住宅建筑底層集中表箱表后共用PE干線方案探究

李金林

(廣東博意建筑設(shè)計(jì)院有限公司，佛山 528311)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長，房產(chǎn)開發(fā)規(guī)模與日俱增，住宅建筑也越來越多，住宅電氣在滿足安全、可靠前提下，其經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)值得探索和重視。當(dāng)前各地供電部門大都有自己標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，如廣東佛山等供電部門為便于管理，統(tǒng)一要求在住宅底部(負(fù)一層或首層)設(shè)集中表箱間，對于一類高層住宅不盡合理。目前設(shè)計(jì)院的常規(guī)做法為每戶均獨(dú)自配三根(L,N,PE)入戶線，由底層集中表箱分回路沿電氣豎井金屬槽盒供至各住戶，數(shù)量龐大耗材較多，倘若嘗試優(yōu)化為所有表后入戶線共用一根PE干線方案，則可減少約1/3纜線數(shù)量，顯著節(jié)省投資。本文就表后共用PE干線方案進(jìn)行探究。

1 優(yōu)化方案探究

1.1 案例優(yōu)化簡介

現(xiàn)以1棟30層每層4戶(均為單相供電)的一類高層為例，層高3m，其中每層2戶6kW配40A 開關(guān)WDZD-BYJ-3×10mm2入戶線，另兩戶8kW配50A開關(guān)WDZD-BYJ-3×16 mm2入戶線。優(yōu)化前在豎井內(nèi)每戶均設(shè)有獨(dú)立PE線，整棟塔樓就有120根PE線在電井槽盒內(nèi)敷設(shè)，豎向干線示意如圖1，優(yōu)化后表后線在豎井垂直方向上共用一根PE干線，然后每層通過PE端子箱引出該樓層的各戶PE支線，豎向干線示意如圖2。

圖1 優(yōu)化前豎向干線示意圖

圖2 優(yōu)化后豎向干線示意圖

1.2 規(guī)范依據(jù)與理論支撐

國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50217-2018《電力工程電纜設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》關(guān)于“電力電纜芯數(shù)”第3.5.2.1條第2款：“…… TN-S系統(tǒng)，保護(hù)導(dǎo)體與中性導(dǎo)體各自獨(dú)立時(shí)，宜選用3芯電纜；當(dāng)滿足本標(biāo)準(zhǔn)第5.1.16條的規(guī)定時(shí)，也可采用2芯電纜與另外緊靠相導(dǎo)體敷設(shè)的保護(hù)導(dǎo)體組成”。 GB 51348-2019《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》第12.4.6條文解釋：“4 兩個或更多個回路共用一根保護(hù)接地導(dǎo)體時(shí)，其截面積應(yīng)為……”。規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)均允許配電回路采用與相線靠近敷設(shè)的共用PE干線方式。

其實(shí)從電氣原理上分析，對于電源中性點(diǎn)直接接地的TN-S系統(tǒng)，只要能為接地故障電流提供返回電源點(diǎn)的可靠通路就滿足要求。在文獻(xiàn)[6]《建筑物電氣裝置600問》中第22.6問也提及：“在有多個配電回路的電纜豎井或電纜槽盒內(nèi)，不為每一回路配出PE線而只在豎井或槽盒內(nèi)設(shè)置一共用的PE線。只要此共用的PE線不遠(yuǎn)離回路相線，這一做法理論上是可行的。但需要注意的是，此共用PE線的截面積必須不小于最大回路PE線的截面積，而且各回路PE線自共用的PE干線的分支引出必須保證其連接導(dǎo)電的可靠。”由此可見，共用PE干線方案從理論和規(guī)范依據(jù)上是可行的。

2 優(yōu)化經(jīng)濟(jì)性簡析

方案優(yōu)化前后對成本影響主要有三項(xiàng)：(1)豎向垂直段PE纜線數(shù)量的大幅減少；(2)樓層PE接線端子箱的增加；(3)豎井內(nèi)槽盒規(guī)格的變化。成本對比分析匯總?cè)绫?所示。

表后入戶線共用PE干線優(yōu)化清單計(jì)價(jià)分析表 表1

本案優(yōu)化成本測算節(jié)省造價(jià)約4.7萬元，塔樓總建筑面積約15 247m2，對應(yīng)折算到單位面積節(jié)約造價(jià)約3.1元/m2，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

3 方案存在的問題及應(yīng)對

3.1 PE線的可靠連結(jié)

在低壓配電系統(tǒng)中保護(hù)接地線的可靠性對人身安全至關(guān)重要，但因電氣設(shè)備即使丟失PE線仍能正常工作，故平時(shí)PE線的斷點(diǎn)故障非常隱蔽不易被發(fā)現(xiàn)，設(shè)備可能存在無保護(hù)接地運(yùn)行的安全隱患，在實(shí)際工程中PE線應(yīng)盡量減少接頭，GB51348-2019《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》第12.4.5.2條要求“不得在保護(hù)接地導(dǎo)體(PE)回路中裝設(shè)保護(hù)電器和開關(guān)器件，但允許設(shè)置只有用工具才能斷開的連接點(diǎn)。共用PE干線的優(yōu)化方案與原方案比較，在樓層各住戶PE支線引出時(shí)多了一處接點(diǎn)，為了能確保各PE分支線與干線的可靠連接，可采用專用的PE接線端子箱(盒)，并設(shè)有用鑰匙或工具才能開啟的門且高位安裝，以防無關(guān)人員觸動。其接線大樣如下圖3所示。

圖3 PE端子接線圖樣圖

3.2 布線槽盒敷設(shè)要求

為了減少同一金屬槽盒內(nèi)載流導(dǎo)線的根數(shù)，同時(shí)方便日后維護(hù)管理，要求每個表箱表后線需獨(dú)立槽盒或單獨(dú)間隔敷設(shè)，亦可降低兩處不同相別同時(shí)發(fā)生故障的可能。

3.3 末端住戶電壓質(zhì)量校驗(yàn)

對于底層集中表箱方案，供電干線只到表箱處，再通過長距離的表后支線供給高層末端用戶，末端住戶的電壓質(zhì)量問題不容忽視。根據(jù)GB 50052-2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.0.4條第3款：“……其他用電設(shè)備當(dāng)無特殊規(guī)定時(shí)為±5%額定電壓?！蓖ǔＷ儔浩鞯蛪耗妇€段電壓為1.05Un，而規(guī)范要求末端用電設(shè)備端子處電壓≥0.95Un，則供電線路的電壓損失裕量為10%。表前供電干線電纜截面通常都比較大，且為三相供電(同等條件下三相供電的電壓損失為單相供電的一半)，表前電纜段電壓損失可按不超過2%～2.5%考慮，則表后支線段電壓損失可按7.5%～8%校驗(yàn)。根據(jù)聚氯乙烯絕緣銅芯電線的電壓損失電流矩可編制電壓損失自動計(jì)算校驗(yàn)表(參見表2)。

聚氯乙烯絕緣銅芯電線穿管允許電壓損失對應(yīng)長度速查表 表2

由表2測算可知(實(shí)際工程可按實(shí)校驗(yàn))，本案電壓質(zhì)量基本能滿足設(shè)計(jì)要求。但也有不少設(shè)計(jì)考慮到BYJ電線的載流量比BV線大，則對于50A住戶配10 mm2的BYJ導(dǎo)線時(shí)，若底層表間至電井以及樓層電井至用戶配電箱的水平距離按19m估算，由上表數(shù)據(jù)可知垂直段最多能供到69m約23層位置，則對于23層以上的50A住戶，則需改用16mm2的入戶導(dǎo)線才能保證電壓質(zhì)量要求，這點(diǎn)需要設(shè)計(jì)人員注意。

3.4 故障回路相保阻抗

共用PE干線相比每回路獨(dú)立配PE線方案，相?；芈冯娍箷杂屑哟?，但由于95mm2及以下銅導(dǎo)體回路的電抗相比電阻占比較小，此時(shí)回路阻抗值可只考慮其電阻值而忽略其電抗，足以滿足實(shí)際工程需求，但為了盡量降低故障回路相保阻抗，要求工程設(shè)計(jì)與施工時(shí)盡可能將PE干線靠近回路相線貼鄰敷設(shè)。

3.5 故障防護(hù)靈敏度校驗(yàn)

3.5.1 故障防護(hù)要求

低壓配電系統(tǒng)故障防護(hù)的最基本要求是在規(guī)定時(shí)間內(nèi)自動切斷電源。規(guī)范GB 50054-2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.2.9條“TN系統(tǒng)中配電線路的間接接觸防護(hù)電器切斷故障回路的時(shí)間，應(yīng)符合下列規(guī)定：配電線路或僅供給固定式電氣設(shè)備用電的末端線路，不應(yīng)大于5s”。對于中性點(diǎn)直接接地的TN系統(tǒng)，為簡化設(shè)計(jì)和節(jié)約投資，通常以斷路器的過電流保護(hù)兼作系統(tǒng)接地故障防護(hù)切斷電源，這是TN系統(tǒng)的一個優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)GB 50054-2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.2.4條：“當(dāng)短路保護(hù)電器為斷路器時(shí)，被保護(hù)線路末端的短路電流不應(yīng)小于斷路器瞬時(shí)或短延時(shí)過電流脫扣器整定電流的1.3倍”。為確保故障防護(hù)的有效性，應(yīng)以最小的故障電流(即線路末端單相接地故障電流)校驗(yàn)保護(hù)電器動作的靈敏度。當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，故障電流Ik與線路長度L的關(guān)系根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊》第4版(以下簡稱“配四”)P966式11.2-7，參見式(1)：

(1)

式中，U0為相電壓，取220V；S為相導(dǎo)體截面積，mm2；K1為纜線電抗校正系數(shù)，當(dāng)S≤95mm2時(shí)，取1.0；K2為多根相導(dǎo)體并聯(lián)使用的校正系數(shù)，單根導(dǎo)體時(shí)取1；ρ為20℃時(shí)導(dǎo)體的電阻率，銅芯ρ=0.0172Ω·mm2/m；L為纜線長度，m；m為材料相同的每相導(dǎo)體總截面積(Sn)與PE導(dǎo)體截面積(SPE)之比；0.8～1.0為電源阻抗系數(shù)，是考慮接地故障回路省略變壓器阻抗和高壓側(cè)系統(tǒng)阻抗導(dǎo)致的誤差進(jìn)行的修正，當(dāng)故障點(diǎn)遠(yuǎn)離配電變壓器、線路截面積較小、變壓器容量較大時(shí)取高值(0.95～1.0)，本案取0.95；1.5是由于短路引起發(fā)熱，纜線電阻的增大系數(shù)。

纜線的最大允許長度按式(1)計(jì)算，長度還應(yīng)再除以斷路器脫扣器誤差系數(shù)(電磁脫扣器取1.2)和動作系數(shù)(二極斷路器取1.1)，計(jì)算得出約1.32(與規(guī)范要求不低于1.3基本一致)，現(xiàn)編制自動計(jì)算表格如表3所示。

用斷路器兼做接地故障防護(hù)時(shí)銅芯纜線最大允許長度校驗(yàn)表 表3

由表3可知，對于配電線路較長的上部塔樓住戶線路難以通過校驗(yàn)，需采取一定的措施。另經(jīng)筆者按式(1)仔細(xì)驗(yàn)算，配四手冊P966現(xiàn)成表11.2-4中部分?jǐn)?shù)據(jù)存在錯誤，提醒設(shè)計(jì)人員不宜直接套用，建議利用自制計(jì)算表格驗(yàn)算。

3.5.2 應(yīng)對措施

(1)加大導(dǎo)體的截面，可減小故障回路相保阻抗，增大單相接地故障電流。因TN接地系統(tǒng)低壓網(wǎng)絡(luò)的零序阻抗等于相線的零序阻抗與3倍的保護(hù)線的零序阻抗之和，故加大PE線的截面效果尤為明顯。本案中依據(jù)表1數(shù)據(jù)，10mm2入戶線對應(yīng)16 mm2的PE干線只能供到94-19=75m約25層，16 mm2的入戶線只能供到98-19=79m約26層，若保持入戶相線面積不變的情況下把共用的PE干線加大到25 mm2，則分別能供到110m和120m，去除水平段19m后，最末端的30層入戶線均滿足要求。

(2)采用帶短延時(shí)過電流脫扣器的斷路器。通常配電線路的斷路器第三段保護(hù)的瞬動電流整定值約10Iset1，而其第二段短延時(shí)保護(hù)動作電流整定值約4～6 Iset1，所以接地故障靈敏度更容易滿足。此措施不適用表后采用無第二段保護(hù)功能的微斷，可適用低壓電房配電柜饋線回路。

(3)采用帶剩余電流保護(hù)的斷路器(RCD)。剩余電流保護(hù)線圈所檢測的是L-N導(dǎo)體電流的矢量和，如圖4所示，當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，故障電流經(jīng)PE線流回電源中性點(diǎn)而未通過檢測線圈磁回路，此時(shí)故障電流即為剩余電流。TN-S系統(tǒng)單相接地故障電流通常為幾百上千安，足以RCD可靠動作。為避免誤動作，斷路器剩余電流保護(hù)整定值Iset4應(yīng)盡可能大，如微斷可選額定剩余動作電流I△n=300mA。

圖4 帶剩余電流保護(hù)的斷路器

以上(1)(3)兩種措施均能妥善解決本案接地故障保護(hù)靈敏度問題，具體工程設(shè)計(jì)師可根據(jù)經(jīng)濟(jì)造價(jià)對比合理選擇。

4 結(jié)束語