配电交流供电电缆线径选择

交流供电电缆线径选择的十个误区机房供配电系统设计有一定的规范，用户新建机房供配电系统时，应通过设计单位选择合适的交流线径，严格按设计文件施工。对于现有机房新增一般性负载，往往由用户自行设计并安装。 安全用电是动力设备安装与维护人员的基本要求，所有安装与维护人员都有必要了解交流电缆线径选择的方法和原则。维护人员在日常工作中不局限于发现设备潜在故障，也应关注线缆等配套设备存在的风险，实现精细化维护。在具体的安装与维护工作中，不少工程师对电缆线径的选择存在着一些误区，需要对这些误区进行分析。选择了错误的电缆线径，轻则增加了建设或运行成本，重则可能带来巨大的安全隐患。 本文列出的十个误区都是工程与维护人员容易发生的，事实上导线线径选择还有更多的影响因素，具体选择线径时应根据环境温度、允许温升、敷设方式等查询电工手册或其它相关设计规范。 误区一：经济电流密度 24A/mm2，选 2 偏安全，选 4 偏经济 按照经济电流密度选择交流线径是通行的方法，铜质电缆经济电流密度为24A/mm2。显然，取经济电流密度为 2A/mm2 时，线径较粗，投资成本较高;取经济电流密度为 4A/mm2 时，线径较细较经济。一些工程人员认为，按照经济电流密度选择电缆即可，选 2A/mm2 偏安全，选 4A/mm2 偏经济，都是可行的选择。当电缆较细时，电缆比表面积大，对散热有利;当电缆较粗时，电缆比表面积小，热量不易散发，单位截面积导线通过相同的电流时，粗电缆温度较高。如果电缆温度超过允许值，就会发生危险。下表为在空气中敷设的塑料绝缘铜芯电线长期连续负荷载流量(电工手册第 14 章第 99 页，上海科学技术出版社第四版，吕如良等主编，2002 年 1 月)，周围环境温度为 25，线芯长期允许工作温度为 70。由上表可见，较细的电缆每平方载流量远大于 4A，随着电缆线径的增加，每单位 mm2 载流量明显下降。由于电缆不应一直运行于最高温度，同时存在可能的过流或其它因素影响，选择时导线载流量应小于上表载流量数值。 由此看来，经济电流密度理解为粗电缆取 2、细电缆取 4，比理解为选 2 偏安全、选4 偏经济更合乎实际。 误区二：只按经济电流密度，不复核电缆压降信假定某单相交流负载最大电流不超过 16A(单相负载电流通常不超过 20A)，按经济电流密度法选用 4mm2 电缆，如果负载距离 100 米，铜电导率 为 57，电缆电阻为：R=L/(S)=1002/(574)=0.88 电缆上电压降 U 为 U=IR=160.88=14.1V连接回路在最大工作电流作用下的电压降，不得超过该回路允许值(电力工程电缆设计规范第 6 页， GB50217-94)，该例电缆上电压降达到 14.1/220=6.4%，超过多数设备线路上压降不应大于 5%的要求。负载工作电压下降 6.4%，相应的工作电流上升 1A，需要选用更粗的电缆(如 6mm2)，重新计算电压降，直至电压降小于 5%。误区三：只选择电线线径，不考虑电线类型 计算电缆线径时，只确定了电缆金属介质的截面积。只要截面积相同，不论何种绝缘层与护套，电缆本身性质完全相同(铜质，通信机房电力电缆一般不用铝芯电线 )。但正是由于绝缘层与护套的不同，散热性能、允许温升就有区别，如常用的 VV(聚氯乙烯绝缘) 电缆与 JYV(交联聚乙烯绝缘)电缆，前者允许温度为 70，后者可达 90，因此 JYV 电缆允许的截流量更大，同样的负载电流条件下，可以选择较小的线径。此外，单芯与多芯电缆(指内部含互相绝缘的多芯成套电缆) 散热条件不同，截流量也有区别。例如，铜芯导体截面为 50mm2，单芯与多芯明敷电缆在环境温度为 25、导体温度分别为 70(VV 电缆)和 90(JYV 电缆) 时载流量规格如下表所示由上表可知，多芯电缆载流量较单芯为小，VV 电缆载流量较 YJV 电缆为小，设计电缆时需要计入这些因素。多根单芯电缆平行捆扎敷设时，计算载流量也应在单芯电缆的基础上乘以一个小于 1 的降额矫正系数。下表为工厂供电中多根电缆并列时载流修正系数，电缆相距 100mm。误区四：优先选择长期安全载流量大的电缆 一般地，从电缆的绝缘性能、环保性能和耐候性能等方面看，YJV 电缆载流量大，在各方面比 VV 电缆性能更优异，应在工程设计中优先考虑。事实上，YJY 电缆虽然具有载流量大、电缆直径小、重量轻、方便安装等优点，但在同等截面积条件下，YJY 电缆比 VV 电缆流量大的原因仅仅是因为能承受的温度高而已。截面积相同，铜的质量、导电率也相同，因而在输送同等电流的情况下，选择 YJY 电缆可以比选择 VV 电缆细一些的线径，但线路电阻增加，线损和电压降也增加，长期运行不一定合算。电缆选择必须全面考虑环境条件、使用场所、敷设方式、供电距离、长期运行的费用和电压降，能用 VV 电缆的场所一般仍推荐用 VV 电缆。如果原行线架上已敷设 VV 电缆，新设计增加耐受温升更高的 JYV 电缆是没有意义的，平行捆扎走线的电缆只能按耐受温升最低的电缆计算载流量。误区五：并联多大的导线，就相当于线径增大多少平方 大型机房负载容量大，需要提供很大的电流，如果选择一根导线，无疑需要线径很粗的供电电缆，施工并不方便，甚至没有足够粗的导线可供使用。多根导线并联是允许的，由于线径小的电线每平方载流量大于粗电线，并联方式可能在经济上更合算。并联电线之间的电流在理论上按截面积分配，只要是相同材质电线(如铜线) ，都可以直接并联。但实际工程中，最好使用相同的线径。如果线径相差悬殊，可能由于接线端子存在一定电阻，以及与电缆截面积不成正比的感抗作用，导致电流分配偏差，一根导线可能分配电流过大，超过安全载流量。此外，如果采用不一致的线径，需仔细复核电线上的电流是否小于安全载流量，细导线的单位载流量只能按粗导线计算。 因此，大小相差悬殊的电缆并联使用，电缆载流量往往并不按照理想条件下的电流分配规律来分配，小电缆相对发热明显。两线并联时，粗的电缆不应大于细电缆的两倍。只根据负载电流选择交流输入电缆的线径，事实上存在着安全风险。例如，某大楼由功率S 为 315KVA 的变压器供电，变压器 Z 值为 5%。现欲在配电室增加一台 3P 空调(单相) ，发现配电柜内有一额定容量为 500A 的断路器 CB3 空闲未用，拟通过该断路器为空调引入一相交流电，如下图所示。工程人员按经济电流密度法选择线径，取经济电流密度为4A/mm2，空调工作电流 12A，选择电缆的截面积 S 为 4mm2，并在空调侧安装 16A 空开作为空调输入开关。A 16A315KVA/Z=5% 信息来自:输配电设备网 CB1/500A 信息来自:输配电设备网 CB2/500A 信息来源: CB3/500A CB4/500A 其它负载 50 米 信息来自 :输配电设备网 3P 空调 空调距离配电柜较远，电缆长度 L 为 50 米，导线电阻 R 为 R=L/(S)=502/(574)=0.44 假定电网供电能力为无穷大，变压器短路电流 IST 为：IST=S/(3UZ)=3151000/(22035%)=9545A 变压器副卷单相等效电阻 RT 为：RT=U/I=220/9545=0.023 假定变压器输出端至 CB3 所有导体与接头电阻之和为 0.05，如果电缆末端 A 点发生短路，短路电流为 ISIS=U/R=220/(0.023+0.05+0.44)=429A 由于断路器跳闸电流为 500A，因此电缆末端短路后断路器不跳闸，电缆烧断甚至起火。由以上例子可以看出，在选用电缆时，需要校验短路电流。在检查供配电系统时，如果发现大型断路器后端连接细电线，就应重点关注。(注：除短路电流需要核算外，还应计算接地故障电流，校验断路器是否符合要求。因本文只讨论电缆选型问题，不在此讨论如何选用断路器。) 信息来自: 误区七：按负载电流选线，不考虑断路器容量 根据负载性质不同，断路器容量一般选择为负载电流的 1.151.5 倍。断路器选定以后，过载跳闸电流即已确定(大型断路器往往允许整定跳闸电流 )。过流的产生与供电质量、负载质量及运行状态有关，也与漏电流有关。在通信机房供电系统中，通常并不安装漏电保护器，如果漏电流与负载电流之和不超过断路器额定电流，断路器不跳闸，负载继续运行。 在有较大漏电流的情况下，如果线径只按负载电流设计，可能导致线径偏小，超过导线安全载流量，电缆发热过温，存在的安全风险比漏电流更甚。正确的做法是：根据负载电流选择断路器(包括微断，熔丝等过流保护装置也是类似的 )容量，再根据断路器容量选择导线线径，再复核压降是否符合规范要求。 误区八：只考虑建设成本，不核算运行总成本 设计单位进行配电设计时，会计算负载电流、线路压降等，按建设投资最低的原则设计，较少考虑运行成本。仍以 3P 空调为例，如果选用 4mm2 的电缆，消耗在电缆上的功率为： P=I2R=1220.44=63W如果改选用 6mm2 的电缆，电缆电阻值为：R=L/(S)=502/(576)=0.29 消耗在电缆上的功率为 P=I2R=1220.29=42W 损耗降低 21W。假定电费每度 1 元，一年运行下来，选用 6mm2 的电缆可以节约电费 C 为 C=2124365/10001=184 元。 按北京电缆价格，26mm2 的电缆比 24mm2 的电缆贵 2.2 元/米，50 米的电缆差价仅为 110 元，选用 6mm2 的电缆初期投资大于选用 4mm2 的电缆，但不到 1 年即可收回投资，显然更为经济，总运行费用更节省。 选用更粗的电缆是否更经济，需要按同样的方法进行核算，如果三到五年可以收回投资，宜选用较粗的电缆。 误区九：零线选择未考虑三次谐波与不平衡电流 当负载三相不平衡时，零线将有电流流过;当三相严重不平衡时，零线电流甚至大于相电流。计算机、节能灯等电子设备多产生三次及三的倍次谐波，谐波电流通过零线。对于谐波抑制不佳的电子设备来说，三次谐波电流可能大于相电流，零线电流很大。此外，三次及以上谐波频率较高，在导线内流过时有趋肤效应，即电流主要从导体表面流过，相当于缩小了导线截面积，热效应更加明显。 现行 IDC 机房建设过程中，普遍采用 3+2 电缆，即一根圆形绝缘电缆中包括三根相线、一根零线和一根保护地线，如 350+225 电缆，零线线径为相线的一半。如果为普通计算机或照明供电，当负载达到设计容量后，存在一定的安全风险，三次谐波导致零线过热甚至着火。除非负载谐波抑制效果好，或进行了谐波整治，否则零线线径不应小于相线线径。误区十：保护地线目的是等电位连接，线径细一点也可以 交流设备与机房接地排之间、设备内部部件与机柜之间连接有保护接地线，一方面是等电位连接的要求，使所有设备和部件外壳保持等电位，预防触电以及由于雷电侵入导致的内部放电; 另一方面用于泄放接地故障电流。 由于雷击时长以微秒计，即使大的雷电流，积累的能量常不足以烧毁保护地线，因此不少工程师认为接地保护线对于防雷来说不用考虑粗细。确实，在雷击事件中少见有保护地线烧毁的案例，但保护地线的线径要求还有另外的原则，即发生接地故障时，保护地线不应在保护设备动作前烧毁。显然，电流越大的设备，输入电缆越粗，输入断路器容量越大，保护地线也越粗。因此规范规定，当相线线径大于 35mm2 时，保护地线线径应取相线线径的一半，按规范进行供配电系统设计，能达到相线越粗，保护地线也越粗的目的，消除安全隐患。 因此，保护地线线径不能随意选择，保护地线的截面，应满足回路保护电器可靠动作的要求 结语 交流电缆的选择看似简单，但为了选择安全而又经济的电缆，则需要综合考虑多方面的因素。可能因为选择了过大的线径增加建设成本，选择过小的线径增加运行成本并可能导致严重的安全风险