配电电缆截面选择的经济技术

　　摘要：文章对配电电缆设计选择载流量截面、投资费用与选择方案等方面均进行了有关经济技术的分析，提出了可行的补偿年限法，在经济方面取得了显著效果。
　　关键词：配电电缆选择　　投资与偿还　　节电
　　配电电缆选择时，通常是根据敷设条件确定电缆型号，而后根据常用数据选出适合其载流量要求并满足电压损失及热稳定要求的电缆截面。用这种方法选出的截面，技术上是可靠的，工程投资也最低。但是，这种选择结果是否合理呢？我们知道，配电线路存在着电阻，它所消耗浪费的电能是不可忽视的。为了节约电能，减少电路电能损耗，可以考虑适当加大线路截面，而加大截面势必造成工程初投资的提高。本文将利用补偿年限回收方法对这个问题加以讨论，通过定量分析计算即经济技术比较来寻求具有最佳经济效益的选择方案。
　　1.经济技术分析的方法
　　对工程经济效益的分析方法通常有：
　　（1）补偿年限法；
　　（2）年总费用法；
　　（3）财务报表法等。
　　偿还年限法是直接比较两个技术上可行的方案在投资和年运行费上的差值，并算出投资高的方案在多长时间内可以通过其年运行费的节省，将多支出的投资收回来，其目的是找出最佳方案。
　　如方案Ⅰ的投资F1低于方案Ⅱ的投资F2，而方案Ⅰ的年运行费Y1高于方案Ⅱ的年运行费Y2.这时应正确权衡投资和年运行费两个方面的因素，即应计算选择投资高的方案偿还年限N.
　　N＝（年）
　　如果年值较小：如只二、三年，则显然初投资高的方案经济。若N值较大，如十年左右，即偿还年太长，投资长期积压，初投资高的方案就不经济了。因此，偿还年限法的关键在于合理的确定标准偿还年限NH.我国的电力设计通常取5～6年。在方案比较时，把计算的偿还年限N与标准偿还年限NH作比较，若N＝NH，则认为两个方案均可；若N＜NH，则认为投资高的方案优于投资低的方案，若N＞NH，则相反。
　　2利用补偿年限法选择电缆截面
　　本节以380V动力配电电缆为例，取下列几种典型情况进行计算。
　　设回路负荷P1、P2、P3、P4其线路长度均为100m，计算电充（即线路长期通过的最大负荷电流）分别为7.5A、50A、100A、150A、210A，根据敷设要求，可选用VLV或VV型电力电缆直接埋地敷设。
　　第一步：查阅相关资料，按常规方法，即按发热条件选择电缆截面，并校验电压损失，其初选结果如表1所示。
　　在这里，为了简化计算，取负荷功率因数0.8，实际上一般情况下应好0.7，V用电设备组的cosΦ值都低于0.8.所以，实际的电压损失与计算值各有不同，但基本不影响对于截面的选择。
　　上面电缆截面是按发热条件选取的，所选截面均满足电压损失小于5％的要求。这种选择方案自然是技术上可靠，节省有色金属，初投资最低的。但是，因截面小而电阻较大，投入运行后，线路电阻年浪费电能较多，即年运行费用较高。那么，适当地增大截面是否可行，加大几级截面才是最为经济合理的呢？
　　第二步：多种方案比较。
　　首先，对P1回路适当增大截面的几种可行方案进行比较：
　　方案1：按发热条件选截面，即3×2.5mm2；
　　方案2：按方案1再增大一级截面，即3×4mm2.
　　分别计算两种方案的投资与年运行费。为简化计算，仅比较其投资与年运行费的不同部分。就投资而言，因截面加大对直埋或沟内敷设，除电缆本身造价外，其它附加费用基本相同，故省去不计。年运行费用中的维护管理实际上也与电缆粗细关系不大，这一项费用的差价所占比重较小，同样可以略去不计，于是：
　　方案1的初投资F1＝电缆单价×电缆长度＝3500元／km×0.1／km＝350元。
　　方案2的初投资F2＝电缆单价×电缆长度＝3800元／km×0.1／km＝380元。
　　方案1的年折旧费E1＝初投资F1×年折旧率＝350×0.030＝10.5，方案1年电能损耗费D1＝年电能消耗量×电度电价＝ΔAkwh×0.085.
　　式中：ΔA＝3I2ls×R0×L×τ×10－3kwh
　　R0——线路单位长度电阻（VLV－2.5mm2R0＝14.7／km）；
　　L——线路长度；
　　Ijs——线路计算电流；
　　τ——年最大负荷小时数，根据最大负荷，利用小时数T和功率因数查曲线得出，这里取T＝3000n及T＝2000n，则查出τ分别为：
　　T＝3000n　　τ＝2100n
　　T＝2000n　　τ＝1600n
　　于是：
　　（1）当T＝3000n、τ＝2100n时，方案1的年电能损耗费：
　　D1＇＝ΔA×0.085＝3×7.52×14.7×0.1×2100×0.085×10－3＝44元
　　（2）当T＝2000n、τ＝1600n时，方案1的年电能损耗费：
　　D1＇＝ΔA×0.085＝3×7.52×14.7×0.1×1600×0.085×10－3＝33.7元
　　方案1的年运行费Y1＝年折旧费＋年电能损耗费。
　　T＝3000n时Y1＇＝10.5＋44＝54.5元
　　T＝2000n时Y1＇＇＝10.5＋33.7＝44.2元
　　按与上面相同的方法可求得方案2的年运行费（计算略）：
　　T＝3000n时Y2＇＝11.4＋27.8＝39.2元
　　T＝2000n时Y1＇＇＝11.4＋21.2＝32.6元
　　显然，方案2投资高于方案1，但年运行费却低于方案1，其偿还年限N为：
　　当T＝3000n时N＇2－1＝＝＝2.0年
　　当T＝2000n时N＇＇2－2＝＝2.5年
　　可见，偿还年限小于5年，说明方案2优于方案1，其方案2的多投资额仅在2～3年内，即可通过节省年运行费而收回。也就是说，人为增加一级截面是经济合理的。那么，若是人为增加两级三级，其经济效果如何？则需类似计算比较。
　　现在根据表2的结果，将方案3与方案2比较，方案3投资高于方案2，但年运行费用少，其偿还年限为：
　　当T＝3000n时N＇3－2＝＝3.3年
　　当T＝2000n时N＇＇3－2＝＝4.6年
　　综上所述，投资高的方案3优于方案2.为了找出最佳方案，我们可以将方案4与方案3比较，其偿还年限为：
　　当T＝3000n时N＇4－3＝＝20年
　　当T＝2000n时N＇＇4－3＝＝29年
　　显然，因偿还年限远超过标准偿还年限5年，故投资高的方案是不合理的，即投资方案3优于方案4.
　　通过以上分析计算，最终确定方案3（即按发热条件选出截面之后，再人为加大两级）是所选截面的最佳方案。对其它P2～P5线路经过上述计算方法均得出同样结论，即方案3为最佳方案。
　　因此，我们认为在选择截面时，按发热条件选出后，再人为加大两级，从经济角度看有明显的效益。即使侧重考虑节省有色金属的观点，人为加大一级也是完全可行的。从技术方面看，增大电缆截面，线路压降减小，从而提高了供电质量，而且截面的增大也为企业或系统的增容改造创造了有利条件。
　　但是，当负荷电流较小（Ijs≤5A）时，计算结果表明：没有必要再加大截面，因为负荷电流较小，所产生的线路损耗也较小，增加截面而多投资部分，需要在5年以上才能收回，故此时按发热条件选择即可。
　　以上是按VLV铝芯电缆为例作出的结论，如换为VV铜芯电缆其结果：以P3回路为例，计算略。
　　从表3中可以看出方案2为最佳方案，即按发热条件所选截面之后再加大一级。虽然这仅是在一种情况下得出的结果，但具有一定的普遍意义，因为，各级电缆截面的级差与相应的投资额之差均符合趋势。
　　3.结论
　　从以上分析可见，按偿还年限法选择电缆截面，不仅具有突出的节电效果和最佳的经济效益，而且还具有一定规律。
　　3.1按投资年限法选择电缆截面
　　首先，按发热条件选出允许截面，然后再加大两级，当负荷计算电流小于5A时就不必加大截面。当然，仍要计算电压损失，在损失超过允许的5％时，可增大一级。一般情况下，由于按偿还年限法选出截面均能满足电压损失的要求，同时也满足短路热稳定的要求，这种方法对裸导线架空敷设也同样有效。
　　3.2线路长短与偿还年限无关
　　前边计算线路均设为100m，因为实际上，线路长度对经济比较结果没有影响。让我们看看偿还年限的具体公式。
　　N＝（年）
　　其中：
　　F2～F1——分别为两方案的投资；
　　Y1～Y2——分别为两方案年运行费用。
　　将上公式展开：
　　N＝－
　　其中：
　　L——线路长度（km）；
　　R10、R20——两种电缆单位长度电阻（Ω／km）；
　　β——电缆年折旧费率（取3％）；
　　d——度电价（元／kwh）。
　　公式的分母、分子都有线路长度L，显然可以消掉，因此，偿还年限的计算结果与电缆长度无关。这一点很有意义，无论电路长短，都可以用该方法选择电缆导线截面。
　　3.3最大负荷利用小时数T与选择截面经济效益的关系
　　重新分析其偿还年限的表达式并整理得：
　　N＝
　　可见，在其它因素相同的条件下，偿还年限与最大负荷损耗小时数τ成反比。而τ取决于最大负荷利用小时数T和负荷功率因数，τ值随T的增大而增大，随功率因数提高而减小。
　　在计算时分别选T为3000n和2000n，这是企业一班制估算的，如两班和三班制其T值大于3000n即负荷利用小时数较大，适当增大导线截面更具明显的经济效益和节电效果。
　　参考文献
　　1.工厂常用电气设备手册
　　2.工厂供电设计，李宗纲等著
　　3.工厂配电设计手册，水电部出版社