新疆某煤炭分级分质项目低压电动机电力电缆截面选择.pdf

光源与照明 总第 178 期 2023 年 3 月 照明电器139新疆某煤炭分级分质项目低压电动机电力电缆截面选择夏会民胜帮科技股份有限公司，上海 201210摘要：电力电缆是低压电动机配电的重要组成部分，电力电缆的合理选择关系到电动机的安全可靠运行。电力电缆选择涉及导体材质、绝缘水平、绝缘类型、护层类型、芯数、截面等。文章结合项目实例，对低压电动机的电力电缆截面选择方法进行了探讨，分析了电动机启动压降对电缆选择的影响。关键词：低压电动机；电力电缆截面；载流量；回路电压降；经济电流密度分类号：TM3430 引言通常情况下，需要根据载流量初选电力电缆截面，然后进行短路热稳定、回路电压降、经济电流密度、机械强度校验。根据载流量选择电力电缆截面时要考虑环境温度校正系数 K1、桥架多层并列校正系数 K2、土壤热阻系数校正系数 K3、直埋多根并列校正系数K4、遮阳校正系数 K5、断续工作校正系数 K6、短时工作校正系数 K7、爆炸危险环境校正系数 K8等影响因素。文章结合新疆某煤炭分级分质项目，介绍低压电动机电力电缆截面具体如何选择。1 项目概况在新疆某煤炭分级分质项目中煤储运变电所 380 V系统采用单母线分段接线，内设 2 台变压器，型号为SCB18-800/10 kV，参数为 800 kVA、1022.5%/0.4 kV，阻抗电压为 6%，联结组别为 Dyn11。上级 10 kV 系统最大运行方式下短路容量为 300 MVA，最小运行方式下短路容量为 200 MVA，380 V 母线最大短路电流为 18.4 kA。电缆采用阻燃 A 级交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套钢带铠装铜芯电力电缆，型号为 ZA-YJV22-0.6/1 kV。变电所内电缆沿带支架电缆沟敷设，变电所外一部分用电设备采用电缆直埋敷设，埋深处的最热月平均地温为 20，土壤热阻为 3.0 K/W，电缆并列间距为 100 mm；另一部分用电设备采用带盖板的大跨距梯级式桥架敷设。现场输煤栈桥内设有 2 台输煤皮带机，破碎站内设有 2 台双辊破碎机，均采用连续工作制 S1。当地最热月的日最高温度平均值为 28.9，需要选择4 台电动机的电力电缆截面。电动机参数和电缆敷设情况如表 1 所示。2 根据载流量初选电缆截面2.1 皮带机皮带机大部分电缆是在室外带盖板的梯级式桥架内敷设，带了盖板可以不考虑遮阳校正系数 K5，但仍应考虑环境温度校正系数 K1和桥架多层并列校正系数 K2。根据电力工程电缆设计标准（GB 502172018）1中表 3.6.5、表 C.0.1-3、公式 D.0.2，对应电缆额定载流量的基准环境温度是 40，实际环境温度取最热月的日最高温度平均值，即 28.9，交联聚乙烯电缆的最高工作温度是 90，则温度校正系数K1计算如下：作者简介：夏会民，男，本科，工程师，研究方向为建筑电气设计。文章编号：2096-9317（2023）03-0139-04表 1 电动机参数和电缆敷设情况一览表设备名称额定电压/V额定功率/kW额定电流/A功率因数电缆长度/m敷设方式工作制1#破碎机380110199.30.87300充砂电缆沟连续2#破碎机380110199.30.873001#皮带机380 55101.40.86350梯级式桥架2#皮带机380 55101.40.86350（1）照明电器 2023 年 第 3 期 总第 178 期 光源与照明140式中：m为电缆导体最高工作温度，；1为对应额定载流量的基准环境温度，；2为实际环境温度，。代入数据，K1=1.105。采用梯级式桥架敷设时，桥架内只铺设了 1 层电缆，校正系数 K2=0.8；爆炸性环境内，引向电压为 1 kV以下，鼠笼型感应电动机支线的长期允许载流量不应小于电动机额定电流的 1.25 倍2，爆炸危险环境校正系数 K8=1.25，电缆载流量 IZ应满足：IZK1K2 InK8 （2）代入数据，IZ1.1050.8 101.41.25，即IZ143.38 A。查表可知应选择型号为ZA-YJV22-0.6/1 kV-335+116 mm2的电缆。2.2 破碎机破碎机大部分电缆是直埋敷设，电缆的载流量应考虑环境温度校正系数 K1、土壤热阻系数校正系数K3、直埋多根并列校正系数 K4，此处为 4 根电缆并列直埋。根据电力工程电缆设计标准（GB 502172018）中表 3.6.5、表 C.0.1-4、公式 D.0.2，电缆直埋时额定载流量的基准环境温度是 25，实际环境温度取埋深处的最热月平均地温 20，交联聚乙烯电缆的最高工作温度是 90，代入数据，校正系数 K1=1.03。根据表 C.0.1-4，土壤热阻系数是 3.0 K/W 时，校正系数 K3是 0.75，土壤热阻系数为 2.0 K/W 时，校正系数 K3是 0.87，然而表中的载流量是以土壤热阻系数为 2.0 K/W 为基准的，实际的热阻系数校正系数 K3需要修正，实际的热阻系数校正系数 K3=0.75/0.87=0.862。按照 4 根电缆并列查表可得校正系数 K4=0.8。电缆载流量 IZ应满足式（2），代入数值，IZ1.030.862 199.31.25，即 IZ 280.59 A。查表可知应选择型号为 ZA-YJV22-0.6/1 kV-3120+170 mm2的电缆。3 设计校验3.1 短路热稳定校验对电动机采用断路器作为短路保护时，一旦发生短路故障，断路器的全分断时间极短，一般为 10 30 ms，即小于 0.1 s，电缆选择时应计入短路电流非周期分量对热作用的影响，以保证保护电器在分断短路电流前，电缆能承受包括非周期分量在内的短路电流的热作用：k2S2 I2t （3）式中：k 为计算系数；S 为导体截面积，mm2；I2t为保护电器允许通过的能量值，由产品标准或制造商提供。破碎机的电动机回路配置的塑壳断路器为 NSX250，皮带机的电动机回路配置的塑壳断路器为 NSX160。塑壳断路器各规格的允通能量数值如图 1 所示，当短路电流为 18.4 kA 时，对于塑壳断路器 NSX250，允通能量约为 7105 A2 s，查 工业与民用供配电设计手册（第四版）3表 11.2-2，当采用 XLPE 交联聚乙烯电缆，且为铜芯时，计算系数 k=143，代入（3）得 S 5.85 mm2，初选截面 120 mm2满足热稳定要求。对于塑壳断路器NSX160，允通能量约为 5105 A2 s，计算系数 k=143，代入（3）得 S 4.94 mm2，初选截面 35 mm2满足热稳定要求4。短路电流/kA2235105106107108109233522355321.415346102030 40 50 70 100 150 200 300允通能量/(A2s)图 1 各规格塑壳断路器的允通能量数值3.2 回路电压降校验（1）正常运行时的电压降。根据供配电系统设计规范（GB 500522009）5第 5.0.4，正常运行时，电动机端子处电压偏差允许值为 5%。在工业与民用供配电设计手册（第四版）表 9.4-3 中给出了多种情况下的线路电压降计算公式，电动机采用三相平衡负荷线路时，终端负荷用电流矩计算公式为u%=ua%IL （4）式中：u%为线路电压损失百分数；ua%为三相线路每 1 Akm 的电压损失百分数；I 为负荷计算电流，A；L 为线路长度，km。在工业与民用供配电设计手册（第四版）表光源与照明 总第 178 期 2023 年 3 月 照明电器1419.4-19 中给出了 1 kV 以下交联聚乙烯绝缘电力电缆在三相 380 V 系统中的电压损失百分数，功率因数采用内插法修正后，得到 4 台设备的电压损失，如表 2 所示。由表 2 可知，4 台设备的电力电缆电压损失均大于 5%，这样电动机端子处的电压偏差就大于 5%，超过规定值，需要增大电缆截面来减少电力电缆压降损失。增大电缆截面重新计算得到的电压损失如表 3所示。（2）电动机启动时的电压降。根据表 3，电力电缆截面满足了正常运行时电动机端子电压要求，但在现场调试过程中，发现皮带机一直无法启动。经分析是启动时线路压降过大，电动机端子处电压过低，电动机的实际启动转矩不能克服皮带机的静阻力矩。解决方案：先把皮带机的静阻转矩相对值折算到电动机端，结合电动机自身的启动转矩相对值计算出能够保证皮带机启动的电动机端子电压相对值 UstM；再计算出电动机启动时的实际端子电压相对值 ustM，二者进行比较，当 UstM ustM时，电动机才能带动皮带机。下面分别计算两种情况下的电压相对值。首先，启动时传动机械要求的电动机端子电压相对值：启动时电动机端子电压应能保证传动机械要求的启动转矩，即（5）式中：UstM为启动时电动机端子电压相对值，即端子电压与系统标称电压的比值；mstM为电动机启动转矩相对值，即启动转矩与额定转矩的比值；ms为电动机传动机械的静阻转矩相对值。根据工业与民用供配电设计手册（第四版）表6.5-2，双辊破碎机 ms取值为 1.0，电动机资料中提供的 mstM为 2，数据代入式（5），得 ustM1 0.742；皮带机 ms取值为 1.4 1.5，此处取平均值 1.45，电动机资料中提供的 mstM为 2.3，数据代入式（5），得 ustM10.833。其次，启动时电动机端子电压相对值实际值：（6）（7）（8）（9）SstM=KstSrM （10）（11）式中：Ssc为最小运行方式下系统短路容量，MVA；SscB为母线短路容量，MVA；uk%为变压器电抗相对值，取阻抗电压相对值；SrT为变压器额定容量，MVA；ustB为电动机启动时母线电压相对值；us为电源母线电压相对值，取 1.05；QL为预接负荷的无功功率，MVAr；Sst为电动机启动时启动回路的计算容量，MVA；ustM为电动机启动时端子电压相对值；SstM为电动机额定启动容量，MVA；Xl为线路电抗，针对导线穿管或不大于 10 kV 的电缆线路，Xl取 0.08l，线路较长时需计入电阻因素；Uav为系统平均电压，kV；Kst为电动机额定启动电流倍数；SrM为电动机额定容量，MVA；Urm为电动机额定电压，kV；Irm为电动机额定电流，kA。将参数带入式（6）式（11），电动机启动时端子电压相对值如表 4 所示。由表 4 可知，破碎机的电动机端子电压实际相对表 2 电力电缆电压损失设备名称额定电流/A功率因数电缆截面/mm2电缆长度/mua%u%1#破碎机199.30.871203000.089 1 5.33%2#破碎机199.30.871203000.089 1 5.33%1#皮带机101.40.86 353500.262 211.96%2#皮带机101.40.86 353500.262 211.96%表 3 增大截面后电力电缆电压损失设备名称额定电流/A功率因数电缆截面/mm2电缆长度/mua%u%1#破碎机199.30.871503000.074 74.462#破碎机199.30.871503000.074 74.461#皮带机101.40.86 703500.139 44.942#皮带机101.40.86 703500.139 44.94 照明电器 2023 年 第 3 期 总第 178 期 光源与照明142值为 0.756，大于启动时破碎机要求的电动机端子电压相对值 0.742，破碎功能启动，其电力电缆截面满足要求；皮带机的电动机端子电压实际相对值为 0.719，小于皮带机要求的电动机端子电压相对值 0.833，故皮带机无法正常启动，电力电缆截面需增大。增大截面后电动机启动时端子电压相对值如表 5 所示。表 5 中皮带机启动时电动机端子电压实际相对值为 0.841 0.833，故皮带机可以启动，电缆截面满足要求。3.3 经济电流密度校验为了使电力电缆的整体运行费用最小，电缆电流密度不宜大于规定的经济电流密度，经济电流计算公式如下：（12）式中：J 为导体的经济电流密度，A/mm2；Imax为导体最大负荷电流，A；Sec为导体的经济截面，mm2。表 4 电动机启动时端子电压相对值表设备名称S/mm2Xl/QL/MVArKstSrM/MVASstM/MVASst/MVASscB/MVAustBustM1#破碎机1500.0360.208.50.1311.1130.87112.50.9670.7562#破碎机1500.0360.208.50.1311.1130.87112.50.9670.7561#皮带机700.0920.229.00.0670.6030.43512.50.9970.7192#皮带机700.0920.229.00.0670.6030.43512.50.9970.719新疆地区电价较低，为 0.32 元/（kWh），实行两部制电价。项目最大负荷利用小时数为 6 000 h，根据电力工程电缆设计标准（GB 502172018）图 B.0.2-7，经济电流密度 J=1.2。破碎机电缆截面 S=199.3/1.2=166 mm2，可选接近的 150 mm2，和电压降选择的截面相同；皮带机电缆截面 S=101.4/1.2=84.5 mm2，可选接近的 90 mm2，小于电压降选择的电缆截面，选择电压降对应的截面。3.4 机械强度校验根据电力工程电缆设计标准（GB 502172018）3.6.1，在多芯电力电缆导体最小截面中，铜导体截面是 2.5 mm2，电缆截面满足要求。4 结束语综上，电缆截面选择步骤可归纳为先根据载流量初选，然后进行短路热稳定校验、回路电压降校验、经济电流密度校验、机械强度校验，通过校验后得到合适的电力电缆截面。需要注意载流量要根据具体电缆敷设方式和环境校正。在电压降校验中，如果电缆敷设距离较长，或者所带的机械设备静阻转矩相对值较大，还需要校验启动时母线电压和电动机端子电压，使之能满足电动机启动要求。参考文献1 中国电力企业联合会.电力工程电缆设计标准:GB 502172018S.北京:中国计划出版社,2018.2 中国工程建设标准化协会化工分会.爆炸危险环境电力装置设计规范:GB 500582014S.北京:中国计划出版社,2014.3 中国航空规划设计研究总院有限公司.工业与民用供配电设计手册M.4版.北京:中国电力出版社,2016.4 黄冉.化工企业低压电动机远距离配电电缆截面选择J.山东化工,2017,46(10):129-131,134.5 中国机械工业联合会.供配电系统设计规范:GB 500522009S.北京:中国计划出版社,2010.表 5 增大截面后电动机启动时端子电压相对值表设备名称S/mm2Xl/QL/MVArKstSrM/MVASstM/MVASst/MVASscB/MVAustBustM1#破碎机1500.0360.208.50.1311.1130.87112.50.9670.7562#破碎机1500.0360.208.50.1311.1130.87112.50.9670.7561#皮带机1500.0430.229.00.0670.6030.51112.50.9920.8412#皮带机1500.0430.229.00.0670.6030.51112.50.9920.841