9. 2 设 计
9. 2. 1 导体设计
设计需要考虑到导体的柔性、 导电性、 连接性和成本 （ 见第 3 章） ， 最终要确定的是导体选材 （ 铜， 铝， 或任一者的合金） 和绞合设计。 在需要考虑电缆
的直径、 柔性、 导电性、 导体连接性和导体外组件的成本时， 铜导体是普遍的选择。 而在架空电缆中电缆直径是次要因素， 铝导体的成本低和重量轻是重要的优势。
铜导体基本采用退火软铜。 而铝导体经常选用铝合金。 举一个例子， 由于室内电站广泛使用螺栓拧紧连接方式， 所以用 8000 系列的铝合金导体， 与此相对的露天电站倾向于使用压接， 它们所用的是 1350 系列铝导体。 这些 8000 系列的铝合金在压力下的冷流性更低。 为了获得一定的柔软性， 铝合金导体也要退火处理。
绞合导体填充是为了防止脐带电缆、 船用电缆或其他类似应用的电缆中水的纵向传播， 也是为了防止特殊用途电缆中气体的传播。
9. 2. 2 单层绝缘导体
最简单的低压电缆结构是单芯导体外面一层挤出绝缘 （ 见图 9- 1）。 绝缘材料要有足够的绝缘性， 有效对抗电缆敷设和运行中的严酷条件， 以及具备其他应用中需要的性能。
常用的单层绝缘有热塑性的聚氯乙烯 （ PVC）、 聚丙烯、 一些特殊用途的含氟聚合物 （ 通常用于 4 / 0AWG 规格或者更小的电缆）。 单层绝缘用的热固性材料包括交联聚乙烯 （ XLPE） 和乙丙橡胶 （ EPR）， 还有很少用到的氯磺化聚乙烯 （ CSPE）及辐照交联 PVC。
绝缘从导体上是否可剥离也是必须考虑的问题， 因为如果绝缘和导体化学不相容， 就会造成绝缘的降解。
解决这个问题的办法就是采用镀层， 比如镀锡铜导体。 或者也可以在导体外缠包隔离带。 当然， 缠包隔离带不仅仅是单层挤出绝缘的电缆才用得到。
实际中使用的隔离带颜色和导体不一样。这样就在最大程度上避免了安装人员将连接器误安装到隔离带上而造成连接无效的情况。 图 9- 2 中就是隔离带。
结晶性绝缘 （ 例如， 但不限于， 聚乙烯）在挤出或其他加工过程中， 会产生内部应力，而这个内部应力会随着时间 “ 松弛”。 这就会
导致绝缘会沿着导体发生收缩， 从而使更多导
体暴露出来。 一般称之为回缩。 绝缘对绞合导
图 9- 1 带单层绝缘的导体
体间缝隙的填充和卡紧能减小回缩程度。 如果使用了隔离带， 绝缘和导体之间就毫无卡紧力。 这种情况下， 要十分小心地加工才能减小回缩。 需要注意的是， 实心导体更容易发生回缩。
单层绝缘广泛应用于建筑布线、 地下公用事业布线， 还有很多其他用途， 包括装备用线和电器用线。 把这些广泛的应用分为两个 “ 大类”， 来说明这个普通设计的重要性。
图 9- 2 隔离带的典型应用 （ 由 Amercable 提供， 2011 年 1 月）
9. 2. 2. 1 地下住宅配电 （ URD） 系统次级连接电缆和类似设计
最常见的地下住宅配电 （ URD） 系统次级连接电缆和用户引入电缆是铝导体外带一层 XLPE 绝缘。 电缆直接埋地或者置于电缆槽/ 电缆桥架。 在 XLPE 中加入了低含量的炭黑使之具有耐日光性。 低含量的炭黑使得 XLPE 具有了超过一般次级电缆的高击穿电压， 并且具有能应付地下环境中常有的恶劣的敷设和运行环境的机械强度。 因此， XLPE 起到了绝缘和护套的双重功能。 此外， XLPE 能耐受许多地下设施中的化学物质。 绝缘厚度由导体尺寸决定， 参见表 9- 1。
做电力设施用时， 设计的最高运行温度为 90℃ 。 NEC[5] 中地下进户 （ USE）电缆也常采用这个设计。 这些电缆一般由电力公司和承包商从经销商那里采购而来。 为了方便， 即使电缆不在地下使用而是在户外工厂使用， 制造商通常也标示这些电缆为 USE 电缆。 实际上， 标示为 USE 的电缆被用于其他场合并不罕见。 当应用于 NEC 规定的用途时， 经常要求设计者确定干燥和潮湿两种环境下的温度等级。
表 9- 1 导体规格和相应的绝缘厚度
导 体 规 格 USE 型 号 电 缆 绝 缘 厚 度 XHHW 型 号 电 缆 绝 缘 厚 度 AWG- kcmil mil mm mil mm 12- 9 45 1. 14 30 0. 76
8- 2 60 1. 52 45 1. 14
导 体 规 格 USE 型 号 电 缆 绝 缘 厚 度 XHHW 型 号 电 缆 绝 缘 厚 度
1- 4 / 0 80 2. 03 55 1. 40
213- 500 95 2. 41 65 1. 65
501- 1000 110 2. 79 80 2. 03
如果配方调到能通过 NEC 规定的阻燃试验， 电缆型号可确定为 RHH- RHW，并用于室内电站。 这种情况下如果采用铝导体， 就需要用 8000 系列的铝合金， 虽然 URD 电缆中不太用到。
单层 XLPE 绝缘的物理机械强度和击穿电压使得在设计中采用更薄的厚度具有可能。 这种结构的电缆常敷设于符合 NEC 规定的沟道 （ 如 NEC 定义） 中， 并且能符合沟道敷设要求而降低了成本。 这种结构的型号是 XHHW （ 耐热耐水合成橡胶）。
在更低的运行温度下， 电力公司经常使用与 URD 和/ 或 USE 电缆绝缘厚度一样的热塑性聚乙烯绝缘电缆。 这些电缆标称的最高正常运行温度为 75℃ 。 所以，它们经常被用在诸如街灯这样的轻负载线路上。 这些电缆不适用于 NEC 规定的应用， 因为同样是热塑性材料， 聚乙烯的阻燃性不如 PVC。
9. 2. 2. 2 NEC 认可的热塑性聚氯乙烯电线
NEC
NEC 中型号为 TW、 THW 和 MTW 的无护套电缆经常采用单层 PVC。 为了适应要求， 每一型号的配方不同， 因而它们的耐热性、 耐水性和耐油性也不一样。
它们有一个共同的应用， 就是都是敷设在沟道中， 例如电缆管道。 由于其出色的阻燃性， PVC 适合很多 NEC 规定的应用。 PVC 成本低、 加工简单， 可用各种配方将某一方面性能例如耐油性最大化， 可按照要求着色。 PVC 的不利之处是， 在低温下会脆化并受冲击而开裂， 这个温度随配方而不同， 有些配方是低于 15 ℉。 这就要求在低温下要轻拿轻放。 作者曾注意到这样的事情， 一承包商在低温天气中将
PVC 线卷扔下卡车， 导致了绝缘开裂。 在电力公司和 NEC 规定的应用中， 都要注意 PVC 电线的型号和应用场合， 从而确定它们的最高允许运行温度。 温度变化可从 60℃ 至 90℃ 。
在很多场合， 单层绝缘并不适用。 这样就需要在绝缘外包覆护套。 护套能提供一项或多项仅靠绝缘不能实现的功能。
9. 2. 3 带绝缘和护套的导体
护套的功能如下 （ 见图 9- 3）：
● 物理强度。
● 抗日光。
● 抗化学物品。
● 阻燃。
● 低烟， 燃烧时。
● 无卤， 燃烧时。
● 抗辐射。
● 低拖拽摩擦系数。
下面讨论了一些相关例子。
9. 2. 3. 1 高强度护套
9. 2. 3. 1. 1 加强型护套
如 9. 2. 2 节中， 北美的电力公司和承包商都使用的一种埋地电缆是采用添加炭黑而变得耐日光的聚乙烯 （ 75℃ 正常使用） 或 XLPE （ 90℃ 正常使用） 单层绝缘的， 这种电缆作为次级连接电缆和用户引入电缆是直接埋地或敷设在管道中的。 若是直接与充满了瓦砾、 碎石或者珊瑚骨的土壤接触， 这种电缆的抗破坏 （ 冲击、切通、 碾压和摩擦） 能力不足以应付， 故障率就会提高。 为了提升强度， 需要加强型的电缆。 单层绝缘电缆的绝缘厚度就由 “ 原始的” 聚乙烯或XLPE 的厚度变成高密度聚乙烯或中到高密度 XLPE （ 绝缘/ 护套） 的厚度。 XLPE 结构中， 获得真正的高密度的交联外层是一项挑战。 这是因为随着 XLPE 的密度增加， 交联度会减少。
图 9- 3 具有绝缘和护套的单芯导体 图 9- 4 THHN THWN 型号电线 （ 电缆）
（ 由 Southwire 提供， 2011 年 1 月）
9. 2. 3. 1. 2 THHN 和 THWN
在美国， 型号 THHN （ 耐热， 热塑性， 在干燥和湿润环境中正常运行温度 90℃ ） 和 THWN （ 耐热， 耐水， 热塑性， 在干燥和潮湿环境中运行温度 75℃ （ 或者标称环境下 90℃ ）） 是 NEC 规定的。 这种具有尼龙护套的双重结构既坚固又有很低的拖拽摩擦系数。 尼龙护套的强度使得电缆的总壁厚 （ 绝缘和护套） 可以减小， 拖拽也比等厚的单层绝缘电缆省力。 这种结构广泛用于重新布线， 使得在现有管道中能安装更大的导体。 图 9- 4 就是 THHN THWN 电线 （ 电缆）。
9. 2. 3. 2 高强度、 耐日光性和阻燃性的护套
9. 2. 3. 2. 1 EPR 护套电缆
EPR 作为低压电缆的绝缘是出色的， 有很多特性。 然而如果使用增强和/ 或阻
燃的 EPR 复合材料， 就会牺牲其他需要的性能。 通常选用一层聚氯丁二烯 （ 一般称为氯丁橡胶）、 氯磺化聚乙烯 （ 一般称为海帕伦 （ Hypalon）） 或氯化聚乙烯
（ CPE） 护套。 这三种材料的强度都高于 EPR， 而且证明名字所呈现的 （ 加氯的或含氯的）， 具有阻燃性。 这些护套材料也是柔性的， 所以可以用在要求可弯曲性的场合。 EPR 外也有用 PVC 作为护套的， 以增强耐日光性和阻燃性。
9. 2. 3. 3 高耐日光性和高阻燃性的聚氯乙烯护套
9. 2. 3. 3. 1 聚氯乙烯护套电缆
与聚乙烯以及 XLPE 比较， PVC 不是坚硬的， 但是它阻燃性更好。 PVC 常被用于聚乙烯以及 XLPE 绝缘外的护套。 PVC 的阻燃性和低成本， 使之成为广受欢迎的护套和绝缘材料。 PVC 之所以具有良好的阻燃性是因为它含有氯。 一旦被外来火源燃烧起来， 氯就会变成气体释放出来。 一旦逃生者或者灭火人员吸入这些氯， 就会造成呼吸系统的损害。 甚至， 灭火措施比如浇水， 会与氯混合产生具有腐蚀性的物质。 腐蚀性物质会造成设施的锈蚀。 这导致了现在绝缘和护套越来越多的使用无卤材料， 尤其在室内电站中。 然而， 目前为止， PVC 还在被广泛应用。
9. 2. 3. 4 提高逃生概率的低烟无卤护套
对于人体在火灾中吸入卤素的病理学影响以及腐蚀后果的重视， 使得国际上越来越广泛使用无卤的护套和绝缘。 火灾中人员的逃生概率也受到了关注。 火灾中释放的烟雾， 会降低可视度， 也是一个问题。 这也使得低烟无卤 （ LSZH） 材料的用量增加了。 LSZH 包括很多种 （ 而非一种） 材料。 除了以上提到的优点， 低烟无卤材料产生的烟灰损害也小一些， 并且有些报告指出 LSZH 护套拖拽时的摩擦系数更低[2] 。 目前报道的无卤低烟材料的缺点是， 在接触到某些润滑剂后会性能下降，而且由于高填充量， 材料的物理性能、 化学性能和吸水性都要比非 LSZH 护套低。
9. 2. 4 成股的单芯导体电线和电缆
在同一个电缆沟、 管、 道、 盘或者其他通路中敷设二、 三、 四根或更多单芯电缆是很常见的。 这种情况下， 是可以制造一个没有其他包覆层的单芯电缆的集束
（ 也叫成股电缆、 成缆电缆或绞合电缆）。通常用包含的电缆数量来称呼这种构造：双 （2 导体）、 三 （ 3 导体） 或四 （ 4 导体） （ 见图 9- 5）。
电缆成股有很多好处。 成股可以减小电缆束的直径。 同样直径的单芯电缆， 成股后的直径如下：
● 双股电缆的直径是单芯电缆的
2 倍；
● 三股电缆的直径是单芯电缆的
2. 155 倍；
图 9- 5 三芯电缆和四芯电缆
● 四股电缆的直径是单芯电缆的 2. 414 倍。
电缆成股后束合在一起， 能克服一些施工的问题， 比如第 12 章讨论的在管道中的堵塞。 电缆圆周直径最小化以后， 交流 （ AC） 线路中的感抗也降至最低了。
成股也会带来一些不利之处。 束合长度上的单芯导体电缆的长度更大。 长度增加也会使直流电阻升高。 单卷电缆的最大长度降低了， 也就是， 在一个给定的电缆盘上， 单芯导体电缆的长度比同样规格的成股电缆的长度大。
9. 2. 5 多芯电缆
低压应用中也大量用到多芯电缆。 粗略看起来， 多芯电缆和成股电缆的区别在于， 多芯电缆成缆后有附加的包覆层 （ 金属屏蔽、 铠装、 非金属护套或兼有）。 很多多芯电缆的单芯导体并没有绞合而是平行的 （ 通常会形成扁形结构）。 多芯电缆中经常还有带有特定功能的导体或者部件， 这些功能如接地、 检查线路完整、 信号和/ 或通信。 它们也有包带将单个组件集合起来， 也有填充物来形成和保持需要的形状 （ 例如圆形）。
9. 2. 5. 1 扁平多芯电缆
扁电缆是将与外界隔离的导体排成实用的形状。 举例来说， 图 9- 6 所示的 NM
型号电缆是由相线、 中性线和接地线构成外包普通护套的结构， 在美国被广泛应用
（ 但不限） 于 NEC 规定的住宅布线中。 除了方便设计， 没有其他理由要求一定要是扁形的。
图 9- 6 NM 型电缆 （ 由 Southwire 提供， 2011 年 1 月）
图 9- 7 是 W 型号四芯矿用扁电缆， 用来给梭式矿车、 钻机、 切割机和上料机供电的， 需要来回卷起放开。 扁平结构便于电缆在较宽一面的中心线轴上弯曲。 这样的话比圆形的四芯电缆有更大的可弯曲性。 当然在其他轴向上弯曲会很困难
（ 并会造成破坏）。 注意， “ D” 形和正方形挤出单芯构成了节约空间的扁形结构。这种情况下， 扁形结构是有特定目的的。 另一个例子是 NEC 规定的敷设于地毯下的 FCC 型号扁导体电缆 （ 没有图示）。
圆形的多芯电缆是另一种 （ 也许更） 常见的结构。 有些型号的电缆既有圆形结构又有扁形结构。 美国常用的用户接入电缆是将电力从架空设施上引入建筑物到电表插座以及从电表插座引到配电盘的电缆。 根据 NEC 的规定， 进户电缆也可用于其他用途。 图 9- 8 展示了一些用户接入电缆。
图 9- 7 W 型号四芯矿用扁电缆， 600 / 2000V
（ 由 Amercable 提供， 2011 年 1 月）
9. 2. 5. 2 圆形多芯电缆
圆形多芯电缆的数目数之不尽。 关于电力电缆， 三芯、 四芯或更多芯的电缆可能有特别用途。 一种简单的结构就是三个绝缘线芯加外护套。 典型的例子就是接岸脐带电缆和其他码头周边电力用电缆， 如图 9- 9 所示。
图中不能明显看到电力电缆的红- 白- 黑颜色代码， 电缆间隙有填充物以防水分进入， 以及护套强度也加强。 在其他结构中， 填充物中间可能会有一根接地导体。一根、 两根或三根接地线都是常见的。 为了符合实际需要， 接地线的根数、 规格和/ 或电导率都是工业和军事标准规范要解决的问题。
图 9- 8 进户电缆 （ 由 Southwire 提供， 2011 年 1 月）
图 9- 9 三芯圆形电缆 （ 由 Amercable 提供， 2011 年 1 月）
ICEA S- 95- 658 / NEMA WC 70 《配电用额定电压 2000V 及以下的非屏蔽电力电
缆标准》 （ Standard for Non- shielded Power Cables Rated 2000 Volts or Less For The Distribution of Electrical Enegy） 要求两芯、 三芯或四芯电力电缆需要一根接地导体，除非另有规定， 接地导体规格应如下表。
电力电缆导体规格 （ AWG 或 kcmil） 接地导体规格 （ AWG 或 kcmil）
铜 | 铝 | 铜 | 铝 |
14 | 12 | 14 | 12 |
12 | 10 | 12 | 10 |
10- 8 | 8- 6 | 10 | 8 |
6- 4 | 4- 2 | 8 | 6 |
3- 2 / 0 | 1- 3 / 0 | 6 | 4 |
3 / 0- 250 | 4 / 0- 350 | 4 | 2 |
300- 400 | 400- 600 | 3 | 1 |
450- 650 | 700- 1000 | 2 | 1 / 0 |
700- 900 | — | 1 | 2 / 0 |
1000 | — | 1 / 0 | 3 / 0 |
#18
接地导体的规格可以分成总面积相同的数根导线， 但每一导线的规格不能低于
AWG。
如果与上表不一致， 强烈建议读者查询相应的电缆标准和应用标准来满足接地线的要求。
ICEA / NEMA 同样对多芯电缆的绞合节距有要求：
● 没有总的外包层的多芯电缆， 左向绞合成缆， 最大绞合节距是 60 倍的最粗绝缘线芯的直径。
● 有外包层的圆形多芯电缆， 所有线芯绞合方向相同， 左向绞合， 最大节距如下表：
电 缆 的 导 体 芯 数 最 大 绞 合 节 距
2 30 倍 单 芯 直 径
3 35 倍 单 芯 直 径
4 40 倍 单 芯 直 径
5 或 更 多 15 倍 缆 芯 直 径
再说一次， 如果与上表不一致， 一定要查询电缆和应用的国家标准。
图 9- 10 展示的是国际上常用的低压电缆的结构。 PVC 护套下的绝缘可以是
PVC、 XLPE 或者 EPR。 考虑到前面所述的烟和卤素引起的安全和健康问题， 国际上使用 LSZH 绝缘和护套的越来越多。 有一个有趣的结构是扇形导体 （ 三芯电缆是
120°， 四芯电缆是 90°）。 圆形导体也可以。
9. 2. 5. 3 低压铠装电缆
第 8 章讨论了电缆的铠装。 低压电缆有铠装是常见的。
图 9 - 11 展示的是符合美国 NEC 标准的联锁铠装电缆。 这是 MC （ 金属铠装） 型号的电缆。 铠装可以是铝， 也可以是镀锌钢， 根据应用场合铠装可以裸露也可以再包护套。 图中的 MC 电缆包含接地线。 NEC 还允许添加光纤组件。
图 9- 10 扇形导体的三芯低压电缆
（ 由 General Cable 提供， 2011 年 1 月）
图 9- 11 联锁铠装低压电缆
（ 由 Southwire 提供， 2011 年 1 月）
铠装在第 8 章讨论过。 认可的铠装有很多种。 铜锡合金编织铠装是一种比较特别的铠装。 图 9- 12 是国际上常用的低压电缆 （ 见图 9- 10） 的铠装版本。 这两种铠装之间的鲜明对比展示了低压电缆的多样性。
9. 2. 5. 4 低压屏蔽电缆
在引言中， 曾说过低压电缆不需要屏蔽来降低会导致故障的电应力集中。 然而，低压电缆可能会成为静电场或者电磁场干扰 （ EMI） 的源头， 或者也会受到它们的
图 9- 12 扇形导体铠装三芯低压电缆
（ 由 General Cable 提供， 2011 年 1 月）
影响。 要减小这些场的干扰方法很多。 有些仅仅简单地将暴露在场中的无屏蔽线芯绞合一下就可以。 总体而言， 比起电磁场， 静电场更容易屏蔽。 应对磁场的方法更复杂， 并且与频率有关。 图 9 - 13 展示的是一种针对 EMI 的结构和屏蔽， 连接着一个变频驱动装置。 请注意， 电缆结构组件的对称可以最大化场消除效果。
（ 由 Amercable 提供， 2011 年 1 月）
这样的例子不止一个。 普遍规则是， 频率越低， 对磁场的屏蔽越困难。 在低频
（ 如 60Hz） 下可能要求使用厚的高磁导率金属， 而高频 （ > 1kHz） 下铜编织物就
能提供某种程度的屏蔽作用。 这个主题太复杂， 超过了本章的讨论范围。