電氣自動化設(shè)計中高壓進線電纜選型的分析與探討

羅文韜

（湖南中南水務(wù)環(huán)?？萍加邢薰?，湖南長沙514021）

1 引言

通過對近幾年數(shù)個已投產(chǎn)的凈水廠外線輸電工程中高壓進線電纜型號和截面的分析，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)廠區(qū)的外線輸電工程設(shè)計在進行高壓進線電纜選型時，所選擇的電纜截面普遍存在偏大的情況。而電纜截面增大一個等級必定會引起項目建設(shè)成本的增加，尤其是在省會城市及以上的大規(guī)模水廠中，因考慮到城市規(guī)劃、城市市景市貌以及用電安全等因素的影響，外線輸電工程幾乎要求全線采用高壓電纜輸送，在這種情況下，截面增大一個等級，引起建設(shè)成本的增加更會顯著。因此，外線輸電工程中高壓進線電纜的合理選型顯得尤為重要，直接影響凈水廠的建設(shè)成本。

2 凈水廠負(fù)荷性質(zhì)及用電負(fù)荷計算

2.1 負(fù)荷性質(zhì)及供電要求

符合下列情況之一時，應(yīng)視為二級負(fù)荷：中斷供電將在經(jīng)濟上造成較大損失時；中斷供電將影響較重要單位的正常工作［1］時。而凈水廠中斷供電，一般會在在經(jīng)濟上造成較大損失，部分省會城市及以上的凈水廠中斷供電，可能會在經(jīng)濟上造成重大損失或?qū)⒂绊懼匾獑挝坏恼９╇姟Ｒ虼藘羲畯S負(fù)荷等級至少定義為二級負(fù)荷，部分省會城市及以上的凈水廠負(fù)荷等級定義為一級負(fù)荷。

二級負(fù)荷的供電系統(tǒng)，宜由雙回線路供電；一級負(fù)荷應(yīng)由雙重電源供電，當(dāng)一電源發(fā)生故障時，另一電源不應(yīng)同時受到損壞［1］。因此，凈水廠一般均要求設(shè)置雙回線路供電。

2.2 用電負(fù)荷計算

凈水廠工藝一般由絮凝沉淀池系統(tǒng)、氣水反沖洗濾池系統(tǒng)、加氯加藥系統(tǒng)、污泥脫水系統(tǒng)、廢水回收系統(tǒng)、送水泵房系統(tǒng)等組成，根據(jù)水質(zhì)處理情況，部分凈水廠還需配置臭氧處理、活性炭濾池等深度處理系統(tǒng)。

本文以地處某省會城市、日處理量為30萬噸的凈水廠為例，進行廠區(qū)用電負(fù)荷計算、電纜選型分析與探討。廠區(qū)用電負(fù)荷計算如表1所示。

表1 廠區(qū)用電負(fù)荷計算表

3 外線輸電工程中高壓進線電纜選型計算

廠區(qū)用電設(shè)備主要為10kV高壓送水泵電機、380/220低壓電氣設(shè)備，故廠區(qū)設(shè)計采用10kV線路進線，且全線采用高壓進線電纜敷設(shè)。電纜敷設(shè)方式為電纜溝敷設(shè)、電纜排管敷設(shè)、電纜直埋敷設(shè)和戶外電纜架空敷設(shè)等方式，則結(jié)合電纜敷設(shè)方式，對比可滿足要求的電纜護套材料、絕緣材料及導(dǎo)體等因素，確定電纜選用交聯(lián)聚乙烯絕緣鋼帶鎧裝聚氯乙烯護套銅芯電力電纜。

對于電纜截面的選取，主要從載流量計算、電壓損失校驗以及熱穩(wěn)定校驗等三方面因素綜合考慮以進行確認(rèn)。

3.1 按電纜載流量計算選擇電纜截面

通過對廠區(qū)用電負(fù)荷下的電流進行計算，確定廠區(qū)正常運行時計算電流為336A，則導(dǎo)體持續(xù)運行電流應(yīng)不低于336A。計算過程分土壤中直埋敷設(shè)和空氣中敷設(shè)兩種情況考慮，最后經(jīng)比較選擇滿足要求的電纜截面。

3.1.1 土壤中直埋敷設(shè)時根據(jù)直埋處最熱月平均溫度、直埋處土壤特征（含土壤特性、雨量情況以及濕度情況）確定校正系數(shù)，針對相應(yīng)溫度及土壤特性等環(huán)境資料，選取凈水廠項目地勘報告中“場地工程地質(zhì)條件”基礎(chǔ)資料作為計算參考依據(jù)。

地勘報告中提到“多年月平均氣溫值7月份為最高，平均氣溫29.6℃”，則對應(yīng)直埋處即土壤中最熱月平均溫度可近似取30℃，此時參考《電力工程電纜設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50217-2018）表 D.0.1 校正系數(shù)取 0.96；

地勘報告中提到“降雨量多集中在5～9月，占全年降雨量的70%”、“月平均降雨量7月份最多，為186.5mm”，“相對濕度以8月份最小，為74%”，綜合考慮雨量、空氣相對濕度及直埋處為泥巖土情況，參考《電力工程電纜設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50217-2018）表D.0.3，土壤熱阻系數(shù)可近似取 1.5（K.m/W），校正系數(shù)取0.93；

因此，根據(jù)《電力工程電纜設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50217-2018）表C.0.3，可計算得出300mm2鎧裝銅芯電纜土壤中直埋敷設(shè)時，持續(xù)載流量＝328×1.29×0.96×0.93÷0.87＝434A。

3.1.2 空氣中敷設(shè)時根據(jù)當(dāng)?shù)刈顭嵩缕骄罡攮h(huán)境溫度、電纜溝內(nèi)敷設(shè)時同一層支架上其他電纜與本工程電纜的敷設(shè)凈距、無遮陽架空敷設(shè)等情況確定校正系數(shù)。

地勘報告中提到“多年月平均氣溫值7月份為最高，平均氣溫29.6℃”，則對應(yīng)最熱月平均最高環(huán)境溫度可相應(yīng)調(diào)高一定量，近似取為35℃，此時參考《電力工程電纜設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50217-2018）表 D.0.1 校正系數(shù)取 1.05；

電纜溝內(nèi)敷設(shè)時，因電纜支架長度為250mm左右，而300mm2鎧裝銅芯電纜近似外徑約87mm，因此每層支架最多可敷設(shè)2根同截面電纜，則參考《電力工程電纜設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50217-2018）表 D.0.5 校正系數(shù)取 0.90；

架空敷設(shè)時，可考慮按無遮陽明敷進行校正，則參考《電力工程電纜設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50217-2018）表 D.0.7，校正系數(shù)可近似取0.83；

則根據(jù)《電力工程電纜設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50217-2018）表C.0.3，可計算得出300mm2鎧裝銅芯電纜空氣中敷設(shè)時，持續(xù)載流量＝428×1.29×1.05×0.83＝481A。

綜上對比，按載流量計算時，無論是在土壤中敷設(shè)，還是在空氣中敷設(shè)，300mm2鎧裝銅芯電纜持續(xù)載流量均不低于336A，故從載流量計算判斷，選用截面為300mm2的鎧裝銅芯電纜可滿足廠區(qū)負(fù)荷運行的需求。

3.2 電壓損失校驗

廠區(qū)設(shè)計采用雙回路電源進線，且全線采用電纜輸送。一回路長度為6.28km，另一回路長度為3.62km，在電壓損失校驗時，則選用最長一回路電纜長度進行電壓損失校驗。

先選用240mm2電纜進行電壓損失校驗，計算如下：

滿足《電能質(zhì)量供電電壓偏差》（GB 12325-2008）中對電壓損失的規(guī)定。而300mm2電纜電阻、電抗值均小于240mm2電纜，則相對于240mm2電纜，300mm2電纜供電時的電壓損失更小。

3.3 熱穩(wěn)定校驗

一回線路電源側(cè)短路電流16.8kA，保護動作時間設(shè)定為 0.15s；另一回線路電源側(cè)短路電流 20.5kA，保護動作時間亦設(shè)定為0.15s。在熱穩(wěn)定校驗時，則選用電源側(cè)短路電流更大的一回線路進行熱穩(wěn)定校驗。

則熱穩(wěn)定校驗計算如下：

按熱穩(wěn)定校驗選用的電纜截面至少為70mm2，則選用300mm2的鎧裝銅芯電纜可滿足熱穩(wěn)定校驗要求。

綜合考慮載流量計算、電壓損失校驗以及熱穩(wěn)定校驗等三方面因素，凈水廠高壓進線電纜截面選用300mm2銅芯電纜。具體電纜型號為交聯(lián)聚乙烯絕緣鋼帶鎧裝聚氯乙烯護套銅芯電力電纜，電纜截面為300mm2。

4 電纜截面選型偏大的原因分析和對建設(shè)成本的影響

4.1 電纜截面選型偏大的原因分析

通過上述計算分析，得出結(jié)論選用300mm2的電纜可滿足要求，但是此項目外線輸電工程設(shè)計單位在實際設(shè)計時，卻選擇了400mm2電纜。經(jīng)對其電纜選型計算書進行校驗，其原因是在載流量計算時出現(xiàn)了錯誤，設(shè)計人員未根據(jù)項目所在地所處的實際敷設(shè)環(huán)境情況選取校正系數(shù)，所有校正系數(shù)的選取均取用了最小值。如在土壤中敷設(shè)時，其溫度影響校正系數(shù)按最不利情況考慮取值為0.92，其土壤熱阻系數(shù)影響校正系數(shù)亦按最不利情況考慮取值為0.75，按此校正系數(shù)計算所得的300mm2鎧裝銅芯電纜持續(xù)載流量為335A，低于廠區(qū)正常運行時計算電流336A，故設(shè)計單位選擇了400mm2的鎧裝銅芯電纜。

對此，本文經(jīng)對數(shù)個項目的對比與分析，發(fā)現(xiàn)引起電纜選型偏大的原因主要有以下幾個方面：設(shè)計人員設(shè)計選型偏保守，考慮的富余系數(shù)過大；設(shè)計時未搜集對校正系數(shù)產(chǎn)生直接影響的溫度、土壤特性等基礎(chǔ)資料，直接取用最不利情況的校正系數(shù)進線計算；計算方法錯誤。如針對電纜溝內(nèi)敷設(shè)和架空敷設(shè)兩種情況校正系數(shù)選取時，因電纜在同一敷設(shè)段處不可能既處在電纜溝內(nèi)敷設(shè)，又處在架空敷設(shè)，因此兩種情況校正系數(shù)只選取二者中取小值即可。但大多數(shù)設(shè)計時卻將兩個校正系數(shù)同時加入計算，導(dǎo)致計算錯誤。

4.2 對建設(shè)成本的影響

高壓進線電纜截面選型的偏大將直接導(dǎo)致建設(shè)成本的增加，且針對全線采用電纜輸送的項目，影響尤其明顯。

以此凈水廠為例，相對300mm2電纜，選用400mm2電纜時，其引起綜合造價增加約385元/m，雙回線路總長度為9.9km，則增加的總造價為381.15萬元。而整個外線輸電工程總造價在2000萬元左右，截面選型對造價的影響占整個總造價的20%左右，其對建設(shè)成本的影響是顯著的。

5 結(jié)束語

由以上分析可知，在進行高壓進線電纜選型時，對截面選型影響最大的是載流量計算時校正系數(shù)的選取，設(shè)計人員的設(shè)計理念和計算方法對截面選型產(chǎn)生最直接影響。另外，當(dāng)輸送距離過長時，電壓損失校驗對截面選型的影響增大；對大規(guī)模水廠，熱穩(wěn)定校驗對截面選型的影響基本可忽略。而電纜截面選型對凈水廠建設(shè)成本的影響是很大的，尤其是省會城市及以上的大規(guī)模水廠，因為需要大截面進線電纜全線輸送，而截面相差一、兩個等級對建設(shè)成本的影響更為顯著。