低壓動力電纜截面的選型與經濟性分析

楊后貴，李祥永

（上海康恒環境股份有限公司，上海 201703）

0 引言

常規低壓動力電纜截面選型是從技術角度進行選型，所選擇的電纜截面需滿足電纜溫升、電纜壓降、機械強度及熱穩定性等要求。這種選型方式能滿足電纜設計工況下的正常運行，但僅考慮建設期的電纜投資成本（CI），沒有考慮電纜經濟壽命期內線路損耗費用（CJ）。國際電工委員會（IEC）按經濟電流選擇電纜截面的原理，制定《電力電纜的線芯截面最佳化》標準，即IEC 287-3-2/1995，這個方法適用于低壓電纜截面的選擇。

在過去的工程建設過程中，企業注重初期投資的成本控制而忽略對長期運行成本的控制。隨著經濟的發展，越來越多的工程建設注重整體和長遠的合理性，也就是既重視成本投資，也重視運行成本的節約，但仍然有部分建設單位不夠重視。如果能全面推行經濟電纜截面的選型方法，這將減少35%～42%的線路損耗，經濟意義十分重大。

本文結合實際工程案例，從技術性和經濟性兩方面闡述電纜截面選型的具體方法，并比較相關參數的變化對電纜運行期的經濟性影響。

1 電纜截面選型實例

在電纜選型過程中，單臺真空泵配套電機的基本參數如下：功率為37 kW；電壓等級為380 VAC；效率η=93%；額定電流Ie=70 A；電纜敷設長度為160 m；敷設方式為電纜穿管直埋，最大負荷利用小時數Tmax=8 000 h；汽機及公用PC段母線處三相短路電流Ik=36.3 kA。以下從技術性、經濟性兩個角度對該泵的動力電纜截面的選型方法進行介紹分析。

1.1 技術角度選型

1.1.1 按載流量條件選擇電纜截面

真空泵的動力電纜按要求為交聯聚乙烯絕緣、聚氯乙烯護套四芯0.6/1.0 kAV動力電纜，上級斷路器脫扣器整定電流為100 A，按環境溫度25℃考慮。《低壓配電設計規范》第3.2.2條中規定，按敷設方式及環境條件確定的導體載流量，不應小于計算電流[1]，查《工業與民用配電設計手冊》[2]可得電纜截面為(3 50+1 25)mm2，該根電纜載流量為130 A。考慮多回路（2回）電纜敷設埋地敷設條件，查《電力工程電纜設計規范》附錄C[3]可得校正系數為0.9，即載流量為117 A，因此該電纜滿足選型要求。

1.1.2 根據熱穩定校驗電纜截面

（1）按線路允許的電壓降進行校驗。假設真空泵cosΨ=0.8，查表可得電壓損失為0.18%A·m，則電壓ΔU%=0.16 0.18 420=12%，電壓降滿足電機允許啟動電壓偏差+15%，所選截面滿足真空泵起動和運行要求。

（2）按熱穩定性進行校驗。交聯聚乙烯絕緣、聚氯乙烯護套四芯0.6/1.0 kAV動力電纜絕緣材料的k值為137，斷路器瞬時脫扣器分斷時間t=0.02 s，則按熱穩定性校驗公式：纜的熱穩定性校驗。

因此，從技術角度選型應選擇3 50 1 25 mm2截面的電纜。

1.2 經濟性角度選型

根據中電價0.51～0.6元/(kW·h)、最大符合利用小時數Tmax=8 000 h及計算電流70 A三個參數，查詢《工業與民用配電設計手冊》中0.6/1 kV銅芯低壓電纜的經濟電流密度曲線，可得經濟電流截面為3 95 1 50 mm2。因為經濟電流截面大于技術選型截面，因此校驗結果也滿足要求。

2 經濟效益分析

IEC287-3-2/1995《電力電纜截面的經濟最佳化》提出總擁有費用最小法則（TOC）[2]，規定電纜的總成本CT包含兩部分：一是電纜初始投資CI（包含電纜的材料費和安裝費）；二是電纜在壽命期內的運行成本CJ。其中涉及公式包括：

式中：r、F、φ均為輔助參數。

由式（1）～（5）可知，電纜總成本CT與電纜初始投資CI、流過電纜的最大負荷電流Imax、每回電纜相導體的數Np、電纜回路數Nc、最大負荷損耗小時數τ（h）、電價P(元/(kW·h))、線路損耗引起的額外供電容量成本D(元/(kW·a))、銀行貼現率i（%）、負荷增長率a（%）、能源成本增長率b（%）、單位長度交流電阻R（Ω/km）、線路長度L（m）、經濟壽命N（年）等參數有關。根據查詢本項目資料，可得到最大負荷電流Imax=70 A；每回電纜相導體的數Np=3；電纜回路數Nc=1；電價P=0.590 6元/(kW·h)；線纜長度L=0.16 km；單位長度交流電阻R=0.435（50 mm2）或0.229（95 mm2）；銀行貼現率i=5.42%；最大負荷損耗小時數τ=8 000 h；負荷增長率a不計；能源成本增長率b按2%考慮；線路損耗引起的額外供電容量成本D（元/(kW·a)）按336元/(kW·a)計算。

根據山東省工程建設造價服務信息網查詢，2017年，50 mm2電纜的材料費及安裝費分別為104.52元/m和14.7元/m；95 mm2電纜的材料費及安裝費分別為201.24元/m和27.2元/m。由于本項目建設周期為2年，運行周期28年，小于電纜壽命周期30年，可以不用考慮更換電纜的可能。根據以上數據可得本項目經濟運行效益分析，如表1所示。

表1 2017年電纜初始投資所對應的電纜運行效益分析表

根據本項目實際參數對比技術角度選型和經濟角度選型可以看出，經濟性選型的初始投資CI大于技術角度選型的初始投資CI，但是考慮運行周期內的損耗，由表（1）可得經濟性選型的電纜截面總投資CT大于技術性選型的電纜截面總投資CT，兩者之間的節約絕對數可達22 877元。因此，在進行電纜截面選型時需考慮項目類型，如果本項目為EPC模式[5]，則僅從技術角度選型更優；如果本項目為PPP或BOT模式[6]且運行期大于20年時，則電纜選型從經濟性角度進行更優。

3 參數變化對電纜經濟運行效益的影響

3.1 貼現率i

貼現率是指將未來支付改變為現值所使用的利率，應該在充分了解項目實際情況的基礎上選擇合理貼現率。本項目保持初始投資CI、電價P、最大負荷損耗小時數τ等參數不變，考察貼現率分別為10%、8%、6%、4%時，從技術性及經濟性角度所得的電纜截面的運行效益分析，如表2所示。

表2 不同貼現率i所對應的電纜運行效益分析表

由表（2）可知，當貼現率越低、節約百分數越大，回收年限越短。由此可知，貼現率越低，則按經濟性選擇電纜截面經濟效益越好。工程的實施應合理選擇貼現率，不能選擇較高的貼現率致使損耗費用CJ被低估，或選擇較低的貼現率致使損耗費用CJ被高估，這都不利于經濟選型分析。

3.2 使用年限

低壓電纜的壽命一般約為30年[7]，正常大多數BOT或PPP模式[6]項目建設運行周期為30年，但工程中各廠家的電纜使用年限都不一樣。表（3）所示為根據初始投資CI、電價P、最大負荷損耗小時數τ、貼現率i=5.42%等參數不變的情況下，分析不同的使用年限N所對應的電纜運行效益。

表3 不同使用年限N所對應的電纜運行效益分析表

由表（3）可知，在電纜經濟壽命周期內，隨著使用年限變長，經濟性選型的電纜截面所對應的經濟效益越明顯，收益可觀；然而，如果工程項目為EPC模式[5]，后期運行產生的損耗費用不屬于總承包方，建議設計師在電纜選型時按技術角度進行電纜截面選型，避免按經濟性進行選型，多投入的資金無法收回。

3.3 年最大利用小時數τ

不同行業的年最大負荷損耗小時數τ不同，對經濟截面影響較大。表（4）所示為根據初始投資CI、電價P、使用年限N、貼現率i=5.42%等參數不變的情況下，分析不同年最大利用小時數τ所對應的電纜運行效益。

表4 不同年最大利用小時數τ所對應的電纜運行效益分析表

由表（4）可知，隨著年最大利用小時數τ越小，回收年限時間就越長；年最大利用小時數對應不同經濟截面，因此在工程項目實施時合理確定年最大利用小時數τ，以便得到最佳的電纜截面。

4 結束語

通過分析，可以得出以下結論。

（1）選擇電纜截面時，滿足技術條件是首要條件。

（2）根據項目類型選擇電纜選型方式。如該項目是EPC[5]或EP模式，按技術性選型最優；如該項目為BOT或PPP模式[6]且運行年限大于20年，建議按經濟條件選擇電纜截面。

（3）從電纜運行效益分析表中可以看出：電纜經濟截面初期投資CI較大，但運行周期內總費用CT較低；貼現率越低，回收年限就越短；年最大利用小時數τ越大，年損耗費用就越高。

（4）工程項目在施工過程中，要求設計人員充分了解項目的特點以及合理選擇總擁有費用最小法則（TOC）[8]中所涉及的參數，這樣才可以選擇最佳的電纜經濟截面，創造最大的經濟效益。