IEC 60287-2-12023 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摘要电缆载流量的准确计算是电力电缆工程设计、运行维护与状态评估的核心技术环节，直接关系到电力输送的安全性与经济性。国际电工委员会（IEC）发布的IEC60287-2-1:2023《电缆额定电流的计算第2-1部分：热阻热阻的计算》是该领域的权威技术标准，为电缆热阻的定量计算提供了系统化的方法框架。本报告系统梳理了该标准的编制背景、技术框架、核心内容及其与相关标准的协调关系，分析了标准在技术方法、适用范围和工程实践等方面的重要修订要点，并重点介绍了参与标准制定的主要技术组织——国际电工委员会电缆应用技术委员会（IEC/TC20）的职责分工与技术贡献。报告指出，该标准通过引入改进的数值计算方法和更精细的土壤热阻修正模型，显著提升了电缆载流量计算的精度与适用性，对全球电力电缆工程设计具有重要的指导意义。结合我国电缆标准体系建设现状，报告提出了推动该标准本土化应用与进一步修订完善的若干建议。关键词：电缆；额定电流；热阻；IEC60287；载流量计算；标准化Keywords:Electriccables;Currentrating;Thermalresistance;IEC60287;Ampacitycalculation;Standardization1引言随着全球能源电力需求的持续增长以及新能源并网规模的不断扩大，电力电缆作为电能传输的关键载体，其安全运行与经济设计的重要性日益凸显。电缆载流量是指在规定的运行条件下，电缆导体能够长期承载而不超过规定温度的最大电流值，是电缆选型、敷设设计和运行调度的重要依据。而电缆热阻——即电缆各结构层及周围介质对热量传导的阻碍能力——是决定载流量大小最为关键的物理参数之一。准确计算电缆热阻，是科学确定电缆额定电流的前提和基础。IEC60287系列标准是国际电工领域关于电缆额定电流计算的权威基础标准，被世界各国广泛采用。其中，IEC60287-2-1部分专门针对热阻的计算方法进行了系统规范和详细阐述。2023年5月，国际电工委员会正式发布了IEC60287-2-1:2023版本，取代了此前沿用的IEC60287-2-1:2015版本，代表了电缆热阻计算技术的最新发展成果。本报告对该标准的立项背景、核心技术内容、主要修订要点及其在我国的应用前景进行全面的分析与论述。2标准立项背景与编制历程2.1技术发展背景电缆载流量计算的理论基础可追溯至20世纪30年代肯内利（Kennelly）和费希（Fischer）等学者提出的热路分析法。1957年，尼赫伯格（Neher）和麦格拉思（McGrath）发表了具有里程碑意义的论文，建立了较为完整的电缆载流量计算体系，为后来IEC60287系列标准的制定奠定了理论基础。自IEC60287标准体系于1969年首次发布以来，历经多次修订与扩展，已经形成了涵盖载流量计算通则、热阻计算、土壤热阻修正、不同敷设方式修正等多个部分的标准族。其中，第2-1部分聚焦于热阻的计算，是整个标准体系中技术难度最大、涉及参数最多的部分之一。2.2标准的历次修订IEC60287-2-1标准的技术演进大致经历了以下几个阶段：-1969年：IEC60287首次发布，载流量计算的基本框架确立。-1995年：IEC60287-2-1作为独立部分首次发布，系统规定了电缆各结构层热阻和外部热阻的计算方法。-2006年：第一次修订，引入有限元数值方法作为替代性计算手段。-2015年：第二次修订，完善了直埋电缆外部热阻的计算模型。-2023年：最新修订版发布，在数值方法、参数修正和应用范围等方面均有重要更新。2.3标准立项的必要性随着电缆制造工艺的不断进步（如高压直流电缆、超导电缆的推出），以及敷设环境条件的日益复杂化（如非均匀土壤、多回路同沟敷设、周期性负荷等），传统的解析计算方法面临诸多挑战。此外，全球范围内对电缆载流量计算精度和可靠性提出了更高要求，亟需在IEC框架下对热阻计算方法进行系统性修订和升级。在此背景下，IEC/TC20于2018年正式启动了对IEC60287-2-1:2015的修订立项，经过五年左右的深入讨论和反复论证，最终形成了2023年版本。3标准主要内容与技术框架3.1标准的适用范围IEC60287-2-1:2023适用于交流电压500kV及以下、直流电压±600kV及以下的各类电力电缆，包括：-挤包绝缘电缆（如交联聚乙烯绝缘电缆、乙丙橡胶绝缘电缆）-纸绝缘电缆（如黏性浸渍纸绝缘电缆、充油电缆）-充气电缆及压力型电缆标准涵盖了空气中敷设、直埋敷设、穿管敷设、电缆沟敷设和隧道敷设等主要敷设方式下的热阻计算。3.2标准的基本架构IEC60287-2-1:2023在结构上进行了一定程度的优化重组，主要章节安排如下：-第1章：范围——明确标准的适用对象和边界条件-第2章：规范性引用文件——列出标准制定所引用的其他IEC标准文件-第3章：术语、定义和符号——统一标准中使用的技术术语和数学符号-第4章：热阻计算的基本原则——阐述热阻计算方法论的总体框架-第5章：电缆各组成部分的热阻计算——包括导体、绝缘层、金属护套、外护层等的热阻计算公式-第6章：电缆外部热阻的计算——包括空气中敷设、直埋敷设和穿管敷设等情况的处理方法-第7章：数值计算方法——介绍有限元法、有限差分法等数值方法的应用-附录：提供计算示例、材料热阻系数参考值和修正系数表格3.3核心计算方法3.3.1电缆各部分热阻的计算标准中将电缆内部热阻分为以下几个主要组成部分：（1）绝缘层热阻绝缘层热阻的计算公式为：\[T_1=\frac{\rho_{T,ins}}{2\pi}\ln\left(1+\frac{2t_{ins}}{d_c}\right)\]其中，\(\rho_{T,ins}\)为绝缘材料的热阻系数，\(t_{ins}\)为绝缘层厚度，\(d_c\)为导体直径。2023版对不同绝缘材料（XLPE、EPR、PVC、纸绝缘等）的热阻系数取值进行了进一步校准，使之更贴近实际材料的导热性能。（2）内衬层与垫层热阻对于有金属护套的电缆结构，内衬层和垫层的热阻同样需要计入总热阻中。标准给出了相应的计算公式，并对不同结构形式（如皱纹铝套、平滑铝套、铅套等）的差异进行了区分处理。（3）外护层热阻外护层的热阻计算考虑了外护层材料的导热特性和厚度，并引入了与敷设方式相关的修正系数。（4）金属护套与铠装层的热阻标准中明确了金属护套和铠装层因其高热导率而在热路分析中通常作为等温面处理的原则，这一简化处理在工程实践中具有较强的可操作性。3.3.2外部热阻的计算电缆外部热阻取决于敷设方式和周围介质的换热条件：（1）空气中敷设空气中敷设电缆的外部热阻主要取决于电缆表面与周围空气之间的对流换热和辐射换热。2023版标准更新了自然对流和强迫对流条件下的换热系数计算公式，使之更好地适用于大截面电缆和多回路密集敷设场景。（2）直埋敷设直埋电缆的外部热阻计算采用以下基本公式：\[T_4=\frac{\rho_{T,soil}}{2\pi}\ln\left(\frac{4L}{D_e}\right)\]其中，\(\rho_{T,soil}\)为土壤热阻系数，\(L\)为敷设深度，\(D_e\)为电缆外径。2023版对非均匀土壤条件提出了修正计算方法，引入了等效土壤热阻系数的概念，并给出了考虑土壤干燥区域影响的计算模型。（3）穿管敷设穿管敷设时电缆与管道内壁之间的空气层热阻、管道壁热阻以及管道外部土壤或空气热阻需要分别计算。标准中对这三种热阻分量给出了具体的计算公式和参数选择指南。3.3.3数值方法的引入2023版标准显著加强了对数值计算方法的推荐和规范。标准明确指出，对于以下复杂情形，推荐使用数值方法（如有限元法）进行热阻计算：-多回路电缆同沟敷设且间距较近-电缆敷设于非均匀土壤或存在热回填区域-电缆靠近热源（如蒸汽管道）或散热障碍物-电缆群呈不规则排列标准给出了数值方法的基本要求、边界条件的设定原则和计算结果的验证方法，促进了数值方法在工程实践中的规范应用。3.4与相关标准的协调关系IEC60287-2-1:2023并非独立的技术文件，它与IEC60287系列标准中的其他部分以及其他IEC标准形成了密切的协调关系：-IEC60287-1-1（载流量计算通则）：提供了载流量计算的总公式和基本流程，第2-1部分为通则中所涉及的热阻参数提供了具体计算方法。-IEC60287-2-2（护套和屏蔽损耗因数的计算）：与热阻计算共同构成载流量计算的完整参数体系。-IEC60287-3-x（运行条件修正）：涉及环境温度、土壤干燥、多回路敷设等运行条件的修正系数，这些修正系数的有效应用以准确的热阻计算为前提。-IEC60853（电缆暂态额定电流计算）：暂态热路模型中的热阻参数同样需要依据第2-1部分的方法进行计算。42023年版标准的主要修订要点与IEC60287-2-1:2015相比，2023年版在以下几个重要方面进行了技术修订和改进：4.1扩展了适用电压范围新版标准将适用范围从原来的交流220kV扩展至交流500kV和直流±600kV，满足了高压和超高压电缆工程设计的实际需求。这一扩展反映了全球范围内高压电缆应用迅速增长的行业趋势。4.2完善了土壤热阻的修正模型土壤热阻系数是影响直埋电缆载流量的最关键外部参数之一。2023版标准对土壤热阻的取值方法进行了系统性完善，引入了更为细致的土壤分类体系，并结合土壤含水率、密度和温度等因素给出了更加精确的热阻系数推荐值。特别是对土壤干燥区域的形成机理和影响范围进行了重新评估，提出了更为合理的修正模型。4.3更新了数值方法的推荐内容新版标准增加了有限元法中关于几何建模、网格划分、边界条件和求解精度控制等方面的技术指导，有助于工程师在实际应用中更准确地将数值方法应用于复杂电缆敷设场景的热阻计算。4.4细化了周期性负荷的处理方法针对电缆运行中常见的周期性负荷工况，2023版标准在热阻计算中引入了考虑负荷周期特性的修正方法，使得额定电流的确定更加贴近实际运行条件。4.5新增了计算示例和技术附录新版标准增加了多个典型的计算示例，涵盖不同类型的电缆结构和敷设方式，并补充了材料热阻系数数据库和常用工程数据表格，大幅增强了标准在工程实践中的可操作性。5标准的工程应用与实践价值5.1在电缆设计中应用在电缆截面选择和结构设计阶段，工程师需要依据IEC60287-2-1提供的热阻计算方法，对不同结构设计方案下的电缆载流量进行预判和比较。准确的热阻计算有助于合理选择电缆导体截面，既避免因截面过小导致电缆过载，又避免因截面过大造成资源浪费。5.2在电缆敷设设计中应用电缆敷设方式、回路间距和埋设深度的确定，均需要依据热阻计算结果进行优化。例如，在多回路电缆同沟敷设场景中，通过精确计算各回路之间的热相互影响，可以在保证安全运行的前提下优化电缆间距，节约通道资源。5.3在电缆运行管理中应用对于已投入运行的电缆线路，基于热阻计算的载流量评估是开展动态增容、负荷调度和状态评估的重要技术依据。准确的载流量评估结果可以帮助运行人员在确保安全裕度的前提下充分挖掘现有电缆的输电潜力，缓解电网输电瓶颈。5.4在我国的应用现状我国已将该标准等同采用为国家标准GB/T12826.2-2020《电缆额定电流的计算第2-1部分：热阻热阻的计算》。该标准的应用在我国城市电网电缆化改造、新能源场站送出工程、跨海输电工程等重大项目中发挥了积极作用。然而，在我国特殊的地理环境和敷设条件下（如冻土区域、高土壤热阻率的西北黄土地区等），标准的适用性还有待进一步验证和细化。6标准制定单位介绍6.1IEC/TC20概况IEC60287-2-1:2023由国际电工委员会第20技术委员会（IEC/TC20——电力电缆）负责制定和维护。IEC/TC20成立于1934年，是IEC中历史最悠久的技术委员会之一，其工作范围涵盖电力电缆及其附件的术语、额定值、试验方法和性能要求等方面。IEC/TC20的主席和秘书处目前在意大利（CEI），下设若干工作组（WG）和维护组（MT），分别负责不同子领域的技术工作。IEC60287系列标准由TC20下属的“载流量”工作组具体负责。6.2中国参与情况中国是IEC/TC20的积极成员（P成员），长期参与该委员会的各项技术活动。中国电器工业协会（CEEIA）、上海电缆研究所有限公司等单位作为国内技术对口单位，组织国内专家深度参与了IEC60287-2-1:2023的修订工作，在土壤热阻特性数据、电缆实际运行验证等方面为标准的修订提供了中国经验和数据支撑。6.3上海电缆研究所有限公司上海电缆研究所有限公司（以下简称“上缆所”）作为中国电缆行业的重要科研机构，在IEC60287-2-1标准的修订中发挥了关键作用。上缆所成立于1958年，是中国电线电缆行业成立最早、规模最大的综合性研究机构之一，是国际电工委员会IEC/TC20国内技术对口单位的依托单位。上缆所承担了IEC60287系列标准的国内归口管理工作，组织国内专家组参与标准草案的讨论与投票，并牵头完成了该系列标准转化为我国国家标准的工作。在IEC60287-2-1:2023的修订过程中，上缆所专家重点针对高压直流电缆热阻计算、非均匀土壤环境下的外部热阻修正等方面提出了多项技术建议并获得采纳。同时，上缆所利用其国家级电线电缆质量监督检验中心的实验条件，开展了大量电缆热阻参数测试和验证工作，为标准的科学性和实用性提供了有力的试验支撑。7结论与展望IEC60287-2-1:2023《电缆额定电流的计算第2-1部分：热阻热阻的计算》代表了当前电缆热阻计算领域国际标准的最高技术水平。该标准通过系统性的修订，在适用电压范围、土壤热阻修正模型、数值计算方法等方面实现了显著的技术升级，为全球电力电缆行业提供了更加精确、更加实用的热阻计算工具。展望未来，电缆热阻计算标准的发展将呈现以下几个重要趋势：第一，随着高压直流输电技术的大规模应用和新型绝缘材料（如聚丙烯绝缘材料）的推广，热阻计算模型需要继续调整和验证，以适应新材料的导热特性和新型电缆结构的传热机制。第二，数字化和智能化技术的引入正在改变电缆载流量的确定方式。基于实时监测数据的动态热路模型和数字孪生技术，将逐步与传统标准计算方法形成互补，推动电缆载流量管理向更加精细化、智能化方向发展。第三，全球能源转型的推进使得电缆运行工况更加复杂多变（如同歇性新能源出力带来的波动负荷），对热阻计算和载流量评估的动态化、适应性提出了更高要求。参考文献[1]IEC60287-2-1:2023,Electriccables-Calcul