小区工程电缆线路分析与计算

    摘要：电力电缆选择是电气设计的主要内容之一，本文从根据环境与敷设条件选型，按长期允许载流量选择截面，按经济电流范围选择截面，分析本小区工程架空电缆的选择。

    关键词：电缆线路分析  电缆线路选型计算

    0 引言
    金玉小区4台630KVA箱变供电：由6KV电缆线路利用原有电杆敷设1100m提供。原有线路还有2000米架空线路，架空线为钢芯铝绞线LGJφ185。630KVA变压器高压侧额定电流Ie1=60.6A，供电变电所运行参数
箱变计算负荷1#箱变功率Pjs=456KW，2#箱变功率Pjs=498KW，3#箱变功率Pjs=463KW，4#箱变功率Pjs=452KW，cosφ=0.85，单台变压器高压电缆引线为YJV-6-3×35，4台630KVA箱变总电流Ie1=240A。原架空线还带有少量负荷：400KVA、50KVA、20KVA各一台。请确定新增电缆的型号及截面。

    1 计算过程

    1.1 电力电缆选型，主要依据是GB50217－94《电力工程电缆设计规范》和《高压电缆选用导则》DL401—2002。应考虑最大载流量。 

    应计算三种情况：持续运行载流量、周期运行(应考虑负荷曲线)载流量、事故紧急运行或过负荷运行时的载流量。 

    1.1.1 预期的相间或相对地短路时流过的对称和不对称的短路电流。 

    1.1.2 短路电流最长持续时间。 

    1.1.3 电缆线路压降。 

    1.2 根据环境与敷设条件选型 电力电缆选型的考量，主要依据是GB50217－94《电力工程电缆设计规范》。其主要思想是对电缆型号的选择，应在满足电缆敷设场合技术要求的前提下，兼顾我国电缆工业发展的技术政策。即：线芯以铝代铜、绝缘层以橡塑代油浸纸、金属护套以铝代铅以及在外护层上发展橡塑护套或组合护套等。考虑到：最近几年，裸铜加权平均价上涨200％，而与此同时，铝材加权平均价仅上涨30％；铜材的导电率高，20℃时的电阻率为1.72×106 Ω/cm，铝线芯20℃时的电阻率2.82×106Ω/cm约为铜的1.68倍；载流量相同时，铝线芯截面约为铜的1.5倍。采用铜线芯损耗比较低，铜材的机械性能优于铝材，延展性好，便于加工和安装。抗疲劳强度约为铝材的1.7倍。但铝材比重小，在单位长度电阻值相同的情况下，铝导体截面应为铜导体的140％，铝线芯的质量仅为铜的42％，而采购价仅为铜芯缆的30％。

    铝芯电缆与铜芯电缆相比明显较轻，且较为经济。
    综合比较各种因素，一般考虑：

①架空输电线路；

②较大截面的中频线路，宜采用铝芯电缆。又因本线路已有三分之二段为185mm2钢芯铝绞线，且6～35KV交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套电力电缆，介质损耗低，性能优良，结构简单，制造方便，外径小，质量轻，载流量大，敷设方便，不受高差限制，耐腐蚀，做终端和中间接头较简便。（最新数据：YJV-6-3×120电缆近似重量：5340Kg/Km，电缆出厂价格：364，000元/Km；YJLV-6-3×180电缆近似重量：3946Kg/Km，电缆出厂价格：120，000元/Km。）
    故6KV电压等级铝芯聚氯乙烯交联绝缘类电力电缆（YJLV）为首选。

    1.3 按长期允许载流量选择截面 《电力工程电缆设计规范》GB50217－94，还对1.0KV～10KV常用电力电缆，载流量基础数据，给出了一组基本校正系数。该类系数主要依据于西南电力设计院已完成的《不同敷设条件下电缆载流量的校正和实用算法》科研成果。
    箱式变是给不同工作制下多组用电设备供电的，故应首先计算出支线上每组设备的计算负荷，然后将其每组设备有功计算负荷、无功计算负荷分别相加，从而得到低压干线有功计算负荷P30和无功计算负荷Q30，最后确定视在计算负荷S30和计算电流I30。即：
    按供电负荷的实际大小，箱式变高压侧计算电流：
    I30＝I30(1)+I30(2)+I30(3)+I30(4)＝36.8+47.9+44.6+43.5＝172.9(A)
    查载流量基准数据表得：铝芯95mm2载流量(205～209A)可满足负荷的要求。
    但考虑箱式变高压侧电缆可能通过的最大持续电流为：
    Imax＝∑I30＝4×I30＝4×60＝240（A）
    则电缆最大允许载流量为： 
    查载流量基准数据表得：铝芯150mm2载流量(270～277A)最接近最大允许载流量Iz的计算值。故初选电缆型号为：YJLV-6-3×I50。

    1.4 按经济电流范围选择截面 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、下限值的计算公式为    
    查《工业与民用配电设计手册》取低价区（企业内部电），铝芯240mm2经济电流范围：190～256A，最接近最大允许载流量Iz的计算值。
    故再选电缆型号为：YJLV-6-3×240。（基本为扩大两级）

    1.5 初选电缆截面的电压降校验 从35KV/6KV变电所馈线间隔至小区箱式变，其线路由2000米架空线（钢芯铝绞线LGJ φ185）加1100米电缆（铝芯交联电缆YJLV-6-3×I50）组成。

    设35KV/6KV变电所主变分接头在“0”位置上，变压器的电压损失为5％。区域变电所母线电压偏差分别为0和5％。输电导线为铝线，横截面积为185mm2、150mm2；最大负荷运行情况下，线路满载电流为IB=240A，功率因数取cosφ=0.85。

    6KV线路的电压降分析
    架空线路的电压降：△U1＝K×IB×L＝0.4×（240+8）×2.0≈198（V）；
    电缆线路的电压降：△U2＝K×IB×L＝0.31×240×1.1≈82（V）；
    最大负荷运行情况下的总电压降：
    ∑△U＝△U1+△U2＝198+82＝280（V）
    其相对值： 
    即端电压相对值为：U2％＝U1％-△U％＝100-4.7＝95.3％。
  如果选用铝芯交联电缆YJLV-6-3×I50，6KV输电线路电压降基本满足不大于5％的供电要求。

    1.6 初选电缆截面的热稳定校验 当电路发生短路时，电缆线芯中将流过很大的短路电流。由于短路时间很短，电缆热效应而产生的热量来不及向外散发，全部转化为线芯的温升。电缆线芯耐受短路电流热效应而不致损坏的能力称为电缆的热稳定性。

    为使电缆在规定的期限内安全运行，根据电缆绝缘材料的种类，国家与行业规范给出了各种类型电缆线芯短时间(最长持续时间5秒)允许的最高温度。

    根据《电力工程电缆设计规范》GB50217－94，附录D的要求，缆芯热稳定允许最小截面，由下列系列公式确定：  
    且除火电厂3～6KV厂用电动机馈线外的短路电流热效应为：
    Q=I 2·t          （D.1.3-2）
    式中：S——缆芯导体截面(mm2)；
    J——热功当量系数，取1.0；
    q——缆芯导体的单位体积热容量(J/cm3·℃)，铝芯取2.48、铜芯取3.4；
    θm——短路作用时间内电缆缆芯允许最高温度(℃)；
    θp——短路发生前的缆芯最高工作温度(℃)；
    θH——电缆额定负荷的缆芯允许最高工作温度(℃)；
    θ0——电缆所处的环境温度最高值(℃)；
    IH——电缆的额定负荷电流(A)；
    IP——电缆实际最大工作电流(A)；
    I——系统电源供给短路电流的周期分量起始有效值(A)；
    t——短路切除时间(s)；
    Tb——系统电源非周期分量的衰减时间常数(s)；
    a——20℃时缆芯导体的电阻温度系数(1／℃)，铜芯为0.00393、铝芯为0.00403；
    ρ——20℃时缆芯导体的电阻系数(Ωcm2／cm)，铜芯为0.0184×10-4、铝芯为O.031×10-4；
    η——计人包含电缆芯线充填物热容影响的校正系数，对3～6kV电动机馈线回路，宜取η=0.93，其他情况可按η=1；
    又根据甲方变电所提供的运行资料：
    稳态短路电流有效值：IK=14.28KA，
    短路冲击电流值：ich=55.47KA，
    短路后0.2S短路电流周期分量有效值：I0.2=18.43KA，
    超瞬变短路电流有效值：I”=21.76KA，
    并参考西北电力设计院的《电力工程电气设计手册》、航空工业规划设计研究院的《工业与民用配电设计手册》的热稳定系数C数据，及导体热稳定算法，得出以下计算数据：
    电缆热稳定系数取：C=77～79
    （按工作温度90℃，短路最高允许温度200℃）
    短路切除时间取：t=0.6s（具体数值由变电所提供，这里取一般中压线路最小的后备保护动作时间与断路器分闸时间之和）          
    短路热稳定要求的6KV电力电缆最小截面为：180.71～185.40（mm2）。
    再综合考虑技术选型电缆截面150mm2、经济运行电缆截面240mm2，原架空线导线解面185mm2，故最后确定的电缆型号为：
    6KV交联聚乙烯绝缘铝芯电力电缆：YJLV-6-3×185。