建筑电气线缆设计研究

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(山西建筑职业技术学院，山西 太原 030006)

引言

我国经济的高速增长促进了房地产市场的迅猛发展，由于土地的稀缺性，高层建筑已成为建筑的主要形态。高层建筑一旦发生火灾扑救难度大，往往给国家和人民生命财产造成巨大损失。据统计，18%～27%的建筑火灾是由电气故障引起的，这其中有相当一部分与建筑电气线缆设计不合理相关。本文对建筑电气线缆设计进行了探讨与研究，以期为降低建筑火灾的发生频率等提供参考。

1 电气线缆设计方法与程序

1.1 按温升选择截面

金属导线或电缆中流过电流时，由于导体电阻的存在，电流使导体产生热效应，致使导体温度升高，同时向周围介质发散热量。导线或电缆的绝缘介质所允许承受的最高温度必须大于载流导体表面的最高温度，才能使绝缘介质不燃烧，不加速老化。

为保证电线电缆的实际工作温度不超过允许值，电线、电缆按发热条件允许长期工作的电流不应小于线路的工作电流。电缆在不同的散热条件地段，其对应缆芯工作温度会有差异，应按散热条件最恶劣地段(通常≥1 m)来选择截面。当负荷为断续工作或短时工作时，应折算成等效发热电流，按温升选择电线、电缆的截面或者按工作制校正电线、电缆的载流量。

通常，按温升选择电缆截面时需考虑几个系数。环境温度不同于载流量数据中的给定温度时，应对载流量进行修正，即载流量要乘以校正系数Kt，其计算公式为：

(1)

式中：θn——电线、电缆线芯允许长期工作的温度，℃；

θa——敷设处的环境温度，℃；

θc——载流量数据的对应温度，℃。

多回路敷设时，由于散热条件劣化，使得导线电缆的载流量有所下降，而一般的载流量表中均为单回路或单根电缆的载流量数据，故应再考虑一个修正系数Kd，这一系数通常可在相关的手册和规范中查得。

1.2 按电压损失校验截面

由于电压损失的存在，用电设备端的电压与电力系统的额定电压会产生偏差，从而导致三相异步电机出力下降，电光源的输出光通下降。供配电设计人员在确定电线电缆截面后，有必要进行电压损失验算，以保证用电设备的端电压在电压偏差所许可范围之内。否则应适当加大导线或电缆的截面，使之满足允许电压损耗。用电设备端子电压实际值偏离额定值时，其性能受影响的程度由电压偏离的大小和持续时间而定。正常情况下，设备端电压允许偏差范围为+5%～-5%；少数远离变电所的允许偏差范围为+5%～-10%。

三相平衡负载线路电压损耗的用功率距表示的计算公式为：

(2)

式中：P——负载的功率，kW；

L——线路的长度，m；

S——电线电缆的截面积，mm2；

C——线路电压损失的计算系数，C=10γUn2。

此处按导线工作温度为50 ℃取γ值为51.91，Un值为0.38，故C=74.95，取C=75。

1.3 按机械强度校验

用电设备载流导体的最小截面积应满足机械强度所允许的最小值。不可移动的导体允许的最小截面积，应根据敷设线缆的安装方式、绝缘层材质、支持点距离以及载流导体材质确定。绝缘导体穿管敷设或在槽盒中敷设时，铜导体的最小截面积为1.5 mm2。

1.4 考虑谐波电流的影响

在平衡的三相交流系统中，谐波电流是存在的，三次谐波电流的含量最大，其影响最显著。因三次谐波电流在相线上的方向一致，故中性线上的三次谐波电流含量为相线的3倍。确定线缆截面时，应该考虑谐波电流。若谐波电流值不大，可按相线电流选择线缆截面，计算电流值按基波电流值计算，但必须除以相应的修正系数。三次谐波电流值超过基波值的33%时，中性线电流将超过相电流的基波分量，则应按中性线的电流值选择线缆的规格，计算电流时要除以修正系数(见表1)。

表1 谐波电流修正系数表

1.5 中性导体和保护导体的选择

1.5.1 中性导体的选择

对于一相一零制线路，相导体的截面积≤16 mm2，此时导体材质须为铜；相导体截面积≤25 mm2的TN-C线路，中性线的截面积必须与相导体的截面相同，此时导体的材质须是铝。

铜相导体截面积>16 mm2时，其中性导体截面积≥16 mm2；铝相导体截面积>25 mm2，其中性导体截面积≥25 mm2。在用电设备正常工作时，中性导体的最大工作电流必须小于等于中性导体所许可的载流量。

1.5.2 保护导体的选择

保护导体的截面积应能满足电气系统间接接触防护切断供电电源，而且能够承担可能的短路电流和故障电流。

保护导体的截面积应符合(3)式：

(3)

式中：S——PE线的截面，mm2；

I——保护电器流过可能发生的短路电流或故障电流(有效值)，A；

t——保护电器的自动分闸时间，s；

K——计算系数。

若相导体截面积≤16 mm2，PE线截面积等于相线；相导体的截面积在16～35 mm2时，PE线截面积等于16 mm2；若相导体的截面积>35 mm2，PE线截面积等于相导体截面积的一半。

2 工程实例

2.1 工程背景

太原市某住宅小区1栋32层高层住宅的电梯线缆截面确定。两部电梯，每部电梯考虑井道和机房用电总容量为15 kW，两部电梯共用1台双电源箱，从低压配电室至电梯机房双电源切换箱电缆总长按120 m考虑，电缆在配电室、公共走道、电气竖井内均采用金属无孔托盘敷设。

该电缆回路计算电流为：

=59.6(A)

2.2 线缆选型

该工程实际现场条件是4根电缆无间距并列在无孔托盘电缆桥架上，环境温度按35 ℃考虑，选用YJV-1.0KV-4+1五芯电缆。查相关载流量手册，可得敷设于自由空气中的多芯电缆载流量校正系数k1为0.75。由Ial×k1>Ijs，可得Ial>Ijs/k1，Ial=59.6/0.75=79.5，10 mm2电缆的载流量为72 A，16 mm2电缆的载流量为96 A，由此该电缆的相线截面初选为16 mm2。

电压损失按(2)式校验得：

该工程两部电梯选用电缆的电压损失Δu(%)=1.5%，小于电压损失的允许值，故电压损失符合要求。该工程电梯电缆相导体截面为16 mm2，高于1.5 mm2的相关规定，符合规范对机械强度的要求。

该工程电梯采用三相异步电机变频调速，变频器会产生一定程度的高次谐波，需要计算谐波电流(见表2)。

按最不利的谐波含量考虑计算电流为89.4 A，仍然小于16 mm2电缆的载流量96 A，说明该电缆的相线截面选为16 mm2是合适的，电梯电缆中性导体截面积选为16 mm2，保护导体截面积选为16 mm2，均满足规范要求。所以，电缆型号和规格确定为YJV-1.0KV-5*16。

表2 谐波电流修正系数计算表

3 结语

由于电缆截面的经济电流选择方法涉及的内容较多，而且选择出的电缆截面比本文介绍的方法选出的电缆截面积大两个级别，这将极大地提高该工程的建设成本，给开发商带来一定的经济压力，在征求开发商的意见后，最后确定采用本文的选择方法。该项目的线缆工程按照本文所述设计方法得到的电缆规格和型号，在住宅小区建成后运行正常，没有出现电缆过热、负载端电压偏低的现象，取得了较好的经济效益。

参考文献：

[1] 中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电设计手册[M].第3版.北京：中国电力出版社，2005.

[2] 杨子宁.从建筑电气设计角度浅析火灾的防范[J].电线电缆，2001(3)：35-36.

[3] 张铁毅.电缆截面选择方法浅析[J].内蒙古煤炭经济，2011(2)：85-87.

[4] 贾朝霞.电气设计中电缆截面的选择探讨[J].化学工程与装备，2010(2)：107-110.