電網(wǎng)工程10kV電力電纜選型研究

上海智濤科技有限公司 樓劍生

本文主要依托上海某10kV 電纜線路新建工程，通過工程實(shí)例計(jì)算分析，對電網(wǎng)工程10kV 電力電纜選型進(jìn)行了研究。主要針對10kV 電力電纜的導(dǎo)體材質(zhì)、絕緣水平、截面選擇、排管敷設(shè)牽引力計(jì)算進(jìn)行了介紹，重點(diǎn)根據(jù)載流量、熱穩(wěn)定、允許電壓損失、敷設(shè)牽引力、側(cè)壓力因素對電纜截面、電纜段長的選取做了重點(diǎn)分析。

電力電纜選型是電網(wǎng)工程設(shè)計(jì)工作中十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，電纜輸電線路敷設(shè)在地下空間，受氣候條件等外部環(huán)境影響小，具有傳送性能穩(wěn)定、可靠性高、運(yùn)行維護(hù)工作量少等優(yōu)點(diǎn)。本文從10kV電力電纜的導(dǎo)體材質(zhì)、絕緣水平、截面選擇、電纜排管敷設(shè)牽引力計(jì)算進(jìn)行了介紹，重點(diǎn)根據(jù)載流量、熱穩(wěn)定、允許電壓損失、敷設(shè)牽引力、側(cè)壓力因素對電纜截面、電纜段長的選取進(jìn)行了重點(diǎn)分析，同時(shí)結(jié)合工程實(shí)例完成了相關(guān)的計(jì)算選型。該工程電纜線路長1.5公里，輸送容量8MVA，排管敷設(shè)，環(huán)境最高溫度為40℃。

電力電纜導(dǎo)體材質(zhì)和芯數(shù)選擇：電網(wǎng)工程10kV電纜導(dǎo)體一般采用銅導(dǎo)體，電網(wǎng)工程10kV 電纜一般采用三芯電纜[1]，本工程實(shí)例選用三芯銅電纜；電力電纜絕緣層、屏蔽層、保護(hù)層、絕緣水平的選擇：電網(wǎng)工程10kV 電纜絕緣材質(zhì)一般選用交聯(lián)聚乙烯，金屬屏蔽層一般選用軟銅線或銅帶，保護(hù)層外護(hù)套一般選用聚氯乙烯或聚乙烯，本工程實(shí)例選用YJV-8.7/10型三芯電力電纜。

1 導(dǎo)體截面的選擇

文章選取工程實(shí)例電纜線路長1.5公里，輸送容量8MVA，排管敷設(shè)，環(huán)境最高溫度為4℃。

1.1 按載流量選取導(dǎo)體截面

按按載流量選擇電纜截面的為公式（1）：KIxu≥Ig，式中：Ig為輸電線路最大工作電流；Ixu為標(biāo)準(zhǔn)條件（指標(biāo)準(zhǔn)敷設(shè)方式、環(huán)境溫度）下的電纜載流量；K 為其他環(huán)境溫度下的載流量校正系數(shù)。

公式（2）中：選取工程實(shí)例，S 取8000kVA，UN取10kV，則計(jì)算得出回路最大工作電流為462A；公式（3）中：工程為地下排管敷設(shè)，同時(shí)根據(jù)《城市電力電纜線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定DL/T5221-2016》規(guī)定，該工程載流量校正系數(shù)僅取排管敷設(shè)條件下環(huán)境溫度影響的載流量校正系數(shù)。θm為回線芯最高工作溫度取90℃，θ2為實(shí)際環(huán)境溫度取25.9℃，θ1取排管敷設(shè)環(huán)境溫度取25℃，則計(jì)算得載流量校正系數(shù)為0.993。根據(jù)公式（1）、公式（2）、公式（3）計(jì)算可得Ixu≥465A。

查電纜載流量表，10kV 三芯交聯(lián)聚乙烯電纜持續(xù)允許載流量如表1所示。根據(jù)計(jì)算，按載流量選取導(dǎo)體截面積S 為400mm2。

表1 10kV 三芯（銅芯）交聯(lián)聚乙烯電纜持續(xù)允許載流量（A）

1.2 按熱穩(wěn)定選擇導(dǎo)體截面

按電纜長期允許載流量選取導(dǎo)體截面后，通過熱穩(wěn)定校驗(yàn)復(fù)核導(dǎo)體截面選擇。當(dāng)線路發(fā)生短路故障，電纜所受電動(dòng)力迅速上升，電纜線芯溫度迅速上升，同時(shí)短路故障使線路微機(jī)保護(hù)裝置動(dòng)作，切斷故障線路。在實(shí)際10kV 電纜工程中，短路對電纜的影響主要有溫度，由于短路的時(shí)間很短，可以認(rèn)為短路電流產(chǎn)生的熱量全部作用于電纜導(dǎo)體線芯。

電力電纜熱穩(wěn)定校驗(yàn)允許最小導(dǎo)體截面計(jì)算公式見公式（4）[1]。

公式（4）中：Smin為要求電纜線芯導(dǎo)體最小截面；Q 為電纜輸電線路熱效應(yīng)；C 為熱穩(wěn)定系數(shù)；公式（5）中：I 為熱穩(wěn)定校驗(yàn)短路電流（短路全電流的最大有效值），工程實(shí)例中短路電流取遠(yuǎn)景年，根據(jù)《上海電網(wǎng)若干技術(shù)原則的規(guī)定》，上海電網(wǎng)10kV的三相短路按20kA 考慮；t 為短路持續(xù)時(shí)間，工程實(shí)例中線路保護(hù)采用縱差微機(jī)保護(hù)，縱差保護(hù)為瞬時(shí)保護(hù)，則短路持續(xù)時(shí)間由微機(jī)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間和斷路器動(dòng)作時(shí)間組成，工程實(shí)例中微機(jī)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間取40ms，斷路器動(dòng)作時(shí)間取0.2s，最終t 的取值為0.24s。

公式（6）、（7）中：結(jié)合工程實(shí)例，電纜線芯材質(zhì)為銅導(dǎo)體，絕緣材料為交聯(lián)聚乙烯，在進(jìn)行電纜熱穩(wěn)定校核時(shí)，取θp=θh=90℃、θm=250℃；α為電纜銅導(dǎo)體電阻的溫度系數(shù)取0.00393/℃,ρ 為電纜銅導(dǎo)體的電阻系數(shù)、取0.01724×10-4Ω·cm3/cm，q 為電纜銅導(dǎo)體單位體積熱容量、取3.4J/（cm3·℃）[3],k 為電纜銅導(dǎo)體的交流電阻與直流電阻之比、取1.0824；η 為電纜芯線充填物熱容影響的校正系數(shù)、取1；J 為熱功當(dāng)量系數(shù)、取1；計(jì)算出熱穩(wěn)定系數(shù)C=136.33。

1.3 按允許電壓降選擇導(dǎo)體截面

三相交流電壓損失的百分?jǐn)?shù)計(jì)算公式詳見公式（8）[4]：

公式（8）中：ΔU%為電壓允許損失百分比，Ig為輸電線路最大工作電流462A，L 為輸電線路電纜長度1.5km，r 為電纜每公里電阻0.054Ω/km，x 為電纜每公里電抗0.086Ω/km，cosφ 為功率因素取0.9。工程實(shí)例中電力電纜損失的百分?jǐn)?shù)為：ΔU%≈1.03%，滿足10kV 供電偏差的要求（上海電網(wǎng)10kV 線路允許電壓損失1.5~3%），則選擇400mm2電纜導(dǎo)體截面是滿足電壓允許損失要求的。

2 電纜敷設(shè)

2.1 電纜敷設(shè)方式

電網(wǎng)工程電力電纜輸電線路常用敷設(shè)方式有排管敷設(shè)方式、電纜隧道敷設(shè)方式、電纜溝敷設(shè)方式、電纜保護(hù)管敷設(shè)方式和電纜直埋敷設(shè)方式。工程實(shí)例采用排管敷設(shè)方式。

2.2 電纜敷設(shè)牽引力、滾輪側(cè)壓力計(jì)算

電力電纜排管敷設(shè)工程中，受力分析最主要考慮敷設(shè)牽引力和側(cè)壓力。敷設(shè)牽引力主要作用在電纜的金屬導(dǎo)體上，部分作用在金屬套或鎧裝層上；側(cè)壓力主要產(chǎn)生在電纜彎曲部位，指作用在電纜上與其本體呈垂直方向的壓力；當(dāng)敷設(shè)牽引力超過電纜的最大允許拉力時(shí)，敷設(shè)容易損壞電纜，當(dāng)側(cè)壓力大于允許側(cè)壓力值時(shí)，電纜容易在轉(zhuǎn)彎處受壓變形，電纜外護(hù)層容易損壞。

工程實(shí)例中，電力電纜全線沿道路排管敷設(shè)，水平敷設(shè)，轉(zhuǎn)彎處設(shè)置轉(zhuǎn)角工井；電纜路徑較長，為減少總的牽引力、側(cè)壓力，同時(shí)適當(dāng)考慮電纜運(yùn)輸，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際道路情況適當(dāng)布置電纜中間接頭直線工井。以下的計(jì)算根據(jù)工程實(shí)例擬定的敷設(shè)路徑情況，計(jì)算相關(guān)的牽引力、側(cè)壓力。電纜敷設(shè)路徑簡圖如圖1所示。

圖1 電纜敷設(shè)路徑簡圖

2.2.1 牽引力計(jì)算公式

水平直線牽引計(jì)算公式、水平彎曲牽引力計(jì)算公式如下[2]：

公式（9）中：T 為敷設(shè)牽引力（kN），W 為電纜單位重量取170.667（N/m），μ1為摩擦系數(shù)（排管敷設(shè)）取0.3，L 為電纜段長（km）；公式（10）中：T1為彎曲前的牽引力（kN），T2為彎曲后的牽引力（kN），μ2為摩擦系數(shù)（滾輪敷設(shè)）、取0.2，θ 為彎曲部分的圓心角、取π/2。

表2 電纜段長敷設(shè)表

2.2.2 滾輪敷設(shè)側(cè)壓力計(jì)算公式[2]

公式（11）中：P 為每只滾輪側(cè)壓力（N），T為彎曲后的牽引力（N），a 為滾輪之間的夾角，電纜水平彎曲牽引敷設(shè)過程中，設(shè)置適當(dāng)數(shù)量的立式托輥，為降低對電纜的側(cè)壓力，立式托輥間距適當(dāng)小些，工程實(shí)例中轉(zhuǎn)角為90°時(shí)立式托輥布置4~6個(gè)（1個(gè)立式托輥2個(gè)滾輪），根據(jù)本工程電纜路徑較長，按布置4個(gè)考慮，滾輪之間的夾角取11.25°。

2.2.3 最大允許牽引力、側(cè)壓力計(jì)算

公式（12）中：Tm 為電力電纜最大允許拉力（kN）；k 為校正系數(shù)、取1；б 為電纜銅導(dǎo)體允許抗拉強(qiáng)度、取68.6×106N/m2；n 為電纜芯數(shù)、取3；s 為導(dǎo)體面積、取400mm2。

電纜護(hù)層最大允許側(cè)壓力如表3所示。工程實(shí)例中根據(jù)公式（12）計(jì)算最大允許牽引力Tm=82.32kN；每只滾輪最大側(cè)壓力1.0kN。

表3 電纜護(hù)層最大允許側(cè)壓力

2.2.4 工程實(shí)例牽引力、側(cè)壓力計(jì)算

工程實(shí)例中各4段電纜段牽引力、側(cè)壓力計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 計(jì)算結(jié)果

電纜段1最大敷設(shè)牽引力21.667kN，最大每只滾輪側(cè)壓力0.154kN；電纜段2最大敷設(shè)牽引力19.594kN，最大每只滾輪側(cè)壓力0.291kN；電纜段3最大敷設(shè)牽引力25.6kN；電纜段4最大敷設(shè)牽引力22.503kN，最大每只滾輪側(cè)壓力0.237kN。4段電纜段均滿足最大允許牽引力、最大允許側(cè)壓力要求，電纜段長分段及敷設(shè)方法滿足受力要求[5]。

3 結(jié)語

綜上所述，本文介紹了電網(wǎng)工程10kV 電力電纜的選型方法，通過工程實(shí)例完成了電纜截面的選取，通過計(jì)算載流量選取電纜截面，再通過熱穩(wěn)定、電壓降因素進(jìn)行校驗(yàn)，最終確定電纜的型號為YJV-8.7/10-3×400型電力電纜，最后通過計(jì)算牽引力和側(cè)壓力確定驗(yàn)算每段電纜段長。文章總結(jié)了常用10kV 電力電纜計(jì)算公式，可供工程設(shè)計(jì)選型參考使用。