電力電纜經濟截面選擇方法研究

吳向明，張倩茅

(1.河北省電力公司，石家莊 050021；2.河北省電力研究院，石家莊 050021)

傳統的電纜截面選擇方法只計算初始投資，導體的截面選擇過小，將增加電能損耗；選擇過大，增加初始投資。當最大負荷利用小時Tmax>5 000 h且長度超過20 m時，應按經濟電流密度選擇電纜截面[1]。導體的經濟電流密度是選擇導體的必要條件之一。當選擇導體的諸多技術條件(如發熱條件、機械強度及電壓降要求等)得到控制或改善時，往往是經濟電流密度起著支配作用。實踐證明，經濟電流密度對于選擇導體進而節省能源，改善環境，提高電力運行可靠性有重要的技術經濟意義。以下介紹基于經濟電流密度的電纜截面選擇方法，可供電氣設計人員和運行人員選擇電纜導體經濟截面參考。

1 電纜經濟截面計算方法

IEC制定了標準IEC 287-3-2-1995《電力電纜線芯截面的最佳經濟化》，目前國際上已普遍采用按經濟電流密度選擇電纜線芯截面的方法，而在我國才剛剛開始。

1.1 總擁有費用(TOC)最小法則

總擁有費用法(TOC，Total Owning Cost)是全面評價電氣裝置能效費用的方法，包含:初始投資(采購及安裝費用)及壽命期運行費用兩部分[2-4]。其表達式見式(1)：

CT=CI+CJ

(1)

式中：CT為總擁有費用；CI為所安裝的電纜造價，包括電纜購置費及敷設安裝費用,敷設費用以綜合造價系數來折算，綜合造價系數計及電纜的運輸、敷設安裝及電纜構筑物等費用，綜合造價系數隨著電纜截面增大而降低；CJ為運行損耗費用，即電纜在N年經濟壽命期發熱損耗費用現值,與負載大小、年運行時間、電價、電纜截面、使用壽命期及資金貼現率等因素有關。

電纜在經濟壽命年N運行的電能損耗費，折算到電纜購買日的現值表達式如下：

(2)

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

(3)

r=[(1+a/100)2×(1+b/100)]/(1+i/100)

(4)

式中： Imax為第1年的最大負荷電流；RL為計及各種因素(如集膚效應、鄰近效應、護層電流、溫度、長度等)后的實際交流電阻值；NB，NC分別為回路數和導體的數量；τ為年最大負荷損耗小時(當功率因數為0.9時，單班制約為1 000 h，兩班制約為2 400 h，三班制約為4 500 h)；P為電價，元/kWh；D為附加成本費，元/kWh，由于線路損耗而導致額外供電容量的成本；Q為計及N年負載增長、電價增長和貼現率的系數；a為負荷增長率(可忽略，考慮負荷增長，通常應選擇較大截面的電纜，但由于采用經濟選型時，電纜截面一般較大，故可忽略這一因素)；b為能源增長成本，一般為2%；i為貼現率，即損耗是投產后直至電纜經濟壽命終了之間逐年產生的費用，都必須根據銀行利率等因素折算到當前的“限值”，i=10%;N為經濟壽命，根據國家電網公司動力經濟研究中心建議，N=30年。

為方便下面對不同截面損耗費用的一系列計算，將式(2)中除導體電流和電阻以外的所有參數用線損輔助量F來表示。

令F=NB×NC×(τ×P+D)×[Q/(1+i)]/1 000

則總擁有費用的計算公式可簡化為：

(5)

1.2 給定負載電流下經濟截面的計算方法

電纜總費用公式可寫成以導體截面S為函數的表達式：

(6)

CI(S)以不同電纜類型初始投資推導為線性模型表示：

CI(S)=L(A×S+C)

(7)

式中：A為綜合造價系數，成本的可變部分；C為成本的不變部分。

交流電阻以導體截面S的函數式：

R(S)=ρ20×B×[1+α20(θm-20)]×106/S

(8)

(9)

1.3 經濟電流密度j的計算方法

經濟電流密度就是流過經濟截面中電流的密度。

(10)

為求電纜的經濟電流密度，只需要查詢電纜造價平均A值與Tmax小時下的F值，便可求得Tmax與j的關系數據和曲線。

由經濟電流密度j的算式(10)可見，經濟電流密度j與綜合造價系數A值開方成正比，A的增加表明電纜投資增加，經濟電流密度j便增大，即要求采用較小截面是經濟的。經濟電流密度j與線損輔助量F開方成反比，F增大相當于運行時間加長或電價增加，應使截面加大使損耗費用減小以提高經濟性。

2 工程實例分析

某工廠配電工程，設計使用1臺容量為2 000 kVA的配電變壓器，變比為10 kV/6.3 kV。配電房距離市電架空線150 m，采用10 kV電纜駁接進入配電房。計算電流為Imax=115 A，最大負荷利用時間Tmax=6 000 h，電價P=0.5元/kWh。采用YJV22-8.7 kV/10kV型電纜，該型號電纜的有關技術參數如表1所示。

表1 8.7 kV/10 kV交聯聚乙烯絕緣電力電纜相關參數

導體截面S/mm2允許載流量Ial/A空氣中敷設(銅)40 ℃埋地敷設(銅)25 ℃當前價格/(元·m-1)3×3514015580.473×50165180107.513×70210220151.693×95255265207.513×120290300259.643×150330340318.023×185375380400.46

2.1 按載流量選擇電纜截面

電纜導體通過的計算電流應小于其允許載流量，該工廠計算電流為110 A，根據表1選擇截面為35 mm2的電纜。

2.2 按經濟電流密度選擇

按照年最大負荷利用小時數Tmax=6 000 h，查參考文獻[1]，經濟電流密度jec=0.92，則選擇經濟截面Sec=Imax/jec=120 mm2。

2.3 經濟比較

通過電纜一次性投資和運行中的線路損耗對2種截面選擇方法進行經濟比較。

線路損耗計算公式為：

E=ΔPT

(11)

同理，按照經濟電流密度選擇截面為120 mm2電纜時，初始投資為259.64元/m×

150 m=3.89萬元。Emax≈6 360 kWh電纜運行30年損耗費用約為9.54萬元，則電纜總費用為13.43萬元。

根據計算結果可以看出，采用經濟電流密度選取的120 mm2電纜總擁有費用低，與采用載流量選取的35 mm2電纜比較，可節約費用約20.77萬元。

3 結論

a. 電纜截面應滿足持續允許電流、短路熱穩定、允許電壓降等要求，當最大負荷利用小時Tmax>5 000 h且長度超過20 m時，應按經濟電流密度選取。

b. 按經濟電流密度來確定電纜截面，通常會大于按載流量所選的截面，初始投資費用會增大，但可以節約電力運行費用和總費用。大力推廣按經濟電流選擇電纜截面，有利于節約能源、保護環境，具有明顯的經濟、社會和環境效益。

參考文獻：

[1] 水利水電部西北電力設計院.電力工程電氣設計手冊 電氣一次部分[M].北京：中國電力出版社，1996.

[2] 賈朝霞.電氣設計中電纜截面的選擇探討[J].化學工程與裝備，2010(2)：107-110.

[3] 林 慶，楊艷玲.基于經濟電流密度和經濟截面的電纜截面設計[J].吉首大學學報(自然科學版)，2009，30(6)：74-77.

[4] 李曉彤.電纜經濟截面選型應用與分析[J].電氣技術， 2009(11)：87-90.