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关键词:XLPE电缆;线芯温度;热路模型;暂态线芯温度
中图分类号: TN911⁃34; TM247文献标识码: A文章编号: 1004⁃373X(2014)08⁃0009⁃03
Calculation method of XLPE cable conductor temperature
JIANG Xiao⁃Bing1,2
(1. College of Electrical Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410004, China;
2. Changsha Power Co., Ltd., Hunan Huadian, Changsha 410203, China)
Abstract: To monitor the running state and improve the power supply reliability of XLPE cable, the calculation method of XLPE cable conductor temperature is researched in this paper. To simplify the analysis and calculation, the lumped parameter method is used to character each layer structure of the cable, the steady⁃state thermal circuit model of the lumped parameter is established according to the characteristics of short laying distance of the power distribution cable, and then the formula of conductor temperature and carrying capacity is derived. The effectiveness of the method is verified by experimental analysis. The calculation method of conductor temperature considering the transient process is discussed. It provided a reference for on⁃line monitoring of running status of the cable.
Keywords: XLPE cable; cable conductor temperature; thermal circuit model; transient conductor temperature
0引言
随着交联聚乙烯(XLPE)电力电缆在配电网中使用量的逐年增加,相应的诊断维护工作也越来越重要。线芯温度作为XLPE电缆的一个重要运行参数,是判断电缆运行状态及其实际载流量的重要依据[1]:正常运行时,电缆的线芯温度不超过交联聚乙烯的最高工作温度([≤]90 ℃);一旦过负荷,电缆线芯温度将急剧上升,从而加速绝缘老化甚至击穿。要准确掌握电缆的真实载流量也需要先计算电缆的线芯温度从而间接判断负载电流是否超过最大允许载流量。因此,从安全运行和电力系统调度的角度出发,都需要实时监测XLPE电缆的线芯温度。实际工程中直接测量XLPE电缆的线芯温度难以实现,需要建立合适的电缆热路模型并由外部温度推算求得线芯温度[2]。随着分布式光纤测温技术(DTS)的发展与推广,已有在高压XLPE电缆线路上应用光纤测温系统监测电缆护套温度的实例[3⁃4],这无疑为计算电缆线芯温度,掌握电缆运行状态及其真实载流量创造了有利条件。
笔者以单芯XLPE电缆为研究对象,根据配电电缆敷设距离短的特点,采用集中参数法建立其稳态等效热路模型,并推导出线芯温度计算公式。同时对考虑暂态过程的电缆线芯温度计算方法进行讨论,为电缆运行状态的在线监测提供参考。
1电缆稳态线芯温度计算方法
所谓电缆稳态线芯温度即引起电缆温度变化的各种因素都已达到稳定状态且不会随时间发生变化时的电缆导体温度,此时不需考虑引起电缆各部分材料温度变化时产生的放、吸热过程。
1.1 线芯温度计算模型及方法
单芯XLPE电缆的一般结构如图1所示。
图1 单芯XLPE电缆典型结构
由图1可知,单芯XLPE电缆可分为导体、绝缘及内外屏蔽层、垫层、气隙层、金属护套层、外护层6层结构。建立电缆热路模型时,一般将各层热阻作分布式参数考虑,然后根据电缆热流场的欧姆定律来求解线芯温度[5],这样便会给线芯温度的分析和计算带来较大困难。由于城市配电电缆的敷设距离较短,一般不超过3 km,因此可以运用集中参数法来表征XLPE电缆的热路模型,即将电缆以其几何中心为圆心,把绝缘及内外屏蔽层、垫层和气隙层、金属护套层和外护层分别用集中参数表示,这样便简化了电缆热路模型。集中参数法[6]的应用范围广泛,可以很好地描述配电电缆的结构参数、敷设条件、表面温度与线芯温度之间的换算关系。单芯XLPE电缆的集中参数等效热路模型如图2所示。
图2 单芯XLPE电缆等效热路模型
图2中:Tc为XLPE电缆线芯温度;Te为环境温度;T0为外护套温度;T1~T4分别为绝缘层(含内外屏蔽层)热阻、内垫层(含气隙)热阻、外护层(含金属护套)热阻、外界媒介(外部热源至电缆表面)热阻;Wd和Wc分别表示电缆单位长度的介质损耗和线芯损耗;λ1,λ2分别为金属护套和线芯损耗之比、铠装损耗与线芯损耗之比。
在已知XLPE电缆外护套温度与负载电流的情况下,根据集中参数热路等效模型可以推得线芯温度的计算公式为:
[Tc=T0+WcT1+(1+λ1)T2+(1+λ1+λ2)T3+Wd(0.5T1+T2+T3)](1)
式中线芯损耗Wc和电缆导体交流电阻R相关,而R与线芯温度Tc有关,因此须由式(1)解出Tc来进行计算。
在已知线芯最高工作温度Tcmax的情况下[7],可由式(1)推导出电缆的长期运行载流量Ia:
[Ia=(Tcmax-T0)-Wd(0.5T1+T2+T3)RT1+(1+λ1)T2+(1+λ1+λ2)T3] (2)
利用式(2)即可完成电缆载流能力的计算与预测。
1.2误差分析
在影响电缆温度变化因素不发生改变的情况下,上述计算方法计算出的电缆线芯温度与载流量误差主要取决于式(1)中各参数的精度。
式(1)中电缆外护套温度T0由测温装置测得,测量结果易受外界环境影响;各集中参数等效层热阻T与电缆各层热阻系数联系紧密,特别是垫层的厚度,需要充分考虑并选取合适的数值;导体损耗Wc=I2R,其中I为电缆负载电流,可准确测得,导体交流电阻R会随温度发生变化,应注意邻近效应和集肤效应的影响;介质损耗Wd相比于Wc相差3个数量级以上,因此其取值对计算结果影响较小;金属护套和铠装损耗因数λ1,λ2与敷设方式有关,常采用IEC60287标准[8]中的相应公式进行计算。
由上述分析可知,XLPE电缆的结构、敷设参数及实时监测量(负载电流、外护套温度)对结果均有较大影响,设值时应尽量接近实际值。
2实验分析
为验证该计算模型与方法的有效性,应用C#程序编写了相应的计算程序,并通过实验对一条长为400 m的110 kV XLPE电缆进行模拟实验运行。表1为电缆处于稳态时线芯温度与计算温度对比实验结果,表2为载流量计算结果与实测数据对比。
表1 线芯温度计算值与实测值对比
表2 载流量计算值与实测值对比
从表1和表2可以看出,运用此种线芯温度计算方法时,线芯温度计算值与实测值在90 ℃以下时最大误差不超过±3 ℃,电缆载流量计算值与实测值之间误差最大不超过3%,因此具有较高的精度。
3考虑暂态过程的电缆线芯温度计算
虽然上述计算方法精度较高,但其只能用于计算稳态下的电缆线芯温度与载流量,实际中电缆负载会随时间变化,特别是城市配电网的电缆线路,日负荷的变化很大,因而电缆外部热源的温度变化也很大[9],所以大多数情况下需要考虑电缆线芯温度的暂态变化过程。
考虑暂态过程的电缆线芯温度计算非常复杂,电缆的等效热路模型中必须考虑电缆结构材料中热容的影响,式(1)中的介质损耗Wd和线芯损耗Wc也将变为时间函数,从而给计算带来很大困难。文献[9]根据电缆等效热路与电路在数学上的相似性,运用节点电压法先求解电缆稳态线芯温度,并在此基础上提出了电缆暂态线芯温度计算公式:
[T(t)=eAt+eAt0teAtEBQ(τ)dτ](3)
式中A,B,T,Q都是影响电缆线芯温度变化的外部因素的矩阵形式,而且它们都是随时间变化的函数。文献[10]在得到电缆外皮温度的基础上,以“只考虑负载电流变化和只考虑表皮温度变化”两种情况进行电缆线芯暂态温度的公式递推,进而推导出XLPE电缆线芯暂态温度的完整叠加式:
[θcx=θw0+Δθc1n+Δθc2n+θcd](4)
式中:θcx表示运行x个小时后的电缆线芯温度;θw0为初始测量时刻的电缆表皮温度;Δθc1n表示电缆运行n小时后(n[≤]x)的线芯温升;Δθc2n表示电缆运行n小时后(n[≤]x)的外护套温升;θcd为绝缘损耗引起的导体温升,可以看出电缆的暂态线芯温度为各个温升的叠加。文献[11]在完整演算电缆暂态热路模型的基础上,以“电缆表皮为等温面、绝缘层与导体具有相同热阻系数、仅考虑导体损耗和绝缘层损耗”三个假设条件对热路模型进行简化,并通过实验和误差分析验证了简化模型的有效性,简化后的模型将大大减少计算量。文献[12]则提出了基于电缆实际负载电流和表面温度的拉普拉斯动态热路模型,并通过实验研究和误差分析验证了该模型可满足电缆线芯温度的实时监测。从文献[9⁃12]可以看出,计算电缆暂态线芯温度是一个非常复杂的过程,但不管应用何种方法,都必须在得到电缆材料参数和结构参数以及电缆外护套温度或电缆的稳态线芯温度的情况下,通过不同理论和方法进行电缆暂态线芯温度计算公式的递推和推导。
4结语
为了掌握XLPE电缆的运行状态及其真实载流量,根据配电电缆的敷设特点分析了其暂态线芯温度计算公式,验证了计算方法的有效性,并对考虑暂态过程的电缆线芯温度计算方法进行了讨论,得到如下结论:
(1) 运用集中参数法表征配电电缆的稳态热路模型贴合实际,推导出的计算公式只需在监测到电缆表面温度的情况下就可反推求得电缆线芯温度。实验数据表明此种计算方法具有较高的精度。
(2) 电缆暂态线芯温度的计算非常复杂,且必须在得到电缆材料参数和结构参数以及电缆外护套温度或者电缆稳态线芯温度的情况下,通过不同理论方法进行暂态线芯温度计算公式的分析。
值得一提的是,XLPE电缆发生绝缘故障后通常会在故障部位伴随有温度异常升高的现象发生,因此已有相关学者[13]将电缆温度在线监测与绝缘监测联系起来,并试图通过试验说明两者之间的关系。这表明随着电缆测温技术的发展,也将为电缆绝缘在线监测提供了一种新的思路和方法。
参考文献
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[4] 王立,李华春,薛强,等.220 kV电缆分布式光纤测温系统运行情况分析[J].电力设备,2007,8(6):36⁃41.
[5] 冯海涛.电力电缆线芯温度估算方法研究[D].大连:大连理工大学,2013.
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[10] 牛海清,周鑫,王晓兵,等.外皮温度监测的单芯电缆暂态温度计算与试验[J].高电压技术,2009,35(9):2138⁃2143.
[11] 刘刚,雷成华,刘毅刚.根据电缆表明温度推算导体温度的热路简化模型暂态误差分析[J].电网技术,2011,35(4):212⁃217.
关键词:矿用电缆 截面积 选择 校验
中图分类号:TM76 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2017)03(b)-0042-03
随着煤炭生产机械化、自动化程度的不断提高,煤矿生产设备逐步向复杂化、多样化迈进,煤矿设备的可靠运行对生产效益的提高起着决定性作用,因此,矿井设备的选型显得尤为重要,合理、准确的选型可以为设备安全可靠运行提供基本保障,该文对矿用电缆的截面积选择方法做出了介绍。
1 电缆选用的基本要求
矿用电缆由于其使用环境的复杂性,基于其所敷设的位置、倾角、作用等因素,必须满足一些基本要求,这些要求是电缆选型必须遵从的基本原则,大体有以下几条。
(1)电缆实际敷设地点的水平差应与规定的电缆允许敷设水平差相适应。
(2)电缆应带有供保护接地用的足够截面的导体。
(3)严禁采用铝包电缆。
(4)必须选用经检验合格并取得煤矿矿用产品安全标志的阻燃电缆。
(5)电缆主线芯的截面应满足供电线路负荷的要求。
(6)对固定敷设的高压电缆要求。
①在立井井筒或倾角45°其以上的井巷内,应采用聚氯乙烯绝缘粗钢丝铠装聚氯乙烯护套电力电缆、交联聚乙烯绝缘粗钢丝铠装聚氯乙烯护套电力电缆。
②在水平巷道或倾角45°以下的井巷内,应采用聚氯乙烯绝缘钢带或细钢丝铠装聚氯乙烯护套电力电缆、交联乙烯钢带或细钢丝铠装聚氯乙烯护套电力电缆。
③在进风斜井、井底车场及其附近、中央变电所至采区变电所之间,可以采用铝芯电缆;其他地点必须采用铜芯电缆。
④固定敷设的低压电缆,应采用MW铠装或非铠装电缆或对应电压等级的移动橡套软电缆。
⑤非固定敷设的高低压电缆,必须采用符合Mr818标准的橡套软电缆。移动式和手持式电气设备应使用专用橡套电缆。
⑥照明、通信、信号和控制用的电缆,应采用铠装通信电缆、橡套电缆或M型塑料电力电缆。
⑦低压电缆不应采用铝芯,采区低压电缆严禁采用铝芯。
2 电缆截面积选穹椒
通常井下电缆线路的截面选择步骤大体如以下几点。
(1)计算线路最大长时电流。
(2)按长时允许电流初选导线截面。
(3)校验机械强度允许最小截面。
(4)校验允许的电压损失。
2.1 线路最大长时电流的计算
线路最大长时电流即指电缆线路所带负荷最大时所对应的电流,假设电缆线路所带最大负荷功率为Pmax(kW),则最大电流计算方法如下:
由于 Pmax=UNImaxcosφ (1)
则
Imax=Pmax/(UNcosφ)=1/(UNcosφ)×Pmax (2)
设:K=1/(UNcosφ),
则 Imax=K×Pmax (3)
式中:
Pmax为电缆线路所带最大负荷功率,单位kW;
UN为电缆线路的额定电压,单位kV;
Imax为电缆线路最大负荷电流,单位A;
cosφ为电缆线路所带最大负荷时的功率因数;
K为电缆线路最大电流对应的功率系数;
通过计算,功率系数取值大体(如表1)。
对于煤矿井下设备,cosφ一般取0.75~0.8,所以当额定电压UN确定后,便可以计算出K的值,然后根据线路的最大负荷功率Pmax与K的乘积,便可以计算出线路最大负荷电流。
2.2 按长时允许电流初选导线截面
为了使导线在正常运行时温度不超过其长时允许温度,导线的长时允许电流应不小于流过导线的最大长时工作电流。即:
Ip>Ica
式中:
Ip为标准环境温度(一般为25 ℃)时,电缆线路长时允许电流,单位A;
Ica为电缆线路最大长时电流,单位A;
Ip的值可以由查表得出,以矿用移动屏蔽橡套软电缆(MYP)为例,表格(如表2),其他电缆也可通过相应表格查出,此处不再一一列出。
Ica的值一般取式(3)中的Imax,可由2.1中线路最大长时电流的计算方法算出,然后依据Ip>Ica的原则对导线截面积进行初选。
3 电缆截面积的校验
通过电缆长时最大电流与电缆长时允许电流的比较,再通过查表即可初步选择出电缆的截面积,但是要真正满足实际选型要求,还必须对电缆的机械强度和电压降落进行校验,合格后才是最终的型号。
3.1 机械强度校验
电缆在工作面和巷道中敷设,难免会受到外部机械力的作用,截面太小的电缆容易出现断线、护套破裂、绝缘损坏现象。矿用橡套电缆应符合表3的要求,以避免在拖拽、碰撞等外力作用下断线、破裂。
3.2 电压损耗校验
输电线路通过电流时,将产生电压损失,所谓电压损失是指输电线路始、末两端电压的算术差值,为了保证电压质量,从变压器出口处至电动机的线路电压损失应不大于线路的允许电压损失。
3.2.1 电压损耗的计算方法
(1)线路等效电路图。
在交流供电系统中,电缆线路存在阻抗,阻抗由电阻和电抗组成,电流流过阻抗时,在阻抗两端产生的电压差称为电压降。电压损耗指电压降得代数值。一般用百分数表示。(如图1)
U末-U初=ΔU=I×ZL
式中:
U末为电缆靠近负荷侧末端电压,单位V;
U初为电缆靠近变压器侧始端电压,单位V;
ΔU为电缆线路电压降,单位V;
I为电缆线路电流,单位A;
Z为电缆线路电抗,Z=,单位Ω/km;
L为电缆线路长度,单位km;
(2)电压降向量图。
以线路末端电压UOA为基准值,假设其初相为零,Φ为电压UOA与负荷电流I的相位差,cosΦ即为负荷的功率因担电缆有效电阻上的电压UAE与与电流同向,阻抗两端的电压UED与电流方向相差90°,所以电压降向量图(如图2)。
由图2可见,电压降为矢量,电压损耗为AC:
ΔU=UOD-UOA=UAE+UED
而UAE=IR,UED=I×jX,故ΔU=I(R+jX),若设电流有效值为IOA,用有效值表示为:
ΔU=I×
按图2换算成长度,有:
AC=AB+BC,
AB=IOAR×cosΦ,
BC=IOAX×SinΦ,
故电压损失值:
ΔUΦ=IOAR×cosΦ+IOAX×SinΦ
ΔU、ΔUΦ为每相电压降、电压损耗,再乘以就换算成了线电压降和线电压损耗。
3.2.2 基于电压降的截面积校验
井下变压器的二次侧额定电压1.05UN,电动机的允许最低电压为0.95UN,因此,变压器和线路的电压损失之和不能超过10%UN。考虑到变压器的电压损失通常不超过5%UN,故从变压器出口处到线路末端的线路电压损失不得超过5%UN,因此,当计算出电压损耗ΔUΦ时,通过下式进行校验:
ΔUΦ%≤5%
若满足要求,则所选电缆截面积合格,若不满足条件,则增加截面积型号,重新校验。
4 结语
电缆截面积的选择是煤矿生产过程中所面临的一个最为基本也尤为重要的环节,电缆的合理选型不仅有利于降低成本提高经济效益,更重要的是可以为安全生产打下坚实基础,因此,电缆选型也是工程技术人员所应掌握的一个基本技能。
参考文献
[1] GB/T 17737.1-2000 射频电缆第1部分总规范[S].
关键词:电缆、价格、经济截面、总费用、初始投资费用、运行损耗费用、单位长度和截面有关系的投资费用
中图分类号: TM247 文献标识码: A 文章编号:
电力电缆线路具有较高供电可靠性和安全性,在允许的工作温度下,使用寿命可长达30~40年,被广泛的用于工业与民用的中低压电源与用电设备的电力传输。
电力电缆截面的选择,是供配电系统设计的主要内容之一。《电力工程电缆设计规范GB50217 ―2007》的第3. 7. 1. 4 条,规定: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。国际电工委员会IEC 287-3-2/1995《电力电缆截面的经济最佳化》标准推荐的经济截面选择的两种计算方法都是基于TOC总费用的经济概念,电缆总费用(TOC总拥有费用)包含:初始投资(采购及安装费用)及其寿命运行费用两个部分。即:CT (总费用) = CI (初始投资费用) + CJ (运行损耗费用)。CI (初始投资费用)与CJ (运行损耗费用)都与电缆截面密切相关,当增大电缆截面时,CI (初始投资费用)将上升而CJ (运行损耗费用)将下降;而减小电缆截面时,CI (初始投资费用)将下降,CJ (运行损耗费用)将上升。因此,CI 与CJ 是存在矛盾的2 个方面,寻找二者之间的平衡点,使CT 最小,其平衡点就是经济截面,它是一个截面区间。
图1:经济截面示意图
当计算给定电流下的经济截面时,其公式为:
(1)
其中 F(线损辅量):包括了回路相数、电价、最大负荷损耗小时和现值系数。表一列出了当cosφ=0.9,P=0.5元/kw.h时,F与最大利用小时数(Tmax)及最大负载损耗小时(τ)之间的关系。
表1:F与最大利用小时数(Tmax)及最大负载损耗小时(τ)之间的关系
A值是单位长度和截面有关系的投资费用:
A=(截面S1电缆的初始投资-截面S2电缆的初始投资)/(截面S1-截面S2),(元/m.mm2)。 (2)
电缆初始投资费用包括电缆价格和综合安装费用,因为综合安装费用在整个投资费用中所占比例较少,因此,电缆价格成为影响A值的主要因素。根据电缆规格型号的不同,电缆的价格存在差异,为了计算方便,按照计算出的各型电缆A值,在不影响计算精度的情况下,用平均A值来计算经济电流截面密度,平均A值的误差小于10%。表1为电力电缆计算A值及推荐平均A值比较
表2:各型电力电缆初始投资斜率A值统计及取用A值表
注1:A为单位截面长度初始投资斜率,包含电缆截面及安装敷设综合费用
受近几年来有色金属市场价格变动影响,电缆价格(特别是铜芯电缆价格)波动较大。以YJV铜芯交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套电力电缆为例,从2009年到2011年期间,该型电缆价格波动达35%。如此大的价格变化将对单位长度和截面有关系的投资费用(A)产生影响,从而使电缆截面计算失真。
图2:YJV铜芯交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套电力电缆价格走势图
电缆价格波动对经济电流选型计算的影响分析:
1 电缆价格的上涨,使A值增大。
以低压VV电力电缆为例,表3列出该型电缆在2011年的市场价,根据综合造价折算方式,估算出该型电缆的初始投资费用。通过公式(2)可以计算出该型电缆的A值曲线。如图3。由图可看出该型电缆的A值在2.5左右。而由表2查得低压VV22-1kV-(4×S)电缆的平均A值为1.602。可见,由于电缆价格的上涨,导致A值增大。
表3:低压电缆价格及初始投资费用
图3:VV22-4*S电缆A值曲线
2 A值的增大,在相同的条件下,使电缆计算截面减小
假设条件:负载电流I=100A,Tmax=5000h,电能电价P=0.5元/kWh,L=1km,由表1查得对应的F=65.6(元/W)。
当A=1.602(元/m.mm2),代入公式(1):
宜选取截面为95mm2 电缆。
当A=2.5(元/m.mm2),代入公式(1):
宜选取截面为70mm2电缆。因此,在相同的条件下,A值增大使电缆经济截面减小。
3 结论
电缆价格上升,导致电缆工程初始投资费用增加,电缆单位长度和截面有关系的投资费用A值增大。在一定额定负载电流情况下,A值越大,电缆经济截面越小,反之亦然。
【关键词】导线;电力电缆;导线截面;电流
一、引言
导线和电力电缆的选择是电力企业供电系统设计中的一个重要组成部分,由于其是构成供电网络的主要设备元件,电力输送只能依靠导线和电力电缆来进行。因此,在选择导线和电力电缆的截面时,就必须在满足供电输送能力的同时保证供电线路的运行安全。此外,导线和电力电缆生产所需的有色金属是国家经济建设需求量很大的原材料,因此,如何经济合理地选择导线和电力电缆的截面,对节约有色金属的使用具有重大的意义。
二、导线和电缆选择应具备的资料
导线和电缆的截面选择通常是趋向于最小可采用的截面。即减少导线和电缆的初始投资费用,这其中并不包括导线电缆的使用寿命等条件。为了选择合适的导线和电缆的截面,电力企业就要向电缆生产制造厂提供尽可能多的必要资料。
(一)系统额定电压
任意两根导体之间的工作平率电压的均方根值。
(二)三相系统的最高电压
在正常的运行条件下相间电压的最高均方根值。
(三)雷电过电压
(四)系统的运行频率
(五)导线和电缆的接地方式以及在中性点未有效接地的情况下,任意一次接地故障下的最大允许持续时间和年总持续时间
(六)最大额定电流
导线和电缆连续运行、周期运行及紧急运行或过载运行等情况下的额定电流。
(七)当发生短路时,电流的最大持续时间
三、导线和电力电缆截面的选择原则
为了保证供电系统的安全可靠及经济合理地运行,就必须按照选择导线和电力电缆截面安全、经济的原则进行。
(一)发热问题
由于电流具有的热效应,因此当电流通过量超过导线和电缆的允许电流时,就会出现导线和电缆发热的现象,加速绝缘导线和电缆的绝缘老化。
表1
此外,还会拉伸导线的距离加大电力电缆对地及交叉跨越的危险,甚至出现烧毁导线和电缆的问题,导致危险事故的发生。为了保证供电的安全性,在选择导线和电力电缆截面时,首先,必须要充分考虑到发热的问题。其次,导线和电缆长期通过的最大恒定的电流不能超过导线和电缆生产标准规定的允许值,就是要按照导线和电缆的允许通过量来选择截面。
(二)电压损失的问题
由于导线和电缆上有电阻和电抗的存在,当电流通过导线和电缆时,通常情况下除产生一定的电能损耗外,还会产生电压的损失,从而影响电压质量。电压损失超过一定范围后,就会造成用电设备的电压不足,影响用电设备的正常工作,损害用电设备。因此,为了保证用电设备的正常运行,在选择导线和电缆截面时,首先要考虑导线和电缆上的电压损失问题。其次,导线和电缆线路的电压损失不能超过国家相关规定,根据线路允许的电压损失来选择导线和电缆截面。
(三)经济运行问题
保证经济的运行主要体现在对高压线路和特大电流的低压线路上,应该按照规定的经济电流密度来选择导线和电缆的截面,使电能损耗降到最低。而对于长距离的输送的电缆来说,应该按最佳的经济截面来选择电缆的载流量,最大程度上的保证电缆的使用寿命周期。
(四)机械强度问题
在电力运输的架空线路中,为了尽量满足线路架设施工时的机械强度以及线路运行时遭受的风、雨、气温等外力变化的对线路造成的威胁,就要保证导线和电缆要有足够的机械强度,保证线路运行的安全性。如在10kV线路中最小截面不应小于16mm?。如表2所示为最小截面Smin 的值。
表2
(五)热稳定性的问题
为了减少电缆发生热稳定性故障的机率,在导线和电缆截面的选择时,就要保证导线和电缆在发生故障时按照热稳定性校验选择的截面必须大于热稳定性最小的截面。
四、选择导线和电力电缆截面的计算
为了保证输电线路的安全、可靠、经济地运行,在选择导线和电力电缆截面时,一方面要满足正常运行时的最高允许温度,另一方面要考虑到正常运行时的电压损耗、经济电流密度以及机械强度等。
(一)按发热条件的计算选择导线和电缆的截面
当电路通过导线时,就会产生电能损耗从而使导线发热。当导线温度过高时,就会导致绝缘体的损坏,从而引发事故。因此导线和电缆的发热温度不能超过规定的允许值,即允许的导线电缆的载流量Iyx不小于通过导线和电缆的最大负荷电流Ijs,用公式表示为:
Iyx≥Ijs
此外,还要考虑到导线和电缆的电流允许载流量与环境温度有关,因此,当架设地点的环境温度与导线和电缆的允许载流量对应的黄金温度不同时,导线和电缆的允许载流量应该乘以温度校正系数,即:
K=[(tyx-t0')/(tyx-t0)]b
tyx指导线正常工作时的最高允许温度
t0指导线的允许载流量对应的环境温度
t0'指导线敷设地的实际环境温度
而在中性线截面的选择中,一般在正常情况下,中性线通过的电流都比较小,只是三相平衡电流零序电流,因此在选择时中性线截面不得小于相线截面的50%。即:
S0≥0.5Sφ
(二)按经济电流密度的计算选择导线和电缆截面
通常来说,导线和电缆的截面越大,电能的损耗就越小,相对应就是线路投资、后期维修管理费用等的增加。因此,从经济学的观点来看,导线和电缆就要选择一个经济合理的截面,既要保证电能损耗小,又要保证不过分增加线路投资及后期维修管理费用。
表3
如表3所示为导线和电缆经济密度的关系,而经济截面与电流密度的公式为:
Sji=Ijs/jji
Ijs指计算电流
(三)导线选择和电缆敷设地的环境温度
目前,通常用的电缆敷设方式主要有:穿钢管或塑料管敷设,直接埋入地下敷设,敷设于电缆地沟内,敷设于电缆隧道内,沿厂房或土建构筑物敷设。从技术上来将,敷设于电缆隧道内和敷设于电缆地沟内的方式是最佳的,因为便于电缆的施工、维护及检修。时间证明公用隧道的运行效果也是最好的,这达到减少了投资。避免反复开挖路面,耽误工期,但是高哦公用隧道的初期投资较大。相对而言,电缆地沟敷设和直接埋入地下敷设是最经济的方式,但是其不利于电缆的后期维护和检修。
表4
无论选择何种敷设方式,要保证导线和电缆的运行安全就必须要考虑敷设地的环境温度。首先,对架空输电线路来说,要计算出当地是十年来的最热月份最高气温平均值或十年以上的总平均值。其次,对电力电缆来说,若周围介质为空气,就要计算出十年来的昼夜平均空气温度中最高的三天及最低的一个昼夜平均温度或十年以上的昼夜平均值;若周围介质为土壤,就要计算出每年最热月份土壤的全月平均温度。最后,对绝缘导线来说,就要计算出十年来最热月的昼夜平均空气温度及月平均值或十年以上的平均值。表4所示为我国规定的经济电流密度。
五、结语
导线和电力电缆截面的选择直接影响了供电网络的投资费用以及电能损耗的大小。当导线和电力电缆的截面选小些时,可以减少供电网络建设的投资,但是却会造成电能损耗的增大;而当导线和电力电缆的截面选大些时,供电网络的投资就会增加,但是电能损耗就会减少。因此,使供电网络中导线和电缆找到一个最理想的截面使年运行费用要最小化,就必须按照我国规定的经济电流密度选择导线和电力电缆的截面。
参考文献
[1]黄恩才.关于导线和电力电缆截面的选择计算[J].林业科技情报,2010(03).
[2]张明金.导线和电缆截面选择原则的探讨[J].中国现代教育装备,2007(11).
[3]陈坚.按经济优先原则选择电力电缆的截面[J].科技咨询导报,2007(09).
【关键词】 电缆截面 载流量 热稳定性 压降 敷设方式 环境温度
1 电力电缆结构
常用10kV高压电力电缆额定电压为8.7/15kV,低压电力电缆额定电压为0.6/1kV,电力电缆从内至外一般分为导体-->绝缘-->内护层-->铠装型-->外护层,内外护套材料一样时,省写内护套材料(非铠装电缆可以无内护套)。电力电缆结构表1所示。
例:VV22-铜芯聚氯乙烯绝缘双层钢带铠装聚氯乙烯护套(第2个V表示内护套材质,第2个2表示外护套材质)电力电缆,YJLV-铝芯交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套(V表示外护套,若有内护套则也为聚氯乙烯材质)电力电缆。YJV-铜芯交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套(V表示外护套,若有内护套则也为聚氯乙烯材质)电力电缆,YJV23-铜芯交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯内护套双层钢带铠装聚乙烯外护套电力电缆。电力电缆导体通常采用铜和铝两种,实际应用中往往采用铜,铜导电率高电阻率低,铝导电率较铜低,铝电阻率较铜高,在同等载流量下,铝导体电缆截面大概是铜导体电缆截面的1.5倍。铜芯电力电缆电损耗较铝导体电力电缆低,机械性能比铝材优越,铜芯比铝芯抗疲劳约1.7倍。往往工程实际应用中采用的是铜芯电力电缆。
电缆芯之间的额定电压必须大于等于系统标称电压,比如标称电压380V,那么选择电缆额定电压1kV就满足要求,电缆芯之间能承受的最高工频电压必须大于等于系统的最高工作电压。
绝缘材料工程中一般选用交联聚乙烯,少用聚氯乙烯,因为交联聚乙烯性价比高,允许长期工作温度90℃,短路热稳定允许温度250℃,而聚氯乙烯允许长期工作温度70℃,短路热稳定允许温度约140~160℃。还有其他比如橡皮绝缘电缆允许长期工作温度60℃,短路热稳定允许温度200℃,等。工程中火灾报警一般采用耐火电缆,普通工程采用阻燃电缆。耐火电缆就是在火焰中被燃烧一定时间内能保持正常运行特征的电缆。耐火电缆按绝缘材质分为有机和无机型,有机型式采用耐高温800℃的云母带以50%重叠搭概率包覆两层作为耐火层,外护采用聚氯乙烯或交联聚乙烯为绝缘,耐火主要依赖于云母层的保护。无机型就是矿物绝缘电缆(MI电缆),采用氧化镁作为绝缘材料,铜管作为护套的电缆,这是真正意义上的耐火电缆,只要火焰温度不超过铜的熔点1083℃,电缆就安然无恙。阻燃电缆就是在绝缘及护套里添加无卤及含卤阻燃剂。含卤型有聚氯乙烯等,无卤型有交联聚乙烯等,含卤价格低但是燃烧时烟雾浓、酸雾及毒气大,阻燃剂分为有机和无机两类,最常用的是无机类无卤材料氢氧化铝。
2 电缆、导体、电器载流修正因素
采用热稳定性校验或电流密度法选截面,不用再考虑其它修正了,电缆按载流量选截面需要按各种因素修正,比如环境温度,敷设方式等。所谓的负荷计算电流就是在实际环境中所得的真实负荷电流。电缆与导体有区别,电缆分很多层,每层都有相对应的作用,导体包括母线及一般的导线,比如架空线、硬母线,裸导体需要按实际环境温度和海拔高度修正其载流量,电缆载流量无海拔修正,高压电器载流量有环境温度修正无海拔修正,海拔因素用来修正其外绝缘强度。
例如,某一负荷计算电流,(三班制),当地电价P=0.4元/kWh,电缆6根无间距并排敷设在梯架上,梯架两层,环境温度℃;选用YJV-0.6/1kV-4芯电缆,求截面。
(1)按电缆载流量来选择电缆截面。电缆敷设方式为6根无间距并排梯架敷设,梯架两层,查配三P504续表9-24,得到修正系数 0.76,修正后负荷电流为,查配三P515表9-34得到电缆截面S=35mm2。(2)按经济电流来选择电缆截面。根据,,P=0.4元/kWh,查配三P533表9-58,S=70mm2。
3 10kV高压电缆热稳定性校验
10kV高压电缆需要校验的项目有额定电压、额定电流、热稳定性等,例如2000kVA的干式变压器所需多大型号的电缆,10kV标称电压,选择8.7/15kV额定电压电缆,2000kVA变压器额定电流约115A,选25mm2铜芯电缆,25mm2铜芯电缆空气中载流量129A,满足额定电流要求,但是需要进一步校验热稳定性,热稳定性校验采用以下公式。
(1)
其中是电缆要求最小截面积,c是热稳定系数。
(2)
其中是短路电流热效应,最大短路电流有效值,是短路电流持续时间。假如高压母线处短路容量为100MVA,可得短路电流为5.5kA,带入公式可得:
(3)
选择70mm2交联聚乙烯绝缘电缆。
综合以上校验,最终电缆选择70mm2可以满足以上要求。
4 电力电缆压降校验
无论高压还是低压电缆都存在压降,电缆导体无论是铜还是铝,都存在电阻,电阻流过电流一定会发热,有电阻和电流就会有电压差,也就是所说的电缆电压降,电压降必须要有效控制。国家标准限制了各种用电设备正常运行的电压范围,如电动机,要求正常运行情况下,电动机端子处电压偏差允许值宜为±5%,那么就要根据电缆截面,长度,电机额定电流等等来计算电压损失,当然也可以根据电压损失要求反算最多能敷设多长电缆。
(1)例如45kW,额定90A,380V,功率因数0.9电动机,电缆敷设200m;假如选用50mm2电缆,查配三手册P551表9-78,对应50mm2电缆,电压损失0.194%/(A.km),得到总电压损失为(90x0.194x 0.2)%,即3.5%,满足要求。(2)例如45kW,额定90A,380V,功率因数0.9电动机;假如选用50mm2电缆,电压损失5%,查配三手册P551表9-78,对应50mm2电缆,电压损失0.194%/(A.km),可以敷设电缆长度为(5÷0.194÷90)=0.285km,为满足电动机正常运行,电缆最长可以敷设285米。
5 电力电缆按敷设方式及环境修正载流
无论高压还是低压电力电缆均需按敷设方式及环境校验载流,也就是按载流量选电缆,按载流量选电缆需要依据环境和敷设方式这两条核心因素。在不同环境温度(空气中或埋地)下需要乘以修正系数。
(4)
其中,表示电力电缆线芯允许长期工作温度,YJV为90℃,表示敷设处环境温度,表示现载流量对应的温度。
例如16平0.6/1kV YJV电缆,桥架敷设,30℃时载流量100A,敷设处环境温度40℃,通过式(4)计算可知,修正系数为0.91,得到敷设处实际载流量为91A。埋地敷设时环境温度不等于基准温度时也需要按式(4)修正,埋地时,不同土壤热阻系数的载流量也需要修正。在此就不再分析。
电缆敷设方式各种各样,通常采用直埋、穿管埋地、电缆沟、电缆桥架、电缆隧道、排管、墙体楼板内敷设等,载流量表中均为单回路或单根电缆的载流量,在不同敷设方式下,多回路电缆有不同的排列方式,多回路的排列方式对应不同修正系数,这些修正系数是假定各回路电缆截面相等且都是在额定载流量的情况下计算而得的数字,实际情况会有所不同,计算方法十分繁琐,工程设计时,可应用这些数字,当负荷率小于100%时,实际修正系数可提高一些。
例如:YJV-0.6/1kV-(3x70+1x35),环境温度30℃,敷设方式E,单回路电缆载流量246A;敷设方式D(直埋或穿管埋地),单回路电缆载流量166A。
(1)成束,明敷穿管靠墙,共6根,查得载流量校正系数为0.57,得载流量为246x0.57=140A。(2)6回路直埋地电缆,埋深0.7m,土壤热阻系数2.5(K.m)/W,电缆相互接触,查得载流量校正系数为0.5,得载流量为166x0.5=83A。(3)6回路穿钢管埋地电缆,埋深0.7m,土壤热阻系数2.5(K.m)/W,电缆相互接触,查得载流量校正系数为0.6,得载流量为166x0.6=100A。(4)3层梯架,每层梯架单层电缆6根,无间距布置,查得载流量校正系数为0.73,得载流量为246x0.73=180A。(5)每层梯架电缆层数2层,紧靠排列,查得校正系数0.65,得载流量为246x0.65=160A.每层梯架电缆层数3层,紧靠排列,查得校正系数0.55,得载流量为246x0.55=135A。
如果电缆是在户外敷设,且无遮阳时,除了以上修正外,还要乘以一个电缆户外敷设无遮阳时载流量校正系数,仍以以上示例为例,查得校正系数为0.99。电缆在电缆沟内敷设时,电缆的长期允许载流量比空气可以自由流动的地方小,也就是说电缆沟敷设电缆载流量类似于空气中敷设电缆的载流量,只是资料表明,电缆沟敷设电缆的载流量需要按照空气中敷设的环境温度提高约5℃来修正。当电缆数量较多,采用电缆隧道敷设电缆时,一般电缆隧道采用自然通风,当隧道内气温达到50℃时,须采取机械通风。
关于环境温度的选取,可按下列取值。裸导体屋外安装,最热月平均最高温度;裸导体室内安装,该处通风设计温度,当无资料时,可取最热月平均最高温度加5℃。电缆屋外电缆沟敷设,最热月平均最高温度;电缆屋内电缆沟敷设,屋内通风设计温度,当无资料时,可取最热月平均最高温度加5℃。电缆电缆隧道敷设,有机械通风时取该处通风设计温度,无机械通风时,可取最热月的日最高温度平均值加5℃。电缆土中直埋,最热月的平均地温。
高压电器屋外安装,年最高温度;高压电器之屋内电抗器,该处通风设计最高排风温度;高压电器之屋内其它处,该处通风设计温度,当无资料时,可取最热月平均最高温度加5℃。年最高温度为多年所测得的最高温度平均值;最热月平均最高温度为最热月每日最高温度的月平均值,取多年平均值。
6 结语
为了保证电缆及设备正常运行,必须根据敷设环境、敷设方式等对电缆载流进行修正,根据各种校验方法对电缆截面进行校验,通过修正及校验后选得的电缆才能符合现场实际情况,才能运用于实际工程。
参考文献:
[1]中国航空工业规划设计研究院.工民配电设计手册[M].北京:中国电力出版社,2005.
[2]贺晓强.电力电缆选型分析[J].电气应用,2007(7).
关键词电缆隧道 通风传热换热系数
中图分类号:U45 文献标识码:A 文章编号:
一、引言
随着城市化进程的不断进行,城市的面积也在不断扩容,为满足城市发展的需要,原架空电网必须入地,电力电缆入地建设后,其通风问题就呈现出来,目前国内实际设计采用按照一定换气次数计算,使得设备配置明显偏大,主要原因在于没有掌握电缆隧道内的传热学过程。本文试图通过对南方某电缆隧道进行传热学分析计算,提供正确的电缆隧道通风传热计算方法。
二、电缆隧道基本情况
拟建的南方某特大型城市220kv电缆隧道将布置4回12根截面积为25002载流量为1900A的220kv铜芯电缆、4回12根截面积为12002载流量为937A的110kv铜芯电缆,线路全长约0.8 km。采用明挖隧道,断面尺寸为2.3×2.05m,如下图1所示。
由于本工程基本上位于城市主干道下方,受条件限制其最大通风井间距达到1km,其他普遍大于200m,与《电力工程电缆设计规范》中通常控制的明挖隧道安全孔距离不大于200m相比,本工程通风条件比较恶劣。
为保证隧道内的通风排热效果,本工程采用机械送、排风方式。
三、电缆隧道通风的传热学分析
由于电缆在隧道内将产生大量的热量,这部分热量将一部分通过隧道壁面传至土壤,另一部分则通过机械通风方式排出室外。
电缆隧道传热学计算的基本假设
隧道内电缆满负荷运行;
隧道内最高温度不超过40℃;
由于隧道深埋,可以假定隧道周围土壤温度恒定、隧道壁面温度恒定,隧道通过壁面传递到土壤的热量恒定;
电缆隧道内的气流方向与各回电缆敷设方向一致,可视为气流沿轴向流过水平管束;
由于采用机械通风方式,空气流经隧道与电缆及隧道墙壁之间的传热过程为混合对流换热过程。
隧道内每m电缆的最大发热量q
q=q1+q2=12(I12R1+I22R2)=12ρ(I12/S1+I22/S2)
………(1)
式中q1,q2分别为220kv和110kv电缆的每m发热量,W;ρ为铜芯电缆的电阻率,Ω・m; I、R、S分别为电缆的电流、电阻及横截面积;
混合对流换热过程试算
根据上述假定,电缆隧道内的传热过程可视为流体在水平管内的混合对流换热过程,布朗和高文 [1]导出下列层流时的计算公式:
Num=1.75[Gzm+0.012(GzmGrm1/3)4/3]1/3(μf/μw)0.14
……(2)
式中,Num=αm L /λm,称为努谢尔特准则,αm为混合对流换热系数,W/(m2℃);λm为空气导热系数,W/(m℃);L为与流体换热的壁面定型参数,这里取为隧道断面的宽度及高度尺寸,m.
Gzm=RemPrmD/L,称为格莱兹准则;
Grm=βgL3t/ν2,为格拉晓夫准则, β为空气体胀系数,K-1;g为重力加速度,m/s; t=tf-tt为空气平均温度与土壤温度差值,tf=(tp-tj)/2, tp,tj分别为隧道排风温度和送风温度,℃;ν为空气运动粘度,m2/s;D为水平管内径或当量直径,m;
μf,μw为分别以tf和tw为定性温度的空气动力粘度,kg/(m・s)
在紊流时,梅坦斯 [3]和埃克特建议采用下式:
Num=4.69Rem0.27Prm0.21Grm0.07(D/L)0.36
…………(3)
式中,Rem为雷诺准则,Rem=v L/ν, v为空气流速,m/s;
Prm为普朗特准则,Prm=ν/a;a为热扩散率或称导温系数,m2/s;
按上式分别求出空气与侧墙壁面、顶板和底板的αm1、αm2值后,可得出通过每m长隧道围护结构传至土壤的热量qs为:
qs=LK(tf-tt)
…………(4)
上式中,K=1/(1/αm+δ/λ),为隧道内空气与土壤的传热系数,δ为围护结构厚度,λ为围护结构的导热系数,由于隧道围护结构的导热系数在1.28~1.74 W/(m℃)范围内,因此隧道壁面与土壤之间存在较大的导热温差,长期运行结果该温度趋于恒定,并满足下式:
q=qs+qt
…………(5)
式中的qt为机械通风排除的热量,qt=M cpρ(tp-tj),M为机械通风量,m3/s, cp为空气的定压比热,kj/kg・℃.
联立上述各式,通过试算及验算,当该假设壁面温度与验算壁面温度一致时,本计算结果收敛。
本工程按上述原理计算后的结果见下表1~6,可以发现各区段隧道所需通风断面平均风速为0.90m/s,各区段混合对流换热量与通过壁面导热量之间的传热误差平均为0.05%,其隧道壁面温度计算假定值与核算后达到热交换平衡时的壁面温度平均相差仅1.41%,两者趋于相等,因此计算结果是可信的。
表1 各区段电缆发热量、机械通风排除热量及通过壁面传递到土壤热量计算结果
表2 各区段混合对流换热与壁面导热量之间的传热误差
表3 各区段假设壁温与达到热交换平衡时的计算壁温比较表
表4 各区段排除余热所需计算通风量
上述结果与供电部门实际运行情况基本相符,符合上海市工程建设规范DG/TI08-2017-2007《世博会园区综合管沟建设标准》和广东省标准DBJ/T15-64-2009《城市地下空间开发利用规划与设计技术规程》相关条文要求,因此本计算方法是可信的。
如果仅按照电缆发热量等余热完全由通风系统排除,则通风量将达到39.5m/s即142222m3/h,隧道断面风速达到8.4m/s,其设备及土建投资和运行费用将大大增加,如果措施不力还将给周边环境带来噪声污染,增大了环保风险。
因此正确的计算方法是保证工程顺利推进,降低工程造价,节省运行费用和降低运营期环保风险的重要保证和基础,应该引起通风设计工程师的高度重视。
三、结论及建议
通过上述实例分析,可得出以下结论:
深埋电缆隧道通风问题实质上是一个流过隧道内的空气与电缆、电缆隧道壁面及隧道周围土壤之间的传热学过程,且通过隧道壁面传入土壤的热量不可忽视;
电缆隧道的通风量除与隧道内电缆种类、数量、负载电流大小等有关外,还与所处地区、隧道尺寸及通风区段的长度有关;
在隧道内敷设电缆数量和隧道断面尺寸不变的情况下,隧道每米长度所需的通风量也将不变。
为此,建议电力运营部门应加强电缆隧道投运后的监测并将相关数据反馈给设计部门,以便改进设计思路和方法,更好的服务于供电部门,为推进城市架空电线入地创造更好条件。
【参考文献】
[1]俞佐平,传热学(第二版),高等教育出版社,1985.
关键词:小区;供配电系统;设计
Abstract: in this paper, the residential electrical design of power supply and distribution system has carried on the simple analysis and elaboration.
Keywords: residential area; Power supply and distribution system; design
中图分类号:U223.5文献标识码:A文章编号:2095-2104(2013)
一.设计说明
1.1 住宅小区基本情况
该住宅小区占地面积约73000平方米,共有建筑27座,其中高层住宅楼6座、多层住宅楼10座、写字楼4座,此外还有小区物业、泵房、热力交换站及车棚、地下车库等公共用电设施。
1.2 设计范围
按照市区供电部10kV及以下配电网络设计的规定,对于住宅小区配电工程,设计范围为:高压侧从市区公用10kV配电线路起,在接引10kV电源处设置明显断开点,低压侧至小区内各建筑低压用电计量装置上表位。
1.3 设计原则
随着我国城镇化建设的加速,各地的开发小区悄然兴起,以满足城市人口急剧膨胀的需求。小区的特点是占地面积大、人口集中。在供配电设计中,必须根据小区实际特点,采用多种供配电形式和方法以满足使用功能的要求,做到整体布局合理,给每个用户提供一个良好的用电环境。在实现安全可靠配电的同时,还要做到环境的美化,使整个小区的配电合理、适用、经济。
住宅小区的供电方案主要有:柱上变压器配电、独立配电室配电、箱式变电站配电三种。其中,柱上变压器配电方案投资小,但对小区环境影响较大,不易深入负荷中心。独立配电室配电方案需要一定面积的土建占地,增大了建设投资,对于本设计所选择的小区来说并不适宜。箱式变电站配电方案的特点是,体积小、占地小、外形美观,高压侧采用电缆引入,箱变位置可以随意选择,使得低压配电部分更加合理,提高了供电可靠性。因此,本设计考虑将住宅小区的主要供电模式定位为箱式变电站配电工程。
1.4 环境条件
1.当地年最高温度+40 C°,年最低温度-30 C°,年平均温度+10 C°。
2.覆冰-5mm,最大风速30m/S。
3.当地海拔高度800米。
2. 住宅小区负荷计算
2.1 供配电系统概述
随着国民生活水平的提高和房地产业的蓬勃发展,各地新建中高档住宅小区越来越多。准确计算出住宅小区的用电负荷,合理选择配变电设施,才能既满足小区居民现在及将来的用电需要,又能合理降低工程造价、节省投资。供配电系统设计要彻执行国家的技术经济政策,做到保障人身安全,供电可靠,技术先进和经济合理。另外,供配电系统的还必须做统筹兼顾,按照负荷性质、用电容量、工程特点和地区供电条件,合理确定设计方案。
2.2 负荷分级及供电要求
2.2.1 负荷分级的相关规范:
电力负荷应根据对供电可靠性的要求及中断供电在政治、经济上所造成损失或影响的程度进行分级,并应符合下列规定:
1.符合下列情况之一时,应为一级负荷:
(1)中断供电将造成人身伤亡时。 (2)中断供电将在政治、经济上造成重大损失时。
(3)中断供电将影响有重大政治、经济意义的用电单位的正常工作。
在一级负荷中,当中断供电将发生中毒、爆炸和火灾等情况的负荷,以及特别重要场所的不允许中断供电的负荷,应视为特别重要的负荷。2.符合下列情况之一时,应为二级负荷:
(1)中断供电将在政治、经济上造成较大损失时。
(2)中断供电将影响重要用电单位的正常工作。
3.不属于一级和二级负荷者应为三级负荷 。
2.2.2 本工程的负荷情况:
按我国有关规范规定,凡多层住宅用电均按三级负荷供电,而小区的配套设施如面积较大或带有空调系统的会所、商铺及地下停车库等则应根据《建筑防火设计规范》(GBJ 16-87)、《火灾自动报警系统设计规范》(GB 50116-98)、《汽车库、修车库、停车场设计防火规范》(GB 50057-97)设置相应的消防设施,且上述消防设备应按二级负荷供电。为小区服务的保安系统、远程集中收费系统、电视、信息网络系统的负荷等级不应低于二级,即宜两路供电或地区供电条件困难时,二级负荷可由一路专用10 kV架空线路或电缆供电。本工程包含高层普通住宅、多层住宅、商铺、车库等,属于规范规定的二级负荷。
2.3 电源及高压供配电系统
本小区位于城市主城区,高压电源由附近10kV配网线路接引。近年来,为保证供电质量和供电可靠性,某些小区高压部分采用双电源的供电模式,但对于本设计中的小区来说,参考《城市电力网规划设计导则》有关规定,并不符合规定中重要用户的标准,因此,只允许接入一路高压电源。如有需要,可对电梯、消防设施自备应急电源,但应急电源与工作电源之间必须采取措施,防止并列运行对10kV供电网络造成反送电事故。应急电源的设置需经供电部门审查同意后方能接入。
小区南侧即为10kV高压架空线路,可直接在就近砼杆上引一路10kV电源,组立附杆1基,使用绝缘导线从线路主杆接引至附杆,再从附杆敷设高压电力电缆至小区内高压设备。
2.4 负荷计算
2.4.1 住宅小区住户照明用电负荷计算方法:
简单测算住宅小区住户照明用电负荷的方法可以有两种:
1.单位指标法
单位指标法确定计算负荷Pjs(适用于照明及家用电负荷)即: Pjs=∑Pei×Ni÷1000(kW)
式中Pei——单位用电指标,如:W/户(不同户型的用电指标不同),由于地区用电水平差异,各地区应根据当地实际情况取用
Ni——单位数量,如户数(对应不同面积户型的户数)
应用以上方法计算负荷应乘以同时系数,即实际最大负荷(PM)。 PM=Pjs×η
式中η——同时系数,η值按照住户数量多寡不同取不同的数值:一般情况下,用户数量在25~100户时取0.6;用户数量在101~200户时取0.5;用户数量在200户以上时取0.35
2.单位面积法
按单位面积法计算负荷,在一定的面积区有一个标准,面积越大的区其负荷密度越小,其表达式为:PM=Ped×S×η
式中PM——实际最大负荷,kW S——小区总面积,m2
Ped——单位面积计算负荷,W/m2η——同时系数,取值范围同上
2.4.2 其它负荷计算方法:
根据以上两种方法求出照明及家用负荷后,还需考虑其它用电负荷。比如本小区还包括小区物业公司、泵房、热力交换站及车库、自行车棚等用电负荷;另外还有四座小高层,还应考虑电梯负荷;二次加压泵房负荷(供生活及消防用水),以上诸负荷在计算住宅小区负荷中占比重较大的是照明及家用电负荷,而其出现最大值的时段为每天19:00~22:00,因而在计算小区的最大负荷时以19:00~22:00时段的照明及家用电负荷为基础,然后再叠加其它负荷。其它负荷计算方法为:
1.电梯:
PD=∑PDi×ηD。
式中PD——电梯实际最大总负荷,kW
PDi——单部电梯负荷,kW
ηD——多部电梯运行时的同时系数(取值范围见表2-1)
表2-1 电梯同时系数一览表
2.二次加压水泵:PMS=∑PSi×NSi
式中PMS——二次加压水泵最大运行方式下(开泵最多的方式)的实际最大负荷
PSi——各类水泵的单台最大负荷
NSi——最大运行方式下各类水泵的台数
3.物业楼:
PWM=PWS×ηW
式中PWM——物业楼在照明及家用电最大负荷时段实际最大负荷
PWS——物业楼设计最大负荷,kW
ηW——物业楼负荷、照明及家用电最大负荷的同时系数
4.路灯及公用照明:
按照路灯的盏数及每盏灯的瓦数进行累加计算。路灯负荷为PL(kW)。
5.住宅小区的综合最大负荷
P∑=PM+PD+PMS+PWM+PL(kW)
3. 住宅小区供配电措施
住宅小区供配电特点:住宅小区楼房林立,各栋楼房之间空间较大,供电面积较大,负荷点的离散性大,每台箱变供电范围有限,因此需用多台箱变才能满足用户负荷要求。
首先把开发小区根据单体建筑的布局和负荷容量进行分块,形成以箱变为中心的配电区域。每一台箱变置于区域的位置中心地带,向周边区采用电缆放射式配电(一般为6~10回路)。每一组区一般由5~8栋多层建筑组成。再由各建筑低压电缆分支箱敷设低压分支线缆至各单元内配电箱。除高层楼房内配电箱及多层楼房单元内电表箱有电表位置外其它均需加装低压电表计量箱。配电模式示意如图3-1:
图3-1配电模式示意
3.1. 箱式变的台数与容量、类型的选择
3.1.1 变压器的容量选择
电源采用现场一级变压,10 kV变0.4 kV(户外箱式变电站)。住宅小区负荷点多而分散,箱变分布在负荷中心,减小一次投入,降低运行成本,提高用户的用电质量。从站变到箱变的10 kV用电缆连接,各个箱变的容量由各进户单栋楼房的区域计算总负荷选定。
3.1.2 变压器的类型选择
目前国内10kV以下配网主要采用的变压器类型有:油浸式配电变压器S9系列配电变压器,S11系列配电变压器,卷铁心配电变压器,非晶合金铁心变压器,浸渍绝缘干式变压器和环氧树脂绝缘干式变压器。
非晶合金铁心变压器是新一代的配网变压器,主要优点是空载损耗低,其空载损耗值与同容量S9型变压器相比,可降低75%,节能效果明显。但价格较高、材料依赖进口,且并未完全推广开来。普遍设计还是使用S9系列油浸式配电变压器。由于采用油变容量在800kVA及以上时需加装瓦斯保护装置,使箱变的设计变得复杂、不易操作,也增加了安全隐患。因此,通常变压器容量在800kVA及以上时选择构简单,维护方便,又有防火、难燃等特点的环氧树脂绝缘干式变压器,
综上所述,本工程所使用的四台变压器型号分别为S9-630kVA 10/0.4kV,SCB10-800kVA 10/0.4kV,SCB10-1000kVA 10/0.4kV两台。
3.1.3 箱式变及内部设备的类型选择
国内配网主要应用的箱式变有两类:美式箱变、欧式箱变。
美式箱变是高压开关与变压器共箱结构的小型化预装式变电站,它具有供电可靠、安装迅速、操作方便、造价低等优点,但共箱式箱变的变压器、柜体都不方便单独拆卸,不易检修。在实际应用中,主要用在建设空间不足、地域狭窄的位置。
欧式箱变为模块化结构布局,将高压开关设备、配电变压器和低压配电装置三个不同的隔室内、通过电缆或母线来实现电气连接,所用高低压配电装置及变压器均为常规的定型产品。外形美观大方,内部操作空间较大,安装操作比较方便,易于后期检修维护,一般为商住小区配电工程的首选。本工程所选用的箱式变型号为:ZBW-12型
3.2 高、低压分线设备选择
3.2.1 高压电缆分支箱的选择
由上述内容可知,本小区共需安装箱式变四座,高压主进线为一路,因此高压电缆分支箱宜采用进线侧单开关型电缆分支箱。此类新型高压电缆分支箱为单元柜式,采用模块化复合绝缘柜,一体化充气SF6负荷开关,具有安全、易操作、进出线组合灵活的特点。因此本设计中高压电缆分支箱选用长度小、电缆排列清楚、三芯电缆接引不需交叉的欧式电缆分支箱。本设计高压电缆分支箱选择型号为:KDF-1K-1/5型
3.2.2低压电缆分支箱的选择
低压电缆分支箱采用DFW-0.4kV低压电缆分接箱,此类低压电缆分支箱的特点是:采用预制型电缆插器件,具有全绝缘、全密封、全防水、免维护、安全可靠。适合安装在住宅小区的环境中,位置通常选择安装在需要分支进线电缆的楼房侧面散水上,结构紧凑、体积较小,既不会影响住宅小区的美观环境,也不会影响小区内正常交通。
3.3. 高、低压电缆类型及截面型号选择
3.3.1 低压电缆配置原则
电缆路径的选择应符合下列要求:
1.应避免电缆遭受机械性外力、过热、腐蚀等危害;
2.应便于敷设、维护;
3.应避开场地规划中的施工用地或建设用地;
4.应在满足安全条件下,使电缆路径最短。
在住宅小区配电工程中,电缆主要采用直埋式敷设方式,缆外皮至地面的深度不应小于0.7m,并应在电缆上下分别均匀铺设100mm厚的细砂或软土,并覆盖建筑用砖作为保护层。电缆路径穿越小区主干道等可能有机动车行经的道路时,需穿铸铁保护管敷设。
10kV降压变压器的供电半径通常设计值不大于500米,由箱变出线的低压主缆敷设至各用电建筑,有单元进线的则需在建筑物的外墙上明设低压电缆分支箱,与箱变的距离一般控制在30~200 m以内。低压电缆分支箱接箱至各栋电源箱的进户电缆控制在25~150 m以内,设计应考虑电缆路走捷径。
3.3.2 高压电缆的选择
高压电缆选用铝芯交联聚乙烯绝缘钢带铠装氯乙烯护套电力电缆(YJLV22 6/10kV)。
交联聚乙烯绝缘电力电缆具有卓越的热—机械性能,优异的电气性能和耐化学腐蚀性能,还具有结构简单、重量轻、敷设不受落差限制等优点,是目前广泛用于城市电网、矿山和工厂的新颖电缆。交联聚乙烯绝缘电力电缆导体最高额定工作温度为90℃,比纸绝缘电缆、聚氯乙烯绝缘电缆、聚乙烯绝缘电缆均高,所以电缆的载流量也进一步提高。
3.3.3 高压电缆截面选择
依据3.1.2中变压器一次侧的额定电流,可以确定所要选的高压电缆截面型号:
630kVA变压器选用YJLV22-3×35高压电缆,800kVA变压器选用YJLV22-3×50高压电缆,1000kVA变压器选用YJLV22-3×50高压电缆,高压主进线选用YJLV22-3×150高压电缆。
3.3.4 低压电缆的选择
低压电力电缆采用铜芯交联聚乙烯绝缘钢带铠装聚氯乙烯护套电力电缆(YJV22 0.6/1kV )。本工程中除自行车棚照明用电选用两芯电缆外,其余低压电缆均为四芯电缆。
3.3.5 低压电缆截面选择
低压电缆截面可根据负荷值的大小计算选择,依据有功功率计算公式:P=√3UIcosφ
根据第二章计算出的负荷值,代入上式得出各居民楼负荷电流值:I=P÷(√3UIcosφ)
再依据不同规格电缆载流量选择所需电缆截面,考虑低压电缆使用中热稳定影响以及线路长度造成的电压降的情况,实际使用的电缆截面选择必须在按需用电流的基础上增大一到二个型号的截面。
各住宅楼单元进线电缆选择:本小区多层住宅楼每单元每层为2户,每单元共12户,按单位指标法计算Pjs=Pei×Ni×η=4kW×12户×0.8=38.4kW,所需电流为I=P÷(√3UIcosφ)=68.64A,选YJV22 -4×25mm2型。自行车棚负荷主要为照明负荷,从低压电缆分支箱至车棚电表电源电缆选用YJV22 -2×10mm2型;地下车库负荷为三相四线,从低压电缆分支箱至车库电表电源电缆统一选用YJV22 -4×16mm2型;
小区商户一般为二层,平均面积在200平方米,依面积法计算单户负荷为:PM=Ped×S=80W/m2×200m2÷1000=16kW,所需电流为I=P÷(√3UIcosφ)=28.6A,从电缆分支箱至各商户低压电缆选用YJV22 -4×16mm2型。
4.防雷接地
4.1 电力设备防雷
在配电网络中,由于接地种类的不同,其保护接地方式、供电系统也有所不同。正确理解和推广使用几种低压保护接地方式及供电系统,对提高电网安全、可靠运行水平有着十分重要的意义。
4.2 低压配电系统的接地型式和基本要求
低压配电系统的接地形式可分为TN、TT、IT三种系统,其中TN系统又可分为TN-C、TN-S、TN-C-S三种形式。
1.TN系统应符合下列基本要求:
(1)在TN系统中,配电变压器中性点应直接接地。所有电气设备的外露可导电部分应与配电变压器中性点相连接。
(2)保护导体或保护接地中性导体应在靠近配电变压器处接地,且应在进入建筑物处接地。
(3)保护导体上不应设置保护电器及隔离电器。
(4)保护导体单独敷设时,应与配电干线敷设在同一桥架上。
采用TN--C-S系统时,当保护导体与中性导体从某点分开后不应再合并,且中性导体不应再接地。
2.TT系统应符合下列基本要求:
(1)在TT系统中,配电变压器中性点应直接接地。电气设备外露可导电部分所连接的接地极不应与配电变压器中性点的接地极相连接。
(2)TT系统中,所有电气设备外露可导电部分宜采用保护导体与共用的接地网或保护接地母线、总接地端子相连。
3.IT系统应符合下列基本要求:
(1)在IT系统中,所有带电部分应对地绝缘或配电变压器中性点应通过足够大的阻抗接地。电气设备外露可导电部分可单独接地或成组的接地。
(2)电气设备的外露可导电部分应通过保护导体或保护接地母线、总接地端子与接地极连接。
(3)1T系统必须装设绝缘监视及接地故障报警或显示装置。
(4)在无特殊要求的情况下,IT系统不宜引出中性导体。
4.设计时应根据系统安全保护所具备的条件,并结合工程实际情况,确定系统接地形式。
4.3 接地种类
1.工作接地:为保证电力设备达到正常工作要求的接地,称为工作接地。中性点直接接地的电力系统中,变压器中性点接地,或发电机中性点接地。
2.保护接地:为保障人身安全、防止间接触电,将设备的外露可导电部分进行接地,称为保护接地。保护接地的形式有两种:一种是设备的外露可导电部分经各自的接地保护线分别直接接地;另一种是设备的外露可导电部分经公共的保护线接地。
3.重复接地:在中性线直接接地系统中,为确保保护安全可靠,除在变压器或发电机中性点处进行工作接地外,还在保护线其他地方进行必要的接地,称为重复接地。
4.保护接中性线:在380/220V低压系统中,由于中性点是直接接地的,通常又将电气设备的外壳与中性线相连,称为低压保护接中性线。
本工程中所使用的高、低压设备接地均选择保护接中性线方式,将接地装置与设备外壳连接实现接地保护。
4.4 接地装置
1.接地装置:
接地装置可使用自然接地体和人工接地体。在设计时,应首先充分利用自然接地体。
(1)自然接地:
在新建的大、中型建筑物中,都利用建筑物的构造钢筋作为自然接地。它们不但耐用、节省投资,而用电气性能良好。
(2)人工接地体:
人工接地体有两种基本型式:垂直接地体和水平接地体。垂直接地体多采用截面为50mm×50mm×4mm,长度为2500mm的角钢或圆钢;水平接地体多采用截面为40mm×4mm的扁钢。
2.接地电阻:
《电力设备接地设计技术规程》规定,低压中性点直接接地系统中,100kVA以上变压器接地电阻值≤4Ω。
本工程所使用的设备接地均为人工接地体接地,按设备基础设计图配套安装,箱式变及高压电缆分支箱的接地电阻值应控制在≤4Ω,低压电缆分支箱的接地电阻值≤10Ω。
5.总结
通过此开发小区的设计,使我们的设计理念有了更深层次的认识和提高。设计必须根据小区实际,符合其特点,采用多种供配电形式和方法,满足使用功能的要求,不但做到整体布局合理,在宏观上保持三相负荷分配基本平衡,而且在微观上要做到细致,给每个用户提供一个良好的用电环境。在实现安全可靠配电的同时,还要做到环境的美化,使整个小区的配电合理、适用、经济。
参考文献
1. 《民用建筑电气设计规范 JGJ16-2008》
2. 《低压配电设计规范GB50054-95》
3. 《电力工程设计手册》·电力工业部
4. 《电力设备接地设计技术规程》
5. 《电力工程电缆设计规范》
6. 《火灾自动报警系统设计规范GB 50116-98》
关键词:电力系统;规划设计;电力工程设计
中图分类号:TM726 文献标识码:A 文章编号:1006-8937(2013)35-0031-02
1 电力系统规划设计的基本内容
整个电力系统的规划设计主要涉及中期电力系统发展规划和长期电力系统发展规划两个方面,这项工作对于单项电力工程设计规划具有十分重要的指导意义,也是电力工程设计的主要依据。单项电力工程规划设计过程中的电力系统规划设计主要包括下述几点内容:分析工程所处地区电力负荷特性;分析附近地区电网电源规划设计情况;从电源规划和负荷预测结果出发,分析电量与电力平衡;设计电力工程电网系统接入的优化方案;接入方案的电气计算;对计算结果进行分析,比较方案的经济性。
第一,分析和预测电力负荷情况。对电力工程计划建设区域的电力负荷情况进行分析和预测是电力系统设计规划工作的基础。在设计规划电力工程前,需要预测其中短期负荷情况,在总结分析历年电力负荷数据的基础上,充分考虑社会经济发展规划,准确预测该地区中短期电力负荷情况,另一方面,对在建的和已有的电力系统工程负荷情况进行系统分析,从而最终确定其对于电力供应网络所产生的影响。
第二,电源规划情况和出力。电力系统规划设计的关键在于规划电源分布,在附近地区电网电源规划设计的基础上,形成详细全面的调查分析报告,这也是电力系统规划设计的核心内容,有助于单项电力工程的开展建设。电源通常包括统调电源和地方电源两种,其中,统调电源主要指的是电网所调度管理的各个大型发电站,而地方电源是指企业、集体和个人自备的发电机组。
第三,电力电量平衡。在电力系统规划设计过程中,首先需要考虑的问题就是电力电量平衡,在前期评估分析电源出力和电力负荷的基础上,对电力系统每年的平均负荷情况进行准确计算,将各种电源出力计算结果相结合,对电力电量盈亏情况进行计算,从而获得电力系统所需的变电数据和发电装置容量资料。
第四,接入系统方案。以电网发展规划、电源负荷分布以及现有电力网络基本特征等情况为基础,对电网项目工程在整个电力系统中的基本作用和地位进行分析,根据政府相关部门和电网规划的审批意见,设计出项目接入电网系统的基本方案,在电网新技术、节能降耗、综合考虑节约用地、远近结合等基本原则指导下,对项目接入系统方案的合理性与可行性进行论述分析。
第五,电气计算公式。①无论变压器进行多少次油过滤处理,均应保证过滤质量符合标准,计量单位设置为t,其计算方法为:油过滤数量(t)= (l+损耗率)×设备油重(t)。②带形母线计算方法为:根据电力系统设计方案,对单项延长米门象线的预留长度进行计算。③根据电力系统规划设计方案,对基础槽钢角钢的安装长度进行准确计算,若为单个柜盘,则L=2(A+B);若为多个相连接的同规格柜盘,则L=nZA+2B,其中,n表示柜或屏的数量,B表示的是柜或屏的厚度;A表示的是柜或屏的宽度,L表示的是所需长度。④盘柜配线长度计算方法为:L=配线回路数×盘柜板面半周长。⑤电缆安装工程量计算方法为:L=■(各种预留长度+垂直长度+水平长度)×(1+2.5%电缆曲折折弯余系数)。⑥电缆保护管计算方法:穿过建筑物外墙的电缆保护管应为基础外缘加1 m;垂直敷设电缆保护管应为穿地面与管口之间距离加2 m;过排水沟电缆保护管应为沟壁外缘加l m;横穿公路电缆保护管应为路基的宽度加4 m。⑦电力电缆中间头数量计算方法:N=L/l-1,其中,1为每段电缆的平均长度,L为电缆的设计长度,n为中间头的数量。⑧避雷线和接地母线敷设工程量的计算方法:L=■(施工图设计垂直长度+水平长度)×(1+3.9%附加长度)。
第六,方案比较分析。对各种项目接入方案效果进行对比分析,以各类电气的计算结果为基础,从经济性、发展适应性、实施性和可靠性等几个方面出发,对各个方面进行综合比较,从而准确评估其运行和设计效果,并选择最佳的电力系统规划设计方案。
第七,系统专业提资。利用可续的规划设计系统,通过准确可靠的电气系统计算,最终选择出最为有效且合理的项目接入系统方案,从而对电力项目工程的投产时间和工程建设规模进行最终确定,并为电力系统其他工程的设计提供专业有效的数据支持和设计依据。
2 电力系统规划设计经验总结
2.1 准备阶段
在电力系统规划设计工作开始前,相关设计人员应全面了解附近区域的电力系统建设和使用情况,对大网区的基本特征和情况进行深入分析,同时,对相关系统资料进行手机整理和分析。了解现有统调电源、线路和变电站相关资料,并将其制作为数据表录入数据库,从而建立现有电网网架的基础数据系统。另一方面,还应对最新的电力主网规划建设情况进行收集整理,从而掌握附近区域电网发展的基本特点和方向,最终建设成为各规划水平电力网架的基础数据系统。
2.2 开展工作
电力系统规划设计人员应及时了解电力系统的发展变化情况,对数据库信息进行及时的更新出来,全面了解不同地区的电力负荷特征和情况,系统收集各个地区电力线路、变电站和电厂的运行资料和分布情况,从而提高电力系统规划设计的合理性与有效性。对于新建设的电力工程项目,需要以当地电力负荷情况分析为基础,收集整个附近地区和当地的电力系统数据资料,准确计算各个电力系统的电气情况,从而为电力系统工程的设计提供数据基础。
3 总 结
综上所述,随着电力系统规划设计作用和影响的逐步扩大,电力工程设计对于电力系统规划设计也提出了更高的要求,因此,对于电力系统规划设计单位和人员来说,应不断创新和改进技术,使其更加符合社会发展的新要求、新形势,从而推进我国电力行业的进一步发展,促进社会经济的健康稳定发展。
参考文献:
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