电力电缆截面选择方法的发展与应用.docx

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电力电缆截面选择方法的发展与应用

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。

　　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”。

　　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。

信息来源:

　　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=16A/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=24kA。

信息来源:

表1　6～10kV交联聚乙烯绝缘电缆经济电流范围A信息请登陆:

输配电设备网

　　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

　　注：

表中数据摘自国际铜业（中国）协会资料。

信息来自:

输配电设备网

表3　10kV-3×单芯架空绝缘电缆经济电流范围表A

信息来源:

　注：

1．以铜芯JKYJ单芯电缆为计算依据，其余铜单芯架空电缆也可参考应用；

　　　2．表中数据摘自国际铜业协会（中国）资料。

　　　　　　　　　　　　　表4　1kV-4×单芯架空绝缘电缆经济电流范围表A信息来源:

信息来源:

　注：

以铜芯JKYJ单芯电缆为计算依据，其余铜单芯架空电缆也可参考应用。

（1）按允许发热条件选截面：

IN=71.4A，查表S=3×16+1×10mm2（对应允许电流80A）。

（2）按允许电压损失校验：

设启动时cosΦ=0.3，Iq=469A，L=160m，电流矩为74.76A-km，查表Δ

u=157%，不满足要求。

　　若按不频繁启动允许启动电压偏移-15%计，需选择

　　　　S=3×25+1×16mm2，对应Δu=10.76%

　　同法，求得正常运行时Δu=3.62%，满足要求。

　　（3）按经济电流选择截面：

根据IN=71.4A，T=6000h，P=0.5元/kWh,查0.6/1kV低压电缆经济电流范围表得Sec=3×70+1×35mm2。

　　（4）按短路热稳定条件校验，设短路切除时间t=0.2s，Smin=Iz×（t）0.5/C

　　式中,Iz为短路电流周期分量有效值，A；t为短路切除时间；C为热稳定系数，对PVC电缆C=114，将数值代入上式

　　Smin=24000×0.20.5/114=94.1mm2，选取S=3×95+1×50mm2。

　　（5）低压TN系统接地故障保护灵敏度校验：

当S=3×16+1×10时，单相接地故障电流约300A，断路器不动作。

当S=3×70+1×35时，单相接地故障电流约1100A，断路器动作，灵敏度为1100A/850A=130，大于125的要求。

　　最终决定截面大小的条件，仍然是短路热稳定条件。

通过对以上例子的分析，我们可以得出以下结论：

　　①通常，按经济电流选择的线芯截面大于按载流量选择的截面。

大多数情况，二者仅相差2级。

换言之，大多数情况下，按载流量选择的截面，放大1～2级，会比较接近经济电流值。

　　②有时，按技术条件选择的截面会大于按经济电流条件所选择的截面。

因此，“经济条件”是必要条件，但还不是充分条件，必须同时满足“技术条件”。

　　③电缆的经济电流范围表可见，Tmax愈大，经济电流值愈小。

按此条件选择的线芯截面愈大，反则反之。

6.2　经济寿命变化时经济截面的变化

　　这是较为现实的问题，有可能出现。

设N=30年，VV-1电缆寿命期效果见图2，图2中曲线1、2、3分别表示N=30、10、5年的状况。

曲线的起点都是25mm2，那是按载流量条件选择的线芯截面。

3条曲线的纵坐标各不相同。

但N=30年与10年横坐标相同，都是70mm2，且选择经济截面的总费用TOC，大大小于按载流量所选截面，

　　经济效益很明显。

　　当N=5年时，经济截面左移至35mm2，但与采用70mm2截面相比，总费用TOC仅相差不到10%，仍然低于按载流量选择截面的TOC值。

　　1—30年；2—10年；3—5年

　　图2　VV-1电缆寿命期效果

6.3　年最大负荷利用小时数对经济截面的影响

　　从经济电流范围表很明显看到Tmax的影响，VV-1电缆不同运行时间总费用利用率见图3。

图3中3条曲线分别代表Tmax=7000、4000、2000h。

曲线起点同样是按载流量所选择的截面25mm2，曲线的最低点（经济截面）分别是95、70、50mm2。

信息来源:

1—Tmax=7000h；2—4000h；3—2000h

图3　VV-1电缆不同运行时间总费用利用率

　　曲线在最低点处变化很平坦，曲线3从50～70mm2，TOC总费用只变化1.7%；曲线1从95～70mm2，TOC总费用也仅相差7.7%，因此，在工程设计中，不必过分追求T的准确性，只需要根据不同行业年最大负荷利用小时数的统计数据就可以了，详见表5。

表5　不同行业的年最大负荷利用小时数

6.4　回收年限

　　由于按经济电流选择电缆截面时，截面较大，使初期投资增加，那么增加的投资要用多少年才能收回,让我们计算一个例子。

　　某一负载IN=90A，选用VV-13芯电缆供电，电缆长100m，当地电价05元/kＷh，请分别绘制3000、5000、7000h不同小时数的TOC-N曲线。

　　经计算，按载流量选择截面为3×25mm2。

按经济电流选择截面分别为：

3000h→3×50mm2；5000h→3×70mm2；7000h→3×95mm2。

　　一班制、二班制、三班制时VV-1型电缆发热截面与经济截面的比较曲线图分别见图4～6，图中两曲线之交点表示总费用相等，它们对应回收年限分别为368、281、236年。

信息来源:

图4　VV-1型电缆发热截面与经济截面比较（一班制）

图5　VV-1型电缆发热截面与经济截面比较（两班制）

图6　VV-1型电缆发热截面与经济截面比较（三班制）

　　从图4～6可见：

①Tmax愈大，回收年限愈短。

②曲线在交点之后，每年都有节约，节约的数字逐年加大，经济效益十分明显，见表6。

③如果预计工程的使用年份小于回收年限，则不必按经济电流来选择电缆截面，以免多增加的投资不能回收。

表6　逐年节约费用比较

7　采用经济选型的经济效益分析

（1）以VV-1三芯电缆为例，其负载电流总费用曲线见图7。

设某负载电流为80A，寿命期为30年，其节约的费用数据见表7。

　　由此可见，经济效益十分明显。

表7　负载电流80A，寿命期30年电缆采用经济选型节约的费用数据

信息请登陆:

输配电设备网

图7　VV-1电缆负载电流总费用曲线

（2）2001年，全国35kV及以下电力电缆产量约25万km，其中1kV级约216万km，平均截面为70mm2，采用经济选型后，平均截面增至约120mm2，线损可节约42%；10～35kV级约34万km，平均截面为120mm2，采用经济选型后，平均截面约增至185mm2，线损可节约35%。

以上总计，全年节省损耗442万kW，年节电量为111亿kWh。

按容量电价252元/kW·年，平均电度价04元/kWh计，每年节约电费约555亿，并可减少二氧化碳的年排放量390000t。

可见，无论是从节约电能的角度，还是从环境保护的角度出发，我们都应该在电气工程中采用经济选型。

8　结论

（1）线芯截面选择时，技术和经济是相互依存的两个方面。

电缆截面的经济选型是选择方法的重要发展。

（2）电缆截面经济选型的实用方法是非常方便的，很容易掌握。

　　（3）按经济电流选择电缆截面，通常大于按载流量所选的截面，但总费用支出会很小，而且增加的初期投资一般仅需2～4年即可收回。

　　（4）大力推广“按经济电流选择电缆截面”，节约总费用、节省能源，有利于环境保护，有明显的经济效益和社会效益，是利国利民的大好事。

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