站房低压配电设计中电缆选型及校验的几个问题

2013-11-29李树庭中南建筑设计院股份有限公司湖北武汉430071

智能建筑电气技术 2013年5期

李树庭 / 陈勇(中南建筑设计院股份有限公司，湖北武汉 430071)

1 引言

大型铁路客站体量越来越大，自动化程度越来越高，并且有较高的持续可靠运行要求。因此铁路客站尤其是大型铁路客站，对供配电系统也有相对更高的要求。因此在供配电设计中，保护电器及电能输送导体的选型设计是非常重要的内容。以下针对站房低压配电设计中的若干重点、难点进行分析和讨论。

2 站房低压配电电缆设计的若干重点

2.1 电缆截面选择与保护校验

由于铁路站房建筑规模较大，建筑内变配电房布置尚需综合考虑建筑的整体布局和功能分布，相应各变配电房的低压配电距离可能较长，电缆的供电半径往往比常规建筑大。因此相应的配电保护方式及整定便尤为重要。做好此部分的校验及关键设备的选择及参数整定，能最大限度的消除事故隐患，保证低压配电系统的安全。

2.2 不同场所的电缆选型

铁路站房配电系统中电缆种类、数量越来越多，敷设越来越多样化，消防安全性也越来越受大家的关注。电缆线路贯穿整个建筑物，确保所设计的电缆满足功能要求、并不引发火灾，不助长火势蔓延，不因毒素、浓烟危及人的生命安全且在技术经济上较为合理就是电气设计中十分重要的方面，在此部分设计中也存在一些常见的特点、难点。

2.3 电缆敷设与优化

由于电缆的长期容许工作温度以及电缆本身的散热性能均为产品本身的特性，只能通过提高产品本身特性来实现，设计无法予以优化。因此，改善电缆装置情况及周围环境的散热条件成为本文低压电缆载流量优化设计的切入点。

《低压配电设计规范》GB 50054-95 第2.2.3条所述“沿不同冷却条件的路径敷设绝缘导线和电缆时，当冷却条件最坏段的长度超过5m，应按该段条件选择绝缘导线和电缆的截面，或只对该段采用大截面的绝缘导线和电缆”即表达了在考虑电缆局部敷设条件较恶劣的情况下，当冷却条件最坏段的长度<5m时，考虑到冷却条件最坏段的热量能传导到条件好的区段，从而提供了按照较好冷却条件选择电缆截面的可能，对电缆敷设载流量优化设计提出了要求。

自2012年6月1日开始实施的《低压配电设计规范》GB 50054-2011 第3.3.6条在原95版规范2.2.3条的基础上使用强制性条文的方式提出了更苛刻的要求：“当沿敷设路径各部分的散热条件各不相同时，电缆载流量散热条件应按最不利的部分选取”，并以附录的形式将载流量修正系数的选择完整化、系统化，在《民用建筑电气设计规范》JGJ 16-2008第7.4.2条也作了同样地表述，进一步强调了电缆敷设散热条件优化设计的重要性。以下通过若干方面的讨论，阐述电缆敷设优化设计中需要注意的问题。

3 电缆截面选择与保护校验

3.1 接地故障保护及其校验

1)短路保护灵敏性的要求

《低压配电设计规范》GB 50054-95第4.2.3条规定“短路电流不应小于低压断路器瞬时或短延时过电流脱扣器整定电流的1.3倍”。

为达到短路保护灵敏性要求，一般采用较低的短延时脱扣整定值(电子脱扣器)或采用较大截面的导体以提高线路末端短路电流从而提高灵敏性的方式，其中第一种方式使用较多。

2)接地故障保护方式的选择

在《低压配电设计规范》GB 50054-95第4.1.1条规定“配电线路应装设短路保护、过负载保护和接地故障保护”。接地故障保护是以防止人身间接电击、电气火灾及线路损坏为目的的一种保护,因而也是必须保证的。在上述规范(《低压配电设计规范》GB 50054-95)第4.4.1～4.4.22条中也分别说明了接地故障保护的三种方式：利用零序电流来实现接地故障保护、利用剩余电流实现接地故障保护、采用过电流保护兼做接地故障保护。

图1所示为笔者计算TN系统出线电缆采用热磁脱扣器进行过电流保护情况下，满足接地故障保护灵敏性要求最大供电半径，可供设计参考(瞬动整定值按10 倍In)。

图1为满足末端保护灵敏性要求的最大半径典型值。

3.2 线缆热稳定的校核

1)热稳定校验与短路保护设备的选择

线缆热稳定校验需按最大短路电流来校验。此要求在《低压配电设计规范》GB 50054-95第4.2.1条中提及：“配电线路的短路保护，应在短路电流对导体和连接件产生的热作用和机械作用造成危害之前切断短路电流”。

如前所述，依铁路站房项目的规模，其内设置的配电变压器容量往往较大，低压母线配出线短路电流也较大。对于采用大截面电缆的短距离供电回路，其配出断路器的分断能力一般要求较高。

2)低压电缆热稳定校验的必要性

低压电缆热稳定校验要求的相关规定在多个规范均有提及。在《电力工程电缆设计规范》 GB 50217-2007第3.7.8条要求“短路点应选取在通过电缆回路最大短路电流可能发生处”，第3.7.7条中要求“对非熔断器保护的回路，应按满足短路热稳定条件确定电缆导体允许最小截面”。

以上规范的要求，对低压配电设计来说，就是馈出线热稳定校验需按出线电缆首端短路的最恶劣情况进行计算，此校验常用于对采用大容量变压器的配电系统低压侧母线馈出电缆的校验。针对“变压器低压侧出线电缆最小截面的选择”这一计算校验内容，需注意变压器低压侧出线电缆截面的选择尚需按热稳定校验结果选择，而不能仅以载流量为依据。

在热稳定校验中，除了涉及系统和电缆本身的因素外，断路器自身的电气性能也需进行考虑。部分厂家的塑壳断路器标注了其在分断短路电流时的限流作用，按其具体参数进行计算，往往能使热稳定计算结果更加准确和经济。

下面以某系列限流特性断路器为例进行讨论。其“热应力限制曲线”见图2。

按“热应力限制曲线”进行校验，即按导体的热承受能力应大于短路防护电器切断电源前通过的短路电流的热效应I2t值方式校验。

通过此系列断路器“热应力限制曲线”查得，在短路电流为50kA 处热效应值I2t<7×105(A2s)；相应满足热稳定要求的电缆截面为：

由计算可得，满足热稳定要求的YJV电缆截面需>5.4mm2。

据此，按开关制造商提供的“热应力限制曲线”，YJV-0.6／1kV-5×6mm2的电缆已满足热稳定要求。

4 不同场所的电缆选型要点

4.1 电缆阻燃等级的选择

1)阻燃电缆分类

阻燃电缆按照电缆阻燃材料的不同可分为两类，含卤阻燃电缆及无卤低烟阻燃电缆。

含卤型阻燃电缆在燃烧时会释放大量的浓烟和卤酸气体，卤酸气体对周围的电气设备有腐蚀性危害，救援人员需要带上防毒面具才能接近现场进行灭火。

无卤低烟阻燃电缆在电缆燃烧时无卤酸气体放出，相应发烟量较小，腐蚀性气体也较少。

2)阻燃级别

阻燃电缆应按等效工程使用条件的燃烧试验以满足有效的自熄性。考核阻燃电缆阻燃性能的试验方法为《电缆在火焰条件下的燃烧试验方法第3部分：成束电线或电缆的燃烧试验方法》GB/T 18380.3(基本等同于IEC60332)。

成束电线电缆燃烧试验是模拟电缆竖井敷设，在燃烧的同时在试验箱内通入一定流量的空气。成束电线电缆燃烧试验根据试样每米所含非金属材料的总体积不同，又分为A,B,C类(IEC 60332标准分为A,B，C,D类，前三种与GB/T1 8380.32001相同)。也就是说，可燃物越多，燃烧越激烈、充分。A类燃烧试验所含非金属材料最多，阻燃性能要求也就最严格。

规定为：

(1)A类试样根数应使每米所含的非金属材料的总体积为7L，试样供火时间为40min。

(2)B类试样根数应使每米所含的非金属材料的总体积为3.5L，试样供火时间为40min。

(3)C类试样根数应使每米所含的非金属材料的总体积为1.5L，试样供火时间为20min。

(4)上述试验结果评定：如炭化部分所达到的高度不超过2.5m，则判定试验结果合格。

4.2 非金属物的计算

对于上述规定中所叙述的单根电缆每米所含非金属材料的容量计算采用如下方法：

V —电缆所含非金属容量之和 L/m；

S1—电缆总截面积，mm2；

S2—电缆金属截面积之和，mm2。

不同阻燃级别相应的电缆根数，可按下列近似公式计算:

N —不同阻燃级别相应的电缆根数；

Vs—不同阻燃级别规定每米电缆所含非金属材料容量，L/m；

V —每米电缆所含非金属材料容量之和，L/m。

每米成束电缆最大根数可参考表1。

4.3 阻燃电缆选型与敷设设计的要点

1)阻燃电缆分为A、B、C3类，其中A类阻燃电缆性能较B、C类更优，价格也最贵。在设计时尚需标注所选阻燃电缆的类别，避免笼统的标注为阻燃电缆的做法。

2)由于敷设于同一桥架的电缆阻燃级别需按该桥架内的非金属总量来确定，当同一桥架内敷设电缆数量较多、非金属含量较高时，就可能提高桥架内阻燃电缆的阻燃级别。如合理安排干线电缆路径，优化分支电缆敷设分配情况；或将原大规格桥架按照电缆类型、功能等合理分类布置，改为若干小桥架敷设电缆，则可以有利于降低所需电缆的阻燃耐火级别。

3)无卤低烟阻燃电缆需要更大的弯曲半径，这是由于无卤低烟电缆的电性能及机械性能与含卤型阻燃电缆相比较底，在敷设电缆时相对要求较高。

4)非阻燃电缆和阻燃电缆一般不宜并列敷设，不同阻燃类别的阻燃电缆也不宜并列敷设。

5)非阻燃性电缆不应与阻燃性电缆混合敷设。由于阻燃电缆的可燃质在规定值以内及外界无继续供火的条件下，才能使电缆本体自熄而阻止延燃，因此在采用阻燃电缆时，仍然需采取相应防火阻燃措施。

4.4 防火措施对电缆载流量的影响

采取电缆防火阻燃措施时，应考虑电缆防火措施对电缆载流量的影响。

当电缆全线敷设在防火槽盒或防火桥架内进行保护时，根据有关试验电力电缆载流量将下降11%～13%(未包括温度、排列等修正系数)。

表1 上海市工程建设规范- 民用建筑电线电缆防火设计规程 DGJ08-93-2002 表C.0.4-2

对于防火材料的选择应注意考虑采用有机防火堵料与无机防火堵料、防火包的组合使用，避免防火封堵处成为整个电缆敷设线路散热的瓶颈。

防火封堵材料中的防火包和无机防火堵料单独使用时，对电缆的载流量影响较大，特别是防火包对电力电缆的载流量将降低10%以上，而有机防火堵料具有良好的散热性能，对电缆的载流量影响很小，可忽略不计。为减小防火材料对电缆载流量的影响，应采用两种或两种以上防火材料组合使用。

由于耐火电缆的设计选用涉及到的标准、规范较多，不是本文讨论的重点，该部分内容将另文详述。

5 电缆敷设与优化

5.1 决定电缆载流量的因素

电缆长期允许载流量是指在电缆内通过规定电流时，在热稳定后，电缆导体达到长期允许工作温度时的电流数值。在实际工程中，可依据载流量按需要选择不同型号的电缆，并确定所需电缆的数量和电缆的敷设形式。因此，选择电缆的许载流量具有十分重要的意义，在校验电缆长期允许载流量时需考虑以下因素：

1)电缆自身的长期容许工作温度；

2)电缆本身的散热性能；

3)敷设环境及散热情况。

5.2 电缆敷设散热条件的优化

1)变配电房低压柜出线方式的选择

变配电房部分的低压电缆敷设方式主要分为上进上出桥架敷设以及下进下出电缆沟敷设两种，低压配电柜的布置对其进出线电缆的散热也有一定的影响，以下对这些因素进行分析比较。

(1)下进下出电缆沟敷设

配电柜电缆下进下出方式。这种方式配电柜下设电缆沟，利用电缆沟作为电缆敷设通道连通各设备。

(2)上进上出电缆桥架敷设

配电柜电缆上进上出方式。这种方式在配电柜上方设电缆桥架，利用电缆桥架作为电缆敷设通道连通各设备。

(3)两种方式的比较

下进下出方式需在配电装置下设电缆沟，电缆沟一般为800mm深，与电缆上进上出方式配电装置上方设置桥架相比，对室内高度的需求较大。

采用下进下出方式时，在电缆沟转角处，电缆沟汇集处容易出现电缆拥挤，交错等问题，对局部电缆散热条件产生不利影响。从而限制了整个线路的载流量。

由于电缆出配电室后一般是沿桥架引至各用电设备，因此采用下进下出方式，电缆由柜体先引下至电缆沟，再自电缆沟引上并沿配电室外桥架敷设，就不可避免地会增加垂直段的电缆长度，考虑到配电室电缆根数较多，相应地增加了电缆部分的总造价，经济性略差。

由于在配电室设备施工安装完成后，下进下出方式采用的电缆沟路径对于各种原因造成的电缆沟内局部电缆拥挤一般很难再作调整。而采用上进上出方式，电缆桥架在电缆拥挤、交叉处则可比较容易地增加中间分支桥架解决。

2)变配电房低压柜出线方式的选择

为改善配电室电缆敷设局部拥挤，散热条件差的问题，可考虑对低压配电柜出线电缆采用分段、分节的方式。未分段、分节布置电缆敷设走向见图3，分段、分节布置电缆敷设走向见图4。由图中可见，未设置配电柜分段、分节前，在各配电柜出线电缆汇集处及以后区段，由于电缆通道较拥挤，可能对散热产生不利影响。而在设置了配电柜分段、分节后由于中间的电缆通道分流了部分电缆，使得整个电缆分布更加均匀、合理，改善了散热条件，同时也缩短了部分电缆的长度，优化效果明显。

以上方法对上进上出桥架敷设很容易增加中间分支桥架，对下进下出配电柜则需通过分节布置来实现。

3)水平段的电缆敷设

《民用建筑电气涉及规范》JGJ 16-2008第8.5.3规定：“同一路径无电磁兼容要求的配电线路，可敷设于同一金属线槽内。线槽内电线或电缆的总截面(包括外护层)不应超过线槽内截面的20%，载流导体不宜超过30根。”第8.10.7规定：“在电缆托盘上可无间距敷设电缆。电缆总截面积与托盘内横断面积的比值，电力电缆不应大于40%；控制电缆不应大于50%”

线槽、桥架规格的选择应符合电缆填充率不超过有关标准规范的规定值。

对于干线桥架考虑单层平铺形排列，按间距计算；对支线桥架按照填充率计算是比较合理的方法，由于电缆在线槽里放的层数不同，载流量校正系数相应不同，采用此方式选择桥架规格，在经济性上也是较为有利的。

在满足以上要求后，对于弯曲段桥架电缆敷设的弯曲半径，施工是否可行也是十分重要的因素，在设计时不可忽略这一点。