电力电缆截面选择方法的发展与应用.docx

1、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：按允许发热条件选择,也就是按允许载流量选择；按允许电压损失校验；按短路热稳定校验；按保护灵敏度校验。另一种电缆截面选择方法是

2、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/T 16895152002）问世了。它等同采用了IEC 60364-5-5231999，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IEC 287-3-21995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“

3、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：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。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

4、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80 mm2。显然，选择7095 mm2它的总费用TOC都非常接近最经济截面80 mm2，因此，经济截面是一个区间。同样，经济电流也有一定范围。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1VV-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

5、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。19891991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IEC287-3-21995。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

6、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。19941995年的电力工程电缆设计规程GB 502171994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=0.11 Z+1.11 N 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：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；该规程限定“较长距离的大电流回路或35 kV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35 kV 及以

7、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。4IEC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：回路数Nc

8、和导体的数量Np；年最大负荷损耗小时（单班制约为1 400 h，两班制约为2 400 h，三班制约为4 500 h）；电价P；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;负荷增长率a;能源增长成本b(一般为2%);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%;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，IEC 287-3-21995提供了这一范围上、下限值的计算公式是 Iec(下限)=CICI1/

9、FL（R1R）0.5 Iec(上限)=CI2CI/FL（RR2）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，/km；R1为CI1对应截面电缆单位长度的交流电阻，/km；R2为CI2对应截面电缆单位长度的交流电阻， /km。IEC 287-3-21995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

10、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：610 kV交联聚乙烯电缆的经济电流范围表，见表1。1 kV低压电缆的经济电流范围表，见表2。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：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。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cos=0.9时，单班制=1 400 h，对应Tmax=2 000h；两班制=2 400 h，对应Tmax=

11、4 000 h；三班制=4 500 h，对应Tmax=6 000 h。我们只要根据电价、Tmax和计算电流3个参数，从表14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=150 A，T=3 000 h，当地的电价P=07元/kWh，求其经济截面的方法是：从0.6/1 kV低压电力电缆经济电流密度曲线中可查得T=3 000 h，P=07元/kWh时经济电流密度j=1 6 A/mm2，则经济截面，,取相近截面95 mm2。 6经济电流的讨论 6.

12、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380 V，37 W，额定电流IN=714 A,启动电流Iq=469 A，不频繁启动。馈线断路器整定电流85 A，瞬动电流850 A，年运行时间T=6 000 h,当地电价P=0.5元/kWh,由变电所直配,采用VV-1 3+1芯电缆单根架空明敷，电缆长度L=160 m，环境温度30 ，变电所低压母线短路电流有效值Ik=24 kA。 信息来源: 表1610 kV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206/10 kV低压电缆经济电流范围表A 注：表中数据摘

13、自国际铜业（中国）协会资料。 信息来自:输配电设备网 表310 kV-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41 kV-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=71.4 A，查表S=316+110 mm2（对应允许电流80 A）。 (2) 按允许电压损失校验：设启动时cos=0.3，Iq=469 A，L=160 m，电流矩为74.76 A

14、-km，查表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=325+116 mm2，对应u=10.76%同法，求得正常运行时u=3.62%，满足要求。（3）按经济电流选择截面：根据IN=71.4 A，T=6 000 h，P=0.5元/kWh,查0.6/1 kV低压电缆经济电流范围表得Sec=370+135 mm2。 （4）按短路热稳定条件校验，设短路切除时间t=0.2 s，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=24 0000.20.5/114=94

15、.1 mm2，选取S=395+150 mm2。 （5）低压TN系统接地故障保护灵敏度校验：当S=316+110时，单相接地故障电流约300 A，断路器不动作。当S=370+135时，单相接地故障电流约1 100 A，断路器动作，灵敏度为1 100 A/850 A=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：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12级，会比较接近经济电流值。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

16、。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”。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25 mm2，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70 mm2，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35 mm2，但与采用

17、70 mm2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。 130年；210年；35年图2VV-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=7 000、4 000、2 000 h。曲线起点同样是按载流量所选择的截面25 mm2，曲线的最低点（经济截面）分别是95、70、50 mm2。 信息来源: 1Tmax=7 000 h；24 000 h；32 000 h图3VV-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

18、从5070 mm2，TOC总费用只变化1.7%；曲线1从9570 mm2，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=90 A，选用VV-13芯电缆供电，电缆长100 m，当地电价05元/kh，请分别绘制3 000、5 000、7 000 h不同小时数的TOC-N曲线。经计算，按载流量选择截面为325 mm2。按经济电流

19、选择截面分别为：3 000 h350 mm2；5 000 h 370 mm2；7 000 h395 mm2。 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46，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4VV-1型电缆发热截面与经济截面比较(一班制) 图5VV-1型电缆发热截面与经济截面比较(两班制)图6VV-1型电缆发热截面与经济截面比较(三班制) 从图46可见：Tmax愈大，回收年限愈短。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。如果预计工程的使用年份小于回收年限，则不必

20、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80 A，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80 A，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7VV-1电缆负载电流总费用曲线 （2） 2001年，全国35 kV及以下电力电缆产量约25万km，其中1 kV级约216万km，平均截面为70 mm2， 采用经济选型后，平均截面增至约120 mm2，线损可节约42%；1035 kV级约34万k

21、m，平均截面为120 mm2，采用经济选型后，平均截面约增至185 mm2，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390 000 t。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24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。 信息请登陆:输配电设备网