电力电缆截面选择方法的发展与应用_精品文档.doc

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电力电缆截面选择方法的发展与应用

王大刚，刘淞伯，王志强

国际铜业协会，北京100045

摘要：

文章分析介绍了按经济电流选择电力电缆截面的经济选型方法，并通过具体实例分析，对经济电流和经济截面如何进行选择及相关问题进行了分析。

指出按经济电流选择电缆截面的方法可起到节约能源、改善环境、提高电力运行可靠性等多方面作用，应积极广泛推广该技术的发展与应用。

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关键词：

电力电缆；经济电流；经济截面；经济选型

　　电力电缆截面选择是一个大家十分关心的问题，因为它是电气（供配电）设计的主要内容之一。

传统的电缆截面选择方法是按技术体选择，可分为4类：

①按允许发热条件选择,也就是按允许载流量选择；②按允许电压损失校验；③按短路热稳定校验；④按保护灵敏度校验。

另一种电缆截面选择方法是按经济电流选择，过去由于缺乏基本数据，设计人员难以在这方面着手，长期没有很好解决。

　　我国成为WTO成员国之后，电气设计领域也要与国际接轨，陆续等同、等效采用国际标准来充实或替代原有标准。

在电力电缆截面选择标准方面，近年来有两大发展，一是低压电缆的载流量国家标准（GB/T1689515—2002）问世了。

它等同采用了IEC60364-5-523—1999，从2003年3月1日开始实施，这个标准的问世，填补了我国此领域长期缺乏国家标准的空白。

二是推广应用IEC287-3-2—1995《电力电缆截面的经济最佳化》，也就是经济选型。

1　经济选型的概念

　　按经济电流选择电力电缆截面的方法是经济选型。

所谓经济电流是“寿命期内，投资和导体损耗费用之和最小的适用截面所对应的工作电流”。

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　　按载流量选择线芯截面时，只计算初始投资；按经济电流选择线芯截面时，除计算初始投资外，还要考虑经济寿命期内导体损耗费用，二者之和应最小。

当减小线芯截面时，初始投资减少，但线路损耗费用增加；反之，增加线芯截面时，线路损耗减少，但初始投资增加。

某一截面区间内，二者之和总费用最少，就是我们追求的目标——经济选型。



　　有几点需要加以说明：

①线芯截面选择时，技术和经济是一件事情的两个方面，相互依存。

②经济截面和经济电流都是有一定范围的，因为电缆线芯截面是非连续的。

图1给出了VV-1电缆线芯截面与总费用的关系曲线。

图1中，曲线2代表初始费用，它包括电缆及附件与敷设费用之和。

当截面增大时，投资费用随之增大。

曲线3代表损耗费用，当截面增大时，损耗减少，损耗费用随之减少。

曲线1代表总费用，是曲线1、2的叠加。

曲线1的最低点就是总费用最少的一个截面80mm2。

显然，选择70～95mm2它的总费用TOC都非常接近最经济截面80mm2，因此，经济截面是一个区间。

同样，经济电流也有一定范围。

③在经济截面的范围内，可选择较小截面。



1—总费用；2—初始费用；3—电能损耗费

图1　VV-1电缆线芯截面与总费用的关系

2　推广经济选型的原因

　　按经济选型来确定电缆截面，可以节约电力运行费用和总费用，可以节省能源、改善环境，还可以提高电力运行的可靠性。

我国在两网改造之前，农村电网的线路损耗达20%～30%，城市线损也在10%以上。

全国装机容量已超过3亿kW，也就是说，电厂发出的电能有数千万千瓦白白地消耗在电网中。

目前，我国已进入市场经济的发展时期，工程投资越来越注重整体和长远的经济性。

因此，经济选型必须提到议程上来了。



3　历史回顾

　　1881年英国人Cord首先提出电缆经济截面的概念。

1989～1991年Parr提出了较为完整的经济截面和经济电流的概念和计算方法。

在上述基础上，IEC制定了《电力电缆线芯截面的经济最佳化》标准IEC287-3-2—1995。

20世纪50年代，前苏联也进行了电力传输最佳经济截面的研究，但局限于高压架空线范畴。

20世纪50年代，我国也开始研究这一课题。

80年代初，原水电部给出了架空导线的经济电流密度数据，但也局限于高压线路，中、低压线路不使用，也没有电缆线芯的经济电流和经济截面数据。

1994～1995年的电力工程电缆设计规程GB50217—1994中提出“宜选择经济截面，可按年费用支出B最小原则”，并给出了B=0.11Z+1.11N的计算公式，式中Z为投资，N为年运行费。

但是存在2个问题：

①年运行费N的计算涉及许多因素，没有提供这些数据，实际上无法进行计算；②该规程限定“较长距离的大电流回路或35kV以上高压电缆，当符合载流量、电压损失、热稳定等技术条件时，宜选择经济截面”。

这条限定是不恰当的。

根据统计，我国实际使用的35kV及以下的电缆约占电缆总量的85%。

很显然，针对15%的电缆进行经济核算，必定是事倍而功半。

最近，该规范正在组织修订，笔者也诚恳地提出意见和建议，受到了编写单位的高度重视。

　　

4　IEC标准中关于导体经济电流和经济截面选择的原理和方法简介

4.1　总费用最小法则

　　CT=CI+CJ

　　　　式中，CT为总费用；CI为电缆主材、附件费用及施工费用之和；CJ为损耗费用，它与负载（电流）大小、年运行时间、电价、电缆电阻（截面）、使用寿命等因素有关，可以用下面算式表示

　　

　　　　

式中，Imax为第一年的最大负载电流；RL为计算各种因素（如集肤效应、邻近效应、护层电流等）后的实际交流电阻值；F为综合系数，它包含8个方面的内容：

①回路数Nc和导体的数量Np；②年最大负荷损耗小时τ（单班制约为1400h，两班制约为2400h，三班制约为4500h）；③电价P；④附加发电成本D=252元/kW·年，是由于线路损耗而导致额外供电容量的成本;⑤负荷增长率a;⑥能源增长成本b（一般为2%）;⑦贴现率i,即损耗是投产后直至电缆经济寿命终了之间逐年产生的费用，都必须根据银行利率等因素折算到当前的“现值”，i=10%;⑧经济寿命N，根据国家电力公司动力经济研究中心建议，N=30年。

4.2　经济电流范围

　　在一定的敷设条件下，每一线芯截面都有一个经济电流范围，IEC287-3-2—1995提供了这一范围上、下限值的计算公式是

　　Iec（下限）=［CI－CI1/F·L（R1－R）］0.5

　　Iec（上限）=［CI2－CI/F·L（R－R2）］0.5

　　式中,CI为某一截面电缆的总投资（包括了主材、附件及施工费）；CI1为比CI小一级截面电缆的总投资；CI2为比CI大一级截面电缆的总投资；F为综合系数；L为电缆长度，km；R为CI对应截面电缆单位长度的交流电阻，Ω/km；R1为CI1对应截面电缆单位长度的交流电阻，Ω/km；R2为CI2对应截面电缆单位长度的交流电阻，Ω/km。

　　IEC287-3-2—1995的适用范围是中、低压电力电缆，它不同于前苏联的方法，也不同于原我国水电部的规定，后者都是适用于高压架空线。



5　常用电缆的经济电流范围

　　根据IEC标准中关于导体经济电流和经济截面选择的原理和方法，笔者编制了各种不同类别电缆的经济电流范围表。

其中的部分内容如下：

①6～10kV交联聚乙烯电缆的经济电流范围表，见表1。

②1kV低压电缆的经济电流范围表，见表2。

③架空绝缘电缆的经济电流范围表，见表3、表4。

并对以上各表作了如下的限定：

①取高电价区域华东、华南地区代表电价为05元/kWh，取中电价区域华北、华中、东北地区代表电价为04元/kWh，取低电价区域西南、西北地区代表电价为03元/kWh。

②τ是最大负荷损耗小时数，为符合使用习惯，表中转化为最大负荷利用小时数取Tmax。

当cosф=0.9时，单班制τ=1400h，对应Tmax=2000　h；两班制τ=2400h，对应Tmax=4000h；三班制τ=4500h，对应Tmax=6000h。

　　我们只要根据电价、Tmax和计算电流3个参数，从表1～4中便可快捷求取经济截面。

如果已知条件不像经济电流范围表格中所列的那么典型，就应当先以相应的经济电流密度曲线中查得其对应的经济电流密度j，再通过计算求取经济截面。



　　如某一负荷，计算电流Ij=150A，T=3000h，当地的电价P=07元/kWh，求其经济截面的方法是：

从0.6/1kV低压电力电缆经济电流密度曲线中可查得T=3000h，P=07元/kWh时经济电流密度j=16A/mm2，

　　则经济截面，,取相近截面95mm2。



6　经济电流的讨论

6.1　按经济条件选择与按技术条件选择截面的比较

　　举例说明：

一台水泵电动机三相380V，37W，额定电流IN=714A,启动电流Iq=469A，不频繁启动。

馈线断路器整定电流85A，瞬动电流850A，年运行时间T=6000h,当地电价P=0.5元/kWh,由变电所直配,采用VV-13+1芯电缆单根架空明敷，电缆长度L=160m，环境温度30℃，变电所低压母线短路电流有效值Ik=24kA。

表1　6～10kV交联聚乙烯绝缘电缆经济电流范围A

截面

/mm2

低电价区（西北、西南）

中电价区（华北华中东北）

高电价区（华东、华南）

一班制

2000h

二班制

4000h

三班制

6000h

一班制

2000h

二班制

4000h

三班制

6000h

一班制

2000h

二班制

4000h

三班制

6000h

铜

芯

35

50

70

95

120

62～87

87～123

123～170

170～222

222～279

46～66

66～93

93～128

128～167

167～210

36～51

51～72

72～100

100～130

130～164

57～80

80～113

113～156

156～204

204～257

42～59

59～83

83～115

115～150

150～188

32～45

45～64

64～88

88～115

115～145

53～75

75～105

105～145

145～190

190～239

38～54

54～76

76～105

105～137

137～172

29～41

41～58

58～80

80～104

104～131

150

185

240

300

279～347

347～438

438～558

558

210～261

261～330

330～421

421

164～203

203～257

257～328

328

257～319

319～403

403～514

514

188～234

234～296

296～377

377

145～180

180～227

227～290

290

239～297

297～376

376～478

478

172～214

214～270

270～344

344

131～163

163～206

206～262

262

　　注:

表中数据摘自国际铜业（中国）协会资料。

表2　06/10kV低压电缆经济电流范围表A

适用

范围

主线芯截面/mm2

低电价区（西北、西南）

中电价区（华北华中东北）

高电价区（华东、华南）

一班制2000h

二班制4000h

三班制6000h

一班制2000h

二班制4000h

三班制6000h

一班制2000h

二班制4000h

三班制6000h

铜

芯

2

2～4

4～6

6～9

9～15

1.5

2.5

4

6

10

5

5～8

8～12

12～19

19～31

4

4～6

6～9