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配電電纜截面選擇的經濟技術論文
摘要：文章對配電電纜設計選擇載流量截面、投資費用與選擇方案等方面均進行了有關經濟技術的分析，提出了可行的補償年限法，在經濟方面取得了顯著效果。
關鍵詞：配電電纜選擇 投資與償還 節電
配電電纜選擇時，通常是根據敷設條件確定電纜型號，而后根據常用數據選出適合其載流量要求并滿足電壓損失及熱穩定要求的電纜截面。用這種方法選出的截面，技術上是可靠的，工程投資也最低。但是，這種選擇結果是否合理呢？我們知道，配電線路存在著電阻，它所消耗浪費的電能是不可忽視的。為了節約電能，減少電路電能損耗，可以考慮適當加大線路截面，而加大截面勢必造成工程初投資的提高。本文將利用補償年限回收方法對這個問題加以討論，通過定量分析計算即經濟技術比較來尋求具有最佳經濟效益的選擇方案。
1.經濟技術分析的方法
對工程經濟效益的分析方法通常有：
（1）補償年限法；
（2）年總費用法；
（3）財務報表法等。
償還年限法是直接比較兩個技術上可行的方案在投資和年運行費上的差值，并算出投資高的方案在多長時間內可以通過其年運行費的節省，將多支出的投資收回來，其目的是找出最佳方案。
如方案Ⅰ的投資F1低于方案Ⅱ的投資F2，而方案Ⅰ的年運行費Y1高于方案Ⅱ的年運行費Y2.這時應正確權衡投資和年運行費兩個方面的因素，即應計算選擇投資高的方案償還年限N.
N＝（年）
如果年值較小：如只二、三年，則顯然初投資高的方案經濟。若N值較大，如十年左右，即償還年太長，投資長期積壓，初投資高的方案就不經濟了。因此，償還年限法的關鍵在于合理的確定標準償還年限NH.我國的電力設計通常取5～6年。在方案比較時，把計算的償還年限N與標準償還年限NH作比較，若N＝NH，則認為兩個方案均可；若N＜NH，則認為投資高的方案優于投資低的方案，若N＞NH，則相反。
2利用補償年限法選擇電纜截面
本節以380V動力配電電纜為例，取下列幾種典型情況進行計算。
設回路負荷P1、P2、P3、P4其線路長度均為100m，計算電充（即線路長期通過的最大負荷電流）分別為7.5A、50A、100A、150A、210A，根據敷設要求，可選用VLV或VV型電力電纜直接埋地敷設。
第一步：查閱相關資料，按常規方法，即按發熱條件選擇電纜截面，并校驗電壓損失，其初選結果如表1所示。
在這里，為了簡化計算，取負荷功率因數0.8，實際上一般情況下應好0.7，V用電設備組的cos值都低于0.8.所以，實際的電壓損失與計算值各有不同，但基本不影響對于截面的選擇。
上面電纜截面是按發熱條件選取的，所選截面均滿足電壓損失小于5％的要求。這種選擇方案自然是技術上可靠，節省有色金屬，初投資最低的。但是，因截面小而電阻較大，投入運行后，線路電阻年浪費電能較多，即年運行費用較高。那么，適當地增大截面是否可行，加大幾級截面才是最為經濟合理的呢？
第二步：多種方案比較。
首先，對P1回路適當增大截面的幾種可行方案進行比較：
方案1：按發熱條件選截面，即3×2.5mm2；
方案2：按方案1再增大一級截面，即3×4mm2.
分別計算兩種方案的投資與年運行費。為簡化計算，僅比較其投資與年運行費的不同部分。就投資而言，因截面加大對直埋或溝內敷設，除電纜本身造價外，其它附加費用基本相同，故省去不計。年運行費用中的維護管理實際上也與電纜粗細關系不大，這一項費用的差價所占比重較小，同樣可以略去不計，于是：
方案1的初投資F1＝電纜單價×電纜長度＝3500元／km×0.1／km＝350元。
方案2的初投資F2＝電纜單價×電纜長度＝3800元／km×0.1／km＝380元。
方案1的年折舊費E1＝初投資F1×年折舊率＝350×0.030＝10.5，方案1年電能損耗費D1＝年電能消耗量×電度電價＝ΔAkwh×0.085.
式中：ΔA＝3I2ls×R0×L××10－3kwh
R0——線路單位長度電阻（VLV－2.5mm2R0＝14.7／km）；
L——線路長度；
Ijs——線路計算電流；
——年最大負荷小時數，根據最大負荷，利用小時數T和功率因數查曲線得出，這里取T＝3000n及T＝2000n，則查出分別為：
T＝3000n ＝2100n
T＝2000n ＝1600n
于是：
（1）當T＝3000n、＝2100n時，方案1的年電能損耗費：
D1＇＝ΔA×0.085＝3×7.52×14.7×0.1×2100×0.085×10－3＝44元
（2）當T＝2000n、＝1600n時，方案1的年電能損耗費：
D1＇＝ΔA×0.085＝3×7.52×14.7×0.1×1600×0.085×10－3＝33.7元
方案1的年運行費Y1＝年折舊費＋年電能損耗費。
T＝3000n時Y1＇＝10.5＋44＝54.5元
T＝2000n時Y1＇＇＝10.5＋33.7＝44.2元
按與上面相同的方法可求得方案2的年運行費（計算略）：
T＝3000n時Y2＇＝11.4＋27.8＝39.2元
T＝2000n時Y1＇＇＝11.4＋21.2＝32.6元
顯然，方案2投資高于方案1，但年運行費卻低于方案1，其償還年限N為：
當T＝3000n時N＇2－1＝＝＝2.0年
當T＝2000n時N＇＇2－2＝＝2.5年
可見，償還年限小于5年，說明方案2優于方案1，其方案2的多投資額僅在2～3年內，即可通過節省年運行費而收回。也就是說，人為增加一級截面是經濟合理的。那么，若是人為增加兩級三級，其經濟效果如何？則需類似計算比較。
現在根據表2的結果，將方案3與方案2比較，方案3投資高于方案2，但年運行費用少，其償還年限為：
當T＝3000n時N＇3－2＝＝3.3年
當T＝2000n時N＇＇3－2＝＝4.6年
綜上所述，投資高的方案3優于方案2.為了找出最佳方案，我們可以將方案4與方案3比較，其償還年限為：
當T＝3000n時N＇4－3＝＝20年
當T＝2000n時N＇＇4－3＝＝29年
顯然，因償還年限遠超過標準償還年限5年，故投資高的方案是不合理的，即投資方案3優于方案4.
通過以上分析計算，最終確定方案3（即按發熱條件選出截面之后，再人為加大兩級）是所選截面的最佳方案。對其它P2～P5線路經過上述計算方法均得出同樣結論，即方案3為最佳方案。
因此，我們認為在選擇截面時，按發熱條件選出后，再人為加大兩級，從經濟角度看有明顯的效益。即使側重考慮節省有色金屬的觀點，人為加大一級也是完全可行的。從技術方面看，增大電纜截面，線路壓降減小，從而提高了供電質量，而且截面的增大也為企業或系統的增容改造創造了有利條件。
但是，當負荷電流較小（Ijs≤5A）時，計算結果表明：沒有必要再加大截面，因為負荷電流較小，所產生的線路損耗也較小，增加截面而多投資部分，需要在5年以上才能收回，故此時按發熱條件選擇即可。
以上是按VLV鋁芯電纜為例作出的結論，如換為VV銅芯電纜其結果：以P3回路為例，計算略。
從表3中可以看出方案2為最佳方案，即按發熱條件所選截面之后再加大一級。雖然這僅是在一種情況下得出的結果，但具有一定的普遍意義，因為，各級電纜截面的級差與相應的投資額之差均符合趨勢。
3.結論
從以上分析可見，按償還年限法選擇電纜截面，不僅具有突出的節電效果和最佳的經濟效益，而且還具有一定規律。
3.1按投資年限法選擇電纜截面
首先，按發熱條件選出允許截面，然后再加大兩級，當負荷計算電流小于5A時就不必加大截面。當然，仍要計算電壓損失，在損失超過允許的5％時，可增大一級。一般情況下，由于按償還年限法選出截面均能滿足電壓損失的要求，同時也滿足短路熱穩定的要求，這種方法對裸導線架空敷設也同樣有效。
3.2線路長短與償還年限無關
前邊計算線路均設為100m，因為實際上，線路長度對經濟比較結果沒有影響。讓我們看看償還年限的具體公式。
N＝（年）
其中：
F2～F1——分別為兩方案的投資；
Y1～Y2——分別為兩方案年運行費用。
將上公式展開：
N＝－
其中：
L——線路長度（km）；
R10、R20——兩種電纜單位長度電阻（Ω／km）；
β——電纜年折舊費率（取3％）；
d——度電價（元／kwh）。
公式的分母、分子都有線路長度L，顯然可以消掉，因此，償還年限的計算結果與電纜長度無關。這一點很有意義，無論電路長短，都可以用該方法選擇電纜導線截面。
3.3最大負荷利用小時數T與選擇截面經濟效益的關系
重新分析其償還年限的表達式并整理得：
N＝
可見，在其它因素相同的條件下，償還年限與最大負荷損耗小時數成反比。而取決于最大負荷利用小時數T和負荷功率因數，值隨T的增大而增大，隨功率因數提高而減小。
在計算時分別選T為3000n和2000n，這是企業一班制估算的，如兩班和三班制其T值大于3000n即負荷利用小時數較大，適當增大導線截面更具明顯的經濟效益和節電效果。
參考文獻
1.工廠常用電氣設備手冊
2.工廠供電設計，李宗綱等著
3.工廠配電設計手冊，水電部出版社
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