纜品牌對電纜大小、載流量、電壓降以及電能損耗進行復核,結果應該由工程師進行審批。除非電纜數量的增加進一步影響到實際安裝數量上升(導致組合因數下降)或安裝方式改變(例如由直接埋地改為梯架安裝),由於例書已經是最低標准,那麽承建商的電纜計算應滿足設計要求。

h. 帶電導體的截面積不小於規範要求(cross-sectional area refers to COP requirements)


例書13章中有相關的要求,比如條款13A (2) (h)及(i)。對於不同的項目,在設計說明(general notes)中一般會規定本單項目的線纜的最低要求,這些都值得大家留意。

i. 保護器件的使用及類別(the use and type of protective device)
j. 由電路起源點至負荷的電壓降值(the voltage drop from the origin of the circuit to the load)
k. 由電路起源點至負荷的電能損耗值(the power loss from the origin of the circuit to the load)


i至k應該稱的上電纜選型計算中的核心部分了,而且也對應了開頭介紹的三個公式。詳細介紹請參考這篇blog:


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