低压动力电缆截面的选型与经济性分析

杨后贵，李祥永

（上海康恒环境股份有限公司，上海 201703）

0 引言

常规低压动力电缆截面选型是从技术角度进行选型，所选择的电缆截面需满足电缆温升、电缆压降、机械强度及热稳定性等要求。这种选型方式能满足电缆设计工况下的正常运行，但仅考虑建设期的电缆投资成本（CI），没有考虑电缆经济寿命期内线路损耗费用（CJ）。国际电工委员会（IEC）按经济电流选择电缆截面的原理，制定《电力电缆的线芯截面最佳化》标准，即IEC 287-3-2/1995，这个方法适用于低压电缆截面的选择。

在过去的工程建设过程中，企业注重初期投资的成本控制而忽略对长期运行成本的控制。随着经济的发展，越来越多的工程建设注重整体和长远的合理性，也就是既重视成本投资，也重视运行成本的节约，但仍然有部分建设单位不够重视。如果能全面推行经济电缆截面的选型方法，这将减少35%～42%的线路损耗，经济意义十分重大。

本文结合实际工程案例，从技术性和经济性两方面阐述电缆截面选型的具体方法，并比较相关参数的变化对电缆运行期的经济性影响。

1 电缆截面选型实例

在电缆选型过程中，单台真空泵配套电机的基本参数如下：功率为37 kW；电压等级为380 VAC；效率η=93%；额定电流Ie=70 A；电缆敷设长度为160 m；敷设方式为电缆穿管直埋，最大负荷利用小时数Tmax=8 000 h；汽机及公用PC段母线处三相短路电流Ik=36.3 kA。以下从技术性、经济性两个角度对该泵的动力电缆截面的选型方法进行介绍分析。

1.1 技术角度选型

1.1.1 按载流量条件选择电缆截面

真空泵的动力电缆按要求为交联聚乙烯绝缘、聚氯乙烯护套四芯0.6/1.0 kAV动力电缆，上级断路器脱扣器整定电流为100 A，按环境温度25℃考虑。《低压配电设计规范》第3.2.2条中规定，按敷设方式及环境条件确定的导体载流量，不应小于计算电流[1]，查《工业与民用配电设计手册》[2]可得电缆截面为(3 50+1 25)mm2，该根电缆载流量为130 A。考虑多回路（2回）电缆敷设埋地敷设条件，查《电力工程电缆设计规范》附录C[3]可得校正系数为0.9，即载流量为117 A，因此该电缆满足选型要求。

1.1.2 根据热稳定校验电缆截面

（1）按线路允许的电压降进行校验。假设真空泵cosΨ=0.8，查表可得电压损失为0.18%A·m，则电压ΔU%=0.16 0.18 420=12%，电压降满足电机允许启动电压偏差+15%，所选截面满足真空泵起动和运行要求。

（2）按热稳定性进行校验。交联聚乙烯绝缘、聚氯乙烯护套四芯0.6/1.0 kAV动力电缆绝缘材料的k值为137，断路器瞬时脱扣器分断时间t=0.02 s，则按热稳定性校验公式：缆的热稳定性校验。

因此，从技术角度选型应选择3 50 1 25 mm2截面的电缆。

1.2 经济性角度选型

根据中电价0.51～0.6元/(kW·h)、最大符合利用小时数Tmax=8 000 h及计算电流70 A三个参数，查询《工业与民用配电设计手册》中0.6/1 kV铜芯低压电缆的经济电流密度曲线，可得经济电流截面为3 95 1 50 mm2。因为经济电流截面大于技术选型截面，因此校验结果也满足要求。

2 经济效益分析

IEC287-3-2/1995《电力电缆截面的经济最佳化》提出总拥有费用最小法则（TOC）[2]，规定电缆的总成本CT包含两部分：一是电缆初始投资CI（包含电缆的材料费和安装费）；二是电缆在寿命期内的运行成本CJ。其中涉及公式包括：

式中：r、F、φ均为辅助参数。

由式（1）～（5）可知，电缆总成本CT与电缆初始投资CI、流过电缆的最大负荷电流Imax、每回电缆相导体的数Np、电缆回路数Nc、最大负荷损耗小时数τ（h）、电价P(元/(kW·h))、线路损耗引起的额外供电容量成本D(元/(kW·a))、银行贴现率i（%）、负荷增长率a（%）、能源成本增长率b（%）、单位长度交流电阻R（Ω/km）、线路长度L（m）、经济寿命N（年）等参数有关。根据查询本项目资料，可得到最大负荷电流Imax=70 A；每回电缆相导体的数Np=3；电缆回路数Nc=1；电价P=0.590 6元/(kW·h)；线缆长度L=0.16 km；单位长度交流电阻R=0.435（50 mm2）或0.229（95 mm2）；银行贴现率i=5.42%；最大负荷损耗小时数τ=8 000 h；负荷增长率a不计；能源成本增长率b按2%考虑；线路损耗引起的额外供电容量成本D（元/(kW·a)）按336元/(kW·a)计算。

根据山东省工程建设造价服务信息网查询，2017年，50 mm2电缆的材料费及安装费分别为104.52元/m和14.7元/m；95 mm2电缆的材料费及安装费分别为201.24元/m和27.2元/m。由于本项目建设周期为2年，运行周期28年，小于电缆寿命周期30年，可以不用考虑更换电缆的可能。根据以上数据可得本项目经济运行效益分析，如表1所示。

表1 2017年电缆初始投资所对应的电缆运行效益分析表

根据本项目实际参数对比技术角度选型和经济角度选型可以看出，经济性选型的初始投资CI大于技术角度选型的初始投资CI，但是考虑运行周期内的损耗，由表（1）可得经济性选型的电缆截面总投资CT大于技术性选型的电缆截面总投资CT，两者之间的节约绝对数可达22 877元。因此，在进行电缆截面选型时需考虑项目类型，如果本项目为EPC模式[5]，则仅从技术角度选型更优；如果本项目为PPP或BOT模式[6]且运行期大于20年时，则电缆选型从经济性角度进行更优。

3 参数变化对电缆经济运行效益的影响

3.1 贴现率i

贴现率是指将未来支付改变为现值所使用的利率，应该在充分了解项目实际情况的基础上选择合理贴现率。本项目保持初始投资CI、电价P、最大负荷损耗小时数τ等参数不变，考察贴现率分别为10%、8%、6%、4%时，从技术性及经济性角度所得的电缆截面的运行效益分析，如表2所示。

表2 不同贴现率i所对应的电缆运行效益分析表

由表（2）可知，当贴现率越低、节约百分数越大，回收年限越短。由此可知，贴现率越低，则按经济性选择电缆截面经济效益越好。工程的实施应合理选择贴现率，不能选择较高的贴现率致使损耗费用CJ被低估，或选择较低的贴现率致使损耗费用CJ被高估，这都不利于经济选型分析。

3.2 使用年限

低压电缆的寿命一般约为30年[7]，正常大多数BOT或PPP模式[6]项目建设运行周期为30年，但工程中各厂家的电缆使用年限都不一样。表（3）所示为根据初始投资CI、电价P、最大负荷损耗小时数τ、贴现率i=5.42%等参数不变的情况下，分析不同的使用年限N所对应的电缆运行效益。

表3 不同使用年限N所对应的电缆运行效益分析表

由表（3）可知，在电缆经济寿命周期内，随着使用年限变长，经济性选型的电缆截面所对应的经济效益越明显，收益可观；然而，如果工程项目为EPC模式[5]，后期运行产生的损耗费用不属于总承包方，建议设计师在电缆选型时按技术角度进行电缆截面选型，避免按经济性进行选型，多投入的资金无法收回。

3.3 年最大利用小时数τ

不同行业的年最大负荷损耗小时数τ不同，对经济截面影响较大。表（4）所示为根据初始投资CI、电价P、使用年限N、贴现率i=5.42%等参数不变的情况下，分析不同年最大利用小时数τ所对应的电缆运行效益。

表4 不同年最大利用小时数τ所对应的电缆运行效益分析表

由表（4）可知，随着年最大利用小时数τ越小，回收年限时间就越长；年最大利用小时数对应不同经济截面，因此在工程项目实施时合理确定年最大利用小时数τ，以便得到最佳的电缆截面。

4 结束语

通过分析，可以得出以下结论。

（1）选择电缆截面时，满足技术条件是首要条件。

（2）根据项目类型选择电缆选型方式。如该项目是EPC[5]或EP模式，按技术性选型最优；如该项目为BOT或PPP模式[6]且运行年限大于20年，建议按经济条件选择电缆截面。

（3）从电缆运行效益分析表中可以看出：电缆经济截面初期投资CI较大，但运行周期内总费用CT较低；贴现率越低，回收年限就越短；年最大利用小时数τ越大，年损耗费用就越高。

（4）工程项目在施工过程中，要求设计人员充分了解项目的特点以及合理选择总拥有费用最小法则（TOC）[8]中所涉及的参数，这样才可以选择最佳的电缆经济截面，创造最大的经济效益。