电力电缆经济截面选择方法研究

吴向明，张倩茅

(1.河北省电力公司，石家庄 050021；2.河北省电力研究院，石家庄 050021)

传统的电缆截面选择方法只计算初始投资，导体的截面选择过小，将增加电能损耗；选择过大，增加初始投资。当最大负荷利用小时Tmax>5 000 h且长度超过20 m时，应按经济电流密度选择电缆截面[1]。导体的经济电流密度是选择导体的必要条件之一。当选择导体的诸多技术条件(如发热条件、机械强度及电压降要求等)得到控制或改善时，往往是经济电流密度起着支配作用。实践证明，经济电流密度对于选择导体进而节省能源，改善环境，提高电力运行可靠性有重要的技术经济意义。以下介绍基于经济电流密度的电缆截面选择方法，可供电气设计人员和运行人员选择电缆导体经济截面参考。

1 电缆经济截面计算方法

IEC制定了标准IEC 287-3-2-1995《电力电缆线芯截面的最佳经济化》，目前国际上已普遍采用按经济电流密度选择电缆线芯截面的方法，而在我国才刚刚开始。

1.1 总拥有费用(TOC)最小法则

总拥有费用法(TOC，Total Owning Cost)是全面评价电气装置能效费用的方法，包含:初始投资(采购及安装费用)及寿命期运行费用两部分[2-4]。其表达式见式(1)：

CT=CI+CJ

(1)

式中：CT为总拥有费用；CI为所安装的电缆造价，包括电缆购置费及敷设安装费用,敷设费用以综合造价系数来折算，综合造价系数计及电缆的运输、敷设安装及电缆构筑物等费用，综合造价系数随着电缆截面增大而降低；CJ为运行损耗费用，即电缆在N年经济寿命期发热损耗费用现值,与负载大小、年运行时间、电价、电缆截面、使用寿命期及资金贴现率等因素有关。

电缆在经济寿命年N运行的电能损耗费，折算到电缆购买日的现值表达式如下：

(2)

Q=(1-rN)/(1-r)

(3)

r=[(1+a/100)2×(1+b/100)]/(1+i/100)

(4)

式中： Imax为第1年的最大负荷电流；RL为计及各种因素(如集肤效应、邻近效应、护层电流、温度、长度等)后的实际交流电阻值；NB，NC分别为回路数和导体的数量；τ为年最大负荷损耗小时(当功率因数为0.9时，单班制约为1 000 h，两班制约为2 400 h，三班制约为4 500 h)；P为电价，元/kWh；D为附加成本费，元/kWh，由于线路损耗而导致额外供电容量的成本；Q为计及N年负载增长、电价增长和贴现率的系数；a为负荷增长率(可忽略，考虑负荷增长，通常应选择较大截面的电缆，但由于采用经济选型时，电缆截面一般较大，故可忽略这一因素)；b为能源增长成本，一般为2%；i为贴现率，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“限值”，i=10%;N为经济寿命，根据国家电网公司动力经济研究中心建议，N=30年。

为方便下面对不同截面损耗费用的一系列计算，将式(2)中除导体电流和电阻以外的所有参数用线损辅助量F来表示。

令F=NB×NC×(τ×P+D)×[Q/(1+i)]/1 000

则总拥有费用的计算公式可简化为：

(5)

1.2 给定负载电流下经济截面的计算方法

电缆总费用公式可写成以导体截面S为函数的表达式：

(6)

CI(S)以不同电缆类型初始投资推导为线性模型表示：

CI(S)=L(A×S+C)

(7)

式中：A为综合造价系数，成本的可变部分；C为成本的不变部分。

交流电阻以导体截面S的函数式：

R(S)=ρ20×B×[1+α20(θm-20)]×106/S

(8)

(9)

1.3 经济电流密度j的计算方法

经济电流密度就是流过经济截面中电流的密度。

(10)

为求电缆的经济电流密度，只需要查询电缆造价平均A值与Tmax小时下的F值，便可求得Tmax与j的关系数据和曲线。

由经济电流密度j的算式(10)可见，经济电流密度j与综合造价系数A值开方成正比，A的增加表明电缆投资增加，经济电流密度j便增大，即要求采用较小截面是经济的。经济电流密度j与线损辅助量F开方成反比，F增大相当于运行时间加长或电价增加，应使截面加大使损耗费用减小以提高经济性。

2 工程实例分析

某工厂配电工程，设计使用1台容量为2 000 kVA的配电变压器，变比为10 kV/6.3 kV。配电房距离市电架空线150 m，采用10 kV电缆驳接进入配电房。计算电流为Imax=115 A，最大负荷利用时间Tmax=6 000 h，电价P=0.5元/kWh。采用YJV22-8.7 kV/10kV型电缆，该型号电缆的有关技术参数如表1所示。

表1 8.7 kV/10 kV交联聚乙烯绝缘电力电缆相关参数

导体截面S/mm2允许载流量Ial/A空气中敷设(铜)40 ℃埋地敷设(铜)25 ℃当前价格/(元·m-1)3×3514015580.473×50165180107.513×70210220151.693×95255265207.513×120290300259.643×150330340318.023×185375380400.46

2.1 按载流量选择电缆截面

电缆导体通过的计算电流应小于其允许载流量，该工厂计算电流为110 A，根据表1选择截面为35 mm2的电缆。

2.2 按经济电流密度选择

按照年最大负荷利用小时数Tmax=6 000 h，查参考文献[1]，经济电流密度jec=0.92，则选择经济截面Sec=Imax/jec=120 mm2。

2.3 经济比较

通过电缆一次性投资和运行中的线路损耗对2种截面选择方法进行经济比较。

线路损耗计算公式为：

E=ΔPT

(11)

同理，按照经济电流密度选择截面为120 mm2电缆时，初始投资为259.64元/m×

150 m=3.89万元。Emax≈6 360 kWh电缆运行30年损耗费用约为9.54万元，则电缆总费用为13.43万元。

根据计算结果可以看出，采用经济电流密度选取的120 mm2电缆总拥有费用低，与采用载流量选取的35 mm2电缆比较，可节约费用约20.77万元。

3 结论

a. 电缆截面应满足持续允许电流、短路热稳定、允许电压降等要求，当最大负荷利用小时Tmax>5 000 h且长度超过20 m时，应按经济电流密度选取。

b. 按经济电流密度来确定电缆截面，通常会大于按载流量所选的截面，初始投资费用会增大，但可以节约电力运行费用和总费用。大力推广按经济电流选择电缆截面，有利于节约能源、保护环境，具有明显的经济、社会和环境效益。

参考文献：

[1] 水利水电部西北电力设计院.电力工程电气设计手册 电气一次部分[M].北京：中国电力出版社，1996.

[2] 贾朝霞.电气设计中电缆截面的选择探讨[J].化学工程与装备，2010(2)：107-110.

[3] 林 庆，杨艳玲.基于经济电流密度和经济截面的电缆截面设计[J].吉首大学学报(自然科学版)，2009，30(6)：74-77.

[4] 李晓彤.电缆经济截面选型应用与分析[J].电气技术， 2009(11)：87-90.