电力电缆截面选择方法的发展与应用

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1、电力电缆截面选择方法的发展与应用王大刚，刘淞伯，王志强国际铜业协会，北京100045摘要：文章分析介绍了按经济电流选择电力电缆截面的经济选型方法，并通 过具体实例分析，对经济电流和经济截面如何进行选择及相关问题进行了分 析。指出按经济电流选择电缆截面的方法可起到节约能源、改善环境、提高电 力运行可靠性等多方面作用，应积极广泛推广该技术的发展与应用。口 关键词：电力电缆；经济电流；经济截面；经济选型电力电缆截面选择是一个大家十分关心的问题，因为它是电气(供配电) 设计的主要内容之一。传统的电缆截面选择方法是按技术体选择，可分为4类： 按允许发热条件选择,也就是按允许载流量选择；按允许电压损失校验

2、； 按短路热稳定校验；按保护灵敏度校验。另一种电缆截面选择方法是按经 济电流选择，过去由于缺乏基本数据，设计人员难以在这方面着手，长期没有 很好解决。我国成为WTO成员国之后，电气设计领域也要与国际接轨，陆续等同、等 效采用国际标准来充实或替代原有标准。在电力电缆截面选择标准方面，近年 来有两大发展，一是低压电缆的载流量国家标准(GB/T 16895152002)问世 了。它等同采用了 IEC 60364-5-5231999，从2003年3月1日开始实施， 这个标准的问世，填补了我国此领域长期缺乏国家标准的空白。二是推广应用 IEC 287-3-21995电力电缆截面的经济最佳化，也就是经济选

3、型。1经济选型的概念按经济电流选择电力电缆截面的方法是经济选型。所谓经济电流是“寿命 期内，投资和导体损耗费用之和最小的适用截面所对应的工作电流”。按载流量选择线芯截面时，只计算初始投资；按经济电流选择线芯截面时， 除计算初始投资外，还要考虑经济寿命期内导体损耗费用，二者之和应最小。 当减小线芯截面时，初始投资减少，但线路损耗费用增加；反之，增加线芯截 面时，线路损耗减少，但初始投资增加。某一截面区间内，二者之和总费用最 少，就是我们追求的目标一一经济选型。有几点需要加以说明：线芯截面选择时，技术和经济是一件事情的两个 方面，相互依存。经济截面和经济电流都是有一定范围的，因为电缆线芯截 面是非

4、连续的。图1给出了 VV-1电缆线芯截面与总费用的关系曲线。图1中， 曲线2代表初始费用，它包括电缆及附件与敷设费用之和。当截面增大时，投 资费用随之增大。曲线3代表损耗费用，当截面增大时，损耗减少，损耗费用 随之减少。曲线1代表总费用，是曲线1、2的叠加。曲线1的最低点就是总 费用最少的一个截面80 mm2。显然，选择7095 mm2它的总费用TOC都非常接 近最经济截面80 mm2，因此，经济截面是一个区间。同样，经济电流也有一定 范围。在经济截面的范围内，可选择较小截面。OUO 3如 000 300 000 250 000 200 000 J 50 000 wo ono 50 OCIO1

5、总费用；2初始费用；3 一电能损耗费图1 VV-1电缆线芯截面与总费用的关系2推广经济选型的原因按经济选型来确定电缆截面，可以节约电力运行费用和总费用，可以节省 能源、改善环境，还可以提高电力运行的可靠性。我国在两网改造之前，农村 电网的线路损耗达20%30%，城市线损也在10%以上。全国装机容量已超过3 亿kW，也就是说，电厂发出的电能有数千万千瓦白白地消耗在电网中。日前， 我国已进入市场经济的发展时期，工程投资越来越注重整体和长远的经济性。 因此，经济选型必须提到议程上来了。3历史回顾1881年英国人Cord首先提出电缆经济截面的概念。19891991年Parr 提出了较为完整的经济截面和

6、经济电流的概念和计算方法。在上述基础上，IEC 制定了电力电缆线芯截面的经济最佳化标准IEC287-3-21995O 20世纪50年代，前苏联也进行了电力传输最佳经济截面的研究，但局限于高压架空 线范畴。20世纪50年代，我国也开始研究这一课题。80年代初，原水电部给 出了架空导线的经济电流密度数据，但也局限于高压线路，中、低压线路不使 用，也没有电缆线芯的经济电流和经济截面数据。19941995年的电力工程 电缆设计规程GB 502171994中提出“宜选择经济截面，可按年费用支出B 最小原则”，并给出了 B=0.11 Z+1.11 N的计算公式，式中Z为投资，N为 年运行费。但是存在2个问

7、题：年运行费N的计算涉及许多因素，没有提供 这些数据，实际上无法进行计算；该规程限定“较长距离的大电流回路或 35 kV以上高压电缆，当符合载流量、电压损失、热稳定等技术条件时，宜选 择经济截面”。这条限定是不恰当的。根据统计，我国实际使用的35 kV及 以下的电缆约占电缆总量的85%。很显然，针对15%的电缆进行经济核算，必 定是事倍而功半。最近，该规范正在组织修订，笔者也诚恳地提出意见和建议， 受到了编写单位的高度重视。4 IEC标准中关于导体经济电流和经济截面选择的原理和方法简介4.1总费用最小法则CT=CI+CJ式中，CT为总费用；CI为电缆主材、附件费用及施工费用之和；CJ为损耗费用

8、，它与负载（电流）大小、年运行时间、电价、电缆电阻（截面）、 使用寿命等因素有关，可以用下面算式表示式中，Imax为第一年的最大负载电流；Rl为计算各种因素（如集肤效应、邻近效应、护层电流等）后的实际交流电阻值；F为综合系数，它包含8个方 面的内容：回路数N和导体的数量Np；年最大负荷损耗小时t （单班制约 为1 400 h，两班制约为2 400孔三班制约为4 500 h）；电价P；附加 发电成本D=252元/kW 年，是由于线路损耗而导致额外供电容量的成本; 负荷增长率a；能源增长成本b（一般为2%）;贴现率i,即损耗是投产后直 至电缆经济寿命终了之间逐年产生的费用，都必须根据银行利率等因素

9、折算到 当前的“现值”，i=10%;经济寿命N，根据国家电力公司动力经济研究中心 建议，N=30年。4.2经济电流范围在一定的敷设条件下，每一线芯截面都有一个经济电流范围，IEC 287-3-21995提供了这一范围上、下限值的计算公式是Iec（下限）=CI-CI1/F L （R1-R） 0.5Iec（上限）=CI2-CI/F L （R-R2） 0.5式中,CI为某一截面电缆的总投资（包括了主材、附件及施工费）；CI 1为比CI小一级截面电缆的总投资；CI为比CI大一级截面电缆的总投资；F 2为综合系数；L为电缆长度，km； R为CI对应截面电缆单位长度的交流电阻，Q /km； R为CI对应截

10、面电缆单位长度的交流电阻，0 /km； R为CI对应截面 1122 电缆单位长度的交流电阻，Q /km。IEC 287-3-21995的适用范围是中、低压电力电缆，它不同于前苏联的 方法，也不同于原我国水电部的规定，后者都是适用于高压架空线。5常用电缆的经济电流范围根据IEC标准中关于导体经济电流和经济截面选择的原理和方法，笔者编 制了各种不同类别电缆的经济电流范围表。其中的部分内容如下：610kV 交联聚乙烯电缆的经济电流范围表，见表1。1kV低压电缆的经济电流范围 表，见表2。架空绝缘电缆的经济电流范围表，见表3、表4。并对以上各 表作了如下的限定：取高电价区域华东、华南地区代表电价为05

11、元/kWh， 取中电价区域华北、华中、东北地区代表电价为04元/kWh，取低电价区域西 南、西北地区代表电价为03元/kWh。T是最大负荷损耗小时数，为符合使 用习惯，表中转化为最大负荷利用小时数取Tmax。当cos申=0.9时，单班制T =1 400 h，对应Tm =2 000 h；两班制T =2 400 h，对应门=4 000足三班 制T =4 500 h，对应 Tm =6 000 h。我们只要根据电价、七和计算电流3个参数，从表14中便可快捷求取 经济截面。如果已知条件不像经济电流范围表格中所列的那么典型，就应当先 以相应的经济电流密度曲线中查得其对应的经济电流密度j，再通过计算求取 经

12、济截面。如某一负荷，计算电流Ij=150 A，T=3 000 当地的电价P=07元/kWh， 求其经济截面的方法是：从0.6/1 kV低压电力电缆经济电流密度曲线中可查得T=3 000 h, P=07元/kWh时经济电流密度j=1 6 A/mm2,则经济截面，取相近截面95 mm2。6经济电流的讨论6.1按经济条件选择与按技术条件选择截面的比较举例说明：一台水泵电动机三相380 V，37 W，额定电流In=714 A,启动 电流1 =469 A，不频繁启动。馈线断路器整定电流85 A，瞬动电流850 A，年 q运行时间T=6 000 h,当地电价P=0.5元/kWh,由变电所直配，采用VV-1

13、 3+1芯 电缆单根架空明敷，电缆长度L=160m，环境温度30 C，变电所低压母线短 路电流有效值1=24 kA。k表1 610 kV交联聚乙烯绝缘电缆经济电流范围A截面/mm2低电价区（西北、西南）中电价区（华北华中东 北）高电价区（华东、华南）一班制2000h二班制4000h三班制6000h一班制2000h二班制4000h三班制6000h一班制2000h二班制4000h三班制6000h3562 878712346 6666 9336 5151 7257 808011342 5959 8332 4545 6453 757510538 5454 7629 4141 5893728376501

14、2312810011311564 8810510558 8070170128100156115881451058095170167130156150115145137104铜120222167130204150115190137104222210164204188145190172131心27925723927921016425718814523917213134726120331923418029721416315034726120331923418029721416318543833025740329622737627020624043833025740329622737627020630

15、0558421328514377290478344262558421328514377290478344262注:表中数据摘自国际铜业（中国）协会资料。表2 06/10 kV低压电缆经济电流范围表A适用主线芯截面低电价区（西北、西南）中电价区（华北华中东 北）高电价区（华东、华南）范围/mm2一班制2000h二班制4000h三班制6000h一班制2000h二班制4000h三班制6000h一班制2000h二班制4000h三班制6000h21.554333343242.55846353735344735464812695871158467105769612 1991481111 188136101

16、0 17712铜9151019 3114 2411 1918 2913 2110 1617 2712 2031 5024 3729 4627 4350 7319 2921 3416 2620 31心167337 5529 4346 6834 5026 3843 6331 4515 232510455 7843 6168 9650 7038 5463 8945 6423 34351047861 869670 9954 768964 9134 49501471118613599761269149 697014711111913513710512612569 95153186173202202153

17、119186137105173125952652001562441791382271631252652001562441791382271631259533325119630722517328520515612033325119630722517328520515615041431224338127921535425519418541431224338127921535425519424052339430748135327144832324630052339430748135327144832324666650239161345034657141131366050239161345034657

18、1411313注：表中数据摘自国际铜业（中国）协会资料。适用范围主线芯截面/mm2低电价区（西北、西南）中电价区（华北华中东北）高电价区（华东、华南）一班制2000h二班制4000h三班制6000h一班制2000h二班制4000h三班制6000h一班制2000h二班制4000h三班制6000h表3 10 kV-3X单芯架空绝缘电缆经济电流范围表A围1624 3737 5518 2814 2222 3434 5116 2512 1920 3215 23111717铜2535507055 787811011015228 4242 5959 838311422 3232 4646 6565 8951

19、 727210110114025 3737 5353 747410219 2929 4040 5757 7932 4747 6767 949413023 3434 4848 6868 9426263737525271心15211489140102791309471199150117183134103170123939519915011718313410317012393120250188147230169130214154117150250188147230169130214154117185310234182285209161266191146240310234182285209161266

20、191146392296230361265204336242184392296230361265204336242184注：1.以铜芯JKYJ单芯电缆为计算依据，其余铜单芯架空电缆也可参考应用；2.表中数据摘自国际铜业协会（中国）资料。适用主线心低电价区（西北、西南）中电价区（华北华中东北）高电价区（华东、华南）范截面一班制二班制三班制一班制二班制三班制一班制二班制三班制围/mm22000h4000h6000h2000h4000h6000h2000h4000h6000h39293626331639 5829 442336 5326 392033 502418铜2558 8244 6223 34

21、53 7539 5520 3050 7024 3618 27心358262 8734 487555 7830 4270 9936 5027 38501168748 681067842 609950 7138 547011612068 9410610860 8313771 9854 75159147表4 1 kV-4X单芯架空绝缘电缆经济电流范围表A围15920912015794122147192108141831081371799812975 9898952091571221921411081791291231202621981542411771362251621231502621981542

22、41177136225162153185326245191300220169279201153240326245191300220169279201193412310242379278214353254193412310242379278214353254注：以铜芯JKYJ单芯电缆为计算依据，其余铜单芯架空电缆也可参考应用。(1) 按允许发热条件选截面：In=71.4 A，查表8=3X16+1X10 mm2 (对应 允许电流80 A)。(2) 按允许电压损失校验：设启动时cos=0.3, 1 =469 A, L=160 m,q电流矩为74.76 A-km,查表 u=157%，不满足要求。若按不

23、频繁启动允许启动电压偏移-15%计，需选择8=3X25+1X16 mm2，对应 u=10.76%同法，求得正常运行时 u=3.62%，满足要求。(3) 按经济电流选择截面：根据1=71.4 A，T=6 000 h，P=0.5元/kWh,N查0.6/1 kV低压电缆经济电流范围表得Se3X70+1X35 mm2。(4) 按短路热稳定条件校验，设短路切除时间t=0.2 s，%n=IzX (t)0.5/C式中，Iz为短路电流周期分量有效值，A； t为短路切除时间；C为热稳定系数，对PVC电缆C=114，将数值代入上式Sm侦=24 0 00 X 0 . 20.5/114=94.1 mm2，选取 8=3

24、X95+1X50 mm2。(5) 低压TN系统接地故障保护灵敏度校验：当8=3X16+1X10时，单相 接地故障电流约300 A，断路器不动作。当8=3X70+1X35时，单相接地故障 电流约1 100 A，断路器动作，灵敏度为1 100 A/850 A=130，大于125的要 求。最终决定截面大小的条件，仍然是短路热稳定条件。通过对以上例子的 分析，我们可以得出以下结论： 通常，按经济电流选择的线芯截面大于按载流量选择的截面。大多数情 况，二者仅相差2级。换言之，大多数情况下，按载流量选择的截面，放大1 2级，会比较接近经济电流值。 有时，按技术条件选择的截面会大于按经济电流条件所选择的截面

25、。因 此，“经济条件”是必要条件，但还不是充分条件，必须同时满足“技术条件”。 电缆的经济电流范围表可见，T愈大，经济电流值愈小。按此条件选max择的线芯截面愈大，反则反之。6.2经济寿命变化时经济截面的变化这是较为现实的问题，有可能出现。设N=30年，VV-1电缆寿命期效果见 图2，图2中曲线1、2、3分别表示N=30、10、5年的状况。曲线的起点都是 25 mm2,那是按载流量条件选择的线芯截面。3条曲线的纵坐标各不相同。但 N=30年与10年横坐标相同，都是70 mm2,且选择经济截面的总费用TOC，大 大小于按载流量所选截面，经济效益很明显。当N=5年时，经济截面左移至35 mm2，但

26、与采用70 mm2截面相比，总费用TOC仅相差不到10%，仍然低于按载流量选择截面的TOC值。130 年；210 年；35 年图2 VV-1电缆寿命期效果6.3年最大负荷利用小时数对经济截面的影响从经济电流范围表很明显看到门嵌的影响，VV-1电缆不同运行时间总费用 利用率见图3。图3中3条曲线分别代表Tmax=7 000、4 000、2 000 hoffi 线起点同样是按载流量所选择的截面25 mm2，曲线的最低点（经济截面）分别 是 95、70、50 mm2。1Tm =7 000 h； 24 000 h； 32 000 h-专，仗上一一花淮.Kfc图3 VV-1电缆不同运行时间总费用利用率曲

27、线在最低点处变化很平坦，曲线3从5070 mm2, TOC总费用只变化1.7%； 曲线1从95-70 mm2, TOC总费用也仅相差7.7%，因此，在工程设计中，不必 过分追求T的准确性，只需要根据不同行业年最大负荷利用小时数的统计数据 就可以了，详见表5。表5不同行业的年最大负荷利用小时数行业名称Tmax行业名称Tmax铝电解8200建材工业6500有色金属电解7500纺织工业6000有色金属采选5800食品工业4500有色金属冶炼6800电气化铁道6000黑色金属冶炼6500冷藏仓库4000煤炭工业6000城市生活用电2500石油工业7000农业灌溉2800化学工业7300一般仓库2000

28、铁合金工业7700农村企业3500机械制造工业5000农村照明15006.4回收年限由于按经济电流选择电缆截面时，截面较大，使初期投资增加，那么增加 的投资要用多少年才能收回，让我们计算一个例子。某一负载I=90A，选用VV-13芯电缆供电，电缆长100 口，当地电价05N元/kWh,请分别绘制3 000、5 000、7 000 h不同小时数的toc -N曲线。经计算，按载流量选择截面为3X25 mm2。按经济电流选择截面分别为：3 000 h一3X50 mm2； 5 000 h 一3X70 mm2；7 000 h一3X95 mm2。一班制、二班制、三班制时VV-1型电缆发热截面与经济截面的比

29、较曲线 图分别见图46，图中两曲线之交点表示总费用相等，它们对应回收年限分 别为 368、281、236 年。发热3妃5经济3项）30 00025 00020 0001500010 000 woo05101520253035电缆使用坏/年图4 VV-1型电缆发热截面与经济截面比较（一班制）图5 VV-1型电缆发热截面与经济截面比较（两班制）50 0W30 000发热3必电貌使用年/年35经济北95图6 VV-1型电缆发热截面与经济截面比较（三班制）从图46可见：Tmax愈大，回收年限愈短。曲线在交点之后，每年都 有节约，节约的数字逐年加大，经济效益十分明显，见表6。如果预计工程 的使用年份小于

30、回收年限，则不必按经济电流来选择电缆截面，以免多增加的 投资不能回收。表6逐年节约费用比较一班制二班制三班制发热截面经济截面发热截面经济截面发热截面经济截面电缆截面/mm2初始投资/元第一年TOC/元第三年TOC/元第五年TOC/元第30年3x254 2365 8548 74511 23224 1733x507 4998 2289 53110 65116 4833x254 2367 23912 60417 21841 2333x7010 10911 07712 80714 29422 0353x254 2369 08417 74925 19863 9773x9513 37214 52216 5

31、7718 34527 544TOC/元回收年/年3.682.812.367采用经济选型的经济效益分析（1）以VV-1三芯电缆为例，其负载电流总费用曲线见图7。设某负载 电流为80 A，寿命期为30年，其节约的费用数据见表7。由此可见，经济效益十分明显。表7负载电流80 A,寿命期30年电缆采用经济选型节约的费用数据运行时间按发热条件选型按经济选型节约绝对数/元-km-1节约百分数/%最小截面/mm2总费用/元km-1经济截面/mm2总费用/元-km-1400025313,33770194,136119,20138600025474,64895238,869235,77949.7400 0003

32、0。000200 000100 000（2）2001年，全国35 kV及以下电力电缆产量约25万km,其中1 kV 级约216万km，平均截面为70 mm2， 采用经济选型后，平均截面增至约120 mm2，线损可节约42%； 1035 kV级约34万km，平均截面为120 mm2，采用经 济选型后，平均截面约增至185 mm2，线损可节约35%。以上总计，全年节省 损耗442万kW，年节电量为111亿kWh。按容量电价252元/kW 年，平均电 度价04元/kWh计，每年节约电费约555亿，并可减少二氧化碳的年排放量390 000 t。可见，无论是从节约电能的角度，还是从环境保护的角度出发，我

33、们 都应该在电气工程中采用经济选型。8结论（1）线芯截面选择时，技术和经济是相互依存的两个方面。电缆截面的 经济选型是选择方法的重要发展。（2 ）电缆截面经济选型的实用方法是非常方便的，很容易掌握。（3）按经济电流选择电缆截面，通常大于按载流量所选的截面，但总费 用支出会很小，而且增加的初期投资一般仅需24年即可收回。（4）大力推广“按经济电流选择电缆截面”，节约总费用、节省能源， 有利于环境保护，有明显的经济效益和社会效益，是利国利民的大好事。收稿日期：2004-06-15作者简介：王大刚（1970-），男，工商管理硕士，国际铜业协会（中国）电力电缆项目副经理；王志强（1941-），高级工程师，上海电气工程设计研究会秘书长。