【讨论】不同规格电力电缆并联使用的探讨

引用< <电信技术> >2007年10月
作者:杨先余
供大家深入学习
1 引言
在实际工作中，经常会碰到这样的问题，即当配电系统负荷增加后，初期设计配置的电力电缆容量不足。要解决该问题，就必须对电缆进行扩容。电缆扩容常用的方法有三种：一是选用新电缆替换旧电缆；二是保留旧电缆并扩增与旧电缆同规格型号的电缆；三是保留旧电缆并按需扩增相应规格型号的电缆。
在以上三种方法中，由于方法一建设成本较高，浪费较大，采用的较少；方法二比较简单，又相对经济，因此在工程中经常采用；理论上，由于不同规格型号的电缆参数有一定的差异，最为经济的方法三存在并联工作电流分流比例难以“确定”的问题，因此设计和工程维护人员一直认为其存在“风险”，致使这一经济的扩容方案在实际工程中应用极少。事实果真如此吗？下面进行具体探讨。
2 电力电缆设计配置原则
在设计配置电缆时，需要考虑电缆的机械强度、安全载流量以及系统允许在电缆上消耗的电压降三方面的因素。电缆的机械强度可直接查阅相关数据得到，电压降和安全载流量两因素的实质是流通电缆的电流量问题。因此，只要明确流经电缆的电流量，电缆规格的配置也就明确了。
3 不同规格电缆并联使用时 存在的问题
从理论上讲，同材质电缆的电阻率是相同的，其电阻值与电缆长度成正比，与截面成反比，但是由于制造工艺、原材料等原因，同材质电缆的电阻率随着规格的不同而有一定程度的偏差，即便是同一厂商生产的同一规格型号的电缆，由于生产批次不同，该参数也会略有不同。根据YD/T1173－2001《通信电源用阻燃耐火软电缆》，以上参数偏差只要在规定的范围都符合要求。
上述参数的不确定性给不同规格电缆并联运行时各电缆分流量的确定带来了困难，采用简单的截面比例计算分摊电流变得不再“准确可靠”。对于安全性要求很高的通信电源系统而言，为避免不确定的风险，回避方法三也在情理之中。
4 不同规格电缆并联使用时的解决方法
在设计阶段，无法确定将要投入使用电缆电阻率的确切数值，但是不确定电阻率是否就不能进行后续设计工作呢？答案是否定的。根据YD/T1173－2001《通信电源用阻燃耐火软电缆》和相关技术数据可以明确一点，合格电缆电阻率是控制在限定范围内的一个具体数值，通过对将要并联使用的两种规格电缆极端电阻率值的计算，就可从理论上确定电缆并联运行时电流分流量及电压降可能出现的最大值，由该值就可以进行电缆规格的设计和配置。以下是采用方法三进行设计配置的实例说明。
例1：在图1所示配电系统的AB两点间敷设一根ZA-RVV1×150mm2电缆，由于后端负荷需要扩容，预计扩容后流经AB两点间的电流将增加到600A，现电缆安全载流量不能满足实际需要，需要进行电缆扩容配置（假设电缆的工作环境温度为20℃，空气中单芯方式布放）。

图1 在AB间敷设一根电缆
假设LAB为AB间电缆的长度，R150为AB间150mm2电缆的等效电阻，I150为流经150mm2电缆的电流，s150为150mm2电缆的截面积，ρ150为150 mm2电缆的电阻率，UAB为AB间线路的电压降。
（1）查表可得ZA-RVV1×150mm2电缆的电阻率为 0.01754～0.01935Ω•mm2／m，20℃空气中安全载流量为489.6A（由GB50217-94可知），其安全载流量低于扩容后的总负荷600A，因此，无法满足负荷需要，必须进行扩容。
（2）在AB间新扩容一条与ZA-RVV1×150mm2电缆长度相同的电缆，让两根电缆并联运行，如图2中虚线所示。假设r扩为扩容电缆的等效电阻，I扩为流经扩容电缆的电流，s扩为扩容电缆的截面积，ρ扩为扩容电缆的电阻率。


图2 在AB间两根电缆并联运行
（3）根据电流与面积比例分摊原则计算扩容电缆所需的最小截面积。在此状态下，150mm2电缆电流分流量应处于允许的最大安全电流（489.6A）状态，公式（1）成立。
s扩/s150＝I扩/I150 （1）
此时由公式（1）可得：
s扩＝s150×I扩/I150＝33.8mm2
由上述计算可知，电缆最小截面应为33.8mm2，再根据现有电缆规格，可预选ZA-RVV1×35mm2电缆（由GB 50217-94、YD/T1173-2001可知，35mm2电阻率为0.01754～0.019 39 Ω•mm2／m，20℃空气中安全载流量为191.5A）。
虽然计算所得数据表明流经两根电缆的电流量均未超过对应电缆的最大允许值，但是以上计算是基于两种电缆电阻率相同的条件下得到的数据，而实际的电缆电阻率并不一定相同。因此，必须按照可能出现的极端情况进行验算，即验算当两根电缆其中一根为最大电阻率，而另一根为最小电阻率时的电流分流情况。若在极端情况下电缆获得的分流量及压降均在允许范围内，则说明电缆并联运行是安全的。
①极端情况1
取150mm2电缆电阻率为标准范围内的最小值（ρ150min＝0.01754Ω•mm2／m），35mm2电缆电阻率为标准范围内的最大值（ρ35max＝0.019 39 Ω•mm2／m），此时150 mm2电缆上将获得相对最大电流分流值I150max，35 mm2电缆上获得相对最小电流分流值I扩min，并且公式（2）成立。
R150=LAB×ρ150/s150（2）
r扩=LAB×ρ扩/s扩 （3）
I150=r扩/(r扩+R150)×I（4）
将具体参数代入公式（2）、（3）、（4）中可得：
I150max=495.4A
I扩min=104.6A
UAB=0.058×LABV
上述数据表明，150mm2电缆上的分流值将可能达到495.4A，超过该电缆最大允许安全载流量（489.6A）。因此，采用35mm2电缆不能满足要求，必须加大截面积。根据现有导线规格，另选ZA-RVV1×50mm2电缆，并按两种极端情况进行验证（由GB50217 -94、YD/T 1173-2001可知，50 mm2电缆电阻率范围为0.017 54～0.0193Ω•mm2／m，20℃空气中安全载流量为244.8 A）。
②极端情况2
取150mm2电缆电阻率为标准范围内的最小值（ρ150min＝0.01754Ω•mm2／m），50mm2电阻率为标准范围内的最大值（ρ50max＝0.019 3 Ω•mm2／m），此时150 mm2电缆上将获得相对最大电流分流值I150max，50mm2电缆上获得相对最小电流分流值I扩min。将以上具体数据代入公式（2）、（3）、（4）中可得：
I150max=460.5A
I扩min=139.5A
UAB=0.0539×LABV
③极端情况3
取150mm2电缆电阻率为标准范围内的最大值（ρ150max＝0.01935Ω•mm2／m），50mm2电阻率为标准范围内的最小值（ρ50min＝0.017 54 Ω•mm2／m），此时150 mm2电缆上将获得相对最小电流分流值I150min，50 mm2电缆上获得相对最大电流分流值I扩max，将以上具体数据代入公式（2）、（3）、（4）中可得：
I150min=438.7A
I扩max=161.3A
UAB=0.0566×LABV
除极端情况2和极端情况3之外，150mm2电缆获得的电流分流量均小于I150max（460.5A），50mm2电缆获得的电流分流量均小于I扩max（161.3A），全程电压降均低于0.0566×LAB。通过与相关标准的比较，以上数值在允许范围以内（假设电压降符合要求）。
由以上验算可知，在AB间并联一根与ZA-RVV1×150mm2电缆等长的ZA-RVV1×50 mm2电缆可以满足系统负荷扩容要求。若采用方法二，则需要在AB间扩容一根ZA-RVV 1×150 mm2电缆。可见方法三比方法二具有明显的优势。
5 不同规格电缆并联使用注意事项
不同规格电缆并联运行的可行性已经得到理论验证，但是在实际实施过程中，还必须注意以下两点。
一是确保新扩容电缆长度与原电缆长度的一致性。电缆长度直接影响其阻值，长度差异过大将导致实际分流量严重偏离设计，从而出现风险。
二是注意保持扩容电缆与原电缆运行环境的一致性。投入使用后，可以对电缆分流量进行实测加以验证。当然，对于其他原因引发的分流量微小偏离，并联电缆系统有一定的自我“平衡”能力。作为电缆的导体，其电阻率随温度上升而逐渐增加，即假设其中一根电缆由于某原因导致电流分流量增加了，那么这根电缆的温度就会稍有上升，温度上升又导致电缆自身阻值上升，电缆阻值上升最终使其在系统中获得的分流量降低，反之则升高。从这方面来说，并联电缆运行系统是具有一定自我平衡能力的稳定系统。
6 结束语
随着有色金属价格的大幅攀升，特别是各企业节能和成本控制意识的不断加强，不同规格电力电缆并联使用方案的优点也益发显现出来，无论从经济角度还是从方便工程实施角度而言都有着较大的现实意义。