电缆设计与电气节能的分析

2013-11-29陶云飞筑博设计集团北京股份有限公司北京100013

智能建筑电气技术 2013年6期

关键词：桥架损耗电缆

陶云飞 (筑博设计集团(北京)股份有限公司，北京 100013)

绪论

随着我国经济的快速发展，对能源的需求越来越大，，全国各行业都兴起了节能运动，与生活息息相关的建筑电气节能，更是首当其冲。

常见的电气节能方法一般有以下几种：

1)照明系统节能，主要采用节能光源及智能的控制方式；

2)采用节能的电气设备：如采用非晶合金变压器、节能接触器等；

3)对电气设备采用先进的控制运行方式。如电梯群控、电机采用变频控制方式；

4)先进的管理手段：采用楼宇控制、能源管理系统、计算机管理系统等；

5)采用新能源：太阳能光伏发电、冰蓄冷、风力发电、热电冷联供系统等；

上述节能方法的弊端是均需在前期有较大的经济投入，所以是一个逐渐深入人心的过程。而且其主要应用在公共建筑、政府工程等。由于这些节能措施普遍存在投资高、部分新产品质量不可靠、投资回收预期不明确等原因，因此甲方或开发商很少主动采用。

其实在电气设计中，通过选择较大的电缆截面，配合合理的敷设方式，可以有效降低线路的电能损耗，达到节能的目的。本文在这些方面提出一些简单可行的方法供设计人员参考。

1 线路损耗的概念

当负荷电流通过线路时，在线路阻抗上会产生功率损耗。在三相线路中有功及无功功率损耗为:

有功功率损耗：

无功功率损耗：

以上式中 R—每相线路电阻，Ω, R = rl；

X—每相线路电抗，Ω, X = xl；

l—线路计算长度， km；

Ic—计算相电流， A;

r 、x—线路单位长度的交流电阻及电抗， Ω/km。

通过上述公式可以发现，降低线路损耗主要通过下列几种方式：

1)减少线路长度。可通过合理划分配电区域，配电点尽量在负荷中心。

2)降低线路单位长度的阻抗值。可通过增大线径来解决。

3)降低线路的电流。可通过提高供电电压解决。

本文主要从两个方面分析如何降低线路的损耗。一方面从增大电缆线径来降低线路的损耗；另一方面通过电缆合理的敷设方式，提高电缆载流量，变相增大电缆线径来降低线路的损耗(注：本文以民用建筑中铜芯YJV电缆作为讨论对象)。

2 降低线路损耗的方法

2.1 增大电缆线径

传统的电缆截面选择可分为下面几种方式：

1)通过负载电流时，线芯温度不超过电线、电缆绝缘所允许的长期工作温度，简称按温升选择截面。

2)经济寿命期内的总费用最少，即初始投资和经济寿命期内线路损耗费用之和最少，简称按经济电流选择。

3)通过短路电流时，不超过所允许的短路强度。

4)电压损失在允许范围内。

5)满足机械强度的要求。

6)低压电线、电缆应符合过负载保护的要求;TN系统中还应保证在接地故障时保护电器能断开电路。

上面几条中可以看出，第(2)条按经济电流选择电缆是与节能损耗有密切关系的，而其他几条都是在设计时必须严格做到，否则可能会影响电缆的安全使用，甚至会造成严重后果，不是本文讨论的内容。下面说明经济电流选择电缆与节能之间的关系。

按载流量选择线芯截面时，只计算初始投资；按经济电流选择时，除计算初始投资外，还要考虑经济寿命期内导体损耗费用，二者之和应最小。当减小线芯截面时，初始投资减少，但线路损耗费用增大；反之增大线芯截面时，线路损耗减少，但初始投资增加，某一截面区间内，两者之和(总费用TOC)最少，即为经济截面，详见图1 (以VV-1型电缆为例)。

图1 VV-1型电缆与TOC关系

图1中曲线2代表初始费用，它包括电缆附件与敷设费用之和。当截面增加时，投资费用随之增大。曲线3代表电能损耗费用，当截面增大时，损耗费用随之减少。曲线1代表总费用，是曲线2、3的叠加。曲线1的最低点就是总费用最少的经济截面。

具体如何使用经济电流选择电缆，可以参见相关书籍。通常，按经济电流选择的线芯截面大于按载流量选择的截面。大多数情况，二者仅相差2级。换言之，大多数情况下，按载流量选择的截面，放大1～2级，会比较接近经济电流值。有时，按技术条件选择的截面会大于按经济电流条件所选择的截面。因此，“经济条件”是必要条件，但还不是充分条件，必须同时满足“技术条件”。

过去，当我国经济发展尚处于初期阶段，在经济短缺的条件下，工程建设往往较注重初期投资的控制而忽略长期运行的经济性。当前，我国已进入社会主义市场经济发展时期，对工程建设越来越重视整体和长远的合理性。也就是既重视投资控制也重视运行成本的节约，将二者有机统一，倡导优化工程设计。《民用建筑绿色设计规范》(JGJ/T229-2010)及《绿色建筑设计标准》(DB11/938-2012)中均已提出10kV及以下电力电缆截面应综合技术、经济电流计算方法设计。

按经济电流选择电缆截面，通常大于按载流量所选的截面，但总费用支出会很小，而且增加的初期投资一般仅需2～4年即可收回。根据我国情况，如果能全面推行按经济电流选择电线、电缆截面的方法，将减少35%～42%的线路损耗，经济意义十分重大。

2.2 采用合理的敷设方式

在不同环境，不同的敷设方式下，为了保证电缆的安全运行，电缆的载流量是不一样的。如果线路中电流超过其额定载流量值，会导致电缆发热增加，温度升高，电缆绝缘层遭到破坏；同时导体温度增加时，线路阻抗增大，线路压降增大，导致电气设备不能正常运行，甚至还能引发火灾等事故。

根据布线系统载流量国家标准《建筑物电气装置第5部分:电气设备的选择和安装第523节布线系统载流量》(G8/T 16895.15-2002)将电线、电缆的敷设方式划分为Al、A2、B1、B2、C、D、E、F、G 九大类。本文只讨论民用建筑中常用的沿梯级桥架敷设，即E类。

在梯级桥架上敷设电缆等同于电缆敷设在自由空气中。但多回路敷设时，电缆载流量需考虑修正系数。参见表1。

这些修正系数是假定各回路电缆截面相等且都是在额定载流量的情况下计算而得的数字。实际情况会有所不同，计算方法十分繁复。工程设计时，可应用这些数字，当负荷率小于100% 时，实际修正系数可提高一些。

这些修正系数，只适用于线芯长期允许工作温度θn相同的绝缘导线或电缆束。假若不同θn的绝缘导线或电缆成束敷设，那么束中所有的绝缘导线或电缆载流量，只能根据其中θn最低的绝缘导线或电缆束选择载流量并乘以修正系数。也就是说，在工程设计中尽量避免不同θn的绝缘导线或电缆成束敷设。

表1 电缆在梯架内多层戴设时载流量校正系数

通过表1可以看出，工程设计中，如果通过改善电缆的敷设方式，尽量避免电缆之间发热量的相互影响，就可以提高载流量的校正系数，相当于用较小的电缆截面满足载流量的实际需要，等于变相增大电缆线径。

在《建筑电气常用数据》(04DX101-1)图集中，选择电缆载流量时，对应的敷设方式必须要正确。比如针对YJV三芯电力电缆持续载流量表中，“敷设在空气中”应针对载流量国家标准中的“E”类电缆载流量，在实际工程中，当电缆敷设采用梯架、有孔托盘、明敷时均按此表选择；而“敷设在明敷的导管内”相当于载流量国家标准中的B2类，在实际工程中，当电缆敷设采用穿管明敷、穿管砖墙内暗敷、线槽明敷时均按此表选择。根据载流量国家标准，“B2”类的载流量为“E”类的0.78倍。

民用建筑设计中比较常见的电缆敷设方式是采用线槽明敷或穿管埋地或砖墙内暗敷。许多人在《建筑电气常用数据》中查找电缆载流量时，由于没有线槽敷设及穿管埋地敷设这一栏，就把“敷设在空气中”理解成线槽敷设，把“敷设在隔热墙中的导管内”理解成穿管在砖墙内暗敷，这些都是不对的。

例如：根据《建筑电气常用数据》第51、52页,选择单根YJV-0.6/1kV，工作温度90oC，环境温度30oC，标称截面为70mm2的电缆，按正确与错误的敷设方式选择的结果比较如表2所示：

表2 电缆载流量选择

上述只是针对单根电缆，没有合理考虑电缆相互之间的发热影响。电缆成束敷设时，应考虑合理选择降容系数。

3 电缆敷设中需要注意的问题

3.1 尽量采用梯级桥架敷设

电缆桥架作为布线工程的一个配套项目，目前尚无专门的规范指导。桥架分为槽式、托盘式和梯架式、网格式等结构。电缆应优先采用梯架敷设，梯架对电缆周围空气流通阻力小，支持电缆的金属件占有底部面积不足10%，散热效果好，电缆的额定载流量相对较大。

而对于消防线路明敷设时，穿有防火保护的封闭式金属线槽或者采用耐火桥架，散热效果都不好，建议采用矿物绝缘电缆明敷。

3.2 采用新型节能桥架

目前市场上的某型产品，外观如图2。

图2 新型节能电缆桥架图

节能轻质高强电缆桥架是新一代具有高科技含量的产品。该产品具有节能，轻质，高强耐腐等特性。该产品的新颖性在于根据材料力学的原理，采用凸凹瓦楞结构原理代替传统的平板结构，提高桥架的机械强度。同时，由于电缆内置环境温度优化，散热效果好，能有效提高电缆的载流量值。

3.3 保证合理敷设间距

在桥架内敷设时，电缆间距尽量达到2D(D为电缆直径)，如此电缆彼此之间的散热效果较好，不互相影响，能充分发挥电缆载流量。表3是《工业与民用配电设计手册》中,电缆在梯架上敷设时，几种敷设校正系数。

例如：变电所给某处8个计算电流为200A的设备供电，变电所出线开关整定电流电流为225A。采用YJV电缆在梯架上敷设，敷设环境条件是30o，查《建筑电气常用数据手册》中“敷设在空气中”一栏，并分别针对上述三种敷设方式，可得表4结果。由表4可见，给同样设备供电，当采用不太合理的敷设方式时，电缆截面差别很大。在实际工程中，电缆的费用要远大于桥架的费用，因此，应当优先考虑电缆的选择，然后根据电缆确定桥架的宽度。

表3 敷设在自由空气中电缆载流量校正系数

表4 电缆载流量

图3 桥架内电缆排布示意图

3.4 电缆排布要合理

平时满载的电缆与备用电缆在桥架内间隔排列。有利于散热，也可以有效提高电缆的额定载流量。

图3 中，(a)(b)为给消防设备配电的电缆敷设方式。采用专用两组消防桥架分别敷设，主用回路电缆与应急回路电缆分别沿各自的桥架敷设。在正常供电时，需要考虑电缆排列的校正系数，电缆截面会较大，但若主用桥架及应急桥架内电缆均按(d)方式排列，则可以不考虑校正系数，或提高校正系数，等于变相降低电缆截面。

图3(c)中问题与上述类似，如果设计人员不进行细化设计，满载电缆与空载电缆排布就是很随机的，若能按(d)排列，则散热效果好，可以适当提高载流量，相当于降低电缆截面，降低造价。

如果某一回路(管线或电缆)的实际电流不超过成束敷设时的额定电流值30%，在选择修正系数时，此回路数可忽略不计，如图3(e)所示。

3.5 远离热源

电缆桥架不宜敷设在热力管道的上方，否则需采取隔热措施。目的是防止热力管道热量上升，引发电缆散热不通畅。

3.6 采取通风散热措施

变电所、电缆沟、电缆夹层需考虑通风措施。规范中要求选择电缆载流量按最不利点考虑，当最不利点电缆长度小于5m可不考虑。上述场所，电缆相对比较密集，散发的热量在局部聚集，必须采用机械通风的方式来降低局部温度。

比如在变电所内，由低压柜引入到电缆夹层或桥架时，电缆多数以电缆束的形式敷设，如果因此按电缆束考虑兼容系数，则浪费比较严重。

实际工程中，应将变压器的损耗计算结果及电缆散热量的计算结果提给通风专业，由通风专业根据发热量来考虑通风。一般每小时换气次数不低于8～12次，保证变电所的室温不超过35℃设计。在设计风机温度控制时，温度传感器可以装在电缆较密集的部位。

变电所不应采用空调送冷风，防止在电气设备表面产生冷凝水。

3.7 采用电缆温度检测系统，加强对重点部位温度监测

在低压配电系统中，过负载保护电器的动作特性应同时满足下列条件：

式(3)中，IB—线路计算负载电流(A)；

In—断路器整定电流(A)；

Iz—导体允许持续载流量(A)：

图4 低压配电系统过负载保护电气接线图

图4 中，线路正常运行时，低压断路器QF1与其后的电缆之间的配合是没有问题的，线路过载时断路器会动作。但如果图中故障点处敷设不合理，导致该处电缆过热，甚至引发绝缘损坏等，由于线路电流仍在上级断路器整定值范围内工作，上级断路器不会跳闸，就会引发安全问题。

因此在有些恶劣的敷设位置，必须采取补救措施，特别是拐弯处，进出竖井等电缆敷设较密集的地方，可以采用下列措施：

1)加大桥架宽度尺寸。

2)局部温度检测。

3)上级开关设置漏电保护措施。因为当温度过高，绝缘损坏时，可能导致漏电。

4)上面2、3条可以采用电气火灾漏电报警系统综合解决。

4 结束语

通过上面的分析可以看出，增加电缆截面降低线路损耗，或通过合理的敷设方式保证线路载流量尽可能达到其额定值，二者是相辅相成的，必须同时考虑。比如按经济电流选择截面，增加初始投资，大大降低线路的损耗，达到节能的目标，并且综合投资最低，但是如果不结合合理的敷设方式，电缆仍然多层敷设在桥架上，散热不利，温升增加及阻抗增加，则电缆的线路损耗并没有降低，就达不到节能的目的。

电缆截面、载流量及敷设方式之间相互关系如下：

合理的敷设方式 → 提高电缆载流量 → 降低电缆截面 → 节约投资

合理的敷设方式 → 降低电缆温升 → 降低线路损耗 → 节约电能

在工程设计中，对于电缆截面及敷设方式的选择，并没有多少技术含量，这与设计人员的责任心有很大关系，如果花心思，精心设计，就能设计出既满足需求，又能降低造价，使用安全的好方案。如果图省事，对电缆在桥架内的排布方式以及电缆桥架的宽度都没有做很深入的细致工作，甚至有人对所有电缆均按0.7校正系数进行设计，必将造成巨大的浪费。