中壓電力電纜的合理選擇

中壓電力電纜的合理選擇

董磊

(西門子(中國)有限公司，北京 100102)

摘要：介紹了中壓電力電纜的類型選擇，闡述了電纜截面應按溫升、短路電流熱效應以及允許電壓損失進行選擇，并給出了計算實例。

關鍵詞：中壓電纜；截面；選擇；計算實例

收稿日期:2015-05-04

作者簡介：董磊(1983—)，男，北京人，工程師，研究方向：供配電系統設計。

0引言

在工業及民用工程設計中，如何正確合理地選擇中壓電力電纜型號規格實乃老生常談。很多電氣設計師在選擇中壓電力電纜時往往根據已有的工程經驗判斷。比如，在廠用電中壓電纜選型時，依據以往經驗，最小截面選擇185 mm2；再比如，不考慮系統中性點的接地方式，在中性點小電阻接地系統中，選用電纜的額定電壓U0/U為6/10 kV，在中性點經消弧線圈接地系統中，錯誤地套用中性點小電阻接地系統中電纜的額定電壓選型。正確合理選擇中壓電力電纜的型號規格，是確保系統長期安全運行的關鍵之一。

1中壓電纜類型選擇

1.1電纜導體材料選擇

常見的導體材料有銅和鋁兩種，銅導體由于導電率高、載流量大、機械性能好、損耗低而被廣泛使用。在設計時應根據技術經濟性比較選擇合適的導體。一般情況下，選取銅芯電纜較為適宜。

1.2電纜芯數選擇

中壓電纜通常有單芯和三芯兩種，在設計時應考慮負荷容量、單位造價、占地面積等因素。在載流量不能滿足要求的情況下，才需要選擇單芯電纜。一般情況下，選取三芯電纜較為適宜。

1.3電纜絕緣材料及護套選擇

(1) 普通電纜選擇：常見的有聚氯乙烯(PVC)絕緣電纜及交聯聚乙烯(XLPE)絕緣電纜。交聯聚乙烯絕緣電纜由于結構簡單、性能優良、制造方便、質量輕、外徑小、載流量大、耐腐蝕、敷設方便而被廣泛采用。(2) 阻燃電纜選擇：阻燃電纜是指具有使火焰蔓延僅在限定范圍內，撤去火源后，殘焰和殘灼能在限定時間內自行熄滅的電纜。按照阻燃級別分為A、B、C、D四級。在設計時應根據電纜配置情況、所需防止災難性事故和經濟合理原則，選擇適合的阻燃等級和類別。一般情況下若不注明阻燃等級，一律按照C級選擇。(3) 耐火電纜選擇：耐火電纜是指在火焰中被燃燒一定時間內，能保持正常運行特性的電纜。耐火電纜分為有機型和無機型兩種，按照耐火特性分為A、B兩級。通常在給消防設備供電的回路中采用耐火電纜。(4) 鎧裝電纜選擇：鎧裝電纜是在電纜外絕緣層的外面包裹上鋼帶或鋼絲等金屬層，用來保護電纜不受外界機械力損傷、化學腐蝕等的電纜。常用的有鋼帶鎧裝電纜和鋼絲鎧裝電纜。直埋敷設時，通常使用鋼帶鎧裝電纜；在高落差受力條件下，通常使用鋼絲鎧裝電纜。

1.4電纜絕緣水平選擇

(1) 交流系統中電力電纜導體的相間額定電壓U，不得低于使用回路的工作線電壓。(2) 交流系統中電力電纜導體對地的額定電壓U0，應滿足所在電力系統中性點接地方式及其運行要求。中性點直接接地或經低電阻接地的系統，接地保護動作不超過1 min切除故障時，U0不應低于100%的使用回路工作相電壓；除上述供電系統外，其他系統不宜低于133%使用回路的工作相電壓；在單相接地故障可能持續8 h以上或發電機回路等安全性要求較高時，宜采用173%的使用回路工作相電壓。

2中壓電纜截面選擇

2.1按溫升選擇截面

為保證電纜的實際工作溫度不超過允許值，按發熱條件電纜的允許長期工作電流(載流量)不應小于線路的最大工作電流。其中根據不同的敷設條件以及實際環境溫度，電纜允許的持續載流量需要進行修正。根據《電力工程電氣設計手冊：電氣一次部分》公式17-1，敷設在空氣中和土壤中的電纜允許載流量按下式計算：

KIxu≥Ig

式中，Ig為計算電流(A)；Ixu為電纜額定載流量(A)；K為不同敷設條件下校正系數，可參考GB50217—2007《電力工程電纜設計規范》附錄D計算。

K值計算如下(K1為空氣中單層多根并列敷設系數；K2為空氣中橋架上無間距多層并列敷設系數；K3為直埋因土壤熱阻不同敷設系數；K4為土壤多根并列直埋敷設系數；K5為1～6 kV電纜戶外明敷無遮陽的校正系數)：

(1) 戶內或有遮陽空氣中敷設：單根敷設K=Kt；單層多根并行敷設K=KtK1；橋架上無間距多層并列敷設K=KtK2。

(2) 戶外無遮陽空氣中敷設：單根敷設K=KtK5；單層多根并行敷設K=KtK1K5；橋架上無間距多層并列敷設K=KtK2K5。

(3) 土壤直埋敷設：單根敷設K=KtK3；多根并行敷設K=KtK3K4。

Kt為環境溫度不同于標準敷設溫度(空氣中為40 ℃，土壤中為25 ℃)時的校正系數：

式中，θm為最高工作溫度(℃)；θ1為基準環境溫度(℃)；θ2為實際環境溫度(℃)。

其中，計算電纜持續允許載流量用的實際環境溫度應按使用地區的氣象溫度多年平均值來定，并符合GB50217—2007《電力工程電纜設計規范》表3.7.5的規定。

2.2按短路熱穩定選擇截面

(1) 電纜短路點的選擇：應選取在通過電纜回路最大短路電流可能發生處。對于不超過制造長度的電纜，短路點選擇在電纜的末端；對于有中間接頭的電纜，短路點選擇在第一個中間接頭處。

(2) 短路電流持續時間的選擇：對電動機等直饋線，應取主保護時間與斷路器開斷時間之和；對其他情況，宜取后備保護時間與斷路器開斷時間之和。

(3) 短路電流的熱效應：按照DL/T5222—2005《導體和電器選擇設計技術規定》附錄F，短路熱效應公式為：

Qz=I″2t

Qf=I″2T

Qt=Qz+Qf=I″2(t+T)

式中，Qt為總熱效應(kA2s)；Qz為周期分量熱效應(kA2s)；Qf為非周期分量熱效應(kA2s)；t為短路持續時間(s)；T為等效時間(s)，可根據DL/T5222—2005《導體和電器選擇設計技術規定》附錄表F.6.3選取；I″為超瞬態短路電流有效值(kA)。

(4) 最小截面選擇：

式中，Smin為電纜的最小截面(mm2)；C為熱穩定系數，可根據《工業與民用配電設計手冊》第3版表5-9選取。

2.3按電壓損失選擇截面

對供電距離較遠、容量較大的電纜線路，應校驗電壓損失。按照GB50052—2009《供配電系統設計規范》第5.0.4條規定，當無特殊規定時，電壓偏差允許值為±5%額定電壓。如果電纜線路的電壓損失超過允許值，應適當加大電纜的截面，以減小電壓損失。根據《電力工程電氣設計手冊：電氣一次部分》公式17-6，三相線路電壓損失為：

ΔU%=173IgL(Rcosφ+Xsinφ)/Un

式中，Un為系統標稱電壓(V)；Ig為計算工作電流(A)；L為線路長度(km)；R為單位長度的電阻(Ω/km)；X為電纜單位長度的電抗(Ω/km)；cosφ為功率因數。

3計算實例

某工程主變為Dyn11、35/10.5 kV，容量為63 MVA。主接線為單母線分段接線方式，中性點高電阻接地。中壓采用三芯交聯聚乙烯銅芯阻燃電纜，室內電纜溝中放在梯形橋架上單層無間距敷設，最熱月日最高溫度平均值38 ℃，10 kV母線最大三相短路電流26 kA。10 kV中壓柜到其中一臺3 500 kVA配電變壓器0.1 km，到其中一臺1 800 kW高壓電動機1 km，0.5 km處設置一個電纜中間頭，電動機額定電流124 A，功率因數0.8。

3.1變壓器電纜選擇

(3) 按電壓損失選擇截面。由于中壓柜到配電變壓器的電纜較短，故不作校驗。綜上所述，電纜截面取最大者，變壓器電纜選為ZR-YJV-8.7/10 kV 3×185 mm2。

3.2電動機電纜選擇

(1) 按溫升選擇截面。由變壓器電纜選擇可知K=0.752，KIxu≥Ig，故：Ixu≥Ig/K=124/0.752=165 A。查04DX101-1國家標準圖集，3×50 mm2敷設在空氣中40 ℃時的電纜載流量為183 A。故電纜初選ZR-YJV-8.7/10 kV 3×50 mm2。

由計算可知滿足要求,故電纜初選ZR-YJV-8.7/10 kV 3×70 mm2。

(3) 按電壓損失選擇截面。Ig=124 A，L=1 km，R=0.310 Ω/km(70 mm2)，X=0.101 Ω/km(70 mm2)，Un=10 000 V，故：ΔU%=173IgL(Rcosφ+Xsinφ)/Un=173×124×1×(0.310×0.8+0.101×0.6)/10 000=0.66%<5%。滿足電壓損失要求。

綜上所述，電纜截面取最大者，電動機電纜選為ZR-YJV-8.7/10 kV 3×70 mm2。

4結語

在進行電力電纜設計時，應根據經濟技術比較、敷設環境、系統接地方式來選擇電纜的導體材料、芯數、絕緣材料及絕緣水平，并在電纜截面設計時，按溫升、短路電流熱效應及允許電壓損失進行校驗，確保正確合理地選擇電力電纜。

[參考文獻]

[1]任元會.工業與民用配電設計手冊[M].3版.北京：中國電力出版社，2005.

[2]弋東方.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，1989.