低壓動(dòng)力電纜截面的選型與經(jīng)濟(jì)性分析

楊后貴，李祥永

（上?？岛悱h(huán)境股份有限公司，上海 201703）

0 引言

常規(guī)低壓動(dòng)力電纜截面選型是從技術(shù)角度進(jìn)行選型，所選擇的電纜截面需滿足電纜溫升、電纜壓降、機(jī)械強(qiáng)度及熱穩(wěn)定性等要求。這種選型方式能滿足電纜設(shè)計(jì)工況下的正常運(yùn)行，但僅考慮建設(shè)期的電纜投資成本（CI），沒(méi)有考慮電纜經(jīng)濟(jì)壽命期內(nèi)線路損耗費(fèi)用（CJ）。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）按經(jīng)濟(jì)電流選擇電纜截面的原理，制定《電力電纜的線芯截面最佳化》標(biāo)準(zhǔn)，即IEC 287-3-2/1995，這個(gè)方法適用于低壓電纜截面的選擇。

在過(guò)去的工程建設(shè)過(guò)程中，企業(yè)注重初期投資的成本控制而忽略對(duì)長(zhǎng)期運(yùn)行成本的控制。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來(lái)越多的工程建設(shè)注重整體和長(zhǎng)遠(yuǎn)的合理性，也就是既重視成本投資，也重視運(yùn)行成本的節(jié)約，但仍然有部分建設(shè)單位不夠重視。如果能全面推行經(jīng)濟(jì)電纜截面的選型方法，這將減少35%～42%的線路損耗，經(jīng)濟(jì)意義十分重大。

本文結(jié)合實(shí)際工程案例，從技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性兩方面闡述電纜截面選型的具體方法，并比較相關(guān)參數(shù)的變化對(duì)電纜運(yùn)行期的經(jīng)濟(jì)性影響。

1 電纜截面選型實(shí)例

在電纜選型過(guò)程中，單臺(tái)真空泵配套電機(jī)的基本參數(shù)如下：功率為37 kW；電壓等級(jí)為380 VAC；效率η=93%；額定電流Ie=70 A；電纜敷設(shè)長(zhǎng)度為160 m；敷設(shè)方式為電纜穿管直埋，最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)Tmax=8 000 h；汽機(jī)及公用PC段母線處三相短路電流Ik=36.3 kA。以下從技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性兩個(gè)角度對(duì)該泵的動(dòng)力電纜截面的選型方法進(jìn)行介紹分析。

1.1 技術(shù)角度選型

1.1.1 按載流量條件選擇電纜截面

真空泵的動(dòng)力電纜按要求為交聯(lián)聚乙烯絕緣、聚氯乙烯護(hù)套四芯0.6/1.0 kAV動(dòng)力電纜，上級(jí)斷路器脫扣器整定電流為100 A，按環(huán)境溫度25℃考慮。《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.2.2條中規(guī)定，按敷設(shè)方式及環(huán)境條件確定的導(dǎo)體載流量，不應(yīng)小于計(jì)算電流[1]，查《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》[2]可得電纜截面為(3 50+1 25)mm2，該根電纜載流量為130 A。考慮多回路（2回）電纜敷設(shè)埋地敷設(shè)條件，查《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄C[3]可得校正系數(shù)為0.9，即載流量為117 A，因此該電纜滿足選型要求。

1.1.2 根據(jù)熱穩(wěn)定校驗(yàn)電纜截面

（1）按線路允許的電壓降進(jìn)行校驗(yàn)。假設(shè)真空泵cosΨ=0.8，查表可得電壓損失為0.18%A·m，則電壓ΔU%=0.16 0.18 420=12%，電壓降滿足電機(jī)允許啟動(dòng)電壓偏差+15%，所選截面滿足真空泵起動(dòng)和運(yùn)行要求。

（2）按熱穩(wěn)定性進(jìn)行校驗(yàn)。交聯(lián)聚乙烯絕緣、聚氯乙烯護(hù)套四芯0.6/1.0 kAV動(dòng)力電纜絕緣材料的k值為137，斷路器瞬時(shí)脫扣器分?jǐn)鄷r(shí)間t=0.02 s，則按熱穩(wěn)定性校驗(yàn)公式：纜的熱穩(wěn)定性校驗(yàn)。

因此，從技術(shù)角度選型應(yīng)選擇3 50 1 25 mm2截面的電纜。

1.2 經(jīng)濟(jì)性角度選型

根據(jù)中電價(jià)0.51～0.6元/(kW·h)、最大符合利用小時(shí)數(shù)Tmax=8 000 h及計(jì)算電流70 A三個(gè)參數(shù)，查詢《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》中0.6/1 kV銅芯低壓電纜的經(jīng)濟(jì)電流密度曲線，可得經(jīng)濟(jì)電流截面為3 95 1 50 mm2。因?yàn)榻?jīng)濟(jì)電流截面大于技術(shù)選型截面，因此校驗(yàn)結(jié)果也滿足要求。

2 經(jīng)濟(jì)效益分析

IEC287-3-2/1995《電力電纜截面的經(jīng)濟(jì)最佳化》提出總擁有費(fèi)用最小法則（TOC）[2]，規(guī)定電纜的總成本CT包含兩部分：一是電纜初始投資CI（包含電纜的材料費(fèi)和安裝費(fèi)）；二是電纜在壽命期內(nèi)的運(yùn)行成本CJ。其中涉及公式包括：

式中：r、F、φ均為輔助參數(shù)。

由式（1）～（5）可知，電纜總成本CT與電纜初始投資CI、流過(guò)電纜的最大負(fù)荷電流Imax、每回電纜相導(dǎo)體的數(shù)Np、電纜回路數(shù)Nc、最大負(fù)荷損耗小時(shí)數(shù)τ（h）、電價(jià)P(元/(kW·h))、線路損耗引起的額外供電容量成本D(元/(kW·a))、銀行貼現(xiàn)率i（%）、負(fù)荷增長(zhǎng)率a（%）、能源成本增長(zhǎng)率b（%）、單位長(zhǎng)度交流電阻R（Ω/km）、線路長(zhǎng)度L（m）、經(jīng)濟(jì)壽命N（年）等參數(shù)有關(guān)。根據(jù)查詢本項(xiàng)目資料，可得到最大負(fù)荷電流Imax=70 A；每回電纜相導(dǎo)體的數(shù)Np=3；電纜回路數(shù)Nc=1；電價(jià)P=0.590 6元/(kW·h)；線纜長(zhǎng)度L=0.16 km；單位長(zhǎng)度交流電阻R=0.435（50 mm2）或0.229（95 mm2）；銀行貼現(xiàn)率i=5.42%；最大負(fù)荷損耗小時(shí)數(shù)τ=8 000 h；負(fù)荷增長(zhǎng)率a不計(jì)；能源成本增長(zhǎng)率b按2%考慮；線路損耗引起的額外供電容量成本D（元/(kW·a)）按336元/(kW·a)計(jì)算。

根據(jù)山東省工程建設(shè)造價(jià)服務(wù)信息網(wǎng)查詢，2017年，50 mm2電纜的材料費(fèi)及安裝費(fèi)分別為104.52元/m和14.7元/m；95 mm2電纜的材料費(fèi)及安裝費(fèi)分別為201.24元/m和27.2元/m。由于本項(xiàng)目建設(shè)周期為2年，運(yùn)行周期28年，小于電纜壽命周期30年，可以不用考慮更換電纜的可能。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可得本項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效益分析，如表1所示。

表1 2017年電纜初始投資所對(duì)應(yīng)的電纜運(yùn)行效益分析表

根據(jù)本項(xiàng)目實(shí)際參數(shù)對(duì)比技術(shù)角度選型和經(jīng)濟(jì)角度選型可以看出，經(jīng)濟(jì)性選型的初始投資CI大于技術(shù)角度選型的初始投資CI，但是考慮運(yùn)行周期內(nèi)的損耗，由表（1）可得經(jīng)濟(jì)性選型的電纜截面總投資CT大于技術(shù)性選型的電纜截面總投資CT，兩者之間的節(jié)約絕對(duì)數(shù)可達(dá)22 877元。因此，在進(jìn)行電纜截面選型時(shí)需考慮項(xiàng)目類型，如果本項(xiàng)目為EPC模式[5]，則僅從技術(shù)角度選型更優(yōu)；如果本項(xiàng)目為PPP或BOT模式[6]且運(yùn)行期大于20年時(shí)，則電纜選型從經(jīng)濟(jì)性角度進(jìn)行更優(yōu)。

3 參數(shù)變化對(duì)電纜經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效益的影響

3.1 貼現(xiàn)率i

貼現(xiàn)率是指將未來(lái)支付改變?yōu)楝F(xiàn)值所使用的利率，應(yīng)該在充分了解項(xiàng)目實(shí)際情況的基礎(chǔ)上選擇合理貼現(xiàn)率。本項(xiàng)目保持初始投資CI、電價(jià)P、最大負(fù)荷損耗小時(shí)數(shù)τ等參數(shù)不變，考察貼現(xiàn)率分別為10%、8%、6%、4%時(shí)，從技術(shù)性及經(jīng)濟(jì)性角度所得的電纜截面的運(yùn)行效益分析，如表2所示。

表2 不同貼現(xiàn)率i所對(duì)應(yīng)的電纜運(yùn)行效益分析表

由表（2）可知，當(dāng)貼現(xiàn)率越低、節(jié)約百分?jǐn)?shù)越大，回收年限越短。由此可知，貼現(xiàn)率越低，則按經(jīng)濟(jì)性選擇電纜截面經(jīng)濟(jì)效益越好。工程的實(shí)施應(yīng)合理選擇貼現(xiàn)率，不能選擇較高的貼現(xiàn)率致使損耗費(fèi)用CJ被低估，或選擇較低的貼現(xiàn)率致使損耗費(fèi)用CJ被高估，這都不利于經(jīng)濟(jì)選型分析。

3.2 使用年限

低壓電纜的壽命一般約為30年[7]，正常大多數(shù)BOT或PPP模式[6]項(xiàng)目建設(shè)運(yùn)行周期為30年，但工程中各廠家的電纜使用年限都不一樣。表（3）所示為根據(jù)初始投資CI、電價(jià)P、最大負(fù)荷損耗小時(shí)數(shù)τ、貼現(xiàn)率i=5.42%等參數(shù)不變的情況下，分析不同的使用年限N所對(duì)應(yīng)的電纜運(yùn)行效益。

表3 不同使用年限N所對(duì)應(yīng)的電纜運(yùn)行效益分析表

由表（3）可知，在電纜經(jīng)濟(jì)壽命周期內(nèi)，隨著使用年限變長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)性選型的電纜截面所對(duì)應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益越明顯，收益可觀；然而，如果工程項(xiàng)目為EPC模式[5]，后期運(yùn)行產(chǎn)生的損耗費(fèi)用不屬于總承包方，建議設(shè)計(jì)師在電纜選型時(shí)按技術(shù)角度進(jìn)行電纜截面選型，避免按經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行選型，多投入的資金無(wú)法收回。

3.3 年最大利用小時(shí)數(shù)τ

不同行業(yè)的年最大負(fù)荷損耗小時(shí)數(shù)τ不同，對(duì)經(jīng)濟(jì)截面影響較大。表（4）所示為根據(jù)初始投資CI、電價(jià)P、使用年限N、貼現(xiàn)率i=5.42%等參數(shù)不變的情況下，分析不同年最大利用小時(shí)數(shù)τ所對(duì)應(yīng)的電纜運(yùn)行效益。

表4 不同年最大利用小時(shí)數(shù)τ所對(duì)應(yīng)的電纜運(yùn)行效益分析表

由表（4）可知，隨著年最大利用小時(shí)數(shù)τ越小，回收年限時(shí)間就越長(zhǎng)；年最大利用小時(shí)數(shù)對(duì)應(yīng)不同經(jīng)濟(jì)截面，因此在工程項(xiàng)目實(shí)施時(shí)合理確定年最大利用小時(shí)數(shù)τ，以便得到最佳的電纜截面。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析，可以得出以下結(jié)論。

（1）選擇電纜截面時(shí)，滿足技術(shù)條件是首要條件。

（2）根據(jù)項(xiàng)目類型選擇電纜選型方式。如該項(xiàng)目是EPC[5]或EP模式，按技術(shù)性選型最優(yōu)；如該項(xiàng)目為BOT或PPP模式[6]且運(yùn)行年限大于20年，建議按經(jīng)濟(jì)條件選擇電纜截面。

（3）從電纜運(yùn)行效益分析表中可以看出：電纜經(jīng)濟(jì)截面初期投資CI較大，但運(yùn)行周期內(nèi)總費(fèi)用CT較低；貼現(xiàn)率越低，回收年限就越短；年最大利用小時(shí)數(shù)τ越大，年損耗費(fèi)用就越高。

（4）工程項(xiàng)目在施工過(guò)程中，要求設(shè)計(jì)人員充分了解項(xiàng)目的特點(diǎn)以及合理選擇總擁有費(fèi)用最小法則（TOC）[8]中所涉及的參數(shù)，這樣才可以選擇最佳的電纜經(jīng)濟(jì)截面，創(chuàng)造最大的經(jīng)濟(jì)效益。