孙 岩（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海市 200092）
摘 要：电力电缆在电气设计中要求按负荷发热温升、短路动热稳定、电压降、机械强度等方面来选取电缆的截面。除此之外，绿色建筑设计中对电力电缆采用初始投资和运行损耗的费用最小来选择电缆截面。即按照经济电流密度选择，考虑多个公式关联和指数计算对于人工手算比较繁琐的问题，通过工程实践编制出电力电缆经济电流截面选用智能计算方法，用项目实例说明计算过程，对不同的电费成本方便地计算出电缆总拥有费用，简化计算过程，提高了计算效率和准确度。
关键词：电缆经济电流密度；电缆总拥有费用CT；电缆初始投资CI；运行成本CJ；经济电流范围；导体直流电阻率；TOC总费用；“双碳”目标
引用本文：孙岩.电力电缆经济电流截面选型计算的探讨[J].建筑电气，2023,42（5）：15-19.
1 电缆的经济电流截面选择
工程项目中有多种用电设备，需要大量的母线、电缆、电线等线路供电，构成建筑电气配电网络。电力电缆经济电流截面的计算方法按国际电工委员会标准IEC 287 - 3 - 2：1995《Electric cables — Calculation of the current rating — Part 3：Sections on operating conditions — Section 2：Economic optimization of power cable size》推荐的TOC总费用的经济截面选择有两种计算方法：第一种方法是计算系列电缆标准截面的经济电流范围，然后选择经济电流范围对应的截面；第二种方法是根据负载电流计算最佳经济截面，然后选择最接近的标准截面。在《电缆标准》附录B“10 kV及以下电力电缆经济电流截面选用方法和经济电流密度曲线”的计算方法相当于IEC的第二种计算方法。上述计算过程由于存在多个公式关联和指数计算，人工手算比较繁琐，因此根据工程实践编制出电力电缆经济电流截面选用智能计算方法，便捷地输入基础数据，提高了计算效率和准确度，下面通过案例说明计算方法。
某工程项目的主要技术经济指标：① 建筑面积139 842.09 m2（其中地上总建筑面积92 079.42 m2，地下建筑面积约47 762.67 m2），停车数为823辆。② 建筑使用功能：地下一、二层为车库及设备机房，1# 科研办公楼地上20层，2#办公楼地上5层。③ 建筑高度：1#办公楼地上主体建筑高度95 m，2#办公楼地上主体建筑高度30 m。④ 建筑防火类别：1#办公楼为一类高层，2#办公楼为二类高层。⑤ 结构形式：本项目采用钢筋混凝土结构，主体结构采用框架结构，采用桩基础。变电所设置在地下一层，共2座。共设置6台变压器。由变电所引出供电线路采用母线、电缆、电线。母线的规格有2 500 A、1 600 A和1 250 A等。电缆截面种类为16 ~ 240 mm2规格范围，除大用电负荷采用母线外，其它各层楼供电根据容量大小均采用电缆。现选择两个供电设备作为经济截面选择计算案例。地下一层热交换室电力150 kW供电，供电距离120 m。另一个是普通电力设备45 kW供电，供电距离85 m。在进行经济电流密度计算时，采用IEC电缆截面经济最佳化和《电缆标准》中附录B公式计算经济电流密度和电缆总拥有费用，计算程序为基于Windows系统的应用程序，运行“电气系统计算.exe”文件运行，进入程序功能选择窗体，详见图1。
2 电缆经济电流密度计算
进行电缆经济电流密度计算首先要计算电缆投资中有一部分和电缆截面有关，这部分叫作成本的可变部分，即为A值。计算原则详见《电缆标准》附录的条文说明，对相同型号的电缆，随着截面积的变化，A值变化的幅度不大，取其平均值作为计算数值A。
经济电流密度计算由图1进入“10 kV及以下电力电缆截面选用”选项。按《电缆标准》中附录B的计算公式（B.0.1 - 1）和（B.0.1 - 6）进行计算。在有文字提示浅蓝色的文本框输入计算基础数据，例如：电缆的ρ20导体直流电阻率0.017 241 Ω·mm2 / m（注：《电缆标准》附录B的ρ20电阻率数值和单位为Ω·m，需转化为Ω·mm2 / m）。导体经济寿命期30年。20 ℃ 时电阻温度系数为0.003 931 / K。根据项目性质是民用建筑，查规范DL / T 985 - 2022《配电变压器能效技术经济评价导则》不同用电行业的最大负载利用小时数表B.3确定，按城市生活年最大负载损耗小时数τ为1 874 h。导体温度θm选40 ℃。每回路的相线数目按三相取3。供给电能损耗的额外供电容量成本因项目采用单一电价，D选0元 / （kW·a），如采用两部制供电用户需输入相应费用。集肤效应系数、邻近效应系数、护套铠装系数可以近似取1.005。在相关电压水平上1 kWh的成本即是供电的电费，本项目按0.658 9元 / kWh和0.944元 / kWh考虑。上述等基础数据在浅蓝色的文本框里（浅蓝色就是输入数据的文本框），如不输入基础数据计算的话，程序按默认数据计算，也可以在计算中修改输入数据重新计算。所有计算数据可视化，详见图2。
电缆的经济电流密度j为1.86 A / mm2。方便操作计算出与导体截面有关费用的可变部分、电缆的经济电流密度。可以调整上述等基础数据的数值计算与经济电流密度值的关系，其他数据不变，供电的成本电费按0.944元 / kWh考虑时，详见图3，电缆的经济电流密度j为1.55 A / mm2，此时相同的用电设备在用电费用提高后，电缆的经济电流密度j减少，相应选择电缆截面增加，通过智能计算其优势就是简单修改输入数据直接就能计算出需要的数据。经过计算的结果都在浅黄色文本框内，输入和计算结果的文本框区分颜色，可有效地引导设计者的快速输入，从而节约大量时间。计算结果数据可以保存，供审核或绿色节能选择电缆优化修改。
3 电缆总拥有费用计算
缆总拥有费用CT包括电缆的初始投资CI（包括电缆的材料费及施工安装费）和电缆在寿命期内的运行成本CJ。首先要计算电缆的初始投资CI（含电缆及其附件的购置费和施工安装费），包括成本的可变部分和成本的不变部分。电缆及其附件的购置费按电缆制造商公布资讯信息。施工安装费计算应以施工各种费率要求计算。
考虑电缆线路运行期内的电能损耗费用，即配电线路导体通过电流时，将产生电能损耗，其值与导体材料、导体截面积和线路长度等因素有关。即电缆在其寿命期间内的运行总成本。按电缆寿命期限内运行中积累的电能损耗费用之和最小的原则，确定电缆的截面。考虑到电缆寿命长达30年，比较电缆在整个寿命期内的总成本，必须将30年的电缆运行成本逐一归算，折到第一年为折现值，将总费用作为等效的一次性初始投资。可作为不同电缆截面等级之间的比较选择。在上述工程案例电缆选择的电缆总拥有费用计算，供电的电费按0.658 9元 / kWh、0.944元 / kWh考虑计算，详见图4、图5，可以计算出案例第一个设备热交换室电力150kW民用建筑类的经济电流密度电缆总拥有费用选择的供电电缆选择150 mm2和185 mm2的规格（可以看出，随着电费增加电缆选择截面会加大）。但由于负荷计算选择电缆载流量确定电缆截面是240 mm2，则最终需按负荷计算电流选择确定电缆的截面。因此在比较大功率设备电缆选择时经济电流密度方法选择的截面不一定比负荷计算选择电缆载流量确定的电缆截面大。
根据大小一级电缆的计算，详见图6。供电的电费按0.944元 / kWh计算，规格是150 mm2的电缆总拥有费用为170 905.748 3元。185 mm2的规格电缆总拥有费用为175 917.390 5元。240 mm2的规格电缆总拥有费用为184 272.030 2元。185 mm2的规格电缆总拥有费用比150 mm2的规格电缆总拥有费用多5 011.642 2元，240 mm2的规格电缆总拥有费用比185 mm2的规格电缆总拥有费用多8 354.639 7元。最后按负荷计算电缆载流量确定电缆截面是240 mm2来选择确定电缆的截面，按各种计算选择最大的截面考虑。
第二个需要计算的普通电力设备45 kW，供电距离电缆85 m的电缆总拥有费用计算，供电的电费按0.944元 / kWh计算，详见图7。
经济电流密度计算的电缆总拥有费用选择的供电电缆为50 mm2规格。负荷计算选择电缆确定电缆截面是35 mm2，电压降计算选择电缆截面是25 mm2，则需按经济电流密度选择确定电缆的截面。利用经济电流密度截面的选择比负荷计算选择电缆载流量确定的电缆截面大一级。但50 mm2的规格电缆总拥有费用为37 201.965 25元。35 mm2的规格电缆总拥有费用比50 mm2的规格电缆总拥有费用多806.842 25元，详见图8，因此综合考虑投资及运行费用最低选择了供电电缆50 mm2的规格。对于高电价地区的建筑（如高档酒店、商业综合体的超市等）的用电工作时间比较长、负荷稳定的线路宜采用经济电流密度的电缆总拥有费用最低的原则选电缆，可以兼顾到长期运行损耗问题。因此设计时要考虑配电变压器设置在负荷中心，缩短供电线路的距离，减少线路损耗。
4 经济电流范围计算
根据国际电工委员会标准IEC 287 - 3 - 2：1995标准和《工业与民用供配电设计手册》（第四版）16.4.4.1推荐的基于TOC总费用的经济截面选择计算系列电缆标准截面的经济电流范围，然后选择经济电流范围对应的截面。计算经济电流密度大小一级电缆总拥有费用和经济电流范围计算数据，详见图9。计算后经济电流范围是68.573 ~ 96.839 A，图7中导体最大负荷电流是72.930 5 A，符合经济电流范围要求。
作者信息
孙岩，男，同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，教授级高级工程师，院电气副总工程师。
本文有删减，全文载于《建筑电气》2023年第5期，详文请见杂志。
案例.rar
电缆经济电流选型智能计算_操作手册V1.0.pdf
电缆TOC计算.rar
支付宝打赏
微信打赏
添加新评论