中壓電力電纜的合理選擇

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，闡述了電纜截面應按溫升、短路電流熱效應以及允許電壓損失進行選擇，并給出了計算實例。

關鍵詞：中壓電纜；截面；選擇；計算實例

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)設計。

0引言

在工業(yè)及民用工程設計中，如何正確合理地選擇中壓電力電纜型號規(guī)格實乃老生常談。很多電氣設計師在選擇中壓電力電纜時往往根據(jù)已有的工程經(jīng)驗判斷。比如，在廠用電中壓電纜選型時，依據(jù)以往經(jīng)驗，最小截面選擇185 mm2；再比如，不考慮系統(tǒng)中性點的接地方式，在中性點小電阻接地系統(tǒng)中，選用電纜的額定電壓U0/U為6/10 kV，在中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中，錯誤地套用中性點小電阻接地系統(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)長期安全運行的關鍵之一。

1中壓電纜類型選擇

1.1電纜導體材料選擇

常見的導體材料有銅和鋁兩種，銅導體由于導電率高、載流量大、機械性能好、損耗低而被廣泛使用。在設計時應根據(jù)技術經(jīng)濟性比較選擇合適的導體。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，在設計時應考慮負荷容量、單位造價、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構簡單、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。在設計時應根據(jù)電纜配置情況、所需防止災難性事故和經(jīng)濟合理原則，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間內(nèi)，能保持正常運行特性的電纜。耐火電纜分為有機型和無機型兩種，按照耐火特性分為A、B兩級。通常在給消防設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，用來保護電纜不受外界機械力損傷、化學腐蝕等的電纜。常用的有鋼帶鎧裝電纜和鋼絲鎧裝電纜。直埋敷設時，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)中電力電纜導體對地的額定電壓U0，應滿足所在電力系統(tǒng)中性點接地方式及其運行要求。中性點直接接地或經(jīng)低電阻接地的系統(tǒng)，接地保護動作不超過1 min切除故障時，U0不應低于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)電機回路等安全性要求較高時，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)不應小于線路的最大工作電流。其中根據(jù)不同的敷設條件以及實際環(huán)境溫度，電纜允許的持續(xù)載流量需要進行修正。根據(jù)《電力工程電氣設計手冊：電氣一次部分》公式17-1，敷設在空氣中和土壤中的電纜允許載流量按下式計算：

KIxu≥Ig

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

K值計算如下(K1為空氣中單層多根并列敷設系數(shù)；K2為空氣中橋架上無間距多層并列敷設系數(shù)；K3為直埋因土壤熱阻不同敷設系數(shù)；K4為土壤多根并列直埋敷設系數(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：單根敷設K=Kt；單層多根并行敷設K=KtK1；橋架上無間距多層并列敷設K=KtK2。

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

(3) 土壤直埋敷設：單根敷設K=KtK3；多根并行敷設K=KtK3K4。

Kt為環(huán)境溫度不同于標準敷設溫度(空氣中為40 ℃，土壤中為25 ℃)時的校正系數(shù)：

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

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

2.2按短路熱穩(wěn)定選擇截面

(1) 電纜短路點的選擇：應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，短路點選擇在電纜的末端；對于有中間接頭的電纜，短路點選擇在第一個中間接頭處。

(2) 短路電流持續(xù)時間的選擇：對電動機等直饋線，應取主保護時間與斷路器開斷時間之和；對其他情況，宜取后備保護時間與斷路器開斷時間之和。

(3) 短路電流的熱效應：按照DL/T5222—2005《導體和電器選擇設計技術規(guī)定》附錄F，短路熱效應公式為：

Qz=I″2t

Qf=I″2T

Qt=Qz+Qf=I″2(t+T)

式中，Qt為總熱效應(kA2s)；Qz為周期分量熱效應(kA2s)；Qf為非周期分量熱效應(kA2s)；t為短路持續(xù)時間(s)；T為等效時間(s)，可根據(jù)DL/T5222—2005《導體和電器選擇設計技術規(guī)定》附錄表F.6.3選取；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)與民用配電設計手冊》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、容量較大的電纜線路，應校驗電壓損失。按照GB50052—2009《供配電系統(tǒng)設計規(guī)范》第5.0.4條規(guī)定，當無特殊規(guī)定時，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，應適當加大電纜的截面，以減小電壓損失。根據(jù)《電力工程電氣設計手冊：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)標稱電壓(V)；Ig為計算工作電流(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計算實例

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，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高壓電動機1 km，0.5 km處設置一個電纜中間頭，電動機額定電流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。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電動機電纜選擇

(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國家標準圖集，3×50 mm2敷設在空氣中40 ℃時的電纜載流量為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，電動機電纜選為ZR-YJV-8.7/10 kV 3×70 mm2。

4結語

在進行電力電纜設計時，應根據(jù)經(jīng)濟技術比較、敷設環(huán)境、系統(tǒng)接地方式來選擇電纜的導體材料、芯數(shù)、絕緣材料及絕緣水平，并在電纜截面設計時，按溫升、短路電流熱效應及允許電壓損失進行校驗，確保正確合理地選擇電力電纜。

[參考文獻]

[1]任元會.工業(yè)與民用配電設計手冊[M].3版.北京：中國電力出版社，2005.

[2]弋東方.電力工程電氣設計手冊：電氣一次部分[M].北京：中國電力出版社，1989.