信息通信机房电力电缆的选择与应用

2021-06-10谢拥华

广东通信技术 2021年5期

关键词：通信机房截面积电力电缆

［谢拥华］

1 概述

信息通信机房中有大量的信息通信设备，这些设备的正常工作需要有电力的持续稳定供应，电力导线承担着将电力从电网、供电设备输送到用电设备的任务，最常见的电力导线就是电力电缆。

电力电缆的正常工作是信息通信设备安全稳定运行的前提和基础，如何保证电力电缆的正常工作呢？主要包括3 个方面：

（1）在设计阶段正确地选择和配置电力电缆；

（2）在施工阶段按规范和技术要求正确地敷设电力电缆；

（3）在运维阶段对电力电缆进行日常巡检和监视。

本文主要讨论在设计阶段如何正确地选择和配置电力电缆。

2 电力电缆的结构

电力电缆一般为3 层结构，导体、绝缘层和护套层，部分电缆还会有铠装层。图1 所示为常见电力电缆的横截面示意图。

图1 常见电力电缆的横截面示意图

最常用的导体是铜和铝，铜的导电系数相对较高。

绝缘层按材料可以分为匀质和纤维质，匀质材料主要有聚氯乙烯、聚烯烃、交联聚烯烃、橡胶等，匀质材料的绝缘层具有较好的抗潮性，实际中应用较多。

护套层是为了保护绝缘层不受机械损伤，同时避免整条电缆被拉力破坏，护套的材料一般采用塑料、铝、铅等。

3 电缆的分类

电力电缆有很多种分类方法，可以按照导体种类、芯数、燃烧性能等进行分类。

按照电缆内的导体不同，电缆可以分为铜芯电缆和铝芯电缆。

按照电缆内的芯数不同，电缆可以分为单芯电缆和多芯电缆，多芯电缆有2 芯电缆、3 芯电缆、3+1 芯电缆、4 芯电缆、4+1 芯电缆、5 芯电缆。国内的信息通信机房低压配电系统绝大部分采用TN-S 系统，此时保护导体和中性导体各自独立，因此三相供电回路的电缆芯数宜选择5 芯电缆。

按照燃烧性能不同，电缆可以分为耐火电缆、阻燃电缆和普通电缆。所谓耐火是指电缆被燃烧仍能在一定时间内保持正常运行的性能。所谓阻燃是指电缆被燃烧，火焰的蔓延有限，且残焰在规定的时间内能自行熄灭的特性。

4 电力电缆的选择原则

4.1 电缆燃烧性能

信息通信机房内的所有电力电缆都应选用阻燃电缆或耐火电缆，不能选用不具备阻燃性能或耐火性能的普通电缆。这是因为信息通信机房具有价值高、重要性强的特点，选用阻燃电缆或耐火电缆可以在火灾发生时防止火灾蔓延，避免造成重大的财产损失和人员伤亡。

对于耐火和阻燃电缆，根据性能的优劣，又可以分为A、B、C 三类，其中，A 类性能最优，信息通信机房内的阻燃电缆一般会选择A 类。

4.2 电缆导体种类

前文已述，常见的电缆导体种类为铜和铝，相对于铝来说，铜具有如下优点：

（1）铜的电阻率低。在标准大气压和常温20℃时，铜的电阻率为1.724＊10-8Ω.m，铝的电阻率为2.826＊10-8Ω.m。这就意味着相同的横截面积，铜芯电缆的内阻比铝芯电缆的内阻低，流过相同的电流时，发热量将更小，所以相对来说，铜芯电缆的载流量更高，电缆上的电压降更小，更加节能。

（2）铜更耐腐蚀。相对于铝，铜金属更抗氧化，不容易腐蚀，尤其是电缆的接头处，铝芯电缆会由于氧化腐蚀而使接触电阻增大，这样就有可能发热过大而引发事故。

（3）铜的柔性好，强度高，且抗疲劳。铜芯的柔性好，允许的弯曲半径更小，因此便于施工过程中的穿管和转弯；常温下，铜的允许应力和拉伸强度极限也比铝更高；另外，铝芯如果反复折弯容易折断，而铜芯不会。

铜的主要缺点就是产量有限，因此价格相对较高，以2021 年1 月初的市场价格为例，1#电解铜的价格大约为6 万元/吨，而铝的价格大约为1.5 万元/吨。

考虑到信息通信机房的重要性，机房内的电缆均建议采用铜芯电缆，尤其是地线电缆必须采用铜芯电缆，在沿海等有环境腐蚀的地区，也应选择采用铜芯电缆。

在信息通信机房中的建设中，一些较偏远的移动通信基站，如果市电引入的外线电缆采用铜芯电缆而经常发生被偷盗时，可以考虑将外线电缆更换为铝芯电缆。

4.3 电缆导体的截面积

在讨论电缆导体的截面积之前，首先要正确理解标称截面积、设计截面积和实际截面积3 个概念的联系和区别。

标称截面积是指产品标准中用来表述电缆产品的规格，仅仅是此规格的代号或名称，便于产品制造过程中的文件及生产管理。标称截面积并不要求直接测量其截面积，而是通过导体的电阻值进行衡量和考核。

设计截面积也称为电气截面积，是指设计过程中选择的电缆截面积，施工进场时应对其截面和导体电阻进行见证取样送检。

实际截面积指电缆导体的几何截面积。

对于电缆生产制造者来讲，某标称截面的导体截面究竟设计多大才能满足标准要求，不是指实际截面积要大于等于标称截面积，而是指此标称截面下的设计截面积（电气截面积）要满足标准要求，即电阻值应满足标准要求，将此作为设计导体实际截面大小的依据。如果选择的导电性能较高的导体材料，那么实际截面可以小一些，反之导体实际截面应大一些。当今随着导体材料生产工艺的改进和科学技术进步，无氧铜材的先进生产工艺已经得到普遍应用，铜导体材料电阻率足以保证用小于标称直径铜丝能满足对应规格电阻的要求，所以目前电缆行业中较普遍出现电阻合格，但线芯实际截面小于标称截面的现象，这是符合产品标准要求的，也符合节能节材的发展趋势。

下文所讨论的电缆导体截面积均是指设计截面积（电气截面积）。

电缆导体的设计截面积需要满足信息通信机房系统安全运行的要求，首先，电缆的发热应控制在允许范围内，即载流量应满足要求；其次，电缆上的电压降应满足系统正常工作的要求。

4.3.1 按电缆的载流量选择

电力电缆由于存在内阻，当有电流流过导体时，电缆将发热，从而产生温度升高，通过的电流越大，发热量越大，温升越高。不同类型的电缆有不同的最高工作温度，如：聚氯乙烯电缆持续工作的最高允许温度不能超过70℃，而交联聚乙烯电缆持续工作的最高允许温度为不超过90℃。

电缆的发热量大小除了与流过的电流大小相关，还与电缆的内阻大小有关，内阻越小，发热量越小。假设允许的发热量恒定，则截面积越大，允许通过的电流越大。但电缆的截面积（可换算成导体电阻）和允许通过的电流并非一个简单的线性关系，而是遵循如下公式1：

式中：

I—导体流过的电流，即允许载流量（A）；

R—导体在其最高工作温度下的电阻（Ω）；

Δ θ—高于环境温度的导体温升（K）；

Wd—一根导体绝缘单位长度的介质损耗（W/m）；

T1—一根导体和金属套之间单位长度热阻（K.m/W）；

T2—金属套和铠装之间衬垫层单位长度热阻（K.m/W）；

T3—电缆外护层单位长度热阻（K.m/W）；

T4—电缆表面和周围介质之间单位长度热阻（K.m/W）；

n—电缆中载有负荷的导体数（导体截面相等，负载相同）；

λ1—电缆金属套损耗相对于该电缆所有导体总损耗的比率；

λ2—电缆铠装损耗相对于该电缆所有导体总损耗的比率。

由于公式1 涉及参数较多，技术人员要通过该公式计算出特定截面积的电缆的允许载流量非常麻烦，技术人员通常是通过查表的方法得到已知截面积电缆的允许载流量。国家标准GB 50217-2018《电力工程电缆设计标准》附录C 中规定了10 kV 及以下各类常用电力电缆的持续允许载流量。其中，1 kV 聚氯乙烯绝缘电缆空气中敷设时持续允许载流量如表1 所示。

表1 1 kV 聚氯乙烯绝缘电缆空气中敷设时持续允许载流量（A）

电力电缆的载流量还受到如下一些因素的影响：

（1）环境温度的差异；

（2）直埋敷设时土壤热阻系数的差异；

（3）电缆多根并列敷设的差异；

（4）户外架空敷设无遮阳的日照影响。

对于信息通信机房来说，一般都有机械通风设备，环境温度不会超过40℃，如果环境温度为30℃，则实际允许载流量可以增加15%。

机房内的电缆敷设方式一般为走线槽道架空敷设，而且，电缆多根并列多层敷设的情况比较普遍，这势必对电缆的散热造成不利影响，因此，需要根据标准的规定进行校正。在最恶劣的情况下，电缆的允许载流量甚至需要乘以校正系数0.5。

在设计阶段，电缆上的载流量应满足公式2：

式中：

IZ—电缆的持续载流量，单位为安培（A）；

In—保护电器的额定电流，单位为安培（A）；

IB—回路的设计电流，单位为安培（A）；

从式（2）可以看出，在设计中选择的电缆，其载流量除了要不小于回路中的设计电流，还应不小于上级保护电器的额定电流，这样保护电器除了可以保护用电设备，还可以保护电缆。

4.3.2 按电缆的允许电压降选择

电缆上通过电流时，由于电缆内阻的存在，在电缆上将产生电压降，如果电压降过大，将导致用电设备上的电压值过小，用电设备将无法正常工作。

在信息通信系统中，不同电压等级的用电设备，有各自的电压允许变动范围，因此，电缆上的允许电压降也是不同的。不同电源系统的允许电压降参数如表2 所示。

表2 不同电源系统的允许电压降

从表2 可知，交流系统的允许电压降较大，在根据最大工作电流选择好电缆截面积后，电缆的电压降一般都能满足系统正常运行的要求，只有当从信息通信机房外部引入交流的距离很长时，才需要验算电压降是否满足要求。

以典型的移动通信基站为例，假设基站的远期负荷为40 kW，此时交流引入采用63 A 的断路器进行保护，交流电力电缆选用5 芯25 mm2的铜芯电缆，假设三相平衡，此时只有当电缆长度（交流引入距离）超过783 米时，电压降才会达到额定电压的15%，考虑到实际负荷很难达到设计的远期负荷，因此电压降将更低，允许的电缆长度会更长。

相对来说，直流系统的允许电压降值较小，因此，在根据最大工作电流选择好电缆截面积后，还需要验算电缆的电压降。以﹣48 V 直流电源系统为例，蓄电池放电回路的全程电压降最大允许值为3.2 V，如图2 所示。

图2 ﹣48V 直流电源系统电压降分配图

在图2 中，根据有关标准规定，直流电源设备内部的直流配电单元电压降ΔU2一般取0.5 V，列头柜的电压降ΔU4一般取0.3 V，因此，ΔU1、ΔU3和ΔU5三者之和应不大于2.4 V。为了便于计算，可以采用固定压降分配法，所谓固定压降分配法就是把要计算的直流供电系统全程允许电压降的数值，根据经验适当地分配到每个压降段落上去，从而计算每段导线的截面积。如果计算出来的导线截面积明显不合理时，应重新分配各段电压降并计算。如图2 中例子，可将ΔU1取为固定压降0.8 V，ΔU3取为1 V，ΔU5取为0.6 V。

导线截面积的计算公式见（3）：

式中：

S—电缆的截面积（mm2）；

I—电缆上流过的电流（A）；

L—电缆长度（m）；

ρ—电缆内导线的电阻率（Ω.m）；

ΔU—电缆导线电压降（V）；

直流系统中，电缆长度需要计算双程，即正极和负极的电缆长度均需要计算。

上述公式同样适用于交流电缆的截面积计算，此时需要注意，如果是三相交流系统且三相平衡，则电缆的长度只需计单程；如果是单相交流系统，则电缆长度需要计算双程，即相线长度和中性线长度均需要计列。

4.3.3 按照机械强度进行校核

电缆的截面积除了需要满足持续工作最大电流值和电压降条件外，有时候还需要根据电缆的机械强度进行调整。笔者曾经实地勘察过一个移动通信基站，该基站建设在山顶，交流市电由山脚架空引入到基站，由于该山所处位置经常会有强风，市电引入的电缆经常被风吹断，将电缆更换为截面积更大的电缆，并做了加固措施后，问题得到了解决。

另外，国家及行业的相关标准对电缆导体的最小截面积也做了相关规定，主要有：

（1）多芯电力电缆导体最小截面，铜导体不小于2.5 mm2，铝导体不小于4 mm2；

（2）通信局站的接地引入线宜采用不小于95 mm2的多股铜线；

（3）通信局站内的主设备接地线应采用不小于16 mm2的多股铜线；

（4）通信局站内小型设备的接地线宜采用不小于4 mm2的多股铜线。