电力电缆截面选择方法的发展与应用(共20页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上电力电缆截面选择方法的发展与应用 王大刚，刘淞伯，王志强 国际铜业协会，北京  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 2002）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“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/F·L（R1R）0.5Iec(上限)=CI2CI/F·L（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=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。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=16 A/mm2，则经济截面，,取相近截面95 mm2。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=24kA。表1610 kV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 一班制2000h 二班制4000h 三班制6000h 一班制2000h 二班制4000h 三班制6000h 铜 芯35507095120 628787123123170170222222279 4666669393128128167167210 3651517272100100130130164 578080113113156156204204257 4259598383115115150150188 32454564648888115115145 537575105105145145190190239 3854547676105105137137172 29414158588080104104131 150185240300 279347347438438558558 210261261330330421421 164203203257257328328 257319319403403514514 188234234296296377377 145180180227227290290 239297297376376478478 172214214270270344344 131163163206206262262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适用范围 主线芯截面/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 一班制2000h 二班制4000h 三班制6000h 一班制2000h 二班制4000h 三班制6000h 铜 芯2244669915 1.52.54610 55881212191931 446699141424 335588111119 33771111181829 335588131321 334466101016 44771010171727 335577121220 1625355070 3150507373104104147147202 24373755557878111111153 192929434361618686119 29464668689696135135186 213434505070709999137 162626383854547676105 27434363638989126126173 203131454564649191125 15232334344949696995 95120150185240300 202265265333333414414523523666660 153200200251251312312394394502502 119156156196196243243307307391391 186244244307307381381481481613613 137179179225225279279353353450450 105138138173173215215271271346346 173227227285285354354448448571571 125163163205205255255323323411411 95125125156156194194246246313313注：表中数据摘自国际铜业（中国）协会资料。表310 kV-3×单芯架空绝缘电缆经济电流范围表A适用范围 主线芯截面/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 一班制2000h 二班制4000h 三班制6000h 一班制2000h 二班制4000h 三班制6000h 铜 芯1625355070 24373755557878110110152 182828424259598383114 14222232324646656589 22343451517272101101140 162525373753537474102 12191929294040575779 203232474767679494130 15232334344848686894 11171726263737525271 95120150185240 152199199250250310310392392 114150150188188234234296296 89117117147147182182230230 140183183230230285285361361 102134134169169209209265265 79103103130130161161204204 130170170214214266266336336 94123123154154191191242242 719393117117146146184184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适用范围 主线芯截面/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 一班制2000h 二班制4000h 三班制6000h 一班制2000h 二班制4000h 三班制6000h 铜 芯1625355070 393958588282116116159 2929444462628787120 232334344848686894 363653537575106106147 2626393955557878108 202030304242606083 3333505070709999137 242436365050717198 181827273838545475 95120150185240 159209209262262326326412412 120157157198198245245310310 94122122154154191191242242 147192192241241300300379379 108141141177177220220278278 83108108136136169169214214 137179179225225279279353353 98129129162162201201254254 759898123123153153193193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=3×16+1×10 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=160m，电流矩为74.76 A-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=3×25+1×16 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=3×70+1×35 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=24 000×0.20.5/114=94.1 mm2，选取S=3×95+1×50 mm2。（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300 A，断路器不动作。当S=3×70+1×35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。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=7000、4000、2000 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。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行业名称 Tmax 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 6000 黑色金属冶炼 6500 冷藏仓库 4000 煤炭工业 6000 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 15006.4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100m，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3×25 mm2。按经济电流选择截面分别为：3 000 h3×50 mm2；5 000 h3×70 mm2；7 000 h3×95 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。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 一班制 二班制 三班制 发热截面 经济截面 发热截面 经济截面 发热截面 经济截面 电缆截面/mm2初始投资/元第一年TOC/元第三年TOC/元第五年TOC/元第30年TOC/元3×254 2365 8548 74511 23224 173 3×507 4998 2289 53110 65116 483 3×254 2367 23912 60417 21841 233 3×7010 10911 07712 80714 29422 035 3×254 2369 08417 74925 19863 977 3×9513 37214 52216 57718 34527 544 回收年/年3.68 2.81 2.367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运行时间Tmax/h 按发热条件选型 按经济选型 节约绝对数/元·km-1 节约百分数/% 最小截面/mm2 总费用/元·km-1 经济截面/mm2 总费用/元·km-1 4000 25 313,337 70 194,136 119,201 38 6000 25 474,648 95 238,869 235,779 49.7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km，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。收稿日期：2004-06-15 作者简介：王大刚（1970-），男，工商管理硕士，国际铜业协会（中国）电力电缆项目副经理；王志强（1941-），高级工程师，上海电气工程设计研究会秘书长。 专心-专注-专业