中壓電力電纜的合理選擇

董磊

(西門子(中國)有限公司，北京 100102)

摘要：介紹了中壓電力電纜的類型選擇，闡述了電纜截面應(yīng)按溫升、短路電流熱效應(yīng)以及允許電壓損失進(jìn)行選擇，并給出了計(jì)算實(shí)例。

關(guān)鍵詞：中壓電纜；截面；選擇；計(jì)算實(shí)例

收稿日期:2015-05-04

作者簡介：董磊(1983—)，男，北京人，工程師，研究方向：供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

0引言

在工業(yè)及民用工程設(shè)計(jì)中，如何正確合理地選擇中壓電力電纜型號規(guī)格實(shí)乃老生常談。很多電氣設(shè)計(jì)師在選擇中壓電力電纜時(shí)往往根據(jù)已有的工程經(jīng)驗(yàn)判斷。比如，在廠用電中壓電纜選型時(shí)，依據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，最小截面選擇185 mm2；再比如，不考慮系統(tǒng)中性點(diǎn)的接地方式，在中性點(diǎn)小電阻接地系統(tǒng)中，選用電纜的額定電壓U0/U為6/10 kV，在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中，錯(cuò)誤地套用中性點(diǎn)小電阻接地系統(tǒng)中電纜的額定電壓選型。正確合理選擇中壓電力電纜的型號規(guī)格，是確保系統(tǒng)長期安全運(yùn)行的關(guān)鍵之一。

1中壓電纜類型選擇

1.1電纜導(dǎo)體材料選擇

常見的導(dǎo)體材料有銅和鋁兩種，銅導(dǎo)體由于導(dǎo)電率高、載流量大、機(jī)械性能好、損耗低而被廣泛使用。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較選擇合適的導(dǎo)體。一般情況下，選取銅芯電纜較為適宜。

1.2電纜芯數(shù)選擇

中壓電纜通常有單芯和三芯兩種，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮負(fù)荷容量、單位造價(jià)、占地面積等因素。在載流量不能滿足要求的情況下，才需要選擇單芯電纜。一般情況下，選取三芯電纜較為適宜。

1.3電纜絕緣材料及護(hù)套選擇

(1) 普通電纜選擇：常見的有聚氯乙烯(PVC)絕緣電纜及交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣電纜。交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜由于結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)良、制造方便、質(zhì)量輕、外徑小、載流量大、耐腐蝕、敷設(shè)方便而被廣泛采用。(2) 阻燃電纜選擇：阻燃電纜是指具有使火焰蔓延僅在限定范圍內(nèi)，撤去火源后，殘焰和殘灼能在限定時(shí)間內(nèi)自行熄滅的電纜。按照阻燃級別分為A、B、C、D四級。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)電纜配置情況、所需防止災(zāi)難性事故和經(jīng)濟(jì)合理原則，選擇適合的阻燃等級和類別。一般情況下若不注明阻燃等級，一律按照C級選擇。(3) 耐火電纜選擇：耐火電纜是指在火焰中被燃燒一定時(shí)間內(nèi)，能保持正常運(yùn)行特性的電纜。耐火電纜分為有機(jī)型和無機(jī)型兩種，按照耐火特性分為A、B兩級。通常在給消防設(shè)備供電的回路中采用耐火電纜。(4) 鎧裝電纜選擇：鎧裝電纜是在電纜外絕緣層的外面包裹上鋼帶或鋼絲等金屬層，用來保護(hù)電纜不受外界機(jī)械力損傷、化學(xué)腐蝕等的電纜。常用的有鋼帶鎧裝電纜和鋼絲鎧裝電纜。直埋敷設(shè)時(shí)，通常使用鋼帶鎧裝電纜；在高落差受力條件下，通常使用鋼絲鎧裝電纜。

1.4電纜絕緣水平選擇

(1) 交流系統(tǒng)中電力電纜導(dǎo)體的相間額定電壓U，不得低于使用回路的工作線電壓。(2) 交流系統(tǒng)中電力電纜導(dǎo)體對地的額定電壓U0，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。中性點(diǎn)直接接地或經(jīng)低電阻接地的系統(tǒng)，接地保護(hù)動(dòng)作不超過1 min切除故障時(shí)，U0不應(yīng)低于100%的使用回路工作相電壓；除上述供電系統(tǒng)外，其他系統(tǒng)不宜低于133%使用回路的工作相電壓；在單相接地故障可能持續(xù)8 h以上或發(fā)電機(jī)回路等安全性要求較高時(shí)，宜采用173%的使用回路工作相電壓。

2中壓電纜截面選擇

2.1按溫升選擇截面

為保證電纜的實(shí)際工作溫度不超過允許值，按發(fā)熱條件電纜的允許長期工作電流(載流量)不應(yīng)小于線路的最大工作電流。其中根據(jù)不同的敷設(shè)條件以及實(shí)際環(huán)境溫度，電纜允許的持續(xù)載流量需要進(jìn)行修正。根據(jù)《電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊：電氣一次部分》公式17-1，敷設(shè)在空氣中和土壤中的電纜允許載流量按下式計(jì)算：

KIxu≥Ig

式中，Ig為計(jì)算電流(A)；Ixu為電纜額定載流量(A)；K為不同敷設(shè)條件下校正系數(shù)，可參考GB50217—2007《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄D計(jì)算。

K值計(jì)算如下(K1為空氣中單層多根并列敷設(shè)系數(shù)；K2為空氣中橋架上無間距多層并列敷設(shè)系數(shù)；K3為直埋因土壤熱阻不同敷設(shè)系數(shù)；K4為土壤多根并列直埋敷設(shè)系數(shù)；K5為1～6 kV電纜戶外明敷無遮陽的校正系數(shù))：

(1) 戶內(nèi)或有遮陽空氣中敷設(shè)：單根敷設(shè)K=Kt；單層多根并行敷設(shè)K=KtK1；橋架上無間距多層并列敷設(shè)K=KtK2。

(2) 戶外無遮陽空氣中敷設(shè)：單根敷設(shè)K=KtK5；單層多根并行敷設(shè)K=KtK1K5；橋架上無間距多層并列敷設(shè)K=KtK2K5。

(3) 土壤直埋敷設(shè)：單根敷設(shè)K=KtK3；多根并行敷設(shè)K=KtK3K4。

Kt為環(huán)境溫度不同于標(biāo)準(zhǔn)敷設(shè)溫度(空氣中為40 ℃，土壤中為25 ℃)時(shí)的校正系數(shù)：

式中，θm為最高工作溫度(℃)；θ1為基準(zhǔn)環(huán)境溫度(℃)；θ2為實(shí)際環(huán)境溫度(℃)。

其中，計(jì)算電纜持續(xù)允許載流量用的實(shí)際環(huán)境溫度應(yīng)按使用地區(qū)的氣象溫度多年平均值來定，并符合GB50217—2007《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》表3.7.5的規(guī)定。

2.2按短路熱穩(wěn)定選擇截面

(1) 電纜短路點(diǎn)的選擇：應(yīng)選取在通過電纜回路最大短路電流可能發(fā)生處。對于不超過制造長度的電纜，短路點(diǎn)選擇在電纜的末端；對于有中間接頭的電纜，短路點(diǎn)選擇在第一個(gè)中間接頭處。

(2) 短路電流持續(xù)時(shí)間的選擇：對電動(dòng)機(jī)等直饋線，應(yīng)取主保護(hù)時(shí)間與斷路器開斷時(shí)間之和；對其他情況，宜取后備保護(hù)時(shí)間與斷路器開斷時(shí)間之和。

(3) 短路電流的熱效應(yīng)：按照DL/T5222—2005《導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》附錄F，短路熱效應(yīng)公式為：

Qz=I″2t

Qf=I″2T

Qt=Qz+Qf=I″2(t+T)

式中，Qt為總熱效應(yīng)(kA2s)；Qz為周期分量熱效應(yīng)(kA2s)；Qf為非周期分量熱效應(yīng)(kA2s)；t為短路持續(xù)時(shí)間(s)；T為等效時(shí)間(s)，可根據(jù)DL/T5222—2005《導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》附錄表F.6.3選??；I″為超瞬態(tài)短路電流有效值(kA)。

(4) 最小截面選擇：

式中，Smin為電纜的最小截面(mm2)；C為熱穩(wěn)定系數(shù)，可根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊》第3版表5-9選取。

2.3按電壓損失選擇截面

對供電距離較遠(yuǎn)、容量較大的電纜線路，應(yīng)校驗(yàn)電壓損失。按照GB50052—2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.0.4條規(guī)定，當(dāng)無特殊規(guī)定時(shí)，電壓偏差允許值為±5%額定電壓。如果電纜線路的電壓損失超過允許值，應(yīng)適當(dāng)加大電纜的截面，以減小電壓損失。根據(jù)《電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊：電氣一次部分》公式17-6，三相線路電壓損失為：

ΔU%=173IgL(Rcosφ+Xsinφ)/Un

式中，Un為系統(tǒng)標(biāo)稱電壓(V)；Ig為計(jì)算工作電流(A)；L為線路長度(km)；R為單位長度的電阻(Ω/km)；X為電纜單位長度的電抗(Ω/km)；cosφ為功率因數(shù)。

3計(jì)算實(shí)例

某工程主變?yōu)镈yn11、35/10.5 kV，容量為63 MVA。主接線為單母線分段接線方式，中性點(diǎn)高電阻接地。中壓采用三芯交聯(lián)聚乙烯銅芯阻燃電纜，室內(nèi)電纜溝中放在梯形橋架上單層無間距敷設(shè)，最熱月日最高溫度平均值38 ℃，10 kV母線最大三相短路電流26 kA。10 kV中壓柜到其中一臺3 500 kVA配電變壓器0.1 km，到其中一臺1 800 kW高壓電動(dòng)機(jī)1 km，0.5 km處設(shè)置一個(gè)電纜中間頭，電動(dòng)機(jī)額定電流124 A，功率因數(shù)0.8。

3.1變壓器電纜選擇

(3) 按電壓損失選擇截面。由于中壓柜到配電變壓器的電纜較短，故不作校驗(yàn)。綜上所述，電纜截面取最大者，變壓器電纜選為ZR-YJV-8.7/10 kV 3×185 mm2。

3.2電動(dòng)機(jī)電纜選擇

(1) 按溫升選擇截面。由變壓器電纜選擇可知K=0.752，KIxu≥Ig，故：Ixu≥Ig/K=124/0.752=165 A。查04DX101-1國家標(biāo)準(zhǔn)圖集，3×50 mm2敷設(shè)在空氣中40 ℃時(shí)的電纜載流量為183 A。故電纜初選ZR-YJV-8.7/10 kV 3×50 mm2。

由計(jì)算可知滿足要求,故電纜初選ZR-YJV-8.7/10 kV 3×70 mm2。

(3) 按電壓損失選擇截面。Ig=124 A，L=1 km，R=0.310 Ω/km(70 mm2)，X=0.101 Ω/km(70 mm2)，Un=10 000 V，故：ΔU%=173IgL(Rcosφ+Xsinφ)/Un=173×124×1×(0.310×0.8+0.101×0.6)/10 000=0.66%<5%。滿足電壓損失要求。

綜上所述，電纜截面取最大者，電動(dòng)機(jī)電纜選為ZR-YJV-8.7/10 kV 3×70 mm2。

4結(jié)語

在進(jìn)行電力電纜設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較、敷設(shè)環(huán)境、系統(tǒng)接地方式來選擇電纜的導(dǎo)體材料、芯數(shù)、絕緣材料及絕緣水平，并在電纜截面設(shè)計(jì)時(shí)，按溫升、短路電流熱效應(yīng)及允許電壓損失進(jìn)行校驗(yàn)，確保正確合理地選擇電力電纜。

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