上海智濤科技有限公司 樓劍生

本文主要依托上海某10kV 電纜線路新建工程，通過工程實例計算分析，對電網工程10kV 電力電纜選型進行了研究。主要針對10kV 電力電纜的導體材質、絕緣水平、截面選擇、排管敷設牽引力計算進行了介紹，重點根據(jù)載流量、熱穩(wěn)定、允許電壓損失、敷設牽引力、側壓力因素對電纜截面、電纜段長的選取做了重點分析。

電力電纜選型是電網工程設計工作中十分重要的一個環(huán)節(jié)，電纜輸電線路敷設在地下空間，受氣候條件等外部環(huán)境影響小，具有傳送性能穩(wěn)定、可靠性高、運行維護工作量少等優(yōu)點。本文從10kV電力電纜的導體材質、絕緣水平、截面選擇、電纜排管敷設牽引力計算進行了介紹，重點根據(jù)載流量、熱穩(wěn)定、允許電壓損失、敷設牽引力、側壓力因素對電纜截面、電纜段長的選取進行了重點分析，同時結合工程實例完成了相關的計算選型。該工程電纜線路長1.5公里，輸送容量8MVA，排管敷設，環(huán)境最高溫度為40℃。

電力電纜導體材質和芯數(shù)選擇：電網工程10kV電纜導體一般采用銅導體，電網工程10kV 電纜一般采用三芯電纜[1]，本工程實例選用三芯銅電纜；電力電纜絕緣層、屏蔽層、保護層、絕緣水平的選擇：電網工程10kV 電纜絕緣材質一般選用交聯(lián)聚乙烯，金屬屏蔽層一般選用軟銅線或銅帶，保護層外護套一般選用聚氯乙烯或聚乙烯，本工程實例選用YJV-8.7/10型三芯電力電纜。

1 導體截面的選擇

文章選取工程實例電纜線路長1.5公里，輸送容量8MVA，排管敷設，環(huán)境最高溫度為4℃。

1.1 按載流量選取導體截面

按按載流量選擇電纜截面的為公式（1）：KIxu≥Ig，式中：Ig為輸電線路最大工作電流；Ixu為標準條件（指標準敷設方式、環(huán)境溫度）下的電纜載流量；K 為其他環(huán)境溫度下的載流量校正系數(shù)。

公式（2）中：選取工程實例，S 取8000kVA，UN取10kV，則計算得出回路最大工作電流為462A；公式（3）中：工程為地下排管敷設，同時根據(jù)《城市電力電纜線路設計技術規(guī)定DL/T5221-2016》規(guī)定，該工程載流量校正系數(shù)僅取排管敷設條件下環(huán)境溫度影響的載流量校正系數(shù)。θm為回線芯最高工作溫度取90℃，θ2為實際環(huán)境溫度取25.9℃，θ1取排管敷設環(huán)境溫度取25℃，則計算得載流量校正系數(shù)為0.993。根據(jù)公式（1）、公式（2）、公式（3）計算可得Ixu≥465A。

查電纜載流量表，10kV 三芯交聯(lián)聚乙烯電纜持續(xù)允許載流量如表1所示。根據(jù)計算，按載流量選取導體截面積S 為400mm2。

表1 10kV 三芯（銅芯）交聯(lián)聚乙烯電纜持續(xù)允許載流量（A）

1.2 按熱穩(wěn)定選擇導體截面

按電纜長期允許載流量選取導體截面后，通過熱穩(wěn)定校驗復核導體截面選擇。當線路發(fā)生短路故障，電纜所受電動力迅速上升，電纜線芯溫度迅速上升，同時短路故障使線路微機保護裝置動作，切斷故障線路。在實際10kV 電纜工程中，短路對電纜的影響主要有溫度，由于短路的時間很短，可以認為短路電流產生的熱量全部作用于電纜導體線芯。

電力電纜熱穩(wěn)定校驗允許最小導體截面計算公式見公式（4）[1]。

公式（4）中：Smin為要求電纜線芯導體最小截面；Q 為電纜輸電線路熱效應；C 為熱穩(wěn)定系數(shù)；公式（5）中：I 為熱穩(wěn)定校驗短路電流（短路全電流的最大有效值），工程實例中短路電流取遠景年，根據(jù)《上海電網若干技術原則的規(guī)定》，上海電網10kV的三相短路按20kA 考慮；t 為短路持續(xù)時間，工程實例中線路保護采用縱差微機保護，縱差保護為瞬時保護，則短路持續(xù)時間由微機保護動作時間和斷路器動作時間組成，工程實例中微機保護動作時間取40ms，斷路器動作時間取0.2s，最終t 的取值為0.24s。

公式（6）、（7）中：結合工程實例，電纜線芯材質為銅導體，絕緣材料為交聯(lián)聚乙烯，在進行電纜熱穩(wěn)定校核時，取θp=θh=90℃、θm=250℃；α為電纜銅導體電阻的溫度系數(shù)取0.00393/℃,ρ 為電纜銅導體的電阻系數(shù)、取0.01724×10-4Ω·cm3/cm，q 為電纜銅導體單位體積熱容量、取3.4J/（cm3·℃）[3],k 為電纜銅導體的交流電阻與直流電阻之比、取1.0824；η 為電纜芯線充填物熱容影響的校正系數(shù)、取1；J 為熱功當量系數(shù)、取1；計算出熱穩(wěn)定系數(shù)C=136.33。

1.3 按允許電壓降選擇導體截面

三相交流電壓損失的百分數(shù)計算公式詳見公式（8）[4]：

公式（8）中：ΔU%為電壓允許損失百分比，Ig為輸電線路最大工作電流462A，L 為輸電線路電纜長度1.5km，r 為電纜每公里電阻0.054Ω/km，x 為電纜每公里電抗0.086Ω/km，cosφ 為功率因素取0.9。工程實例中電力電纜損失的百分數(shù)為：ΔU%≈1.03%，滿足10kV 供電偏差的要求（上海電網10kV 線路允許電壓損失1.5~3%），則選擇400mm2電纜導體截面是滿足電壓允許損失要求的。

2 電纜敷設

2.1 電纜敷設方式

電網工程電力電纜輸電線路常用敷設方式有排管敷設方式、電纜隧道敷設方式、電纜溝敷設方式、電纜保護管敷設方式和電纜直埋敷設方式。工程實例采用排管敷設方式。

2.2 電纜敷設牽引力、滾輪側壓力計算

電力電纜排管敷設工程中，受力分析最主要考慮敷設牽引力和側壓力。敷設牽引力主要作用在電纜的金屬導體上，部分作用在金屬套或鎧裝層上；側壓力主要產生在電纜彎曲部位，指作用在電纜上與其本體呈垂直方向的壓力；當敷設牽引力超過電纜的最大允許拉力時，敷設容易損壞電纜，當側壓力大于允許側壓力值時，電纜容易在轉彎處受壓變形，電纜外護層容易損壞。

工程實例中，電力電纜全線沿道路排管敷設，水平敷設，轉彎處設置轉角工井；電纜路徑較長，為減少總的牽引力、側壓力，同時適當考慮電纜運輸，根據(jù)現(xiàn)場實際道路情況適當布置電纜中間接頭直線工井。以下的計算根據(jù)工程實例擬定的敷設路徑情況，計算相關的牽引力、側壓力。電纜敷設路徑簡圖如圖1所示。

圖1 電纜敷設路徑簡圖

2.2.1 牽引力計算公式

水平直線牽引計算公式、水平彎曲牽引力計算公式如下[2]：

公式（9）中：T 為敷設牽引力（kN），W 為電纜單位重量取170.667（N/m），μ1為摩擦系數(shù)（排管敷設）取0.3，L 為電纜段長（km）；公式（10）中：T1為彎曲前的牽引力（kN），T2為彎曲后的牽引力（kN），μ2為摩擦系數(shù)（滾輪敷設）、取0.2，θ 為彎曲部分的圓心角、取π/2。

表2 電纜段長敷設表

2.2.2 滾輪敷設側壓力計算公式[2]

公式（11）中：P 為每只滾輪側壓力（N），T為彎曲后的牽引力（N），a 為滾輪之間的夾角，電纜水平彎曲牽引敷設過程中，設置適當數(shù)量的立式托輥，為降低對電纜的側壓力，立式托輥間距適當小些，工程實例中轉角為90°時立式托輥布置4~6個（1個立式托輥2個滾輪），根據(jù)本工程電纜路徑較長，按布置4個考慮，滾輪之間的夾角取11.25°。

2.2.3 最大允許牽引力、側壓力計算

公式（12）中：Tm 為電力電纜最大允許拉力（kN）；k 為校正系數(shù)、取1；б 為電纜銅導體允許抗拉強度、取68.6×106N/m2；n 為電纜芯數(shù)、取3；s 為導體面積、取400mm2。

電纜護層最大允許側壓力如表3所示。工程實例中根據(jù)公式（12）計算最大允許牽引力Tm=82.32kN；每只滾輪最大側壓力1.0kN。

表3 電纜護層最大允許側壓力

2.2.4 工程實例牽引力、側壓力計算

工程實例中各4段電纜段牽引力、側壓力計算結果如表4所示。

表4 計算結果

電纜段1最大敷設牽引力21.667kN，最大每只滾輪側壓力0.154kN；電纜段2最大敷設牽引力19.594kN，最大每只滾輪側壓力0.291kN；電纜段3最大敷設牽引力25.6kN；電纜段4最大敷設牽引力22.503kN，最大每只滾輪側壓力0.237kN。4段電纜段均滿足最大允許牽引力、最大允許側壓力要求，電纜段長分段及敷設方法滿足受力要求[5]。

3 結語

綜上所述，本文介紹了電網工程10kV 電力電纜的選型方法，通過工程實例完成了電纜截面的選取，通過計算載流量選取電纜截面，再通過熱穩(wěn)定、電壓降因素進行校驗，最終確定電纜的型號為YJV-8.7/10-3×400型電力電纜，最后通過計算牽引力和側壓力確定驗算每段電纜段長。文章總結了常用10kV 電力電纜計算公式，可供工程設計選型參考使用。