安全用電是動力設備安裝與維護人員的基本要求,所有安裝與維護人員都有必要了解交流電纜線徑選擇的方法和原則。維護人員在日常工作中不局限於發現設備潛在故障,也應關注線纜等配套設備存在的風險,實現精細化維護。在具體的安裝與維護工作中,不少工程師對電纜線徑的選擇存在著一些誤區,需要對這些誤區進行分析。選擇了錯誤的電纜線徑,輕則增加了建設或運行成本,重則可能帶來巨大的安全隱患。
本文列出的十個誤區都是工程與維護人員容易發生的,事實上導線線徑選擇還有更多的影響因素,具體選擇線徑時應根據環境溫度、允許溫升、敷設方式等查詢電工手冊或其它相關設計規範。
當電纜較細時,電纜比表面積大,對散熱有利;當電纜較粗時,電纜比表面積小,熱量不易散發,單位截面積導線通過相同的電流時,粗電纜溫度較高。如果電纜溫度超過允許值,就會發生危險。下表為在空氣中敷設的塑料絕緣銅芯電線長期連續負荷載流量(《電工手冊》第14章第99頁,上海科學技術出版社第四版,呂如良等主編,2002年1月),周圍環境溫度為25℃,線芯長期允許工作溫度為70℃。
由上表可見,較細的電纜每平方載流量遠大於4A,隨著電纜線徑的增加,每單位mm2載流量明顯下降。由於電纜不應一直運行於最高溫度,同時存在可能的過流或其它因素影響,選擇時導線載流量應小於上表載流量數值。
由此看來,經濟電流密度理解為粗電纜取2、細電纜取4,比理解為選2偏安全、選4偏經濟更合乎實際。
R=L/(σS)=100×2/(57×4)=0.88Ω
ΔU=IR=16×0.88=14.1V
連接迴路在最大工作電流作用下的電壓降,不得超過該迴路允許值(《電力工程電纜設計規範》第6頁,GB50217-94),該例電纜上電壓降達到14.1/220=6.4%,超過多數設備線路上壓降不應大於5%的要求。負載工作電壓下降6.4%,相應的工作電流上升1A,需要選用更粗的電纜(如6mm2),重新計算電壓降,直至電壓降小於5%。
誤區三:只選擇電線線徑,不考慮電線類型
計算電纜線徑時,只確定了電纜金屬介質的截面積。只要截面積相同,不論何種絕緣層與護套,電纜本身性質完全相同(銅質,通信機房電力電纜一般不用鋁芯電線)。但正是由於絕緣層與護套的不同,散熱性能、允許溫升就有區別,如常用的VV(聚氯乙烯絕緣)電纜與JYV(交聯聚乙烯絕緣)電纜,前者允許溫度為70℃,後者可達90℃,因此JYV電纜允許的截流量更大,同樣的負載電流條件下,可以選擇較小的線徑。此外,單芯與多芯電纜(指內部含互相絕緣的多芯成套電纜)散熱條件不同,截流量也有區別。例如,銅芯導體截面為50mm2,單芯與多芯明敷電纜在環境溫度為25℃、導體溫度分別為70℃(VV電纜)和90℃(JYV電纜)時載流量規格如下表所示(數據來源:北京電纜網)。
由上表可知,多芯電纜載流量較單芯為小,VV電纜載流量較YJV電纜為小,設計電纜時需要計入這些因素。多根單芯電纜平行捆紮敷設時,計算載流量也應在單芯電纜的基礎上乘以一個小於1的降額矯正係數。下表為《工廠供電》中多根電纜並列時載流修正係數,電纜相距100mm。
誤區四:優先選擇長期安全載流量大的電纜
一般地,從電纜的絕緣性能、環保性能和耐候性能等方面看,YJV電纜載流量大,在各方面比VV電纜性能更優異,應在工程設計中優先考慮。
事實上,YJY電纜雖然具有載流量大、電纜直徑小、重量輕、方便安裝等優點,但在同等截面積條件下,YJY電纜比VV電纜流量大的原因僅僅是因為能承受的溫度高而已。截面積相同,銅的質量、導電率也相同,因而在輸送同等電流的情況下,選擇YJY電纜可以比選擇VV電纜細一些的線徑,但線路電阻增加,線損和電壓降也增加,長期運行不一定合算。
誤區五:並聯多大的導線,就相當於線徑增大多少平方
大型機房負載容量大,需要提供很大的電流,如果選擇一根導線,無疑需要線徑很粗的供電電纜,施工並不方便,甚至沒有足夠粗的導線可供使用。多根導線並聯是允許的,由於線徑小的電線每平方載流量大於粗電線,並聯方式可能在經濟上更合算。
並聯電線之間的電流在理論上按截面積分配,只要是相同材質電線(如銅線),都可以直接並聯。但實際工程中,最好使用相同的線徑。如果線徑相差懸殊,可能由於接線端子存在一定電阻,以及與電纜截面積不成正比的感抗作用,導致電流分配偏差,一根導線可能分配電流過大,超過安全載流量。此外,如果採用不一致的線徑,需仔細複核電線上的電流是否小於安全載流量,細導線的單位載流量只能按粗導線計算。
誤區六:只依據負載電流,未考慮短路電流
只根據負載電流選擇交流輸入電纜的線徑,事實上存在著安全風險。例如,某大樓由功率S為315KVA的變壓器供電,變壓器Z值為5%。現欲在配電室增加一台3P空調(單相),發現配電櫃內有一額定容量為500A的斷路器CB3空閑未用,擬通過該斷路器為空調引入一相交流電,如下圖所示。工程人員按經濟電流密度法選擇線徑,取經濟電流密度為4A/mm2,空調工作電流12A,選擇電纜的截面積S為4mm2,並在空調側安裝16A空開作為空調輸入開關。
A
16A
315KVA/Z=5% 信息來自:輸配電設備網
CB1/500A 信息來自:輸配電設備網
CB2/500A 信息來源:http://tede.cn
CB3/500A
其它負載
3P空調
R=L/(σS)=50×2/(57×4)=0.44Ω 信息來自:輸配電設備網
假定電網供電能力為無窮大,變壓器短路電流IST為: 信息來源:http://tede.cn
IST=S/(3U×Z)=315×1000/(220×3×5%)=9545A 信息來
變壓器副卷單相等效電阻RT為:
假定變壓器輸出端至CB3所有導體與接頭電阻之和為0.05Ω,如果電纜末端A點發生短路,短路電流IS為
IS=U/R=220/(0.023+0.05+0.44)=429A
由於斷路器跳閘電流為500A,因此電纜末端短路后斷路器不跳閘,電纜燒斷甚至起火。
由以上例子可以看出,在選用電纜時,需要校驗短路電流。在檢查供配電系統時,如果發現大型斷路器後端連接細電線,就應重點關注。(註:除短路電流需要核算外,還應計算接地故障電流,校驗斷路器是否符合要求。因本文只討論電纜選型問題,不在此討論如何選用斷路器。) 信息來自:www.tede.cn
誤區七:按負載電流選線,不考慮斷路器容量
根據負載性質不同,斷路器容量一般選擇為負載電流的1.15~1.5倍。斷路器選定以後,過載跳閘電流即已確定(大型斷路器往往允許整定跳閘電流)。過流的產生與供電質量、負載質量及運行狀態有關,也與漏電流有關。在通信機房供電系統中,通常並不安裝漏電保護器,如果漏電流與負載電流之和不超過斷路器額定電流,斷路器不跳閘,負載繼續運行。
在有較大漏電流的情況下,如果線徑只按負載電流設計,可能導致線徑偏小,超過導線安全載流量,電纜發熱過溫,存在的安全風險比漏電流更甚。
正確的做法是:根據負載電流選擇斷路器(包括微斷,熔絲等過流保護裝置也是類似的)容量,再根據斷路器容量選擇導線線徑,再複核壓降是否符合規範要求。
誤區八:只考慮建設成本,不核算運行總成本
設計單位進行配電設計時,會計算負載電流、線路壓降等,按建設投資最低的原則設計,較少考慮運行成本。仍以3P空調為例,如果選用4mm2的電纜,消耗在電纜上的功率為:
P=I2R=122×0.44=63W
如果改選用6mm2的電纜,電纜電阻值為:
R=L/(σS)=50×2/(57×6)=0.29Ω 信息來源:http://www.tede.cn
消耗在電纜上的功率為
按北京電纜價格,2×6mm2的電纜比2×4mm2的電纜貴2.2元/米,50米的電纜差價僅為110元,選用6mm2的電纜初期投資大於選用4mm2的電纜,但不到1年即可收回投資,顯然更為經濟,總運行費用更節省。
選用更粗的電纜是否更經濟,需要按同樣的方法進行核算,如果三到五年可以收回投資,宜選用較粗的電纜。
誤區九:零線選擇未考慮三次諧波與不平衡電流
當負載三相不平衡時,零線將有電流流過;當三相嚴重不平衡時,零線電流甚至大於相電流。計算機、節能燈等電子設備多產生三次及三的倍次諧波,諧波電流通過零線。對於諧波抑制不佳的電子設備來說,三次諧波電流可能大於相電流,零線電流很大。此外,三次及以上諧波頻率較高,在導線內流過時有趨膚效應,即電流主要從導體表面流過,相當於縮小了導線截面積,熱效應更加明顯。
結語
交流電纜的選擇看似簡單,但為了選擇安全而又經濟的電纜,則需要綜合考慮多方面的因素。可能因為選擇了過大的線徑增加建設成本,選擇過小的線徑增加運行成本並可能導致嚴重的安全風險。 目前通信領域多數電力電纜配置偏於安全,在銅材日益昂貴、電纜費用佔比越來越高的今天,有必要選擇經濟的電纜。對於正在運行中的系統,宜與專業的機房評測機構進行合作,實施機房評估與必要的整改,確保供電安全。
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