电线电缆材料定额计算
摘要：收集、归纳、整理了电线电缆材料定额计算的相关标准、常用公式和具体参数，并对参数的意义作了详细阐述，接着以一种型号规格的电缆为例说明材料定额计算的基本过程，让读者对电线电缆材料定额计算有一个系统化的了解和掌握。最后简述运用Excel软件实现材料定额批量计算的方法。
关键词：电线；电缆；材料定额；电缆净重；电缆结构计算；含铜量；电力电缆
0引言
电线电缆是料重工轻的产品，其材料用量对成本有很大影响。依据电线电缆结构进行材料定额（净重）计算，是工艺控制和成本控制的要求，也是电线电缆产品报价的基础。
电线电缆的定额计算，在王春江主编的《电线电缆手册》（第1册）中的“电线电缆的结构计算”一章中已作了阐述，但由于缺乏详细说明及相关参数，很多读者在理解和应用中感到困难。本文试图对电线电缆定额计算方法进行归纳整理和详细阐述，并举例说明计算过程，希望对读者有所帮助。
1电线电缆基本结构和相关标准
电线电缆是用以传输电（磁）能、信息和实现电磁能转换的线材产品，主要有裸电线、绕组线、电力电缆、通信电缆和光缆、电气装备用电线电缆五大类，大类下面又分为很多小类。虽然种类众多，但基本结构是相同的，都由导体、绝缘和护套三部分组成，如下图：
图1电线电缆截面基本结构
各种电线电缆，根据不同的用途，在基本结构的基础上进行扩充、删减或变化，就形成了适用于不同环境和场合的特定结构。作为基础设施建设的重要产品，国家和行业制订了许多关于电线电缆的规范标准（见表1），以保证产品的质量。电线电缆的材料定额计算也必须依据相关标准来进行。
表1电线电缆相关标准（常用）
标准类 标准号 名称 产品标准 GB/T12706-2008 额定电压1kV（Um=1.2kV）到35kV（Um=40.5kV）挤包绝缘电力电缆及附件 GB/T9330-2008 塑料绝缘控制电缆 GB/T12527-2008 额定电压1kV及以下架空绝缘电缆 GB/T14049-2008 额定电压10kV架空绝缘电缆 GB/T5023-2008 额定电压450/750V及以下聚氯乙烯绝缘电缆 JB8734-1998 额定电压450/750V及以下聚氯乙烯绝缘电缆电线和软线 GB/T1179-2008 圆线同心绞架空导线 材料标准 GB/T3952-2008 电工用铜线坯 GB/T3953-2009 电工圆铜线 GB/T3954-2008 电工圆铝杆 GB/T3955-2009 电工圆铝线 GB/T17048-2009 架空绞线用硬铝线 GB/T3428-2002 架空绞线用镀锌钢线 GB/T8815-2008 电线电缆用软聚氯乙烯塑料 JB/T10437-2004 电线电缆用可交联聚乙烯绝缘料 JB/T10738-2007 额定电压35kV及以下挤包绝缘电力用半导电屏蔽料 GB/T11091-2005 电缆用铜带 YB/T024-2008 铠装电缆用钢带 基础通用标准 GB/T3956-2008 电缆的导体 GB/T19666-2005 阻燃和耐火电线电缆通则 各厂家在相关标准的基础上编制了自己的工艺文件，电线电缆材料定额的计算需要从工艺文件中获取相关参数。
2计算常用公式
2.1导体单位长度重量
导体单位长度重量的计算公式如下：
①
式中：——导体单位长度重量，kg/km；——单线直径，mm；——单线根数；
——导体密度，g/cm3；——导体单线平均绞入系数；——绝缘线芯根数；
——绝缘线芯绞入系数；——紧压系数。
说明：
（1）导体的单线根数和单线直径：GB/T3956-2008《电缆的导体》中规定了各种导体和截面的最少单线根数或最大单线直径，各生产厂需根据自己的实际情况进行搭配，以使导体达到合格的电阻。比较普遍的搭配如表2：
表2电线电缆导体单线直径和单线根数
标称截面mm2 非紧压圆形导体 紧压圆形导体 根数 直径mm 根数 直径mm 1.5 1 1.38 2.5 1 1.78 4 1 2.25 6 1 2.76 10 7 1.35 7 1.38 16 7 1.70 7 1.75 25 7 2.14 7 2.20 35 7 2.52 7 2.57 50 19 1.78 7 3.03 70 19 2.14 19 2.20 95 19 2.52 19 2.57 120 37 2.03 19 2.90 150 37 2.25 30 2.57 185 37 2.52 36 2.57 240 61 2.25 36 2.93 300 61 2.52 60 2.57 400 61 2.85 60 2.96 500 59 3.32 630 59 3.73 注：[1]6mm2及以下为第一种导体，不需紧压。
[2]500mm2及以上应采用紧压导体结构。
（2）导体密度：电线电缆的导体通常只有铜、铝两种。钢丝只作为加强芯，不承担电流。此处将电线电缆常用材料的密度作归纳，如表3：
表3电线电缆常用材料密度
材料名称 密度g/cm3 铜（含铜丝、铜带） 8.89 铝（含铝丝、铝带、铝合金） 2.703 钢（含钢丝、钢带） 7.78 聚氯乙烯料 1.4 材料名称 密度g/cm3 交联聚乙烯料 0.922 半导电屏蔽料 1.10 PP绳填充料 0.75 无纺布包带 0.52
（3）绞入系数：绞入系数的定义见《电线电缆手册》（第1册）中“电线电缆的结构计算”一章。它的意义，通俗点讲，因为导体单丝或绝缘线芯成缆绞合时是弯曲绞入的，所以一定长度的单根绞入后就会变短。要达到所需的长度，就必须增加单根线的长度，那么单位长度内材料用量就相应增加，因此在计算时就要乘以绞入系数。绞入系数通常可以在1.008～1.025之间取值，也可根据绞合节径比进行测算。
圆线同心绞架空导线的绞入系数可参考GB/T1179-2008标准中的表4。
（4）紧压系数：对于紧压导体，由于紧压后导体截面变小，单位长度内的材料用量相应变小，因此要乘以紧压系数。紧压系数可在0.90～0.97之间取值，紧压技术越成熟，紧压系数越小，从而就能在节约材料的同时保证导体结构紧凑。
（5）公式最后计算出的数值的单位是kg/km。对此很多初学者难以理解。其实，圆形结构电线电缆的结构计算基本都以“圆”为原型，扩展到线材，我们就可以看做“圆柱”，从圆柱体的重量计算公式我们可以推得电线电缆导体单线的重量计算公式为：截面积×单线长度×密度。我们取1000米进行计算，经过公式的约分化简后，最后计算出的单位就是kg/km。
2.2圆形护层单位长度重量
护层主要包括实体护层（如绝缘、护套、半导电屏蔽层）、绕包护层（如铜带屏蔽、钢带铠装）和编织护层（如铜丝编织层）等，其定额计算公式如下：
（1）实体护层：
②
（2）绕包护层：
③
（3）编织护层：
④
②～④式中：——护层单位长度重量，kg/km；——护层前外径，mm；
——护层厚度，mm；——护层密度，g/cm3；——护层线芯根数；
——护层线芯绞入系数；——绕包层数；——搭盖率或间隙率；
——编织丝直径，mm；——编织层单向覆盖率；——编织交叉系数。
除以上几种护层外，还有一种钢丝铠装护层（如YJV32的铠装层），其结构形式与导体的外层排列相同，因此其单位长度重量计算公式如下：
⑤
其中：
式中：——铠装钢丝单位长度重量，kg/km；——钢丝直径，mm；
——钢丝根数（计算值向下取整）；——钢丝密度，g/cm3；
——钢丝绞入系数；——护层前外径，mm。
说明：
（1）护层的计算也以“圆”为原型。如图1所示，护层材料的截面呈圆环形状，我们就按照“空心圆柱”重量的计算原理，经过公式推导和化简，即可得出护层重量的计算公式。
（2）护层厚度值取相应产品标准中规定的标称厚度。产品标准见表1。
（3）护层密度：见表3。
（4）绞入系数：意义同2.1第（3）条。
（5）绕包层数和搭盖率（间隙率）：铠装层一般绕包2层，间隙率约30%，公式③中使用1+k；包带和金属屏蔽层搭盖率约15%，公式③中使用1-k，层数见相关产品标准规定。
（6）编织护层：编织丝直径和单向覆盖率在相关产品标准中有规定（见表1），编织交叉系数一般取1.02。
2.3圆形成缆填充料单位长度重量
⑥
式中：——填充料单位长度重量，kg/km；——成缆外径，mm；
——绝缘线芯外径，mm；——绝缘线芯根数；——填充料密度，g/cm3；
——填充系数；——绝缘线芯绞入系数。
说明：
（1）公式中的成缆外径指绝缘线芯绞合后的外接圆直径。
（2）填充系数：一般取0.90。
2.4圆形外径计算
上述的材料重量计算中需要用到电线电缆的结构尺寸，结构尺寸的计算公式如下：
（1）导体外径：
⑦
（2）护层外径：
⑧
（3）成缆外径：
等芯成缆：⑨-1
三大一小芯：⑨-2
三大二小芯：⑨-3
四大一小芯：⑨-4
⑦～⑨式中：——导体外径，mm；——外径比；——导体单线直径，mm；
——护层线芯外径，mm；——护层前外径，mm；——护层层数；
——护层厚度，mm；——成缆外径，mm；——大芯外径，mm；
——小芯外径，mm。
说明：外径比指绞合外径与绞合前单线外径之比，它与单线根数和绞合形式有关。一定数量的单线按照一定的形式排列，其外径比是一定的。按正规绞合（中心1根，第二层6根，向外每层依次多6根的排列形式）排列的外径比如表4所示：
表4正规绞合的外径比
单线根数 外径比 单线根数 外径比 2 2 24 6 3 2.154 25 6.154 4 2.414 26 6.154 5 2.7 27 6.154 6 3 28 6.414 7 3 29 6.414 8 3.3 30 6.414 9 3.7 31 6.7 10 4 32 6.7 11 4.154 33 6.7 12 4.154 34 7 13 4.414 35 7 14 4.414 36 7 15 4.7 37 7 16 4.7 44 8 17 5 48 8.154 18 5 52 8.414 19 5 59 9 20 5.154 60 9 21 5.3 61 9 22 5.7 91 11 23 6 127 13
紧压圆形导体的外径不适用外径比进行计算，在生产实践中，人们总结了圆形导体紧压后的外径，见表5：
表5各国圆形紧压导体外径
标称截面mm2 紧压外径mm 瑞典 荷兰 法国 中国 10 3.8 16 4.8 25 6.0 5.9 5.9 6.0 35 7.0 6.9 7.0 7.0 50 8.3 8.1 8.2 8.3 70 10.0 9.7 9.9 10.0 95 11.6 11.4 11.5 11.6 120 13.0 12.8 13.0 13.0 150 14.6 14.2 14.5 14.6 185 16.2 16.0 16.1 16.2 240 18.4 18.3 18.6 18.4 标称截面mm2 紧压外径mm 瑞典 荷兰 法国 中国 300 20.6 20.4 20.6 20.6 400 23.8 23.2 23.8 23.8 500 26.6 26.2 26.6 26.6 630 30.0 29.8 30.0 3计算示例
以YJV22-0.6/1kV-3×50为例，说明电线电缆材料定额计算的基本过程。
3.1截面示意图
图2YJV22-0.6/1kV-3×50横截面示意图
（以六边形表示紧压导体的单丝）
3.2结构参数
表6YJV22-0.6/1kV-3×50的结构参数
结构 材料 项目 参数 导体 铜 单线根数 7 单线直径(mm) 3.03 导体紧压外径(mm) 8.3 绝缘 交联聚乙烯 厚度(mm) 1.0 绝缘外径(mm) 10.3 成缆外径(mm) 22.2 包带 无纺布 包带厚度(mm) 0.2 层数 4 搭盖率 15% 外径(mm) 23.8 铠装 钢带 铠装带厚度(mm) 0.2 层数 2 间隙率 30% 外径(mm) 24.6 护套 聚氯乙烯 厚度(mm) 1.9 3.3计算过程
（1）导体
利用公式①：
（2）绝缘
利用公式②：
（3）填充
利用公式⑥：
（4）包带
利用公式③：
（5）铠装
也是利用公式③：
（6）护套
利用公式②：
3.4材料定额整理
表7YJV22-0.6/1kV-3×50的材料定额（净重）
材料名称 材料定额（kg/km） 铜 1318.0 交联聚乙烯 81.5 填充料 93.2 无纺布 35.4 钢带 182.0 聚氯乙烯 237.3 总重 1947.0
3.5计算方法小结
由上述计算过程可以看出，要计算某种型号规格的电线电缆的材料定额，首先应搞清楚该电缆的结构及材料组成。不同用途的电线电缆，其结构和材料组成是不同的，可以从产品标准和工艺文件中获取这些信息。其次要整理出各结构和材料的相关参数，然后选用适合的公式分别计算各材料定额，最后进行数据整理并计算出总重。
各材料定额和总重是电线电缆的重要参数，在实际中，它是工艺控制、成本控制和货物流转的重要参考，也是产品报价数据基础。
但是，电线电缆的型号规格极其繁多，如果按以上过程逐一计算，工作量会相当之大。我们可以借助计算机软件进行电线电缆材料定额的批量计算。
4材料定额的电算化
MicrosoftofficeExcel可以用于电线电缆材料定额的批量计算。以YJV22-0.6/1kV三芯电缆的计算为例，计算框架示例如图3：
图3材料定额电算化的基本框架示例
由于计算中需要用到电线电缆的芯数、导体单线根数、包带和铠装的层数等参数，所以最好把这些参数单独作为一列，以便计算。材料定额的计算需要以结构尺寸为基础，因此导体外径、绝缘外径、成缆外径等参数的计算要紧跟推进。
建立计算框架以后，再把材料定额的计算公式转化为Excel的计算公式，即可依次计算出电线电缆的材料定额。
5结语
本文系统地归纳整理了圆形电线电缆材料定额的计算方法及相关参数，另外，电线电缆的结构还有扇形、瓦形、长方形等结构，由于它们是不规则的几何体，其结构计算较圆形更加复杂，这需要我们进一步研究。
参考文献：
[1]王春江主编.电线电缆手册（第1册）.机械工业出版社，2001.
[2]卓金玉.电力电缆设计原理.机械工业出版社，1999.
[3]上海电缆厂编著.电线电缆工艺学.机械工业出版社.1986.
[4]韩中洗.电缆工艺原理.机械工业出版社，1991.
[5]蒋佩南，高晓峰.交联电缆短路热特性参数的设计计算.2003修改稿.
[6]GB/T3956-2008电缆的导体.
[7]GB/T12706-2008额定电压1kV（Um=1.2kV）到35kV（Um=40.5kV）挤包绝缘电力电缆及附件.
[8]GB/T1179-2008圆线同心绞架空导线.
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