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小區(qū)工程電纜線路分析與計(jì)算
摘要：電力電纜選擇是電氣設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容之一，本文從根據(jù)環(huán)境與敷設(shè)條件選型，按長期允許載流量選擇截面，按經(jīng)濟(jì)電流范圍選擇截面，分析本小區(qū)工程架空電纜的選擇。
關(guān)鍵詞：電纜線路分析 電纜線路選型計(jì)算
0 引言
金玉小區(qū)4臺(tái)630KVA箱變供電：由6KV電纜線路利用原有電桿敷設(shè)1100m提供。原有線路還有2000米架空線路，架空線為鋼芯鋁絞線LGJφ185。630KVA變壓器高壓側(cè)額定電流Ie1=60.6A，供電變電所運(yùn)行參數(shù)如下：
箱變計(jì)算負(fù)荷如下：1#箱變功率Pjs=456KW，2#箱變功率Pjs=498KW，3#箱變功率Pjs=463KW，4#箱變功率Pjs=452KW，cosφ=0.85，單臺(tái)變壓器高壓電纜引線為YJV-6-3×35，4臺(tái)630KVA箱變總電流Ie1=240A。原架空線還帶有少量負(fù)荷：400KVA、50KVA、20KVA各一臺(tái)。請(qǐng)確定新增電纜的型號(hào)及截面。
1 計(jì)算過程
1.1 電力電纜選型，主要依據(jù)是GB50217－94《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》和《高壓電纜選用導(dǎo)則》DL401—2002。應(yīng)考慮最大載流量。
應(yīng)計(jì)算三種情況：持續(xù)運(yùn)行載流量、周期運(yùn)行(應(yīng)考慮負(fù)荷曲線)載流量、事故緊急運(yùn)行或過負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的載流量。
1.1.1 預(yù)期的相間或相對(duì)地短路時(shí)流過的對(duì)稱和不對(duì)稱的短路電流。
1.1.2 短路電流最長持續(xù)時(shí)間。
1.1.3 電纜線路壓降。
1.2 根據(jù)環(huán)境與敷設(shè)條件選型 電力電纜選型的考量，主要依據(jù)是GB50217－94《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》。其主要思想是對(duì)電纜型號(hào)的選擇，應(yīng)在滿足電纜敷設(shè)場合技術(shù)要求的前提下，兼顧我國電纜工業(yè)發(fā)展的技術(shù)政策。即：線芯以鋁代銅、絕緣層以橡塑代油浸紙、金屬護(hù)套以鋁代鉛以及在外護(hù)層上發(fā)展橡塑護(hù)套或組合護(hù)套等。考慮到：最近幾年，裸銅加權(quán)平均價(jià)上漲200％，而與此同時(shí)，鋁材加權(quán)平均價(jià)僅上漲30％；銅材的導(dǎo)電率高，20℃時(shí)的電阻率為1.72×106 Ω/cm，鋁線芯20℃時(shí)的電阻率2.82×106Ω/cm約為銅的1.68倍；載流量相同時(shí)，鋁線芯截面約為銅的1.5倍。采用銅線芯損耗比較低，銅材的機(jī)械性能優(yōu)于鋁材，延展性好，便于加工和安裝。抗疲勞強(qiáng)度約為鋁材的1.7倍。但鋁材比重小，在單位長度電阻值相同的情況下，鋁導(dǎo)體截面應(yīng)為銅導(dǎo)體的140％，鋁線芯的質(zhì)量僅為銅的42％，而采購價(jià)僅為銅芯纜的30％。
鋁芯電纜與銅芯電纜相比明顯較輕，且較為經(jīng)濟(jì)。
綜合比較各種因素，一般考慮：①架空輸電線路、②較大截面的中頻線路，宜采用鋁芯電纜。又因本線路已有三分之二段為185mm2鋼芯鋁絞線，且6～35KV交聯(lián)聚乙烯絕緣聚氯乙烯護(hù)套電力電纜，介質(zhì)損耗低，性能優(yōu)良，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，外徑小，質(zhì)量輕，載流量大，敷設(shè)方便，不受高差限制，耐腐蝕，做終端和中間接頭較簡便。（最新數(shù)據(jù)：YJV-6-3×120電纜近似重量：5340Kg/Km，電纜出廠價(jià)格：364，000元/Km；YJLV-6-3×180電纜近似重量：3946Kg/Km，電纜出廠價(jià)格：120，000元/Km。）
故6KV電壓等級(jí)鋁芯聚氯乙烯交聯(lián)絕緣類電力電纜（YJLV）為首選。
1.3 按長期允許載流量選擇截面 《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50217－94，還對(duì)1.0KV～10KV常用電力電纜，載流量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，給出了一組基本校正系數(shù)。該類系數(shù)主要依據(jù)于西南電力設(shè)計(jì)院已完成的《不同敷設(shè)條件下電纜載流量的校正和實(shí)用算法》科研成果。
箱式變是給不同工作制下多組用電設(shè)備供電的，故應(yīng)首先計(jì)算出支線上每組設(shè)備的計(jì)算負(fù)荷，然后將其每組設(shè)備有功計(jì)算負(fù)荷、無功計(jì)算負(fù)荷分別相加，從而得到低壓干線有功計(jì)算負(fù)荷P30和無功計(jì)算負(fù)荷Q30，最后確定視在計(jì)算負(fù)荷S30和計(jì)算電流I30。即：
按供電負(fù)荷的實(shí)際大小，箱式變高壓側(cè)計(jì)算電流：
I30＝I30(1)+I30(2)+I30(3)+I30(4)＝36.8+47.9+44.6+43.5＝172.9(A)
查載流量基準(zhǔn)數(shù)據(jù)表得：鋁芯95mm2載流量(205～209A)可滿足負(fù)荷的要求。
但考慮箱式變高壓側(cè)電纜可能通過的最大持續(xù)電流為：
Imax＝∑I30＝4×I30＝4×60＝240（A）
則電纜最大允許載流量為：
查載流量基準(zhǔn)數(shù)據(jù)表得：鋁芯150mm2載流量(270～277A)最接近最大允許載流量Iz的計(jì)算值。故初選電纜型號(hào)為：YJLV-6-3×I50。
1.4 按經(jīng)濟(jì)電流范圍選擇截面 在一定的敷設(shè)條件下，每一線芯截面都有一個(gè)經(jīng)濟(jì)電流范圍，IEC287-3-2/1995提供了這一范圍上、下限值的計(jì)算公式為
查《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》取低價(jià)區(qū)（企業(yè)內(nèi)部電），鋁芯240mm2經(jīng)濟(jì)電流范圍：190～256A，最接近最大允許載流量Iz的計(jì)算值。
故再選電纜型號(hào)為：YJLV-6-3×240。（基本為擴(kuò)大兩級(jí)）
1.5 初選電纜截面的電壓降校驗(yàn) 從35KV/6KV變電所饋線間隔至小區(qū)箱式變，其線路由2000米架空線（鋼芯鋁絞線LGJ φ185）加1100米電纜（鋁芯交聯(lián)電纜YJLV-6-3×I50）組成。
設(shè)35KV/6KV變電所主變分接頭在“0”位置上，變壓器的電壓損失為5％。區(qū)域變電所母線電壓偏差分別為0和5％。輸電導(dǎo)線為鋁線，橫截面積為185mm2、150mm2；最大負(fù)荷運(yùn)行情況下，線路滿載電流為IB=240A，功率因數(shù)取cosφ=0.85。
6KV線路的電壓降分析如下：
架空線路的電壓降：△U1＝K×IB×L＝0.4×（240+8）×2.0≈198（V）；
電纜線路的電壓降：△U2＝K×IB×L＝0.31×240×1.1≈82（V）；
最大負(fù)荷運(yùn)行情況下的總電壓降：
∑△U＝△U1+△U2＝198+82＝280（V）
其相對(duì)值：
即端電壓相對(duì)值為：U2％＝U1％-△U％＝100-4.7＝95.3％。
如果選用鋁芯交聯(lián)電纜YJLV-6-3×I50，6KV輸電線路電壓降基本滿足不大于5％的供電要求。
1.6 初選電纜截面的熱穩(wěn)定校驗(yàn) 當(dāng)電路發(fā)生短路時(shí)，電纜線芯中將流過很大的短路電流。由于短路時(shí)間很短，電纜熱效應(yīng)而產(chǎn)生的熱量來不及向外散發(fā)，全部轉(zhuǎn)化為線芯的溫升。電纜線芯耐受短路電流熱效應(yīng)而不致?lián)p壞的能力稱為電纜的熱穩(wěn)定性。
為使電纜在規(guī)定的期限內(nèi)安全運(yùn)行，根據(jù)電纜絕緣材料的種類，國家與行業(yè)規(guī)范給出了各種類型電纜線芯短時(shí)間(最長持續(xù)時(shí)間5秒)允許的最高溫度。
根據(jù)《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50217－94，附錄D的要求，纜芯熱穩(wěn)定允許最小截面，由下列系列公式確定：
且除火電廠3～6KV廠用電動(dòng)機(jī)饋線外的短路電流熱效應(yīng)為：
Q=I 2·t （D.1.3-2）
式中：S——纜芯導(dǎo)體截面(mm2)；
J——熱功當(dāng)量系數(shù)，取1.0；
q——纜芯導(dǎo)體的單位體積熱容量(J/cm3·℃)，鋁芯取2.48、銅芯取3.4；
θm——短路作用時(shí)間內(nèi)電纜纜芯允許最高溫度(℃)；
θp——短路發(fā)生前的纜芯最高工作溫度(℃)；
θH——電纜額定負(fù)荷的纜芯允許最高工作溫度(℃)；
θ0——電纜所處的環(huán)境溫度最高值(℃)；
IH——電纜的額定負(fù)荷電流(A)；
IP——電纜實(shí)際最大工作電流(A)；
I——系統(tǒng)電源供給短路電流的周期分量起始有效值(A)；
t——短路切除時(shí)間(s)；
Tb——系統(tǒng)電源非周期分量的衰減時(shí)間常數(shù)(s)；
a——20℃時(shí)纜芯導(dǎo)體的電阻溫度系數(shù)(1／℃)，銅芯為0.00393、鋁芯為0.00403；
ρ——20℃時(shí)纜芯導(dǎo)體的電阻系數(shù)(Ωcm2／cm)，銅芯為0.0184×10-4、鋁芯為O.031×10-4；
η——計(jì)人包含電纜芯線充填物熱容影響的校正系數(shù)，對(duì)3～6kV電動(dòng)機(jī)饋線回路，宜取η=0.93，其他情況可按η=1；
又根據(jù)甲方變電所提供的運(yùn)行資料：
穩(wěn)態(tài)短路電流有效值：IK=14.28KA，
短路沖擊電流值：ich=55.47KA，
短路后0.2S短路電流周期分量有效值：I0.2=18.43KA，
超瞬變短路電流有效值：I”=21.76KA，
并參考西北電力設(shè)計(jì)院的《電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)》、航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院的《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》的熱穩(wěn)定系數(shù)C數(shù)據(jù)，及導(dǎo)體熱穩(wěn)定算法，得出以下計(jì)算數(shù)據(jù)：
電纜熱穩(wěn)定系數(shù)取：C=77～79
（按工作溫度90℃，短路最高允許溫度200℃）
短路切除時(shí)間取：t=0.6s（具體數(shù)值由變電所提供，這里取一般中壓線路最小的后備保護(hù)動(dòng)作時(shí)間與斷路器分閘時(shí)間之和）
短路熱穩(wěn)定要求的6KV電力電纜最小截面為：180.71～185.40（mm2）。
再綜合考慮技術(shù)選型電纜截面150mm2、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行電纜截面240mm2，原架空線導(dǎo)線解面185mm2，故最后確定的電纜型號(hào)為：
6KV交聯(lián)聚乙烯絕緣鋁芯電力電纜：YJLV-6-3×185。
2 后記
施工后，小區(qū)供電取得長時(shí)間良好的運(yùn)行效果。
參考文獻(xiàn)：
[1]中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.主編.《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》第三版.北京：中國電力出版社.2005.10.
[2]《鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊(cè)》編委會(huì).編輯. 《鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊(cè)》北京：治金出版社.1996.1.
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