电气自动化设计中高压进线电缆选型的分析与探讨

罗文韬

（湖南中南水务环保科技有限公司，湖南长沙514021）

1 引言

通过对近几年数个已投产的净水厂外线输电工程中高压进线电缆型号和截面的分析，发现大多数厂区的外线输电工程设计在进行高压进线电缆选型时，所选择的电缆截面普遍存在偏大的情况。而电缆截面增大一个等级必定会引起项目建设成本的增加，尤其是在省会城市及以上的大规模水厂中，因考虑到城市规划、城市市景市貌以及用电安全等因素的影响，外线输电工程几乎要求全线采用高压电缆输送，在这种情况下，截面增大一个等级，引起建设成本的增加更会显著。因此，外线输电工程中高压进线电缆的合理选型显得尤为重要，直接影响净水厂的建设成本。

2 净水厂负荷性质及用电负荷计算

2.1 负荷性质及供电要求

符合下列情况之一时，应视为二级负荷：中断供电将在经济上造成较大损失时；中断供电将影响较重要单位的正常工作［1］时。而净水厂中断供电，一般会在在经济上造成较大损失，部分省会城市及以上的净水厂中断供电，可能会在经济上造成重大损失或将影响重要单位的正常供电。因此净水厂负荷等级至少定义为二级负荷，部分省会城市及以上的净水厂负荷等级定义为一级负荷。

二级负荷的供电系统，宜由双回线路供电；一级负荷应由双重电源供电，当一电源发生故障时，另一电源不应同时受到损坏［1］。因此，净水厂一般均要求设置双回线路供电。

2.2 用电负荷计算

净水厂工艺一般由絮凝沉淀池系统、气水反冲洗滤池系统、加氯加药系统、污泥脱水系统、废水回收系统、送水泵房系统等组成，根据水质处理情况，部分净水厂还需配置臭氧处理、活性炭滤池等深度处理系统。

本文以地处某省会城市、日处理量为30万吨的净水厂为例，进行厂区用电负荷计算、电缆选型分析与探讨。厂区用电负荷计算如表1所示。

表1 厂区用电负荷计算表

3 外线输电工程中高压进线电缆选型计算

厂区用电设备主要为10kV高压送水泵电机、380/220低压电气设备，故厂区设计采用10kV线路进线，且全线采用高压进线电缆敷设。电缆敷设方式为电缆沟敷设、电缆排管敷设、电缆直埋敷设和户外电缆架空敷设等方式，则结合电缆敷设方式，对比可满足要求的电缆护套材料、绝缘材料及导体等因素，确定电缆选用交联聚乙烯绝缘钢带铠装聚氯乙烯护套铜芯电力电缆。

对于电缆截面的选取，主要从载流量计算、电压损失校验以及热稳定校验等三方面因素综合考虑以进行确认。

3.1 按电缆载流量计算选择电缆截面

通过对厂区用电负荷下的电流进行计算，确定厂区正常运行时计算电流为336A，则导体持续运行电流应不低于336A。计算过程分土壤中直埋敷设和空气中敷设两种情况考虑，最后经比较选择满足要求的电缆截面。

3.1.1 土壤中直埋敷设时根据直埋处最热月平均温度、直埋处土壤特征（含土壤特性、雨量情况以及湿度情况）确定校正系数，针对相应温度及土壤特性等环境资料，选取净水厂项目地勘报告中“场地工程地质条件”基础资料作为计算参考依据。

地勘报告中提到“多年月平均气温值7月份为最高，平均气温29.6℃”，则对应直埋处即土壤中最热月平均温度可近似取30℃，此时参考《电力工程电缆设计标准》（GB 50217-2018）表 D.0.1 校正系数取 0.96；

地勘报告中提到“降雨量多集中在5～9月，占全年降雨量的70%”、“月平均降雨量7月份最多，为186.5mm”，“相对湿度以8月份最小，为74%”，综合考虑雨量、空气相对湿度及直埋处为泥岩土情况，参考《电力工程电缆设计标准》（GB 50217-2018）表D.0.3，土壤热阻系数可近似取 1.5（K.m/W），校正系数取0.93；

因此，根据《电力工程电缆设计标准》（GB 50217-2018）表C.0.3，可计算得出300mm2铠装铜芯电缆土壤中直埋敷设时，持续载流量＝328×1.29×0.96×0.93÷0.87＝434A。

3.1.2 空气中敷设时根据当地最热月平均最高环境温度、电缆沟内敷设时同一层支架上其他电缆与本工程电缆的敷设净距、无遮阳架空敷设等情况确定校正系数。

地勘报告中提到“多年月平均气温值7月份为最高，平均气温29.6℃”，则对应最热月平均最高环境温度可相应调高一定量，近似取为35℃，此时参考《电力工程电缆设计标准》（GB 50217-2018）表 D.0.1 校正系数取 1.05；

电缆沟内敷设时，因电缆支架长度为250mm左右，而300mm2铠装铜芯电缆近似外径约87mm，因此每层支架最多可敷设2根同截面电缆，则参考《电力工程电缆设计标准》（GB 50217-2018）表 D.0.5 校正系数取 0.90；

架空敷设时，可考虑按无遮阳明敷进行校正，则参考《电力工程电缆设计标准》（GB 50217-2018）表 D.0.7，校正系数可近似取0.83；

则根据《电力工程电缆设计标准》（GB 50217-2018）表C.0.3，可计算得出300mm2铠装铜芯电缆空气中敷设时，持续载流量＝428×1.29×1.05×0.83＝481A。

综上对比，按载流量计算时，无论是在土壤中敷设，还是在空气中敷设，300mm2铠装铜芯电缆持续载流量均不低于336A，故从载流量计算判断，选用截面为300mm2的铠装铜芯电缆可满足厂区负荷运行的需求。

3.2 电压损失校验

厂区设计采用双回路电源进线，且全线采用电缆输送。一回路长度为6.28km，另一回路长度为3.62km，在电压损失校验时，则选用最长一回路电缆长度进行电压损失校验。

先选用240mm2电缆进行电压损失校验，计算如下：

满足《电能质量供电电压偏差》（GB 12325-2008）中对电压损失的规定。而300mm2电缆电阻、电抗值均小于240mm2电缆，则相对于240mm2电缆，300mm2电缆供电时的电压损失更小。

3.3 热稳定校验

一回线路电源侧短路电流16.8kA，保护动作时间设定为 0.15s；另一回线路电源侧短路电流 20.5kA，保护动作时间亦设定为0.15s。在热稳定校验时，则选用电源侧短路电流更大的一回线路进行热稳定校验。

则热稳定校验计算如下：

按热稳定校验选用的电缆截面至少为70mm2，则选用300mm2的铠装铜芯电缆可满足热稳定校验要求。

综合考虑载流量计算、电压损失校验以及热稳定校验等三方面因素，净水厂高压进线电缆截面选用300mm2铜芯电缆。具体电缆型号为交联聚乙烯绝缘钢带铠装聚氯乙烯护套铜芯电力电缆，电缆截面为300mm2。

4 电缆截面选型偏大的原因分析和对建设成本的影响

4.1 电缆截面选型偏大的原因分析

通过上述计算分析，得出结论选用300mm2的电缆可满足要求，但是此项目外线输电工程设计单位在实际设计时，却选择了400mm2电缆。经对其电缆选型计算书进行校验，其原因是在载流量计算时出现了错误，设计人员未根据项目所在地所处的实际敷设环境情况选取校正系数，所有校正系数的选取均取用了最小值。如在土壤中敷设时，其温度影响校正系数按最不利情况考虑取值为0.92，其土壤热阻系数影响校正系数亦按最不利情况考虑取值为0.75，按此校正系数计算所得的300mm2铠装铜芯电缆持续载流量为335A，低于厂区正常运行时计算电流336A，故设计单位选择了400mm2的铠装铜芯电缆。

对此，本文经对数个项目的对比与分析，发现引起电缆选型偏大的原因主要有以下几个方面：设计人员设计选型偏保守，考虑的富余系数过大；设计时未搜集对校正系数产生直接影响的温度、土壤特性等基础资料，直接取用最不利情况的校正系数进线计算；计算方法错误。如针对电缆沟内敷设和架空敷设两种情况校正系数选取时，因电缆在同一敷设段处不可能既处在电缆沟内敷设，又处在架空敷设，因此两种情况校正系数只选取二者中取小值即可。但大多数设计时却将两个校正系数同时加入计算，导致计算错误。

4.2 对建设成本的影响

高压进线电缆截面选型的偏大将直接导致建设成本的增加，且针对全线采用电缆输送的项目，影响尤其明显。

以此净水厂为例，相对300mm2电缆，选用400mm2电缆时，其引起综合造价增加约385元/m，双回线路总长度为9.9km，则增加的总造价为381.15万元。而整个外线输电工程总造价在2000万元左右，截面选型对造价的影响占整个总造价的20%左右，其对建设成本的影响是显著的。

5 结束语

由以上分析可知，在进行高压进线电缆选型时，对截面选型影响最大的是载流量计算时校正系数的选取，设计人员的设计理念和计算方法对截面选型产生最直接影响。另外，当输送距离过长时，电压损失校验对截面选型的影响增大；对大规模水厂，热稳定校验对截面选型的影响基本可忽略。而电缆截面选型对净水厂建设成本的影响是很大的，尤其是省会城市及以上的大规模水厂，因为需要大截面进线电缆全线输送，而截面相差一、两个等级对建设成本的影响更为显著。