關(guān)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(fā)展，城市供電線路逐步向電纜敷設(shè)方式推進(jìn)，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(yōu)點(diǎn)，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(jià)相差較大，就10 kV及以下配電線路電纜截面選擇進(jìn)行探討。

關(guān)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(qū)，在地面空間有限、不能架設(shè)桿塔和架空線時(shí)，需要采用電纜進(jìn)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(yōu)點(diǎn)，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(jià)方面單位長度的電纜線材價(jià)格達(dá)到了架空線的5倍以上，故在電纜線路設(shè)計(jì)中，能否對(duì)電纜進(jìn)行合理選型，將直接關(guān)系到整個(gè)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)合理性，為此，有必要對(duì)電纜的選型作更加深入的研究。

本項(xiàng)目將從兩個(gè)方面對(duì)電纜截面選擇進(jìn)行探討：（1）確定其導(dǎo)體材質(zhì)、芯數(shù)、絕緣耐壓水平。（2）選擇確定電纜截面積。

1? ? 電纜規(guī)格的選擇

1.1? 電纜導(dǎo)體材質(zhì)的選擇

眾所周知，輸電線路的金屬導(dǎo)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(jī)械性能、延展性更好。雖然鋁導(dǎo)體材質(zhì)更輕，但是在連接性能上有著明顯的缺點(diǎn)，比如在做鋁芯電纜終端頭連接設(shè)備的時(shí)候，熱縮電纜終端頭易快速氧化而產(chǎn)生氧化鋁，致使在導(dǎo)電體連接中產(chǎn)生虛接，從而引起接觸電阻過大，容易產(chǎn)生電纜接頭部位發(fā)熱脫落等問題。在10 kV配電線路設(shè)計(jì)中，在選擇電纜材質(zhì)的時(shí)候，除了對(duì)銅有腐蝕而對(duì)鋁腐蝕較輕的環(huán)境如氨壓縮機(jī)房和架空線路、較大截面的電纜線路外，絕大多數(shù)都會(huì)采用銅導(dǎo)體作為電纜的導(dǎo)體材料。

1.2? 電纜芯數(shù)的選擇

電纜芯數(shù)的選擇與配電系統(tǒng)的供電制式有關(guān)。35 kV交流系統(tǒng)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(tǒng)也為三相系統(tǒng)，中性點(diǎn)不直接接地，常采用3芯電纜;0.4 kV及以下交流系統(tǒng)分為單相二線制、三相三線制、三相四線制（TN-C系統(tǒng)）、三相五線制（TN-S系統(tǒng)）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(hù)套）之間的額定電壓，應(yīng)滿足所在電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式及其運(yùn)行要求的水平。35 kV及以下系統(tǒng)一般采用中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，其單相接地故障會(huì)持續(xù)較長時(shí)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(xù)時(shí)間不超過1 min時(shí)，可取100%相電壓;若單相接地故障持續(xù)時(shí)間在1 min至2 h以內(nèi)時(shí)，宜取133%相電壓。在系統(tǒng)運(yùn)行中時(shí)常發(fā)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(yùn)行，一旦線路產(chǎn)生故障，絕緣層就會(huì)被擊穿。因此，在選擇電纜額定電壓時(shí)，應(yīng)選用比相電壓高一檔的電壓等級(jí)，例如，在10 kV系統(tǒng)中，電纜的額定電壓應(yīng)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(xù)允許載流量

我們都知道，電纜線芯導(dǎo)電體都存在一定電阻，由于電阻的存在，電流通過電纜時(shí)，電纜會(huì)產(chǎn)生熱量，按載流量選擇截面就是為保證電纜的實(shí)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(xù)允許載流量應(yīng)大于線路的實(shí)際工作電流。電纜的允許載流量，不僅要考慮導(dǎo)體的截面、散熱條件，還需要考慮電纜周圍的環(huán)境溫度，所以還要根據(jù)不同條件需對(duì)電纜的持續(xù)允許載流量進(jìn)行修正。

2.1.1? 環(huán)境溫度的修正

《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]中所列出的電纜持續(xù)允許載流量，其基準(zhǔn)環(huán)境溫度為：空氣中敷設(shè)為40 ℃，埋地敷設(shè)為25 ℃;在不同的環(huán)境溫度條件下敷設(shè)，電纜允許的載流量應(yīng)乘以相應(yīng)的校正系數(shù)Kt：

（1）

其中：θm為電纜導(dǎo)體最高允許運(yùn)行溫度，℃;θ1為額定載流量的基準(zhǔn)環(huán)境溫度，℃;θ2為電纜實(shí)際運(yùn)行環(huán)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(shè)時(shí)，由于導(dǎo)體數(shù)量較多，可能會(huì)導(dǎo)致環(huán)境溫度顯著提高，電纜允許的載流量應(yīng)乘以相應(yīng)的校正系數(shù)Kp，如表1所示。

因此，電纜的允許電流應(yīng)按下式計(jì)算：

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

其中：I'al 為導(dǎo)體中所允許通過的長期工作電流，A。

其次，按持續(xù)允許載流量選擇三相系統(tǒng)中的電纜相截面時(shí)，應(yīng)使其允許載流量Ial大等于通過相線的計(jì)算電流I，

即：Ial ≥ I? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

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

2.2? 按短路熱穩(wěn)定

電力系統(tǒng)在發(fā)生短路故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)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(shí)熱穩(wěn)定度的要求，為了使得電纜線路在發(fā)生短路故障時(shí)不破壞電纜本身性能，需對(duì)電纜進(jìn)行短路熱穩(wěn)定校驗(yàn)，以選擇合理的電纜截面。短路熱穩(wěn)定校驗(yàn)計(jì)算公式如下：

（4）

其中：Smin為電纜短路熱穩(wěn)定要求下的最小截面積，mm2，I∞為系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)下的故障短路電流，A;t為短路電流持續(xù)時(shí)間，s;C為熱穩(wěn)定系數(shù)值。

2.3? 按允許電壓降

鑒于電網(wǎng)供電可靠性對(duì)電壓質(zhì)量的要求，電壓偏差作為電壓質(zhì)量的一個(gè)指標(biāo)，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(jià)很高，在考慮電纜壓降時(shí)，需綜合電纜的供電長度、供電負(fù)荷電流大小等因素。電纜截面與允許電壓降校驗(yàn)計(jì)算公式如下：

單相系統(tǒng)：? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

三相系統(tǒng)：? ? ? ? ? ? ? ? ? （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(fù)荷電流，A;U為供電線路的額定電壓值，kV，在單相系統(tǒng)中取相電壓，在三相系統(tǒng)中取線電壓;L為電纜供電總長度，m;ΔU%為允許電壓降的質(zhì)量分?jǐn)?shù);ρ為電纜的電阻率，Ω·mm2/m。

2.4? 按經(jīng)濟(jì)電流密度

電纜截面的選擇是一項(xiàng)系統(tǒng)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(huì)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(nèi)。鑒于此，電纜截面的最終選擇應(yīng)該是損耗與投資達(dá)到高度優(yōu)化狀態(tài)的電纜截面積，需要遵循總費(fèi)用的最小法則。經(jīng)濟(jì)電流密度的計(jì)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(jīng)濟(jì)電流密度值，A/mm2，COSφ為供電負(fù)荷的功率因數(shù)。

在運(yùn)用此公式的時(shí)候，關(guān)鍵在于確定電纜經(jīng)濟(jì)電流密度值，它與導(dǎo)體材料和年最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)有關(guān)（見表2）。根據(jù)上述公式可得電纜的計(jì)算截面積，實(shí)際選擇過程中電纜截面按規(guī)格應(yīng)當(dāng)大于上述計(jì)算截面積，且相差不應(yīng)該很大，如計(jì)算截面積為214 mm2，應(yīng)該選擇240 mm2截面的電纜[4]。

3? ? 結(jié)語

電纜的選擇由很多因素共同作用，在電纜截面選擇時(shí)，不能單一地只采用一種方法進(jìn)行計(jì)算，無論按哪種方法選擇都應(yīng)該用其他方法進(jìn)行校驗(yàn)，多種方法計(jì)算得出最小截面，從而選定合理的電纜型號(hào)。電纜設(shè)計(jì)選型時(shí)需綜合考慮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，它是選擇電纜截面的雙重標(biāo)準(zhǔn)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50217—2018）[S].電力標(biāo)準(zhǔn)化與計(jì)量，1996（1）：26-31.

[2]中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會(huì)發(fā)布.城市電力電纜線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)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(jù)[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2014（4）：110.