鐵礦低壓電纜選型設(shè)計(jì)

許火浩

(五礦礦業(yè)(安徽)工程設(shè)計(jì)有限公司，安徽 合肥 230601)

0 引言

電纜是電氣設(shè)備的電力傳輸?shù)妮d體，合理的選型是電氣設(shè)備安全、可靠運(yùn)行的前提和保障。電力電纜根據(jù)用途、使用環(huán)境不同，產(chǎn)品型號與規(guī)格有數(shù)千種，由于各種電力電纜采用不同的結(jié)構(gòu)形式和材料制成，其工作電壓和使用條件也就不同。下面從電纜型號與截面兩方面論述電纜選型的方法，并在實(shí)際選型設(shè)計(jì)中計(jì)算說明。

1 電纜型號的選擇

——導(dǎo)體材料的選擇：導(dǎo)電材料通常有電工銅、鋁(含電工鋁合金)等，銅在導(dǎo)電性、機(jī)械性、延展性等多方面優(yōu)于鋁。鋁因易氧化、接頭端子工藝復(fù)雜，容易留下隱患，而礦山重要電源回路應(yīng)使用銅芯電纜。為保障礦山供電安全可靠，礦山低壓電纜應(yīng)選擇銅芯電纜。

——電纜芯數(shù)的選擇：多芯電纜的纜芯包括相線、中性線、保護(hù)接地線，我們可依據(jù)設(shè)備用電情況和接地系統(tǒng)來選擇電纜芯數(shù)，如接三相電機(jī)的電纜由于負(fù)載三相平衡，N線可省略。礦山常用的接地系統(tǒng)如TN-C-S系統(tǒng)在電源側(cè)N線與PE線共用，而在負(fù)荷側(cè)N與PE線分開， IT系統(tǒng)不宜引出中性線(N)。我們應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要選擇電纜芯數(shù)，而多芯電纜在一些情況下(如為減小彎曲半徑等)宜用多根單芯電纜代替。

——電纜絕緣水平選擇：電力電纜的額定電壓U0/U，U0指的是纜芯對地的額定電壓，應(yīng)滿足所在電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式及其運(yùn)行要求水平,U指的是纜芯之間的額定電壓，應(yīng)等于或大于系統(tǒng)的標(biāo)稱電壓。礦山常用低電壓等級有1kV、0.66kV、0.38/0.22kV等,推薦選擇0.6/1kV絕緣水平。

——絕緣材料、護(hù)套和鎧裝及外護(hù)層的選擇：電纜根據(jù)絕緣材料大體可分為塑料絕緣電纜，橡皮絕緣電纜等。其中塑料絕緣電纜常見的有交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜、聚氯乙烯絕緣電纜，前者更耐高溫，而且不含鹵素，更環(huán)保。井上一般固定用電回路選擇YJV或VV電纜，推薦使用前者。有消防要求的根據(jù)規(guī)范使用阻燃或耐火電纜，井下電纜根據(jù)國家安全監(jiān)管總局新要求必須為阻燃電纜。橡皮絕緣電纜不僅適用于固定敷設(shè)回路，也可用于定期移動的固定敷設(shè)回路，其中橡皮絕緣橡皮護(hù)套軟電纜還可用于移動設(shè)備供電回路。鎧裝常見的有鋼帶、細(xì)鋼絲和粗鋼絲，外護(hù)套常見有橡套、聚乙烯護(hù)套、聚氯乙烯護(hù)套，其選擇取決于敷設(shè)方式及所處的敷設(shè)環(huán)境。

2 電纜截面的選擇

2.1 電纜相線截面的選擇

電纜相線截面選擇是電纜選擇的核心也是難點(diǎn)，選擇方法一般按照以下六個(gè)步驟進(jìn)行[3]：

(1)按長期允許載流量選擇電纜截面：電纜的長期允許載流量取決于電纜的材質(zhì)、敷設(shè)方式及土壤熱阻系數(shù)、環(huán)境溫度等因素。為了保證電纜的使用壽命，運(yùn)行中的電纜導(dǎo)體溫度不應(yīng)超過其規(guī)定的長期允許工作溫度。因此，必須滿足:

Imax≤KI0。

式中 Imax——通過電纜的最大持續(xù)電流，A；I0——在基準(zhǔn)情況下電纜的載流量，A；K——電纜長期允許載流量的總校正系數(shù)。

電纜敷設(shè)方式不同，會導(dǎo)致電纜熱量散發(fā)程度不同，使電纜長期運(yùn)行載流量異于正常時(shí)候載流量。須根據(jù)實(shí)際敷設(shè)方式乘以校正系數(shù)K1加以校正。

當(dāng)電纜并列運(yùn)行時(shí)，尤其當(dāng)電纜間距小時(shí)，由于熱量不易散發(fā)，導(dǎo)致電纜長期運(yùn)行載流量小于正常時(shí)候載流量，須乘以校正系數(shù)K2加以校正。

電纜敷設(shè)處環(huán)境溫度不同時(shí)，會導(dǎo)致電纜長期允許載流量的改變，電纜載流量須乘以校正系數(shù)K3加以校正。

土壤熱阻系數(shù)、電纜溝內(nèi)通風(fēng)等對載流量的影響，須乘以校正系數(shù)K4加以校正。

各校正系數(shù)計(jì)算可參考配電手冊，總校正系數(shù)K=K1×K2×K3×K4。

(2)按經(jīng)濟(jì)電流選擇電纜截面：選擇電纜時(shí)應(yīng)考慮電纜的初始投資CI，同時(shí)也應(yīng)考慮電纜在壽命期的運(yùn)行成本CJ。而電纜的總成本CT=CI+CJ。截面越大，CI增加，但CJ減小。所以存在一個(gè)最優(yōu)的電纜截面使得CT最小，查相關(guān)電纜的經(jīng)濟(jì)電流范圍可得出最優(yōu)截面，也可以借助經(jīng)濟(jì)電流密度曲線求取經(jīng)濟(jì)截面。

Sec=Imax/j

式中 Sec——最佳經(jīng)濟(jì)截面，mm2；Imax——流過電纜的最大負(fù)荷電流，A；j——電纜經(jīng)濟(jì)電流密度，A/mm2。

(3)校驗(yàn)其短路時(shí)的熱穩(wěn)定性：一般線路采用斷路器保護(hù)，脫扣器的全分?jǐn)鄷r(shí)間極短,雖然短路電流很大，一般都能符合要求，可不校驗(yàn)。

(4)按照線路允許壓降校驗(yàn)電纜截面：三相平衡負(fù)荷線路電壓損失應(yīng)不大于線路允許壓降

式中 Δu%——線路電壓損失百分比，%；Un——標(biāo)稱線電壓，kV；R0'、X0'——三相線路單位長度的電阻和電抗，Ω/km；cosφ——功率因素；I——負(fù)荷計(jì)算電流，A；L——線路長度，km。

其他線路計(jì)算方法可參考配電手冊。

(5)機(jī)械強(qiáng)度校驗(yàn)：對于符合敷設(shè)要求的電纜回路，一般都能滿足機(jī)械強(qiáng)度要求。如不能達(dá)到敷設(shè)要求，應(yīng)依據(jù)相關(guān)規(guī)范增大截面。

(6)低壓電纜應(yīng)符合過負(fù)荷保護(hù)的要求：采用斷路器過負(fù)荷保護(hù)只要滿足IC≤Iset1≤IZ，如果使用熱繼電器或軟起器等過負(fù)荷保護(hù)，其整定值也應(yīng)滿足大于等于IC小于等于IZ要求。如果斷路器只是作為短路保護(hù)用(上游或下游有過負(fù)荷保護(hù))，可不校驗(yàn)。

式中 IC——回路計(jì)算電流，A；Iset1——長延時(shí)過電流脫扣器整定電流，A；IZ——導(dǎo)體允許持續(xù)載流量，A。

綜合以上六個(gè)條件，將其中最大的截面作為最終結(jié)果。

2.2 中性線及保護(hù)接地中性線的截面選擇

單相兩線制電路中，中性線應(yīng)與相線截面相同。三相四線制配電系統(tǒng)中，中性線的允許載流量不應(yīng)小于線路中最大的不平衡負(fù)荷電流及諧波負(fù)荷的總和。PEN導(dǎo)體截面應(yīng)符合N導(dǎo)體的選擇要求外，還應(yīng)滿足PE導(dǎo)體的選擇要求，具體計(jì)算可參考配電手冊。

3 電纜選型設(shè)計(jì)

某鐵礦車間一皮帶機(jī)回路電纜選型：已知該回路電機(jī)額定電壓Un=380V，額定功率P=45kW，功率因素cosφ=0.86，電機(jī)效率η=94.2%。線路長度L=60m，敷設(shè)方式為沿?zé)o孔橋架(8根多芯電纜)再穿管。

——選擇電纜型號：礦山動力電纜回路一般選用YJV或VV電纜(推薦前者)，電機(jī)額定電壓380V，電機(jī)三相負(fù)載平衡，電纜的敷設(shè)環(huán)境也不需要鎧裝，所以此次可選YJV-0.6/1kV四芯電纜。

——選擇電纜截面。

表1 載流量I0

表2 多回路敷設(shè)校正系數(shù)K2

對于無孔橋架段，總校正系數(shù)為K=K2=0.71,當(dāng)截面為35 mm2時(shí)，KI0=100A≥Imax，剛好滿足要求。對于穿管段，截面35mm2時(shí)，載流量為122A，符合要求。所以35mm2是按長期允許載流量選擇的最小截面積。

(2)按經(jīng)濟(jì)條件選擇電纜截面：當(dāng)?shù)仉妰r(jià)P取0.5元/kWh，Tmax取4 000h,查經(jīng)濟(jì)電流密度曲線得j=1.41A/mm2,代入式(1)中可得Sec=59.8mm2,取相近截面即經(jīng)濟(jì)截面為50mm2。

實(shí)際上我們可以按允許載流量所選的截面放大1～2級，基本上能接近按經(jīng)濟(jì)條件所選擇的結(jié)果。但是對于一些長期不使用的回路，不宜用經(jīng)濟(jì)條件選擇截面。

(3)熱穩(wěn)定校驗(yàn)：回路有斷路器做短路保護(hù)，符合要求。

(4)電壓降校驗(yàn)：截面為50mm2時(shí)查手冊得R0'=0.435Ω/km、X0'=0.080Ω/km，代入式(2)得Δu%=0.9%≤5%，符合壓降要求。

(5)機(jī)械強(qiáng)度校驗(yàn)：電纜敷設(shè)方式為橋架和穿管，滿足敷設(shè)要求，不需要強(qiáng)度校驗(yàn)。

(6)過負(fù)荷保護(hù)校驗(yàn)：回路過負(fù)荷采用熱繼電器(整定電流范圍85～125A)，符合要求。

(7)保護(hù)接地線選擇：相導(dǎo)體S=50mm2，PE線截面查手冊后取S/2即25mm2。

綜上所訴，此回路電纜選擇YJV-0.6/1kV 1(3×50+1×25)。

4 結(jié)語

經(jīng)礦方反饋，該回路電纜運(yùn)行兩年無問題，實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證該選型結(jié)果合格，所以其他的回路電纜可按上述步驟選擇。電纜選擇要考慮多方面的因素，如使用環(huán)境、敷設(shè)方式等，電纜的截面根據(jù)上述方法取其最大截面為最優(yōu)選擇，并使用多種方法校驗(yàn)，能節(jié)約投資，提高供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行。