配电电缆截面的经济性选择分析

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                         摘要： 本文通过偿还年限回收方法对配电电缆截面的经济性选择进行分析，以求得出最理想的截面选择方法，即通过经济技术比较来找出最佳经济效益的选择方案。
    关键词： 电缆截面 经济性 分析 选择  
    电气设计中选择配电电缆时，通常是根据敷设条件确定电缆型号，然后再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，下面我将通过偿还年限回收方法对这个问题进行论述，以求得出最理想的截面选择方法，即通过经济技术比较来找出最佳经济效益的选择方案。  
1.1 偿还年限经济技术分析法  
对工程经济效益的分析方法有很多种，如：  
（1）偿还年限法；  
（2）等年度费用法；  
（3）现值比较法等。  
偿还年限法是直接比较两个技术上可行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，它的目的就是找出最佳方案。  
如果方案1的投资F1低于方案2的投资F2，而方案1的年运行费Y1高于方案2的年运行费Y2。这时就要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的偿还年限N。  
N=（F2-F1）/（Y1-Y2）年  （3）  
如果年值较小，如只有二、三年，则显然初投资高的方案经济。若N值较大，如十年左右，那就偿还年限太长，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地确定标准的偿还年限NH。一般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。  
1.2 利用偿还年限法选择电缆截面  
现以380V动力配电电缆为例，取一些典型情况进行计算（实例见附录图纸《商铺导线选择计算书》）。  
设回路负荷P1、P2、P3、P4、P5的线路长度都为100m，计算电流（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，选用YJV电力电缆沿桥架敷设。  
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4所示。为了简化计算，此表中数据是取功率因数0.8时计算得出的，实际上一般情况下用电设备的功率因数都低于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。  
             电缆参数初选结果           表4  




回路号  

计算电流（A）  

电缆截面（mm2）  

载流量（A）  

电压损失（△U％）  


P1  

7.5  

3X2.5  

25  

4.06  


P2  

50  

3X10  

58  

4.3  


P3  

100  

3X25  

105  

4.1  


P4  

150  

3X50  

157  

3.2  


P5  

210  

3X95  

245  

2.79  
上表中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，初投资也是最低的。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，适当的增大截面是否能改善这种情况呢？加大几级截面才最为经济合理呢？  
第二步：多种方案比较。  
首先，对P1回路适当增加截面的几种方案进行比较：  
方案1：按发热条件选截面，即3X2.5mm2。  
方案2：按方案1再增大一级截面，即3X4 mm2。  
接下来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无多大关系，可以忽略不计，折旧费也忽略不计，所以：  
方案1的初投资F1=电缆单价X电缆长度=3500①元/kmX0.1/km=350元。  
方案2的初投资F2=电缆单价X电缆长度=3800元/kmX0.1/km=380元。  
方案1的年电能损耗费D1=年电能消费量X电度单价=△AkwhX0.8。  
式中：△A=3I2JS*R0*L*τ10-3kwh  
R0-线路单位长度电阻（YJV-0.6/1KV-2.5mm2 R0=9.16/km）；  
L-线路长度；  
IJS-线路计算电流；  
τ-年最大负荷小时数，这里取3000h（按8小时计算）。  
于是：  
D1=△AX0.8=3X7.52*0.916*0.1*3000*0.8*10-3=37元  
所以，方案1的年运行费Y1即是年电能损耗费37元。  
按与上面相同的方法可求得方案2的年运行费（计算略）为30.7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：  
N=（F2-F1）/（Y1-Y2）=（380-350）/（37-30.7）=4.7年  
可见，偿还年限小于5年，说明方案2优于方案1，方案2的多余投资在3年左右就可通过节省运行费而回收。也就是说，人为增加一级截面是经济合理的。那么增大两或三级，甚至更多，其经济效果如何，是否更加经济？下面作类似计算比较。  
现在根据表5的结果，将方案3与方案2比较，方案3的投资高于方案2，但年运行费用少，其偿还年限为：  
N’=（409-380）/（30.7-26）=6.17年  
显然，因偿还年限超过标准偿还年限5年，故投资高的方案是  
------------------------------------------------------  
①因近来铜价不稳定，所以这里采用的是2004年铜价未涨时的电缆价格。  
不合理的，即投资方案2优于方案3。  
同样，方案4与方案3比较，方案4的偿还年限远远高于方案3的：  
N’’=（499-409）/（26-21）=18年  
             P1回路电缆选择方案比较   表5  




回路号  

电缆截面（mm2）  

初投资（元）  

年运行费  


1  

3X2.5  

350  

37  


2  

3X4  

380  

30.7  


3  

3X6  

409  

26  


4  

3X10  

499  

21  
通过以上分析计算，最终可以确定方案2（即按发热条件选出截面之后，再人为加大一级）是该回路选择截面的最佳方案。对其它P2-P5线路经过上述计算方法均可以得出同样结论，这里不再一一赘述。  
因此，我认为在选择电缆截面时，按发热条件选出后，再人为加大一级，从经济学的角度看是明显有效益的；从技术角度看，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系统的增容创造了有利的条件。  
但是，当负荷电流较小（IJS<5A）时，通过计算可以发现：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，增大截面而多投资的部分，需要5年以上才能回收，故此时只需按发热条件选择即可。  
1.3 总结  
1.3.1 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，然后再加大一级，当负荷计算电流小于5A时就不必加大截面了。当然，电压损失仍要计算，如损失超过允许的5%时，可以增大一级。  
1.3.2 线路长短与偿还年限无关  
前面计算过程中为简化计算而把电缆长度均设为100m，实际上，线路长度对比较结果是没有影响的，下面把偿还年限公式展开：  
N=[α2L/3I2JS*R10*L*τ*d10-3]-[ α1L/3I2JS*R20*L*τ*d10-3]  
其中：  
L-线路长度（km）；  
R10、R20-两种电缆单位长度电阻（Ω/km）；  
d-电度单价（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，因为无论线路长短，都可以用该方法选择电缆导线的截面。  
参考文献  
[1] 《电气和智能建筑》杂志  
[2] 《全国民用建筑工程设计技术措施》（电气），中国计划出版社  
[3] 《工程经济学》  
[4] 《工厂配电设计手册》，水电部出版社  
[5]  电线电缆技术、规格参数