電纜設計與電氣節(jié)能的分析

陶云飛 (筑博設計集團(北京)股份有限公司， 北京 100013)

緒論

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，對能源的需求越來越大，，全國各行業(yè)都興起了節(jié)能運動，與生活息息相關的建筑電氣節(jié)能，更是首當其沖。

常見的電氣節(jié)能方法一般有以下幾種：

1)照明系統(tǒng)節(jié)能，主要采用節(jié)能光源及智能的控制方式；

2)采用節(jié)能的電氣設備：如采用非晶合金變壓器、節(jié)能接觸器等；

3)對電氣設備采用先進的控制運行方式。如電梯群控、電機采用變頻控制方式；

4)先進的管理手段：采用樓宇控制、能源管理系統(tǒng)、計算機管理系統(tǒng)等；

5)采用新能源：太陽能光伏發(fā)電、冰蓄冷、風力發(fā)電、熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)等；

上述節(jié)能方法的弊端是均需在前期有較大的經(jīng)濟投入，所以是一個逐漸深入人心的過程。而且其主要應用在公共建筑、政府工程等。由于這些節(jié)能措施普遍存在投資高、部分新產(chǎn)品質(zhì)量不可靠、投資回收預期不明確等原因，因此甲方或開發(fā)商很少主動采用。

其實在電氣設計中，通過選擇較大的電纜截面，配合合理的敷設方式，可以有效降低線路的電能損耗，達到節(jié)能的目的。本文在這些方面提出一些簡單可行的方法供設計人員參考。

1 線路損耗的概念

當負荷電流通過線路時，在線路阻抗上會產(chǎn)生功率損耗。在三相線路中有功及無功功率損耗為:

有功功率損耗：

無功功率損耗：

以上式中 R—每相線路電阻，Ω, R = rl；

X—每相線路電抗，Ω, X = xl；

l—線路計算長度， km；

Ic—計算相電流， A;

r 、x—線路單位長度的交流電阻及電抗， Ω/km。

通過上述公式可以發(fā)現(xiàn)，降低線路損耗主要通過下列幾種方式：

1)減少線路長度?？赏ㄟ^合理劃分配電區(qū)域，配電點盡量在負荷中心。

2)降低線路單位長度的阻抗值?？赏ㄟ^增大線徑來解決。

3)降低線路的電流。可通過提高供電電壓解決。

本文主要從兩個方面分析如何降低線路的損耗。一方面從增大電纜線徑來降低線路的損耗；另一方面通過電纜合理的敷設方式，提高電纜載流量，變相增大電纜線徑來降低線路的損耗(注：本文以民用建筑中銅芯YJV電纜作為討論對象)。

2 降低線路損耗的方法

2.1 增大電纜線徑

傳統(tǒng)的電纜截面選擇可分為下面幾種方式：

1)通過負載電流時，線芯溫度不超過電線、電纜絕緣所允許的長期工作溫度，簡稱按溫升選擇截面。

2)經(jīng)濟壽命期內(nèi)的總費用最少，即初始投資和經(jīng)濟壽命期內(nèi)線路損耗費用之和最少，簡稱按經(jīng)濟電流選擇。

3)通過短路電流時，不超過所允許的短路強度。

4)電壓損失在允許范圍內(nèi)。

5)滿足機械強度的要求。

6)低壓電線、電纜應符合過負載保護的要求;TN系統(tǒng)中還應保證在接地故障時保護電器能斷開電路。

上面幾條中可以看出，第(2)條按經(jīng)濟電流選擇電纜是與節(jié)能損耗有密切關系的，而其他幾條都是在設計時必須嚴格做到，否則可能會影響電纜的安全使用，甚至會造成嚴重后果，不是本文討論的內(nèi)容。下面說明經(jīng)濟電流選擇電纜與節(jié)能之間的關系。

按載流量選擇線芯截面時，只計算初始投資；按經(jīng)濟電流選擇時，除計算初始投資外，還要考慮經(jīng)濟壽命期內(nèi)導體損耗費用，二者之和應最小。當減小線芯截面時，初始投資減少，但線路損耗費用增大；反之增大線芯截面時，線路損耗減少，但初始投資增加，某一截面區(qū)間內(nèi)，兩者之和(總費用TOC)最少，即為經(jīng)濟截面，詳見圖1 (以VV-1型電纜為例)。

圖1 VV-1型電纜與TOC關系

圖1中曲線2代表初始費用，它包括電纜附件與敷設費用之和。當截面增加時，投資費用隨之增大。曲線3代表電能損耗費用，當截面增大時，損耗費用隨之減少。曲線1代表總費用，是曲線2、3的疊加。曲線1的最低點就是總費用最少的經(jīng)濟截面。

具體如何使用經(jīng)濟電流選擇電纜，可以參見相關書籍。通常，按經(jīng)濟電流選擇的線芯截面大于按載流量選擇的截面。大多數(shù)情況，二者僅相差2級。換言之，大多數(shù)情況下，按載流量選擇的截面，放大1～2級，會比較接近經(jīng)濟電流值。有時，按技術條件選擇的截面會大于按經(jīng)濟電流條件所選擇的截面。因此，“經(jīng)濟條件”是必要條件，但還不是充分條件，必須同時滿足“技術條件”。

過去，當我國經(jīng)濟發(fā)展尚處于初期階段，在經(jīng)濟短缺的條件下，工程建設往往較注重初期投資的控制而忽略長期運行的經(jīng)濟性。當前，我國已進入社會主義市場經(jīng)濟發(fā)展時期，對工程建設越來越重視整體和長遠的合理性。也就是既重視投資控制也重視運行成本的節(jié)約，將二者有機統(tǒng)一，倡導優(yōu)化工程設計?！睹裼媒ㄖG色設計規(guī)范》(JGJ/T229-2010)及《綠色建筑設計標準》(DB11/938-2012)中均已提出10kV及以下電力電纜截面應綜合技術、經(jīng)濟電流計算方法設計。

按經(jīng)濟電流選擇電纜截面，通常大于按載流量所選的截面，但總費用支出會很小，而且增加的初期投資一般僅需2～4年即可收回。根據(jù)我國情況，如果能全面推行按經(jīng)濟電流選擇電線、電纜截面的方法，將減少35%～42%的線路損耗，經(jīng)濟意義十分重大。

2.2 采用合理的敷設方式

在不同環(huán)境，不同的敷設方式下，為了保證電纜的安全運行，電纜的載流量是不一樣的。如果線路中電流超過其額定載流量值，會導致電纜發(fā)熱增加，溫度升高，電纜絕緣層遭到破壞；同時導體溫度增加時，線路阻抗增大，線路壓降增大，導致電氣設備不能正常運行，甚至還能引發(fā)火災等事故。

根據(jù)布線系統(tǒng)載流量國家標準《建筑物電氣裝置第5部分:電氣設備的選擇和安裝第523節(jié)布線系統(tǒng)載流量》(G8/T 16895.15-2002)將電線、電纜的敷設方式劃分為Al、A2、B1、B2、C、D、E、F、G 九大類。本文只討論民用建筑中常用的沿梯級橋架敷設，即E類。

在梯級橋架上敷設電纜等同于電纜敷設在自由空氣中。但多回路敷設時，電纜載流量需考慮修正系數(shù)。參見表1。

這些修正系數(shù)是假定各回路電纜截面相等且都是在額定載流量的情況下計算而得的數(shù)字。實際情況會有所不同，計算方法十分繁復。工程設計時，可應用這些數(shù)字，當負荷率小于100% 時，實際修正系數(shù)可提高一些。

這些修正系數(shù)，只適用于線芯長期允許工作溫度θn相同的絕緣導線或電纜束。假若不同θn的絕緣導線或電纜成束敷設，那么束中所有的絕緣導線或電纜載流量，只能根據(jù)其中θn最低的絕緣導線或電纜束選擇載流量并乘以修正系數(shù)。也就是說，在工程設計中盡量避免不同θn的絕緣導線或電纜成束敷設。

表1 電纜在梯架內(nèi)多層戴設時載流量校正系數(shù)

通過表1可以看出，工程設計中，如果通過改善電纜的敷設方式，盡量避免電纜之間發(fā)熱量的相互影響，就可以提高載流量的校正系數(shù)，相當于用較小的電纜截面滿足載流量的實際需要，等于變相增大電纜線徑。

在《建筑電氣常用數(shù)據(jù)》(04DX101-1)圖集中，選擇電纜載流量時，對應的敷設方式必須要正確。比如針對YJV三芯電力電纜持續(xù)載流量表中，“敷設在空氣中”應針對載流量國家標準中的“E”類電纜載流量，在實際工程中，當電纜敷設采用梯架、有孔托盤、明敷時均按此表選擇；而“敷設在明敷的導管內(nèi)”相當于載流量國家標準中的B2類，在實際工程中，當電纜敷設采用穿管明敷、穿管磚墻內(nèi)暗敷、線槽明敷時均按此表選擇。根據(jù)載流量國家標準，“B2”類的載流量為“E”類的0.78倍。

民用建筑設計中比較常見的電纜敷設方式是采用線槽明敷或穿管埋地或磚墻內(nèi)暗敷。許多人在《建筑電氣常用數(shù)據(jù)》中查找電纜載流量時，由于沒有線槽敷設及穿管埋地敷設這一欄，就把“敷設在空氣中”理解成線槽敷設，把“敷設在隔熱墻中的導管內(nèi)”理解成穿管在磚墻內(nèi)暗敷，這些都是不對的。

例如：根據(jù)《建筑電氣常用數(shù)據(jù)》第51、52頁,選擇單根YJV-0.6/1kV，工作溫度90oC，環(huán)境溫度30oC，標稱截面為70mm2的電纜，按正確與錯誤的敷設方式選擇的結(jié)果比較如表2所示：

表2 電纜載流量選擇

上述只是針對單根電纜，沒有合理考慮電纜相互之間的發(fā)熱影響。電纜成束敷設時，應考慮合理選擇降容系數(shù)。

3 電纜敷設中需要注意的問題

3.1 盡量采用梯級橋架敷設

電纜橋架作為布線工程的一個配套項目，目前尚無專門的規(guī)范指導。橋架分為槽式、托盤式和梯架式、網(wǎng)格式等結(jié)構(gòu)。電纜應優(yōu)先采用梯架敷設，梯架對電纜周圍空氣流通阻力小，支持電纜的金屬件占有底部面積不足10%，散熱效果好，電纜的額定載流量相對較大。

而對于消防線路明敷設時，穿有防火保護的封閉式金屬線槽或者采用耐火橋架，散熱效果都不好，建議采用礦物絕緣電纜明敷。

3.2 采用新型節(jié)能橋架

目前市場上的某型產(chǎn)品，外觀如圖2。

圖2 新型節(jié)能電纜橋架圖

節(jié)能輕質(zhì)高強電纜橋架是新一代具有高科技含量的產(chǎn)品。該產(chǎn)品具有節(jié)能，輕質(zhì)，高強耐腐等特性。該產(chǎn)品的新穎性在于根據(jù)材料力學的原理，采用凸凹瓦楞結(jié)構(gòu)原理代替?zhèn)鹘y(tǒng)的平板結(jié)構(gòu)，提高橋架的機械強度。同時，由于電纜內(nèi)置環(huán)境溫度優(yōu)化，散熱效果好，能有效提高電纜的載流量值。

3.3 保證合理敷設間距

在橋架內(nèi)敷設時，電纜間距盡量達到2D(D為電纜直徑)，如此電纜彼此之間的散熱效果較好，不互相影響，能充分發(fā)揮電纜載流量。表3是《工業(yè)與民用配電設計手冊》中,電纜在梯架上敷設時，幾種敷設校正系數(shù)。

例如：變電所給某處8個計算電流為200A的設備供電，變電所出線開關整定電流電流為225A。采用YJV電纜在梯架上敷設，敷設環(huán)境條件是30o，查《建筑電氣常用數(shù)據(jù)手冊》中“敷設在空氣中”一欄，并分別針對上述三種敷設方式，可得表4結(jié)果。由表4可見，給同樣設備供電，當采用不太合理的敷設方式時，電纜截面差別很大。在實際工程中，電纜的費用要遠大于橋架的費用，因此，應當優(yōu)先考慮電纜的選擇，然后根據(jù)電纜確定橋架的寬度。

表3 敷設在自由空氣中電纜載流量校正系數(shù)

表4 電纜載流量

圖3 橋架內(nèi)電纜排布示意圖

3.4 電纜排布要合理

平時滿載的電纜與備用電纜在橋架內(nèi)間隔排列。有利于散熱，也可以有效提高電纜的額定載流量。

圖3 中，(a)(b)為給消防設備配電的電纜敷設方式。采用專用兩組消防橋架分別敷設，主用回路電纜與應急回路電纜分別沿各自的橋架敷設。在正常供電時，需要考慮電纜排列的校正系數(shù)，電纜截面會較大，但若主用橋架及應急橋架內(nèi)電纜均按(d)方式排列，則可以不考慮校正系數(shù)，或提高校正系數(shù)，等于變相降低電纜截面。

圖3(c)中問題與上述類似，如果設計人員不進行細化設計，滿載電纜與空載電纜排布就是很隨機的，若能按(d)排列，則散熱效果好，可以適當提高載流量，相當于降低電纜截面，降低造價。

如果某一回路(管線或電纜)的實際電流不超過成束敷設時的額定電流值30%，在選擇修正系數(shù)時，此回路數(shù)可忽略不計，如圖3(e)所示。

3.5 遠離熱源

電纜橋架不宜敷設在熱力管道的上方，否則需采取隔熱措施。目的是防止熱力管道熱量上升，引發(fā)電纜散熱不通暢。

3.6 采取通風散熱措施

變電所、電纜溝、電纜夾層需考慮通風措施。規(guī)范中要求選擇電纜載流量按最不利點考慮，當最不利點電纜長度小于5m可不考慮。上述場所，電纜相對比較密集，散發(fā)的熱量在局部聚集，必須采用機械通風的方式來降低局部溫度。

比如在變電所內(nèi)，由低壓柜引入到電纜夾層或橋架時，電纜多數(shù)以電纜束的形式敷設，如果因此按電纜束考慮兼容系數(shù)，則浪費比較嚴重。

實際工程中，應將變壓器的損耗計算結(jié)果及電纜散熱量的計算結(jié)果提給通風專業(yè)，由通風專業(yè)根據(jù)發(fā)熱量來考慮通風。一般每小時換氣次數(shù)不低于8～12次，保證變電所的室溫不超過35℃設計。在設計風機溫度控制時，溫度傳感器可以裝在電纜較密集的部位。

變電所不應采用空調(diào)送冷風，防止在電氣設備表面產(chǎn)生冷凝水。

3.7 采用電纜溫度檢測系統(tǒng)，加強對重點部位溫度監(jiān)測

在低壓配電系統(tǒng)中，過負載保護電器的動作特性應同時滿足下列條件：

式(3)中，IB—線路計算負載電流(A)；

In—斷路器整定電流(A)；

Iz—導體允許持續(xù)載流量(A)：

圖4 低壓配電系統(tǒng)過負載保護電氣接線圖

圖4 中，線路正常運行時，低壓斷路器QF1與其后的電纜之間的配合是沒有問題的，線路過載時斷路器會動作。但如果圖中故障點處敷設不合理，導致該處電纜過熱，甚至引發(fā)絕緣損壞等，由于線路電流仍在上級斷路器整定值范圍內(nèi)工作，上級斷路器不會跳閘，就會引發(fā)安全問題。

因此在有些惡劣的敷設位置，必須采取補救措施，特別是拐彎處，進出豎井等電纜敷設較密集的地方，可以采用下列措施：

1)加大橋架寬度尺寸。

2)局部溫度檢測。

3)上級開關設置漏電保護措施。因為當溫度過高，絕緣損壞時，可能導致漏電。

4)上面2、3條可以采用電氣火災漏電報警系統(tǒng)綜合解決。

4 結(jié)束語

通過上面的分析可以看出，增加電纜截面降低線路損耗，或通過合理的敷設方式保證線路載流量盡可能達到其額定值，二者是相輔相成的，必須同時考慮。比如按經(jīng)濟電流選擇截面，增加初始投資，大大降低線路的損耗，達到節(jié)能的目標，并且綜合投資最低，但是如果不結(jié)合合理的敷設方式，電纜仍然多層敷設在橋架上，散熱不利，溫升增加及阻抗增加，則電纜的線路損耗并沒有降低，就達不到節(jié)能的目的。

電纜截面、載流量及敷設方式之間相互關系如下：

合理的敷設方式 → 提高電纜載流量 → 降低電纜截面 → 節(jié)約投資

合理的敷設方式 → 降低電纜溫升 → 降低線路損耗 → 節(jié)約電能

在工程設計中，對于電纜截面及敷設方式的選擇，并沒有多少技術含量，這與設計人員的責任心有很大關系，如果花心思，精心設計，就能設計出既滿足需求，又能降低造價，使用安全的好方案。如果圖省事，對電纜在橋架內(nèi)的排布方式以及電纜橋架的寬度都沒有做很深入的細致工作，甚至有人對所有電纜均按0.7校正系數(shù)進行設計，必將造成巨大的浪費。

[1]中國航空工業(yè)規(guī)劃設計研究院組編.工業(yè)與民用配電設計規(guī)范(第三版)[M].北京：中國電力出版社，2005.

[2]中國建筑標準設計研究院.建筑電氣常用數(shù)據(jù)(04DX101-1)[M].北京：中國計劃出版社，2006.

[1]中國航空工業(yè)規(guī)劃設計研究院組編.工業(yè)與民用配電設計規(guī)范(第三版)[M].北京：中國電力出版社，2005.

[2]中國建筑標準設計研究院.建筑電氣常用數(shù)據(jù)(04DX101-1)[M].北京：中國計劃出版社，2006.