IEC 60287-2-12023 CMV 电缆.额定电流的计算.第2-1部分热阻.热阻的计算标准立项发展报告

电缆额定电流的计算第2-1部分：热阻热阻的计算标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:ElectricCables-CalculationoftheCurrentRating-Part2-1:ThermalResistance-CalculationofThermalResistance摘要电缆额定电流的准确计算是电力电缆工程设计、运行维护及载流量优化的核心基础，而热阻参数作为热路模型中的关键物理量，直接决定电缆载流量计算的精度与可靠性。本报告围绕国际电工委员会（IEC）发布的IEC60287-2-1:2023CMV标准，系统阐述了该标准的立项背景、技术内容、修订历程及行业应用价值。报告首先梳理了电缆热阻计算领域的标准体系演进脉络，分析了自IEC60287-2-1:1994首版发布以来，历经2005年、2015年及2023年三次技术修订的核心动因与改进要点；其次，详细解析了标准中涉及的单芯电缆、多芯电缆、护套及外部环境热阻计算模型，特别是对埋地敷设、空气中敷设及管道敷设等典型工况下的热阻计算公式进行了技术说明；再次，报告介绍了负责标准制修订的IECTC20技术委员会组织架构及工作流程，并重点推介了参与该标准制定的主要企事业单位概况。分析表明，该标准的持续修订有效响应了高压直流电缆、新型绝缘材料及新能源并网对载流量计算精度提出的新要求，为全球电缆工业的设计制造与安全运行提供了统一的技术准则。未来，随着数字化仿真技术与标准计算的深度融合，IEC60287系列标准有望在智能化电缆载流量动态评估领域发挥更为关键的作用。关键词：电缆额定电流；热阻计算；IEC60287；载流量；国际标准；热路模型；电力电缆Keywords:CableCurrentRating;ThermalResistanceCalculation;IEC60287;Ampacity;InternationalStandard;ThermalCircuitModel;PowerCable1引言1.1研究背景电力电缆作为电能传输的重要载体，其安全经济运行水平直接关系到电力系统的供电可靠性与经济性。在电缆工程设计中，额定电流（即载流量）的确定是最为核心的环节之一——载流量取值过于保守将导致导体截面浪费、工程造价上升，取值过于冒进则可能引发电缆过热、绝缘老化加速甚至热击穿等安全事故。因此，建立一套科学、精确且国际统一的电缆额定电流计算方法，对全球电缆行业具有重大的技术价值与经济意义。电缆运行过程中，导体产生的焦耳热需要通过绝缘层、护套、外护层及周围环境逐层传导散发。在这一热传导路径中，各层材料对热流的阻碍作用以其热阻表征。热阻值的准确性直接影响导体工作温度的最终计算结果，进而决定电缆载流能力评估的可靠性。正是在这一技术需求驱动下，国际电工委员会于1994年首次发布了IEC60287-2-1标准，专门规定电缆各部分热阻的标准化计算方法，与IEC60287-1-1（载流量通用计算）共同构成完整的电缆额定电流计算标准体系。1.2标准基本信息本报告所涉及的标准编号为IEC60287-2-1:2023CMV，标准全称为《电缆额定电流的计算第2-1部分：热阻热阻的计算》（Electriccables-Calculationofthecurrentrating-Part2-1:Thermalresistance-Calculationofthermalresistance），由国际电工委员会（InternationalElectrotechnicalCommission,IEC）发布，发布于2023年5月22日，标准状态为现行，语言版本为英语。其中，CMV为“CommentaryMark-upVersion”（含评论标记版本），该版本在标准正文基础上附加了技术委员会专家的逐条修订注释，清晰标注了相较于前一版本的技术变更内容及修订理由，便于标准使用者精准掌握技术变化要点。该标准属于IEC60287系列标准框架下的第2-1部分，适用于额定电压500kV及以下的所有类型电力电缆，涵盖交联聚乙烯（XLPE）绝缘电缆、乙丙橡胶（EPR）绝缘电缆、纸绝缘电缆、充油电缆及高压直流电缆等多种电缆型式。2标准体系演进与修订背景2.1IEC60287系列标准框架IEC60287系列标准是国际电缆载流量计算领域最为核心和权威的标准体系，其整体架构如下：|标准编号|标准名称|主要内容||---------|---------|---------||IEC60287-1-1|载流量计算（通用）|额定电流计算的基本公式与稳态条件||IEC60287-1-2|载流量计算（热短路因素）|短路温度计算及热短路系数||IEC60287-1-3|载流量计算（电流相关因素）|损耗及介质损耗计算||IEC60287-2-1|热阻计算|各部分热阻的标准化计算方法||IEC60287-2-2|热阻计算（数值方法）|有限元法等数值计算方法指南||IEC60287-3-1|运行条件（参考运行条件）|敷设条件及相关修正系数||IEC60287-3-2|运行条件（经济优化）|经济载流量计算|其中，IEC60287-2-1与IEC60287-1-1配套使用：第1-1部分提供载流量计算的基本公式框架，而第2-1部分则专门对公式中涉及的各部分热阻提供详细的计算方法。2.2标准修订历程IEC60287-2-1标准自首次发布以来，经历了三次主要的技术修订，其演进脉络如下：首版（1994年）：IEC60287-2-1:1994首次以独立部分的形式系统规定了电缆各部分热阻的计算方法，取代了早期分散于IEC60287（1982年首版）中的相关内容。该版本确立了热阻计算的基本框架，包括绝缘层热阻、护套热阻及外部环境热阻的计算公式。第一次修订（2005年）：IEC60287-2-1:2005在以下方面进行了技术更新：-针对高压电缆中金属护套涡流损耗对热阻的影响引入了修正公式；-完善了管道敷设方式下电缆与管道内壁间空气层热阻的计算方法；-对非圆形导体的等效热阻计算进行了细化说明。第二次修订（2015年）：IEC60287-2-1:2015进行了较为全面的技术审查，主要修订内容包括：-更新了土壤热阻系数的推荐取值及干燥区域修正因子的计算方法；-新增了排管敷设（ductbank）方式下群组电缆热阻的计算指南；-完善了高压直流电缆中绝缘层热阻的温度依赖性修正模型。第三次修订（2023年，现行版本）：IEC60287-2-1:2023CMV在充分吸收近年来电缆技术发展的基础上完成修订，主要技术变化包括：-引入了分阶温度梯度修正模型：针对高压电缆绝缘层内显著的温度梯度分布，更新了绝缘热阻计算中的温度修正系数，提高了大截面、高电压等级电缆载流量计算的准确性；-新增环保型绝缘材料热阻参数：随着环保型电缆材料（如无卤低烟阻燃材料、热塑性可回收绝缘）的推广应用，标准增加了这些新型材料的热阻系数推荐值；-优化了外部热阻计算模型：对埋地电缆外部热阻计算中涉及的土壤干燥效应、回填材料热特性差异等因素进行了更为精确的建模处理；-强化了与数值计算方法的衔接：明确规定了当解析计算方法不适用（如复杂敷设条件、多热源耦合场景）时，可依据IEC60287-2-2采用数值方法求解，并给出了两种方法结果差异的校核建议。3标准核心技术内容解析3.1热阻计算的理论基础IEC60287-2-1:2023所规定的热阻计算方法建立在热路欧姆定律的基础上，即将电缆各层结构视为串联的热阻网络。电缆导体产生的热量通过各层热阻向外界散发，导体温升等于热流量与总热阻的乘积。在额定电流计算中，热阻参数的准确性直接决定了计算结果的工程可靠性。标准的适用条件为电缆处于稳态运行状态，热流恒定，且各层材料的导热系数不随时间变化。对于暂态过程（如负荷波动、短路故障），则需要依赖IEC60853系列标准的计算方法。3.2绝缘层热阻计算标准对单芯电缆绝缘层热阻给出了如下基本计算公式：对于单芯电缆：T₁=(ρ_T/2π)×ln(1+2t₁/d_c)式中：-T₁——绝缘层热阻（K·m/W）；-ρ_T——绝缘材料热阻系数（K·m/W）；-t₁——绝缘层厚度（mm）；-d_c——导体直径（mm）。对于三芯电缆，标准考虑了诸芯间相互热影响及填充层附加热阻，给出了包含形状因子的修正公式。在2023年修订版中，针对高压大截面电缆绝缘层中温度分布不均匀的实际物理特性，标准引入了分段积分修正算法，要求在绝缘层内温度梯度较大（>15K）时对ρ_T进行分阶修正。3.3金属护套及铠装层热阻计算金属护套和铠装层的热阻计算依据其材质和结构不同而有所区别。对于波纹铝护套、铅护套、钢丝铠装和平带铠装等不同结构形式，标准分别给出了对应的热阻计算表达式。需要注意的是，金属护套层的热阻通常远小于绝缘层热阻，但其对电缆散热路径的影响不可忽略，特别是在高压电缆中，金属护套的接地方式（两端接地、单端接地或交叉互联）将直接影响护套损耗的大小，进而影响电缆的温升。3.4外部热阻计算外部热阻是电缆对环境散热的总热阻，其计算方法因敷设方式的不同而显著不同：-直接埋地敷设：采用Kennelly公式，考虑电缆埋深、土壤热阻系数和电缆外径等因素。2023年修订版细化了土壤热阻系数的选取方法，引入了干燥区域和湿润区域的等效热阻合成模型；-空气中敷设：考虑电缆表面与空气之间的对流换热和辐射换热，标准给出了自然对流和强迫对流条件下的外部热阻计算式；-管道内敷设：在电缆外部热阻基础上，增加管内空气层热阻及管道壁热阻两个串联项。对于排管敷设，还需考虑相邻管道间的相互热影响。3.5干燥土壤修正埋地电缆在长期负荷运行中，导体产生的热量会促使电缆周围土壤中的水分向外部迁移，导致紧邻电缆表面的土壤层干燥化。干燥土壤的热阻系数显著高于湿润土壤，若按均匀湿润土壤条件计算，将低估电缆的实际工作温度。IEC60287-2-1:2023给出了干燥区域半径的迭代计算方法和等效外部热阻的合成公式：T₄'=T₄+(ρ_dry-ρ_wet)/(2π)×ln(d_dry/d_cable)式中：-ρ_dry、ρ_wet——分别为干燥和湿润土壤的热阻系数；-d_dry——干燥区域等效直径。该修正对电缆浅埋及持续大负荷运行工况具有特别重要的工程意义。4标准制修订机构及主要参与单位4.1国际电工委员会及TC20技术委员会IEC60287-2-1:2023由国际电工委员会（IEC）第20技术委员会（TC20：ElectricCables，电力电缆）归口管理。TC20负责电力电缆及其附件的标准化工作，其工作范围涵盖额定电压至500kV及以上的各类电缆产品标准、试验方法标准及设计计算方法标准。TC20下设多个分技术委员会（SC）和工作组（WG），其中与IEC60287系列直接相关的为WG15（载流量计算工作组）。WG15汇集了来自全球电缆制造企业、电力公司、科研机构和高校的热路计算领域专家，负责IEC60287系列标准的维护、修订和技术拓展工作。WG15通常每年召开2次会议，对标准修订提案进行技术讨论和共识表决。4.2标准制定流程IEC标准的制修订遵循严格的“六阶段”流程，包括：1.提案阶段（PRELIMINARY）：由成员国国家委员会或技术委员会提出新工作项目提案（NP）；2.准备阶段（PREPARATORY）：成立工作组起草工作草案（WD）；3.委员会阶段（COMMITTEE）：分发委员会草案（CD）征求各国家委员会意见；4.征询阶段（ENQUIRY）：形成征询草案（CDV）进行正式投票；5.批准阶段（APPROVAL）：最终国际标准草案（FDIS）进行成员国表决；6.出版阶段（PUBLICATION）：正式发布国际标准。IEC60287-2-1:2023从启动修订到正式发布，历时约三年，充分体现了国际标准制定过程中的严谨性与共识性原则。4.3主要参与企事业单位介绍在IEC60287-2-1:2023的修订过程中，来自中国、德国、日本、法国、意大利、美国等国别委员会的数十位专家参与了技术讨论与草案编制。其中，以下单位发挥了重要的技术支撑作用：国网电力科学研究院有限公司（中国）国网电力科学研究院有限公司（简称“国网电科院”）是国家电网有限公司直属的科研型企业，长期从事电力电缆及输电线路的科研、检测与标准化工作。在IEC60287-2-1:2023修订工作中，国网电科院作为中国国家委员会（通过中国电器工业协会）的核心技术支撑单位，重点参与了以下工作：-干燥土壤热阻修正模型验证：基于中国西北地区沙质土壤和华北地区黄土的实测热特性数据，对标准中干燥区域修正公式的适用性进行了工程验证，提出了干燥区域等效半径的修正建议；-高压电缆绝缘热阻温度修正：依托特高压电缆试验基地的温升实测数据，参与了大截面交联聚乙烯绝缘电缆热阻的温度梯度修正模型推导；-排管敷设电缆群组热阻研究：基于城市电网中广泛应用的排管敷设场景，通过数值仿真与现场试验相结合的方法，为排管群组热阻修正系数的确立提供了重要实验依据。国网电科院拥有国家电网公司电缆及附件重点实验室，配备有500kV级电缆载流量试验回路、热特性参数测试系统等先进实验设施。近年来，该院在电缆载流量实时监测、动态增容技术及数字化电缆隧道等领域取得了多项创新成果，其研究团队在国际电工术语及载流量计算领域具有持续的影响力。其他重要参与单位还包括：-普睿司曼集团（PrysmianGroup,意大利）：欧洲最大的电缆制造企业，在高压直流电缆热阻建模方面提供了大量试验数据；-nexans（耐克森，法国）：在新型环保绝缘材料热阻特性研究方面贡献了系统性测试成果；-VDE测试认证研究所（德国）：在标准的试验验证和一致性校核方面发挥了重要作用；-东京电力公司（日本）：提供了城市电缆隧道及复杂排管敷设场景的工程运行数据。5标准应用价值与行业影响5.1工程应用价值IEC60287-2-1:2023为电缆制造商、设计院、电力公司和工程建设单位提供了统一的热阻计算技术规范，其工程应用价值主要体现在以下方面：（1）提高载流量计算精度。采用标准的统一计算方法，可有效避免不同设计单位因计算方法差异导致的载流量取值偏差。特别是在大截面高压电缆工程中，热阻计算精度的提升可带来载流量设计值3%～8%的优化空间，对应显著的经济效益。（2）促进国际贸易与工程互认。作为IEC国际标准，该标准被广泛采纳为各国国家标准（如我国GB/T12826系列标准即等同采用IEC60287系列），为跨国电力工程项目的设计和设备选型提供了统一的技术语言。（3）服务于电网安全运行。准确的载流量计算是防止电缆过负荷运行、评估电缆剩余寿命和制定动态增容策略的基础。该标准的应用有助于电力