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電線電纜截面的選擇基礎知識
本文通過償還(hái)年(nián)限回收方法對配電電纜截面的經濟性選擇進行分(fēn)析，以求得(de)出最理(lǐ)想的截面選擇方法，即通過經濟技術(shù)比較來(lái)找出最佳經濟效益的選擇方案。 電氣設計(jì)中選擇配電電纜時，通常是根據敷設條件(jiàn)确定電纜号，然後再根據常用數據選出适合其載流量要求并滿足電壓損失及熱(rè)穩定要求的電纜截面。用這種方法選出的截面，技術(shù)上是可(kě)靠的，工(gōng)程投資也最低。但(dàn)是，這種選擇結果是否合理(lǐ)呢(ne)？我們知道，配電線路(lù)存在着電阻，它消耗浪費的電能是不可(kě)忽視的。爲了節約電能，減少電路(lù)電能損耗，可(kě)以考慮适當加大(dà)線路(lù)截面，而加大(dà)截面勢必造成工(gōng)程初投資的提高，下面我将通過償還(hái)年(nián)限回收方法對這個問(wèn)題進行論述，以求得(de)出最理(lǐ)想的截面選擇方法，即通過經濟技術(shù)比較來(lái)找出最佳經濟效益的選擇方案。
1.1 償還(hái)年(nián)限經濟技術(shù)分(fēn)析法
對工(gōng)程經濟效益的分(fēn)析方法有很多種，如(rú)：
（1）償還(hái)年(nián)限法；
（2）等年(nián)度費用法；
（3）現值比較法等。
償還(hái)年(nián)限法是直接比較兩個技術(shù)上可(kě)行的方案在多長時間内可(kě)以通過其年(nián)運行費的節省，将多支出的投資收回來(lái)，它的目的就(jiù)是找出最佳方案。
如(rú)果方案1的投資F1低于方案2的投資F2，而方案1的年(nián)運行費Y1高于方案2的年(nián)運行費Y2。這時就(jiù)要正确權衡投資和年(nián)運行費兩個方面的因素，即應計(jì)算選擇投資高的方案的償還(hái)年(nián)限N。
N=（F2-F1）/（Y1-Y2）年(nián) （3）
如(rú)果年(nián)值較小，如(rú)隻有二、三年(nián)，則顯然初投資高的方案經濟。若N值較大(dà)，如(rú)十年(nián)左右，那就(jiù)償還(hái)年(nián)限太長，投資長期積壓，初投資高的方案就(jiù)不經濟了。因此，償還(hái)年(nián)限法的關鍵在于合理(lǐ)地确定标準的償還(hái)年(nián)限NH。一般我國(guó)的電力設計(jì)通常取5-6年(nián)。在方案比較時，把計(jì)算的償還(hái)年(nián)限N與标準償還(hái)年(nián)限NH作(zuò)比較，若N=NH，則認爲兩個方案均可(kě)；若N<NH，則認爲投資高的方案優于投資低的方案，若N>NH，則相(xiàng)反。
1.2 利用償還(hái)年(nián)限法選擇電纜截面
現以380V動力配電電纜爲例，取一些典型情況進行計(jì)算（實例見(jiàn)附錄圖紙《商鋪導線選擇計(jì)算書(shū)》）。
設回路(lù)負荷P1、P2、P3、P4、P5的線路(lù)長度都(dōu)爲100m，計(jì)算電流（即線路(lù)長期通過的最大(dà)負荷電流）分(fēn)别爲7.5A、50A、100A、150A、210A，根據敷設要求，選用YJV電力電纜沿橋架敷設。
第一步：查閱相(xiàng)關資料，按常規方法，即按發熱(rè)條件(jiàn)選擇電纜截面，并校(xiào)驗電壓損失，其初選結果如(rú)表4所示。爲了簡化計(jì)算，此表中數據是取功率因數0.8時計(jì)算得(de)出的，實際上一般情況下用電設備的功率因數都(dōu)低于0.8。所以，實際的電壓損失與計(jì)算值各有不同，但(dàn)基本不影(yǐng)響對于截面的選擇。
電纜參數初選結果 表4
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回路(lù)号 |
計(jì)算電流（A） |
電纜截面（mm2） |
載流量（A） |
電壓損失（△U％） |
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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 |
上表中電纜截面是按發熱(rè)條件(jiàn)選取的，所選截面均滿足電壓損失小于5%的要求。這種選擇方案自(zì)然是技術(shù)上可(kě)靠，節省有色金屬，初投資也是最低的。但(dàn)是，因截面小而電阻較大(dà)，投入運行後，線路(lù)電阻年(nián)浪費電能較多，即年(nián)運行費用較高。那麽，适當的增大(dà)截面是否能改善這種情況呢(ne)？加大(dà)幾級截面才最爲經濟合理(lǐ)呢(ne)？
第二步：多種方案比較。
首先，對P1回路(lù)适當增加截面的幾種方案進行比較：
方案1：按發熱(rè)條件(jiàn)選截面，即3X2.5mm2。
方案2：按方案1再增大(dà)一級截面，即3X4 mm2。
接下來(lái)分(fēn)别計(jì)算兩種方案的投資與年(nián)運行費。爲簡化計(jì)算，僅比較其投資與年(nián)運行費的不同部分(fēn)。就(jiù)投資而言，因截面加大(dà)對直埋敷設，除電纜本身(shēn)造價外，其它附加費用基本相(xiàng)同，故省去(qù)不計(jì)。年(nián)運行費用中的維護管理(lǐ)實際上也與電纜粗細無多大(dà)關系，可(kě)以忽略不計(jì)，折舊費也忽略不計(jì)，所以：
方案1的初投資F1=電纜單價X電纜長度=3500①元/kmX0.1/km=350元。
方案2的初投資F2=電纜單價X電纜長度=3800元/kmX0.1/km=380元。
方案1的年(nián)電能損耗費D1=年(nián)電能消費量X電度單價=△AkwhX0.8。
式中：△A=3I2JS*R0*L*τ10-3kwh
R0-線路(lù)單位長度電阻（YJV-0.6/1KV-2.5mm2 R0=9.16/km）；
L-線路(lù)長度；
IJS-線路(lù)計(jì)算電流；
τ-年(nián)最大(dà)負荷小時數，這裡(lǐ)取3000h（按8小時計(jì)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(nián)運行費Y1即是年(nián)電能損耗費37元。
按與上面相(xiàng)同的方法可(kě)求得(de)方案2的年(nián)運行費（計(jì)算略）爲30.7元。
顯然，方案2投資高于方案1，但(dàn)年(nián)運行費卻低于方案1，其償還(hái)年(nián)限N爲：
N=（F2-F1）/（Y1-Y2）=（380-350）/（37-30.7）=4.7年(nián)
可(kě)見(jiàn)，償還(hái)年(nián)限小于5年(nián)，說(shuō)明方案2優于方案1，方案2的多餘投資在3年(nián)左右就(jiù)可(kě)通過節省運行費而回收。也就(jiù)是說(shuō)，人爲增加一級截面是經濟合理(lǐ)的。那麽增大(dà)兩或三級，甚至更多，其經濟效果如(rú)何，是否更加經濟？下面作(zuò)類似計(jì)算比較。
現在根據表5的結果，将方案3與方案2比較，方案3的投資高于方案2，但(dàn)年(nián)運行費用少，其償還(hái)年(nián)限爲：
N’=（409-380）/（30.7-26）=6.17年(nián)
顯然，因償還(hái)年(nián)限超過标準償還(hái)年(nián)限5年(nián)，故投資高的方案是
①因近來(lái)銅價不穩定，所以這裡(lǐ)采用的是2004年(nián)銅價未漲時的電纜價格。
不合理(lǐ)的，即投資方案2優于方案3。
同樣，方案4與方案3比較，方案4的償還(hái)年(nián)限遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于方案3的：
N’’=（499-409）/（26-21）=18年(nián)
P1回路(lù)電纜選擇方案比較 表5
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回路(lù)号 |
電纜截面（mm2） |
初投資（元） |
年(nián)運行費 |
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1 |
3X2.5 |
350 |
37 |
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2 |
3X4 |
380 |
30.7 |
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3 |
3X6 |
409 |
26 |
|
4 |
3X10 |
499 |
21 |
通過以上分(fēn)析計(jì)算，最終可(kě)以确定方案2（即按發熱(rè)條件(jiàn)選出截面之後，再人爲加大(dà)一級）是該回路(lù)選擇截面的最佳方案。對其它P2-P5線路(lù)經過上述計(jì)算方法均可(kě)以得(de)出同樣結論，這裡(lǐ)不再一一贅述。
因此，我認爲在選擇電纜截面時，按發熱(rè)條件(jiàn)選出後，再人爲加大(dà)一級，從(cóng)經濟學的角度看(kàn)是明顯有效益的；從(cóng)技術(shù)角度看(kàn)，增大(dà)電纜截面，線路(lù)壓降減小，從(cóng)而提高了供電質量，而且截面的增大(dà)也爲系統的增容創造了有利的條件(jiàn)。
但(dàn)是，當負荷電流較小（IJS<5A）時，通過計(jì)算可(kě)以發現：沒有必要再加大(dà)截面。因爲負荷電流較小，所産生(shēng)的線路(lù)損耗也較小，增大(dà)截面而多投資的部分(fēn)，需要5年(nián)以上才能回收，故此時隻需按發熱(rè)條件(jiàn)選擇即可(kě)。
1.3 總結
1.3.1 按投資年(nián)限法選擇電纜截面
首先，按發熱(rè)條件(jiàn)選出允許截面，然後再加大(dà)一級，當負荷計(jì)算電流小于5A時就(jiù)不必加大(dà)截面了。當然，電壓損失仍要計(jì)算，如(rú)損失超過允許的5%時，可(kě)以增大(dà)一級。
1.3.2 線路(lù)長短(duǎn)與償還(hái)年(nián)限無關
前面計(jì)算過程中爲簡化計(jì)算而把電纜長度均設爲100m，實際上，線路(lù)長度對比較結果是沒有影(yǐng)響的，下面把償還(hái)年(nián)限公式展開：
N=[α2L/3I2JS*R10*L*τ*d10-3]-[ α1L/3I2JS*R20*L*τ*d10-3]
其中：
L-線路(lù)長度（km）；
R10、R20-兩種電纜單位長度電阻（Ω/km）；
d-電度單價（元/kwh）。
公式的分(fēn)母、分(fēn)子都(dōu)有線路(lù)長度L，顯然可(kě)以消掉。因此，償還(hái)年(nián)限的計(jì)算結果與電纜長度無關。這一點很有意義，因爲無論線路(lù)長短(duǎn)，都(dōu)可(kě)以用該方法選擇電纜導線的截面。