电力电缆截面选择方法的发展与应用Word格式文档下载.doc
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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=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。
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
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
一班制2000h
二班制4000h
三班制6000h
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
9～14
14～24
3
3～5
8～11
11～19
3～7
7～11
11～18
18～29
8～13
13～21
3～4
6～10
10～16
4～7
7～10
10～17
17～27
5～7
7～12
12～20
16
25
70
31～50
50～73
73～104
104～147
147～202
24～37
37～55
55～78
78～111
111～153
19～29
29～43
43～61
61～86
86～119
29～46
46～68
68～96
96～135
135～186
21～34
34～50
50～70
70～99
99～137
16～26
26～38
76～105
27～43
43～63
63～89
89～126
126～173
20～31
31～45
64～91
91～125
15～23
23～34
34～49
49～69
69～95
120
202～265
265～333
333～414
414～523
523～666
660
153～200
200～251
251～312
312～394
394～502
502
119～156
156～196
196～243
243～307
307～391
391
186～244
244～307
307～381
381～481
481～613
613
137～179
179～225
225～279
279～353
353～450
450
105～138
138～173
173～215
215～271
271～346
346
173～227
227～285
285～354
354～448
448～571
571
125～163
163～205
205～255
255～323
323～411
411
95～125
125～156
156～194
194～246
246～313
313
注：
表3 10kV-3×
单芯架空绝缘电缆经济电流范围表A
适用范围
78～110
110～152
18～28
28～42
83～114
14～22
22～32
32～46
46～65
65～89
22～34
34～51
72～101
101～140
16～25
25～37
37～53
53～74
74～102
29～40
40～57
57～79
20～32
32～47
47～67
67～94
94～130
34～48
48～68
68～94
11～17
17～26
26～37
37～52
52～71
240
152～199
199～250
250～310
310～392
392
114～150
150～188
296
89～117
117～147
147～182
182～230
230
140～183
183～230
230～285
285～361
361
102～134
134～169
169～209
209～265
265
79～103
103～130
130～161
161～204
204
130～170
170～214
214～266
266～336
336
94～123
123～154
154～191
191～242
242
71～93
93～117
117～146
146～184
184
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×
主线芯
截面/mm2
39
39～58
58～82
82～116
116～159
29
29～44
44～62
87～120
23
36
36～53
75～106
106～147
26
26～39
39～55
78～108
20
20～30
30～42
42～60
60～83
33
33～50
24
24～36
36～50
50～71
71～98
18
18～27
27～38
54～75
159～209
209～262
262～326
326～412
412
120～157
157～198
198～245
245～310
310
94～122
122～154
147～192
192～241
241～300
300～379
379
108～141
141～177
177～220
220～278
278
83～108
108～136
136～169
169～214
214
353
98～129
129～162
162～201
201～254
254
75～98
98～123
123～153
153～193
193
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Δu=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×
10时，单相接地故障电流约300A，断路器不动作。
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。
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
行业名称
Tmax
铝电解
8200
建材工业
6500
有色金属电解
7500
纺织工业
6000
有色金属采选
5800
食品工业
4500
有色金属冶炼
6800
电气化铁道
黑色金属冶炼
冷藏仓库
4000
煤炭工业
城市生活用电
2500
石油工业
7000
农业灌溉
2800
化学工业
7300
一般仓库
2000
铁合金工业
7700
农村企业
3500
机械制造工业
5000
农村照明
1500
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
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