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电力电缆截面选择

输变电工程设计2019-09-18 11:38:18

一、电力电缆导体截面选择原则:

1、最大工作电流作用下的电缆导体温度,不得超过电缆使用寿命的允许值。持续工作回路的电缆导体工作温度,应符合下表的规定。


2、最大短路电流和短路时间作用下的电缆导体温度,应符合上表的规定。

3、最大工作电流作用下连接回路的电压降,不得超过该回路允许值。

4、10kV及以下电力电缆截面除应符合上述1~3款的要求外,尚宜按电缆的初始投资与使用寿命期间的运行费用综合经济的原则选择。

二、电缆导体截面选择

一般的电缆设计选型步骤是先根据敷设条件确定电缆型号,电缆导体截面的选择应结合当地敷设环境,对66kV及以上电缆参照现行行业标准«电缆载流量计算»JB/T 10181 计算。 35kV及以下常用电缆可根据制造厂提供的载流量结合当地敷设环境按校正系数计算。

电缆截面应满足持续允许电流、短路热稳定、允许电压降等要求10kV及以下电压等级电缆校验其电压降,因为当电压为610kV以下,而且导线截面在70~95mm2以下的线路,才进行电压校验因为截面大于70~95mm2的导线,采用加大截面的办法来降低电压损失的效果并不十分显着而且会引起投资及有色金属较多的增加,如采用静电电容器补偿或带负荷调压的变压器以及其他措施更为合适但应进行技术经济比较确定。对于10kV及以上的电缆校验其短路时的热稳定度。

导体截面应从有关的电缆产品标准中列出的标称截面中选取。

在选择导体截面时还应考虑下列因素:

a)、在规定的连续负荷、周期负荷、事故紧急负荷以及短路电流情况下电缆导体的最高温度。

b)、在电缆敷设安装和运行过程中受到的机械负荷。

c)、绝缘中的电场强度。采用小截面电缆时由于导体直径小导致绝缘中产生不允许的高电场强度。

2.1、根据电缆长期允许载流量选择电缆截面

为了保证电缆的使用寿命,运行中的电缆导体温度不应超过其规定的长期允许工作温度。电缆载流量应大于最大工作电流,其主要目的应是保证电缆的绝缘性能在整个使用寿期内有效,而温度是影响绝缘部件性能稳定的最主要因素。在电缆的绝缘系统中,热老化可以使材料的特性产生不可逆转的改变, 一般表现为产生局部放电、电树枝、水树等现象。高温不仅催生绝线材料的老化,影响到绝缘性能,而且还会使老化的绝缘材料迅速恶化,并导致事故。而与电缆运行温度有最直接线形关系的电缆载流量,将是选择电缆截面积的最主要因素。所以,在选择电缆截面时,必须满足下列条件:

2.1.1、按持续允许电流选择:

式中:Imax-通过电缆的最大持续负荷电流;

I0—指定条件下的电缆长期允许载流量;

K—电缆长期允许载流量的总修正系数。

在不同的敷设环境与条件下,总修正系数K可以是下列不同的组成:

(1)空气中并列敷设时:K=K1K2

(2)空气中单根穿管敷设时:K=K1K3

(3)单根直埋敷设时:K=K1K4

(4)并列直埋敷设时:K=K1K4K5

上述各式中:

K1—温度修正系数;

K2—空气中并列修正系数;

K3—空气中穿管修正系数;

K4—土壤热阻系数不同时的修正系数;

K5—直埋并列修正系数;

2.1.2、 除以上的情况外.电缆按100%持续工作电流确定电缆导体允许最小截面时,应经计算或测试验证,计算内容和参数选择应符合下列规定:

1)、含有高次谐波负荷的供电回路电缆或中频负荷回路使用的非同轴电缆,应计入集肤效应和邻近效应增大等附加发热的影响。

2)、交叉互联接地的单芯高压电缆.单元系统中三个区段不等长时,应计入金属层的附加损耗发热的影响。

3)、敷设于保护管中的电缆,应计人热阻影响;排管中不同孔位的电缆还应分别计入互热因素的影响。

4)、敷设于封闭、半封闭或透气式耐火槽盒中的电缆,应计入包含该型材质及其盒体厚度、尺寸等因素对热阻增大的影响.

5)、施加在电缆上的防火涂料、包带等覆盖层厚度大于1. 5mm时,应计入其热阻影响.

6)、沟内电缆埋砂且无经常性水分补充时,应按砂质情况选取大于2. 0K· m/W的热阻系数计入电缆热阻增大的影响。

2.1.2、电缆导体工作温度大于70℃的电缆,计算持续允许载流量时.应符合下列规定:

1)、数量较多的该类电缆敷设于未装机械通风的隧道、竖井时,应计入对环境温升的影响。

2)、电缆直埋數设在干燥或潮湿土壤中,除实施换土处理能避免水分迁移的情况外,土壤热阻系数取值不宜小于2. 0K· m/W。

2.1.3、电缆持续允许载流量的环境境温度,应按使用地区的气象温度多年平均值确定。

全国各地区八月份的平均地温如缺乏当地气象部门实测记录资料者,可按下表选择:

2.1.4、通过不同散热区段的电缆导体截面的选择,应符合下列规定:

1)、回路总长未超过电缆制造长度时,应符合下列规定:

(1)、重要回路,全长宜按其中散热较差区段条件选择同一截面。

(2)、非重要回路,可对大于10m区段散热条件按段选择截面,但每回路不宜多于3种规格。

(3)、水下电线敷设有机械强度要求需增大截面时,回路全长可选同一截面。

2)、回路总长超过电缆制造长度时,宜按区段选择电缆导体截面。

2.2、根据电缆短路时的热稳定性校验电缆截面

电缆的抗短路能力:热稳定能力应能承受最严酷的短路热效应。电缆截面应按缆芯持续工作的最高温度和短路时的最高温度不超过允许值的条件选择。

对非熔断器保护回路,应按满足短路热稳定条件确定电缆导体允许最小截面

2.2.1、按短路电流热稳定性效验:

选择电缆截面,另一个重要的方面是必须要考虑其抗短路的能力的,因为电缆线路如发生短路故障, 线芯中通过的电流可能达其额定值几十倍,电缆自身是无法立刻排出,其散热是忽略不计的 ,这必然导致电缆温度急剧上升 ,将直至破坏绝缘 ,甚至烧毁电缆。不过短路电流作用时间很短, 一般只有几秒或者更短, 一般规定在短路电流作用期间, 电缆线芯的温度不应超过其允许短路温度,所以,抗短路能力的本质仍是电缆能耐受多高温度的问题。电缆应能承受预期的故障电流或短路电流和短路保护的动作时间,对于非熔断器保护回路,应该校验电缆的相导体和保护导体的最小截面。如果电缆不满足热稳定校验的要求,则在短路时电缆的绝缘层可能被破坏, 同时可能影响到近旁的电缆和电气装置, 甚至引发电气火灭

各种规格的电缆,经试验验证,都有最高温度允许值,并换算成热稳定系数C,通过热稳定系数C与电缆截面S,就可确定电缆能承受的最大热效应,即按下式计算电缆热稳定截面:

式中:

S—电缆热稳定要求最小截面(mm2);

C-热稳定系数;

J—热功当量系数,取1.0;

q—电缆导体的单位体积的热容量(J/cm3·℃),对铝芯取2.48,对铜芯取3.4;

θm—短路作用时间内电缆导体允许最高温度(℃);

θp—短路发生前的电缆导体最高工作温度(℃);

θH—电缆额定负荷的电缆导体允许最高工作温度(℃);

θ0—电缆所处的环境最高值(℃);

IH—电缆的额定负荷电流(A);

IP—电缆实际最大工作电流(A);

I—三相短路(A);

t—短路持续时间(s);

α—20℃时电缆导体的电阻温度系数(1℃),对铝芯取0.00403、对铜芯取0.00393;

ρ—20℃时电缆导体的电阻系数(/cm),铜芯为0.0184×10-4,铝芯为0.031×10-4;

η—计入包含电缆导体充填物热容影响的校正系数,对于3—10kV电动机馈线回路,η宜取0.93,其他情况可取1.0;

K—电缆导体的交流电阻与直流电阻的比值。

2.2.2、选择短路计算条件应符合下列规定:                   

1)、计算用系统接线,应釆取正常运行方式,且宜按工程建成后(5~10)年规划发展考虑。

2)、短路点应选取在通过电缆回路最大短路电流可能发生处。

3)、宜按三相短路计算。

 4)、短路电流作用时间,应取保护切除时间与断路器开断时间之和。对电动机等直馈线,应采取主保护时间:其他情况,宜按后备保护计。

2.2.3热稳定系数C值表:

2.3、根据供电网络允许电压降校核电缆截面                                                        

电缆产生的电压降:不得影响负荷正常工作;线路允许电压损失的量, 应视线路首端的实际电压水平确定。对于线路末端各用电设备端电压偏差允许值,应满足GB/T12325-2008«电能质量供电电压允许偏差»的规定(点击查看系统标准电压及供电电压偏差的限值)。在相同工作电流、功率因数、与相同线路长度下,电压损失大小只与电缆的电抗、电阻参数有关,最终取决于电缆绝缘材料、芯线材料与截面。当电力网络中无调压设备,而且电缆截面较小、线路较长时,为了保证供电质量,应按允许电压降校核电缆截面积。其校核公式如下。

2.4、根据经济电流密度选择电缆截面

根据长期允许载流量选择电缆截面,只考虑了电缆的长期允许温度,若绝缘结构具有高的耐热等级,载流量就可以很高。由于功率损耗与电流的平方成正比,因此有时要从经济电流密度来选择电缆截面。

根据经济电流密度选择电缆截面时,首先应知道电缆线路中年最大负荷利用时间,从表中查得所选导电线芯材料的经济电流密度,然后再按下式计算导线截面。

经济电流密度参见下表:

根据计算所得的导线截面值,通常选择不小于这个值、并最靠近这个值的标准电缆截面。

三、总结

电缆导体最小截面的选择,应同时满足规划载流量和通过系统最大短路电流时热稳定的要求。

根据实际情况,选择电缆截面的大小时,应首先考虑长期允许载流量;其次进行热稳定的校核;最后考虑经济电流密度和网络允许电压降。理论上,无论根据哪种方法选择的电缆截面,都应该用其他方法去校核,亦即应根据各种方法分别求出最小截面积,然后从中选择最大值为最终选定值。

另外,敷设于水下的电缆,当需导体承受拉力且较合理时,可按抗拉要求选择截面。水下敷设用的交联聚乙烯电缆,还应选用在.导体股线之间的空隙有纵向阻水功能的填充料的交联电缆。

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