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　　配网工程常用电力电缆的设计分析和选型

　　【摘要】：关于电力电缆是连接电源和用电设备的中间设备，尤其是常用电力电缆，在电网中得到广泛应用，为电力系统的安全、可靠运行起到重要作用。本文作者通过对配网基建工程中电力电缆设计常存在的问题，简单阐述了一些探讨与建议。
　　【关键词】：电力电缆；设计；载流量；电缆截面
　　引言
　　目前，我国正加快城市配电网的建设。为配合城市发展建设的需要，结合城市容貌的更新，提高人们用电的质量和安全性，供电部门近年来大力改造城区、农村电网，更多地采用电力电缆进行配网工程项目。
　　电力电缆的设计分析
　　在配网工程中,电缆的设计可以按照长期负荷的载流量、电缆的运行条件、动热稳定、机械强度等的进行截面选择。
　　1.1 电缆额定载流量计算(100%负荷因数)
　　电缆额定载流量的计算公式是国际电工委员会(IEC)根据国际大电网会议(ICGRE)1964年的报告于1982年所制定的电缆额定载流量(100%负荷因数)计算标准。随后对该标准经过20多年来修改和增补，形成了现在的IEC60287标准。各国对电缆运行条件参量的期望值存有很大差别，IEC标准提倡从不同的角度出发，各个国家规定相应的值。
　　对于直接埋地、管道、沟道或钢管中敷设的电缆，特别是土壤热阻系数，对土壤的含水量非常敏感，土壤的水分迁移而引起土壤干燥，其热阻系数发生巨大变化，随时间可能有明显的变化，取决于土壤的类型、地势、气象条件和电缆负荷，必须现场实测，采取相应措施。为了准确的计算电缆在特定环境条件下的载流量，选取相应参数值时应特别加以考虑。
　　下面介绍现行配网工程中常用到的几种交流电缆敷设方式，其额定载流量计算公式：
　　A. 空气中不受日光照射的交流电缆
　　电缆有空气中敷设，是无强迫对流散热的自由空气中的敷设，包括：室内、室外、隧道和沟道中非连续的托架上、梯形支撑物或夹板间的敷设。从高于环境温度的温升表达式中，可导出交流电缆安全运行的载流量计算公式：

　　式中I----一根导体中流过的电流，A；
　　----高于环境温度的导体温升，K；
　　R----最高工作温度下导体单位长度的交流电阻，Ω/m；
　　Wd----导体绝缘单位长度的介质损耗，W/m；
　　T1----一根导体和金属套之间单位长度热阻，Km/W；
　　T2----金属套和铠装之间内衬层单位长度热阻，Km/W；
　　T3----电缆外护层单位长度热阻，Km/W；
　　T4----电缆表面和周围介质之间单位长度热阻，Km/W；
　　n----电缆(等截面并载有相同负荷的导体)中载有负荷的导体数；
　　λ1----电缆金属套损耗相对于所有导体总损耗的比率；
　　λ2----电缆铠装损耗相对于所有导体总损耗的比率。
　　低压四芯电缆的载流量可等同于相同电压级和相同结构导体截面的三芯电缆载流量。
　　B.空气中直接受日光照射的交流电缆
　　当太阳光直射到电缆表面的场合下，允许载流量由下式给出：

　　----日光照射于电缆表面时的吸收系数；
　　H----太阳辐射强度，对于大多数纬度线的地区可取1000W/m2，也可取当地推荐的数值W/m2；
　　----考虑到日光照射时的电缆外部热阻，Km/W；
　　----电缆外径，m，对于皱纹金属套；
　　----外护层厚度，mm；
　　----正好与皱纹金属套波峰相切的假想同心圆柱体的直径，mm。
　　C.土壤发生局部干燥场合下的直接埋地的交流电缆
　　对孤立敷设单根电缆(多芯)或三根单芯电缆单一回路，当周围土壤域变干燥而引起外部热阻发生变化时的载流量计算由下式给出；

　　式中v----干燥和潮湿土壤域热阻系数之比率，；
　　----干燥土壤的热阻系数，Km/W；
　　----自燃土壤的热阻系数，Km/W；
　　----土壤临界温度，即干燥与潮湿土壤之边界的温度，oC；
　　----环境温度，oC；
　　----土壤临界温升，即高于环境温度的干燥与潮湿土壤之边界的温升，K。
　　以上公式仅仅计算电缆一般情况下的载流量，不同敷设条件和方式的交流电缆的载流量还受一些因素影响，而降低电缆载流量：绝缘损耗、金属套和屏蔽的损耗、涡流损耗、环流损耗、电缆本体热阻和外部热阻等。这里不作详细介绍了。
　　1.2 电缆运行条件
　　A. 选择电缆应具备的运行条件资料：系统额定电压U、三相系统最高电压Um、雷电过电压、系统频率、中性点非有效接地故障最大持续时间、连续运行最大额定电流、周期负荷要求、终端海拔高度等。
　　B. 安装条件资料包括三方面。一般条件：线路长度和断面图、排列(平面或三角形)及相互间距、金属接地方式、环境温度(最高、最低、平均)、排管和管道资料情况。土壤条件：土壤类型(沙土、黏土、回填土)及有关资料(土壤温度、散热系数、土壤热阻系数)、埋地深度、周围热源情况。空气条件：通风情况(室内、沟道)，是否受日光直射。
　　C.电缆运行条件的各参数值的选择
　　我国国域辽阔，地理位置北起温带、南至亚热带，气候变化范围大，不可能规定某一个温度作为统一的环境温度。我国有关技术部门还没有对环境温度和土壤热阻系数提出标准值，为了便于计算载流量，建议采用如下基准值。
　　a. 土壤敷设：土壤热阻系数(基准值)为1.0 K·m/W。水分迁移后干燥土壤，一般性为2.0 K·m/W；沙土(+砂砾)为2.5 K·m/W；粘土为3.0 K·m/W。环境温度(基准值)为25oC。直埋地深度，35kV以下为700mm，110kV及以上为1000mm。
　　b. 空气中敷设：环境温度(基准值)为40oC。建筑物室内为30oC。南方和北方，夏季和冬季适当增减。
　　电缆截面的选择
　　为了供电系统安全可靠、经济合理地运行，应以安全、经济、质量和动态作为选择导体截面一般的指导原则，并应满足以下条件：发热条件、电压损失、经济运行、机械强度、热稳定性等。此外，还需要按电压、环境、用途来选择导线和电缆型号等。实际工程中根据具体线路的条件和特征，以某些条件作为选择电缆截面的主要条件，而同时对其他条件进行校验。
　　下面举例说明上述各点在不同线路选择中侧重点不同，例如：
　　2.1 高压线路：先按经济电流密度选择截面，然后校验其发热条件(使计算电流小于额定电流)和允许电压损失。对高压电缆线路还应进行热稳定性校验。
　　2.2 低压线路：先按发热条件选择导体截面，然后再校验允许电压损失和经济电流。
　　2.3 电缆线路：应按短路时的热稳定性进行校验。校验时短路点选择应作如下考虑：短的电缆应选在电缆的末端，电缆长度在50m以上者应选在电缆中点，有中间接头盒时应选在靠近变压器的第一个中间接线盒处。
　　2.4 电缆路径：选择电缆路径应尽量走最短的路径。避开已建或拟建的一切地面的设施。尽量减少与各种管线、铁路以及主要道路交叉。注意避开对电缆外护层有腐蚀作用和可能遭到机械损伤作用的地段。此外，电缆穿管或管道敷设应考虑到散热条件的恶化引起截流量降低。
　　2.5 敷设方式：电缆敷设方式主要有空气中和土壤中敷设。空气中包括沿墙、梁柱、托盘、线槽、线框敷设、垂直、悬挂、隧道、穿管敷设等。土壤中敷设包括直埋、管道和沟道等敷设。应根据电缆型号(外护层)、环境条件、运行情况等来选择相适应的敷设方式。

　　电缆类型的选择
　　电缆的种类、型号相当多，根据电缆导体的材质，分为铜芯电缆和铝芯电缆。电力电缆按其绝缘层的结构不同可以分为油浸绝缘统包电缆、铅包电缆、自容式充油电缆、橡皮绝缘电缆、聚氯乙烯绝缘电缆和交联聚乙烯绝缘电缆等几种类型。根据用途不同又可分为：高压电力电缆、控制电缆、架空绝缘电缆、矿用电缆，分支电缆等。根据运行的需要，还会有一些特殊功能的电缆，例如：阻燃电缆、耐火电缆、防白蚁电缆等。现就配电网建设中常用到的电缆进行一些问题的探讨。

　　3.1 在一般配电工程基建项目中，经常采用到的电缆有以下类型：
　　VV(VLV)——铜(铝)芯聚氯乙烯绝缘聚氯乙烯护套电力电缆；
　　YJV(YJLV)——铜(铝)芯交联聚乙烯绝缘电力电缆；
　　3.2 根据运行所需，以上两种电缆可以延伸出以下类型：
　　ZRVV(ZRVLV)——阻燃铜(铝)芯聚氯乙烯绝缘聚氯乙烯护套电力电缆；
　　ZRYJV(ZRYJLV)——阻燃铜(铝)芯交联聚乙烯绝缘钢带铠电力电缆；
　　ZRVV22(ZRVLV22)——阻燃铜(铝)芯聚氯乙烯绝缘钢带铠装电力电缆；
　　ZRYJV22(ZRYJLV22)——阻燃铜(铝)芯交联聚乙烯绝缘钢带铠装电力电缆；
　　FYVV22(FYVLV22)——防白蚁铜(铝)芯聚氯乙烯绝缘钢带铠装电力电缆；
　　FYYJV22(FYYJLV22)——防白蚁铜(铝)芯交联聚乙烯绝缘钢带铠装电力电缆。
　　一般来说，单纯铠装类的电缆是防鼠防蚁的，但对于南方白蚁高发的地区，采用专门带防白蚁功能的电缆，会对电缆起到更好的保护作用。
　　3.3 根据电压等级，可分为高压电缆和低压电缆。配网工程常用到的高压电缆电压等级为8.7/15kV，低压电缆电压等级为0.6/1kV。
　　电缆额定电压宜选用8．7/15kV，因8．7/15kV的交联电缆比．6/10kV同等级截面交联电缆的绝缘层厚度多1.1mm。由于电缆绝缘厚度的增加，降低了场强，提高电缆运行水平。
　　3.4 根据电缆芯数，可分为单芯电缆和多芯电缆，其中多芯电缆常用到三芯电缆和四芯电缆，也会采用五芯电缆。
　　配网工程的10kV中压电缆网架常采用3芯电缆，当工作电流较大的回路或电缆敷设于水下时，每回可选用3根单芯电缆。
　　而低压电网采用电缆芯数则视乎运行情况而定。1kV及以下电源中性点直接接地时，三相回路的电缆芯数选择，应符合下列规定： A. 保护线与受电设备的外露可导电部位连接接地时：如果保护线与中性线合用同一导体时，应选用四芯电缆。如果保护线与中性线各自独立时，宜选用五芯电缆，也可采用四芯电缆与另外的保护线导体组成。 B. 受电设备外露可导电部位的接地与电源系统接地各自独立时，应选用四芯电缆。
　　C. 对于1kV及以下电源中性点直接接地时，单相回路的电缆芯数的选择：当保护线与受电设备的外露可导电部位连接接地时：如果保护线与中性线合用同一导体时，应选用两芯电缆。如果保护线与中性线各自独立时，宜选用三芯电缆，也可采用两芯电缆与另外的保护线导体组成。 D. 受电设备外露可导电部位的接地与电源系统接地各自独立时，应选用两芯电缆。
　　3.5 电缆截面按照长期负荷、载流量、动热稳定的要求，主干线路截面宜按照300mm2选择，次干线路截面选择240mm2，分支线路截面选择70～150mm2。
　　四、结 论
　　本文所讨论的电力电缆以现阶段我国配网基建常用的电缆为主，提供了一些参考数据。电缆选型直接关系到配电系统的正常运行，电缆网络的建设和改造必须综合考虑各方面因素，以利于最终电网的安全、优质、经济运行。

　　参考文献：
　　[1] GB 50217-2007 电力工程电缆设计规范
　　[2] DL／T 5221—2005 城市电力电缆线路设计技术规定
　　[3] 马国栋 电线电缆载流量 中国电力出版社 2003;32-34,113-121.

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