关于10 kV及以下配电线路电缆截面选择的探讨

郭伟

摘   要：随着城市的不断发展，城市供电线路逐步向电缆敷设方式推进，在10 kV及以下配电线路中，电缆线路具有通道选择比较灵活，既可埋地，又可架空，不需考虑电气间隙、占用空间小等优点，故在配电线路中电缆是一种普遍采用的电力传输方式。电缆线路大多采用铜制材料，不同截面的输送能力和造价相差较大，就10 kV及以下配电线路电缆截面选择进行探讨。

关键词：电缆;截面;供电

10 kV及以下配电线路需要通过建筑物和居民密集区，在地面空间有限、不能架设杆塔和架空线时，需要采用电缆进行走线。电缆线路在通道选择上比较灵活，不需考虑电气间隙，既可埋地，又可架空，占用空间小，具有诸多架空线不可比拟的优点，故在配电线路中电缆是一种普遍采用的电力传输方式。

由于在造价方面单位长度的电缆线材价格达到了架空线的5倍以上，故在电缆线路设计中，能否对电缆进行合理选型，将直接关系到整个项目的经济合理性，为此，有必要对电缆的选型作更加深入的研究。

本项目将从两个方面对电缆截面选择进行探讨：（1）确定其导体材质、芯数、绝缘耐压水平。（2）选择确定电缆截面积。

1    电缆规格的选择

1.1  电缆导体材质的选择

众所周知，输电线路的金属导电体通常采用铜和铝两种。铜与铝相比，其电阻率更低，相同截面载流量更大，机械性能、延展性更好。虽然铝导体材质更轻，但是在连接性能上有着明显的缺点，比如在做铝芯电缆终端头连接设备的时候，热缩电缆终端头易快速氧化而产生氧化铝，致使在导电体连接中产生虚接，从而引起接触电阻过大，容易产生电缆接头部位发热脱落等问题。在10 kV配电线路设计中，在选择电缆材质的时候，除了对铜有腐蚀而对铝腐蚀较轻的环境如氨压缩机房和架空线路、较大截面的电缆线路外，绝大多数都会采用铜导体作为电缆的导体材料。

1.2  电缆芯数的选择

电缆芯数的选择与配电系统的供电制式有关。35 kV交流系统一般为三相三线制，截面小的可采用3芯电缆，截面大的需采用单芯电缆;10 kV交流系统也为三相系统，中性点不直接接地，常采用3芯电缆;0.4 kV及以下交流系统分为单相二线制、三相三线制、三相四线制（TN-C系统）、三相五线制（TN-S系统）4种，分别采用2～5芯电缆。

1.3  电缆耐压水平的选择

缆芯与绝缘屏蔽层（或金属护套）之间的额定电压，应满足所在电力系统中性点接地方式及其运行要求的水平。35 kV及以下系统一般采用中性点不接地或经消弧线圈接地系统，其单相接地故障会持续较长时间，缆芯相间额定工频电压不得低于使用回路的工作线电压，若单相接地故障持续时间不超过1 min时，可取100%相电压;若单相接地故障持续时间在1 min至2 h以内时，宜取133%相电压。在系统运行中时常发生绝缘击穿故障，究其原因，大多是绝缘耐压水平只能满足工频电压运行，一旦线路产生故障，绝缘层就会被击穿。因此，在选择电缆额定电压时，应选用比相电压高一档的电压等级，例如，在10 kV系统中，电缆的额定电压应该选择8.7/15 kV，而不能选择6/10 kV。

2    电缆截面选择的方法

2.1  按持续允许载流量

我们都知道，电缆线芯导电体都存在一定电阻，由于电阻的存在，电流通过电缆时，电缆会产生热量，按载流量选择截面就是为保证电缆的实际工作温度不超过电缆绝缘所允许的长期工作温度，也就是电缆的持续允许载流量应大于线路的实际工作电流。电缆的允许载流量，不仅要考虑导体的截面、散热条件，还需要考虑电缆周围的环境温度，所以还要根据不同条件需对电缆的持续允许载流量进行修正。

2.1.1  环境温度的修正

《电力工程电缆设计规范》[1]中所列出的电缆持续允许载流量，其基准环境温度为：空气中敷设为40 ℃，埋地敷设为25 ℃;在不同的环境温度条件下敷设，电缆允许的载流量应乘以相应的校正系数Kt：

（1）

其中：θm为电缆导体最高允許运行温度，℃;θ1为额定载流量的基准环境温度，℃;θ2为电缆实际运行环境温度，℃[2-3]。

2.1.2  电缆多根并列的修正

电缆多根并列敷设时，由于导体数量较多，可能会导致环境温度显著提高，电缆允许的载流量应乘以相应的校正系数Kp，如表1所示。

因此，电缆的允许电流应按下式计算：

Ial =KI'al=KtKpI'al                    （2）

其中：I'al 为导体中所允许通过的长期工作电流，A。

其次，按持续允许载流量选择三相系统中的电缆相截面时，应使其允许载流量Ial大等于通过相线的计算电流I，

即：Ial ≥ I                    （3）

其中：I为计算电流，A;P为输送功率，kW;U为线电压，kV;COSφ为功率因数。

2.2  按短路热稳定

电力系统在发生短路故障时，会产生很大的短路电流，额定电压为10 kV及以上的普通电缆很难满足短路故障时热稳定度的要求，为了使得电缆线路在发生短路故障时不破坏电缆本身性能，需对电缆进行短路热稳定校验，以选择合理的电缆截面。短路热稳定校验计算公式如下：

（4）

其中：Smin为电缆短路热稳定要求下的最小截面积，mm2，I∞为系统稳定状态下的故障短路电流，A;t为短路电流持续时间，s;C为热稳定系数值。

2.3  按允许电压降

鉴于电网供电可靠性对电压质量的要求，电压偏差作为电压质量的一个指标，电缆截面过小、电阻高、压降大，但是电缆截面过大，虽然压降变小了，但是大截面的电缆造价很高，在考虑电缆压降时，需综合电缆的供电长度、供电负荷电流大小等因素。电缆截面与允许电压降校验计算公式如下：

单相系统：                    （5）

三相系统：                  （6）

其中：S为允许电压降下最小电缆截面积，mm2;I为电缆供电负荷电流，A;U为供电线路的额定电压值，kV，在单相系统中取相电压，在三相系统中取线电压;L为电缆供电总长度，m;ΔU%为允许电压降的质量分数;ρ为电缆的电阻率，Ω·mm2/m。

2.4  按经济电流密度

电缆截面的选择是一项系统的工作，若选择的电缆截面小，可减少工程的初期资金投入，然而后期的电力损耗会增加，相反，如果选择大的电缆截面，初期资金投入比较大，但是后期的电力损耗可控制在合理的范围之内。鉴于此，电缆截面的最终选择应该是损耗与投资达到高度优化状态的电缆截面积，需要遵循总费用的最小法则。经济电流密度的计算公式为：

（7）

其中：Sec为电缆的横截面积，mm2;Ue为供电线路的额定电压值，kV;Jec为电缆的经济电流密度值，A/mm2，COSφ为供电负荷的功率因数。

在运用此公式的时候，关键在于确定电缆经济电流密度值，它与导体材料和年最大负荷利用小时数有关（见表2）。根据上述公式可得电缆的计算截面积，实际选择过程中电缆截面按规格应当大于上述计算截面积，且相差不应该很大，如计算截面积为214 mm2，应该选择240 mm2截面的电缆[4]。

3    结语

电纜的选择由很多因素共同作用，在电缆截面选择时，不能单一地只采用一种方法进行计算，无论按哪种方法选择都应该用其他方法进行校验，多种方法计算得出最小截面，从而选定合理的电缆型号。电缆设计选型时需综合考虑技术标准与经济指标，它是选择电缆截面的双重标准。

[参考文献]

[1]电力工程电缆设计规范（GB 50217—2018）[S].电力标准化与计量，1996（1）：26-31.

[2]中华人民共和国国家发展和改革委员会发布.城市电力电缆线路设计技术规定：DL/T 5221-2005：英文[M].北京：中国电力出版社，2013.

[3]马国栋.电线电缆载流量（第2版）[M].北京：中国电力出版社，2013.

[4]覃旭伟.浅谈电缆截面选择的几种依据[J].中国新技术新产品，2014（4）：110.