电力电缆截面选择方法的发展与应用Word格式文档下载.docx
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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——经济选型。
有几点需要加以说明:
①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。
②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80mm2。
显然,选择70~95mm2它的总费用TOC都非常接近最经济截面80mm2,因此,经济截面是一个区间。
同样,经济电流也有一定范围。
③在经济截面的范围内,可选择较小截面。
1—总费用;
2—初始费用;
3—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。
目前,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。
1989~1991年Parr提出了较为完整的经济截面和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IEC287-3-2—1995。
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。
1994~1995年的电力工程电缆设计规程GB50217—1994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=0.11Z+1.11N的计算公式,式中Z为投资,N为年运行费。
但是存在2个问题:
①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;
②该规程限定“较长距离的大电流回路或35kV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35kV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,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:
①回路数Nc和导体的数量Np;
②年最大负荷损耗小时
τ(单班制约为1400h,两班制约为2400h,三班制约为4500h);
③电价P;
④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;
⑤负荷增长率a;
⑥能源增长成本b(一般为2%);
⑦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折算到当前的“现值”,i=10%;
⑧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,IEC287-3-2—1995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)]0.5
Iec(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);
CI1为比CI小一级截面电缆的总投资;
CI2为比CI大一级截面电缆的总投资;
F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,Ω/km;
R1为CI1对应截面电缆单位长度的交流电阻,Ω/km;
R2为CI2对应截面电缆单位长度的交流电阻,Ω/km。
IEC287-3-2—1995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:
①6~10kV交联聚乙烯电缆的经济电流范围表,见表1。
②1kV低压电缆的经济电流范围表,见表2。
③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:
①取高电价区域华东、华南地区代表电价为05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。
②τ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cosф=0.9时,单班制τ=1400h,对应Tmax=2000 h;
两班制τ=2400h,对应Tmax=4000h;
三班制τ=4500h,对应Tmax=6000h。
我们只要根据电价、Tmax和计算电流3个参数,从表1~4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,再通过计算求取经济截面。
信息来源:
如某一负荷,计算电流Ij=150A,T=3000h,当地的电价P=07元/kWh,求其经济截面的方法是:
从0.6/1kV低压电力电缆经济电流密度曲线中可查得T=3000h,P=07元/kWh时经济电流密度j=16A/mm2,
则经济截面,
取相近截面95mm2。
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380V,37W,额定电流IN=714A,启动电流Iq=469A,不频繁启动。
馈线断路器整定电流85A,瞬动电流850A,年运行时间T=6000h,当地电价P=0.5元/kWh,由变电所直配,采用VV-13+1芯电缆单根架空明敷,电缆长度L=160m,环境温度30℃,变电所低压母线短路电流有效值Ik=24kA。
表1 6~10kV交联聚乙烯绝缘电缆经济电流范围A信息请登陆:
输配电设备网
注:
表中数据摘自国际铜业(中国)协会资料。
表2 06/10kV低压电缆经济电流范围表A
注:
信息来自:
表3 10kV-3×
单芯架空绝缘电缆经济电流范围表A
信息来源:
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。
表4 1kV-4×
单芯架空绝缘电缆经济电流范围表A信息来源:
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=71.4A,查表S=3×
16+1×
10mm2(对应允许电流80A)。
(2)按允许电压损失校验:
设启动时cosΦ=0.3,Iq=469A,L=160m,电流矩为74.76A-km,查表Δ
u=157%,不满足要求。
若按不频繁启动允许启动电压偏移-15%计,需选择
S=3×
25+1×
16mm2,对应Δu=10.76%
同法,求得正常运行时Δu=3.62%,满足要求。
(3)按经济电流选择截面:
根据IN=71.4A,T=6000h,P=0.5元/kWh,查0.6/1kV低压电缆经济电流范围表得Sec=3×
70+1×
35mm2。
(4)按短路热稳定条件校验,设短路切除时间t=0.2s,Smin=Iz×
(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
Smin=24000×
0.20.5/114=94.1mm2,选取S=3×
95+1×
50mm2。
(5)低压TN系统接地故障保护灵敏度校验:
当S=3×
10时,单相接地故障电流约300A,断路器不动作。
35时,单相接地故障电流约1100A,断路器动作,灵敏度为1100A/850A=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:
①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。
②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。
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”。
③电缆的经济电流范围表可见,Tmax愈大,经济电流值愈小。
按此条件选择的线芯截面愈大,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25mm2,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70mm2,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35mm2,但与采用70mm2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。
1—30年;
2—10年;
3—5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Tmax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=7000、4000、2000h。
曲线起点同样是按载流量所选择的截面25mm2,曲线的最低点(经济截面)分别是95、70、50mm2。
1—Tmax=7000h;
2—4000h;
3—2000h
图3 VV-1电缆不同运行时间总费用利用率
曲线在最低点处变化很平坦,曲线3从50~70mm2,TOC总费用只变化1.7%;
曲线1从95~70mm2,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
6.4 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IN=90A,选用VV-13芯电缆供电,电缆长100m,当地电价05元/kWh,请分别绘制3000、5000、7000h不同小时数的TOC-N曲线。
经计算,按载流量选择截面为3×
25mm2。
按经济电流选择截面分别为:
3000h→3×
50mm2;
5000h→3×
70mm2;
7000h→3×
95mm2。
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较曲线图分别见图4~6,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。
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)
图6 VV-1型电缆发热截面与经济截面比较(三班制)
从图4~6可见:
①Tmax愈大,回收年限愈短。
②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。
③如果预计工程的使用年份小于回收年限,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
7 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80A,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80A,寿命期30年电缆采用经济选型节约的费用数据
信息请登陆:
图7 VV-1电缆负载电流总费用曲线
(2)2001年,全国35kV及以下电力电缆产量约25万km,其中1kV级约216万km,平均截面为70mm2,采用经济选型后,平均截面增至约120mm2,线损可节约42%;
10~35kV级约34万km,平均截面为120mm2,采用经济选型后,平均截面约增至185mm2,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390000t。
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2~4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。
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