關于10 kV及以下配電線路電纜截面選擇的探討

郭偉

摘? ?要：隨著城市的不斷發展，城市供電線路逐步向電纜敷設方式推進，在10 kV及以下配電線路中，電纜線路具有通道選擇比較靈活，既可埋地，又可架空，不需考慮電氣間隙、占用空間小等優點，故在配電線路中電纜是一種普遍采用的電力傳輸方式。電纜線路大多采用銅制材料，不同截面的輸送能力和造價相差較大，就10 kV及以下配電線路電纜截面選擇進行探討。

關鍵詞：電纜;截面;供電

10 kV及以下配電線路需要通過建筑物和居民密集區，在地面空間有限、不能架設桿塔和架空線時，需要采用電纜進行走線。電纜線路在通道選擇上比較靈活，不需考慮電氣間隙，既可埋地，又可架空，占用空間小，具有諸多架空線不可比擬的優點，故在配電線路中電纜是一種普遍采用的電力傳輸方式。

由于在造價方面單位長度的電纜線材價格達到了架空線的5倍以上，故在電纜線路設計中，能否對電纜進行合理選型，將直接關系到整個項目的經濟合理性，為此，有必要對電纜的選型作更加深入的研究。

本項目將從兩個方面對電纜截面選擇進行探討：（1）確定其導體材質、芯數、絕緣耐壓水平。（2）選擇確定電纜截面積。

1? ? 電纜規格的選擇

1.1? 電纜導體材質的選擇

眾所周知，輸電線路的金屬導電體通常采用銅和鋁兩種。銅與鋁相比，其電阻率更低，相同截面載流量更大，機械性能、延展性更好。雖然鋁導體材質更輕，但是在連接性能上有著明顯的缺點，比如在做鋁芯電纜終端頭連接設備的時候，熱縮電纜終端頭易快速氧化而產生氧化鋁，致使在導電體連接中產生虛接，從而引起接觸電阻過大，容易產生電纜接頭部位發熱脫落等問題。在10 kV配電線路設計中，在選擇電纜材質的時候，除了對銅有腐蝕而對鋁腐蝕較輕的環境如氨壓縮機房和架空線路、較大截面的電纜線路外，絕大多數都會采用銅導體作為電纜的導體材料。

1.2? 電纜芯數的選擇

電纜芯數的選擇與配電系統的供電制式有關。35 kV交流系統一般為三相三線制，截面小的可采用3芯電纜，截面大的需采用單芯電纜;10 kV交流系統也為三相系統，中性點不直接接地，常采用3芯電纜;0.4 kV及以下交流系統分為單相二線制、三相三線制、三相四線制（TN-C系統）、三相五線制（TN-S系統）4種，分別采用2～5芯電纜。

1.3? 電纜耐壓水平的選擇

纜芯與絕緣屏蔽層（或金屬護套）之間的額定電壓，應滿足所在電力系統中性點接地方式及其運行要求的水平。35 kV及以下系統一般采用中性點不接地或經消弧線圈接地系統，其單相接地故障會持續較長時間，纜芯相間額定工頻電壓不得低于使用回路的工作線電壓，若單相接地故障持續時間不超過1 min時，可取100%相電壓;若單相接地故障持續時間在1 min至2 h以內時，宜取133%相電壓。在系統運行中時常發生絕緣擊穿故障，究其原因，大多是絕緣耐壓水平只能滿足工頻電壓運行，一旦線路產生故障，絕緣層就會被擊穿。因此，在選擇電纜額定電壓時，應選用比相電壓高一檔的電壓等級，例如，在10 kV系統中，電纜的額定電壓應該選擇8.7/15 kV，而不能選擇6/10 kV。

2? ? 電纜截面選擇的方法

2.1? 按持續允許載流量

我們都知道，電纜線芯導電體都存在一定電阻，由于電阻的存在，電流通過電纜時，電纜會產生熱量，按載流量選擇截面就是為保證電纜的實際工作溫度不超過電纜絕緣所允許的長期工作溫度，也就是電纜的持續允許載流量應大于線路的實際工作電流。電纜的允許載流量，不僅要考慮導體的截面、散熱條件，還需要考慮電纜周圍的環境溫度，所以還要根據不同條件需對電纜的持續允許載流量進行修正。

2.1.1? 環境溫度的修正

《電力工程電纜設計規范》[1]中所列出的電纜持續允許載流量，其基準環境溫度為：空氣中敷設為40 ℃，埋地敷設為25 ℃;在不同的環境溫度條件下敷設，電纜允許的載流量應乘以相應的校正系數Kt：

（1）

其中：θm為電纜導體最高允許運行溫度，℃;θ1為額定載流量的基準環境溫度，℃;θ2為電纜實際運行環境溫度，℃[2-3]。

2.1.2? 電纜多根并列的修正

電纜多根并列敷設時，由于導體數量較多，可能會導致環境溫度顯著提高，電纜允許的載流量應乘以相應的校正系數Kp，如表1所示。

因此，電纜的允許電流應按下式計算：

Ial =KI'al=KtKpI'al? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

其中：I'al 為導體中所允許通過的長期工作電流，A。

其次，按持續允許載流量選擇三相系統中的電纜相截面時，應使其允許載流量Ial大等于通過相線的計算電流I，

即：Ial ≥ I? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

其中：I為計算電流，A;P為輸送功率，kW;U為線電壓，kV;COSφ為功率因數。

2.2? 按短路熱穩定

電力系統在發生短路故障時，會產生很大的短路電流，額定電壓為10 kV及以上的普通電纜很難滿足短路故障時熱穩定度的要求，為了使得電纜線路在發生短路故障時不破壞電纜本身性能，需對電纜進行短路熱穩定校驗，以選擇合理的電纜截面。短路熱穩定校驗計算公式如下：

（4）

其中：Smin為電纜短路熱穩定要求下的最小截面積，mm2，I∞為系統穩定狀態下的故障短路電流，A;t為短路電流持續時間，s;C為熱穩定系數值。

2.3? 按允許電壓降

鑒于電網供電可靠性對電壓質量的要求，電壓偏差作為電壓質量的一個指標，電纜截面過小、電阻高、壓降大，但是電纜截面過大，雖然壓降變小了，但是大截面的電纜造價很高，在考慮電纜壓降時，需綜合電纜的供電長度、供電負荷電流大小等因素。電纜截面與允許電壓降校驗計算公式如下：

單相系統：? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

三相系統：? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

其中：S為允許電壓降下最小電纜截面積，mm2;I為電纜供電負荷電流，A;U為供電線路的額定電壓值，kV，在單相系統中取相電壓，在三相系統中取線電壓;L為電纜供電總長度，m;ΔU%為允許電壓降的質量分數;ρ為電纜的電阻率，Ω·mm2/m。

2.4? 按經濟電流密度

電纜截面的選擇是一項系統的工作，若選擇的電纜截面小，可減少工程的初期資金投入，然而后期的電力損耗會增加，相反，如果選擇大的電纜截面，初期資金投入比較大，但是后期的電力損耗可控制在合理的范圍之內。鑒于此，電纜截面的最終選擇應該是損耗與投資達到高度優化狀態的電纜截面積，需要遵循總費用的最小法則。經濟電流密度的計算公式為：

（7）

其中：Sec為電纜的橫截面積，mm2;Ue為供電線路的額定電壓值，kV;Jec為電纜的經濟電流密度值，A/mm2，COSφ為供電負荷的功率因數。

在運用此公式的時候，關鍵在于確定電纜經濟電流密度值，它與導體材料和年最大負荷利用小時數有關（見表2）。根據上述公式可得電纜的計算截面積，實際選擇過程中電纜截面按規格應當大于上述計算截面積，且相差不應該很大，如計算截面積為214 mm2，應該選擇240 mm2截面的電纜[4]。

3? ? 結語

電纜的選擇由很多因素共同作用，在電纜截面選擇時，不能單一地只采用一種方法進行計算，無論按哪種方法選擇都應該用其他方法進行校驗，多種方法計算得出最小截面，從而選定合理的電纜型號。電纜設計選型時需綜合考慮技術標準與經濟指標，它是選擇電纜截面的雙重標準。

[參考文獻]

[1]電力工程電纜設計規范（GB 50217—2018）[S].電力標準化與計量，1996（1）：26-31.

[2]中華人民共和國國家發展和改革委員會發布.城市電力電纜線路設計技術規定：DL/T 5221-2005：英文[M].北京：中國電力出版社，2013.

[3]馬國棟.電線電纜載流量（第2版）[M].北京：中國電力出版社，2013.

[4]覃旭偉.淺談電纜截面選擇的幾種依據[J].中國新技術新產品，2014（4）：110.