信息通信機(jī)房電力電纜的選擇與應(yīng)用

［謝擁華］

1 概述

信息通信機(jī)房中有大量的信息通信設(shè)備，這些設(shè)備的正常工作需要有電力的持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)，電力導(dǎo)線承擔(dān)著將電力從電網(wǎng)、供電設(shè)備輸送到用電設(shè)備的任務(wù)，最常見的電力導(dǎo)線就是電力電纜。

電力電纜的正常工作是信息通信設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提和基礎(chǔ)，如何保證電力電纜的正常工作呢？主要包括3 個(gè)方面：

（1）在設(shè)計(jì)階段正確地選擇和配置電力電纜；

（2）在施工階段按規(guī)范和技術(shù)要求正確地敷設(shè)電力電纜；

（3）在運(yùn)維階段對電力電纜進(jìn)行日常巡檢和監(jiān)視。

本文主要討論在設(shè)計(jì)階段如何正確地選擇和配置電力電纜。

2 電力電纜的結(jié)構(gòu)

電力電纜一般為3 層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)體、絕緣層和護(hù)套層，部分電纜還會有鎧裝層。圖1 所示為常見電力電纜的橫截面示意圖。

圖1 常見電力電纜的橫截面示意圖

最常用的導(dǎo)體是銅和鋁，銅的導(dǎo)電系數(shù)相對較高。

絕緣層按材料可以分為勻質(zhì)和纖維質(zhì)，勻質(zhì)材料主要有聚氯乙烯、聚烯烴、交聯(lián)聚烯烴、橡膠等，勻質(zhì)材料的絕緣層具有較好的抗潮性，實(shí)際中應(yīng)用較多。

護(hù)套層是為了保護(hù)絕緣層不受機(jī)械損傷，同時(shí)避免整條電纜被拉力破壞，護(hù)套的材料一般采用塑料、鋁、鉛等。

3 電纜的分類

電力電纜有很多種分類方法，可以按照導(dǎo)體種類、芯數(shù)、燃燒性能等進(jìn)行分類。

按照電纜內(nèi)的導(dǎo)體不同，電纜可以分為銅芯電纜和鋁芯電纜。

按照電纜內(nèi)的芯數(shù)不同，電纜可以分為單芯電纜和多芯電纜，多芯電纜有2 芯電纜、3 芯電纜、3+1 芯電纜、4 芯電纜、4+1 芯電纜、5 芯電纜。國內(nèi)的信息通信機(jī)房低壓配電系統(tǒng)絕大部分采用TN-S 系統(tǒng)，此時(shí)保護(hù)導(dǎo)體和中性導(dǎo)體各自獨(dú)立，因此三相供電回路的電纜芯數(shù)宜選擇5 芯電纜。

按照燃燒性能不同，電纜可以分為耐火電纜、阻燃電纜和普通電纜。所謂耐火是指電纜被燃燒仍能在一定時(shí)間內(nèi)保持正常運(yùn)行的性能。所謂阻燃是指電纜被燃燒，火焰的蔓延有限，且殘焰在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)能自行熄滅的特性。

4 電力電纜的選擇原則

4.1 電纜燃燒性能

信息通信機(jī)房內(nèi)的所有電力電纜都應(yīng)選用阻燃電纜或耐火電纜，不能選用不具備阻燃性能或耐火性能的普通電纜。這是因?yàn)樾畔⑼ㄐ艡C(jī)房具有價(jià)值高、重要性強(qiáng)的特點(diǎn)，選用阻燃電纜或耐火電纜可以在火災(zāi)發(fā)生時(shí)防止火災(zāi)蔓延，避免造成重大的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。

對于耐火和阻燃電纜，根據(jù)性能的優(yōu)劣，又可以分為A、B、C 三類，其中，A 類性能最優(yōu)，信息通信機(jī)房內(nèi)的阻燃電纜一般會選擇A 類。

4.2 電纜導(dǎo)體種類

前文已述，常見的電纜導(dǎo)體種類為銅和鋁，相對于鋁來說，銅具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）銅的電阻率低。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和常溫20℃時(shí)，銅的電阻率為1.724＊10-8Ω.m，鋁的電阻率為2.826＊10-8Ω.m。這就意味著相同的橫截面積，銅芯電纜的內(nèi)阻比鋁芯電纜的內(nèi)阻低，流過相同的電流時(shí)，發(fā)熱量將更小，所以相對來說，銅芯電纜的載流量更高，電纜上的電壓降更小，更加節(jié)能。

（2）銅更耐腐蝕。相對于鋁，銅金屬更抗氧化，不容易腐蝕，尤其是電纜的接頭處，鋁芯電纜會由于氧化腐蝕而使接觸電阻增大，這樣就有可能發(fā)熱過大而引發(fā)事故。

（3）銅的柔性好，強(qiáng)度高，且抗疲勞。銅芯的柔性好，允許的彎曲半徑更小，因此便于施工過程中的穿管和轉(zhuǎn)彎；常溫下，銅的允許應(yīng)力和拉伸強(qiáng)度極限也比鋁更高；另外，鋁芯如果反復(fù)折彎容易折斷，而銅芯不會。

銅的主要缺點(diǎn)就是產(chǎn)量有限，因此價(jià)格相對較高，以2021 年1 月初的市場價(jià)格為例，1#電解銅的價(jià)格大約為6 萬元/噸，而鋁的價(jià)格大約為1.5 萬元/噸。

考慮到信息通信機(jī)房的重要性，機(jī)房內(nèi)的電纜均建議采用銅芯電纜，尤其是地線電纜必須采用銅芯電纜，在沿海等有環(huán)境腐蝕的地區(qū)，也應(yīng)選擇采用銅芯電纜。

在信息通信機(jī)房中的建設(shè)中，一些較偏遠(yuǎn)的移動通信基站，如果市電引入的外線電纜采用銅芯電纜而經(jīng)常發(fā)生被偷盜時(shí)，可以考慮將外線電纜更換為鋁芯電纜。

4.3 電纜導(dǎo)體的截面積

在討論電纜導(dǎo)體的截面積之前，首先要正確理解標(biāo)稱截面積、設(shè)計(jì)截面積和實(shí)際截面積3 個(gè)概念的聯(lián)系和區(qū)別。

標(biāo)稱截面積是指產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中用來表述電纜產(chǎn)品的規(guī)格，僅僅是此規(guī)格的代號或名稱，便于產(chǎn)品制造過程中的文件及生產(chǎn)管理。標(biāo)稱截面積并不要求直接測量其截面積，而是通過導(dǎo)體的電阻值進(jìn)行衡量和考核。

設(shè)計(jì)截面積也稱為電氣截面積，是指設(shè)計(jì)過程中選擇的電纜截面積，施工進(jìn)場時(shí)應(yīng)對其截面和導(dǎo)體電阻進(jìn)行見證取樣送檢。

實(shí)際截面積指電纜導(dǎo)體的幾何截面積。

對于電纜生產(chǎn)制造者來講，某標(biāo)稱截面的導(dǎo)體截面究竟設(shè)計(jì)多大才能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，不是指實(shí)際截面積要大于等于標(biāo)稱截面積，而是指此標(biāo)稱截面下的設(shè)計(jì)截面積（電氣截面積）要滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，即電阻值應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，將此作為設(shè)計(jì)導(dǎo)體實(shí)際截面大小的依據(jù)。如果選擇的導(dǎo)電性能較高的導(dǎo)體材料，那么實(shí)際截面可以小一些，反之導(dǎo)體實(shí)際截面應(yīng)大一些。當(dāng)今隨著導(dǎo)體材料生產(chǎn)工藝的改進(jìn)和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，無氧銅材的先進(jìn)生產(chǎn)工藝已經(jīng)得到普遍應(yīng)用，銅導(dǎo)體材料電阻率足以保證用小于標(biāo)稱直徑銅絲能滿足對應(yīng)規(guī)格電阻的要求，所以目前電纜行業(yè)中較普遍出現(xiàn)電阻合格，但線芯實(shí)際截面小于標(biāo)稱截面的現(xiàn)象，這是符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求的，也符合節(jié)能節(jié)材的發(fā)展趨勢。

下文所討論的電纜導(dǎo)體截面積均是指設(shè)計(jì)截面積（電氣截面積）。

電纜導(dǎo)體的設(shè)計(jì)截面積需要滿足信息通信機(jī)房系統(tǒng)安全運(yùn)行的要求，首先，電纜的發(fā)熱應(yīng)控制在允許范圍內(nèi)，即載流量應(yīng)滿足要求；其次，電纜上的電壓降應(yīng)滿足系統(tǒng)正常工作的要求。

4.3.1 按電纜的載流量選擇

電力電纜由于存在內(nèi)阻，當(dāng)有電流流過導(dǎo)體時(shí)，電纜將發(fā)熱，從而產(chǎn)生溫度升高，通過的電流越大，發(fā)熱量越大，溫升越高。不同類型的電纜有不同的最高工作溫度，如：聚氯乙烯電纜持續(xù)工作的最高允許溫度不能超過70℃，而交聯(lián)聚乙烯電纜持續(xù)工作的最高允許溫度為不超過90℃。

電纜的發(fā)熱量大小除了與流過的電流大小相關(guān)，還與電纜的內(nèi)阻大小有關(guān)，內(nèi)阻越小，發(fā)熱量越小。假設(shè)允許的發(fā)熱量恒定，則截面積越大，允許通過的電流越大。但電纜的截面積（可換算成導(dǎo)體電阻）和允許通過的電流并非一個(gè)簡單的線性關(guān)系，而是遵循如下公式1：

式中：

I—導(dǎo)體流過的電流，即允許載流量（A）；

R—導(dǎo)體在其最高工作溫度下的電阻（Ω）；

Δ θ—高于環(huán)境溫度的導(dǎo)體溫升（K）；

Wd—一根導(dǎo)體絕緣單位長度的介質(zhì)損耗（W/m）；

T1—一根導(dǎo)體和金屬套之間單位長度熱阻（K.m/W）；

T2—金屬套和鎧裝之間襯墊層單位長度熱阻（K.m/W）；

T3—電纜外護(hù)層單位長度熱阻（K.m/W）；

T4—電纜表面和周圍介質(zhì)之間單位長度熱阻（K.m/W）；

n—電纜中載有負(fù)荷的導(dǎo)體數(shù)（導(dǎo)體截面相等，負(fù)載相同）；

λ1—電纜金屬套損耗相對于該電纜所有導(dǎo)體總損耗的比率；

λ2—電纜鎧裝損耗相對于該電纜所有導(dǎo)體總損耗的比率。

由于公式1 涉及參數(shù)較多，技術(shù)人員要通過該公式計(jì)算出特定截面積的電纜的允許載流量非常麻煩，技術(shù)人員通常是通過查表的方法得到已知截面積電纜的允許載流量。國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50217-2018《電力工程電纜設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》附錄C 中規(guī)定了10 kV 及以下各類常用電力電纜的持續(xù)允許載流量。其中，1 kV 聚氯乙烯絕緣電纜空氣中敷設(shè)時(shí)持續(xù)允許載流量如表1 所示。

表1 1 kV 聚氯乙烯絕緣電纜空氣中敷設(shè)時(shí)持續(xù)允許載流量（A）

電力電纜的載流量還受到如下一些因素的影響：

（1）環(huán)境溫度的差異；

（2）直埋敷設(shè)時(shí)土壤熱阻系數(shù)的差異；

（3）電纜多根并列敷設(shè)的差異；

（4）戶外架空敷設(shè)無遮陽的日照影響。

對于信息通信機(jī)房來說，一般都有機(jī)械通風(fēng)設(shè)備，環(huán)境溫度不會超過40℃，如果環(huán)境溫度為30℃，則實(shí)際允許載流量可以增加15%。

機(jī)房內(nèi)的電纜敷設(shè)方式一般為走線槽道架空敷設(shè)，而且，電纜多根并列多層敷設(shè)的情況比較普遍，這勢必對電纜的散熱造成不利影響，因此，需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行校正。在最惡劣的情況下，電纜的允許載流量甚至需要乘以校正系數(shù)0.5。

在設(shè)計(jì)階段，電纜上的載流量應(yīng)滿足公式2：

式中：

IZ—電纜的持續(xù)載流量，單位為安培（A）；

In—保護(hù)電器的額定電流，單位為安培（A）；

IB—回路的設(shè)計(jì)電流，單位為安培（A）；

從式（2）可以看出，在設(shè)計(jì)中選擇的電纜，其載流量除了要不小于回路中的設(shè)計(jì)電流，還應(yīng)不小于上級保護(hù)電器的額定電流，這樣保護(hù)電器除了可以保護(hù)用電設(shè)備，還可以保護(hù)電纜。

4.3.2 按電纜的允許電壓降選擇

電纜上通過電流時(shí)，由于電纜內(nèi)阻的存在，在電纜上將產(chǎn)生電壓降，如果電壓降過大，將導(dǎo)致用電設(shè)備上的電壓值過小，用電設(shè)備將無法正常工作。

在信息通信系統(tǒng)中，不同電壓等級的用電設(shè)備，有各自的電壓允許變動范圍，因此，電纜上的允許電壓降也是不同的。不同電源系統(tǒng)的允許電壓降參數(shù)如表2 所示。

表2 不同電源系統(tǒng)的允許電壓降

從表2 可知，交流系統(tǒng)的允許電壓降較大，在根據(jù)最大工作電流選擇好電纜截面積后，電纜的電壓降一般都能滿足系統(tǒng)正常運(yùn)行的要求，只有當(dāng)從信息通信機(jī)房外部引入交流的距離很長時(shí)，才需要驗(yàn)算電壓降是否滿足要求。

以典型的移動通信基站為例，假設(shè)基站的遠(yuǎn)期負(fù)荷為40 kW，此時(shí)交流引入采用63 A 的斷路器進(jìn)行保護(hù)，交流電力電纜選用5 芯25 mm2的銅芯電纜，假設(shè)三相平衡，此時(shí)只有當(dāng)電纜長度（交流引入距離）超過783 米時(shí)，電壓降才會達(dá)到額定電壓的15%，考慮到實(shí)際負(fù)荷很難達(dá)到設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)期負(fù)荷，因此電壓降將更低，允許的電纜長度會更長。

相對來說，直流系統(tǒng)的允許電壓降值較小，因此，在根據(jù)最大工作電流選擇好電纜截面積后，還需要驗(yàn)算電纜的電壓降。以﹣48 V 直流電源系統(tǒng)為例，蓄電池放電回路的全程電壓降最大允許值為3.2 V，如圖2 所示。

圖2 ﹣48V 直流電源系統(tǒng)電壓降分配圖

在圖2 中，根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，直流電源設(shè)備內(nèi)部的直流配電單元電壓降ΔU2一般取0.5 V，列頭柜的電壓降ΔU4一般取0.3 V，因此，ΔU1、ΔU3和ΔU5三者之和應(yīng)不大于2.4 V。為了便于計(jì)算，可以采用固定壓降分配法，所謂固定壓降分配法就是把要計(jì)算的直流供電系統(tǒng)全程允許電壓降的數(shù)值，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)?shù)胤峙涞矫總€(gè)壓降段落上去，從而計(jì)算每段導(dǎo)線的截面積。如果計(jì)算出來的導(dǎo)線截面積明顯不合理時(shí)，應(yīng)重新分配各段電壓降并計(jì)算。如圖2 中例子，可將ΔU1取為固定壓降0.8 V，ΔU3取為1 V，ΔU5取為0.6 V。

導(dǎo)線截面積的計(jì)算公式見（3）：

式中：

S—電纜的截面積（mm2）；

I—電纜上流過的電流（A）；

L—電纜長度（m）；

ρ—電纜內(nèi)導(dǎo)線的電阻率（Ω.m）；

ΔU—電纜導(dǎo)線電壓降（V）；

直流系統(tǒng)中，電纜長度需要計(jì)算雙程，即正極和負(fù)極的電纜長度均需要計(jì)算。

上述公式同樣適用于交流電纜的截面積計(jì)算，此時(shí)需要注意，如果是三相交流系統(tǒng)且三相平衡，則電纜的長度只需計(jì)單程；如果是單相交流系統(tǒng)，則電纜長度需要計(jì)算雙程，即相線長度和中性線長度均需要計(jì)列。

4.3.3 按照機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行校核

電纜的截面積除了需要滿足持續(xù)工作最大電流值和電壓降條件外，有時(shí)候還需要根據(jù)電纜的機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整。筆者曾經(jīng)實(shí)地勘察過一個(gè)移動通信基站，該基站建設(shè)在山頂，交流市電由山腳架空引入到基站，由于該山所處位置經(jīng)常會有強(qiáng)風(fēng)，市電引入的電纜經(jīng)常被風(fēng)吹斷，將電纜更換為截面積更大的電纜，并做了加固措施后，問題得到了解決。

另外，國家及行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對電纜導(dǎo)體的最小截面積也做了相關(guān)規(guī)定，主要有：

（1）多芯電力電纜導(dǎo)體最小截面，銅導(dǎo)體不小于2.5 mm2，鋁導(dǎo)體不小于4 mm2；

（2）通信局站的接地引入線宜采用不小于95 mm2的多股銅線；

（3）通信局站內(nèi)的主設(shè)備接地線應(yīng)采用不小于16 mm2的多股銅線；

（4）通信局站內(nèi)小型設(shè)備的接地線宜采用不小于4 mm2的多股銅線。

5 小結(jié)

在信息通信機(jī)房中，電力電纜的選擇涉及到電纜的燃燒性能、電纜導(dǎo)體的種類、截面積大小等方面?？偟膩碚f，電纜的選擇應(yīng)遵循如下要求：

（1）信息通信機(jī)房內(nèi)的所有電力電纜應(yīng)選用阻燃電纜或耐火電纜，建議采用具備阻燃A 類性能的電纜。

（2）信息通信機(jī)房內(nèi)的電力電纜宜采用銅芯電纜，其中，地線電纜必須采用銅芯電纜，在沿海等有環(huán)境腐蝕的地區(qū)，也應(yīng)采用銅芯電纜。

（3）信息通信機(jī)房內(nèi)的電纜導(dǎo)體截面積應(yīng)滿足信息通信系統(tǒng)安全運(yùn)行的要求，主要考慮三個(gè)方面的因素：電纜的載流量、允許的最大電壓降和機(jī)械強(qiáng)度。

（4）電纜的載流量一般通過國家標(biāo)準(zhǔn)查表的方式確定，并應(yīng)考慮電纜運(yùn)行的環(huán)境溫度和敷設(shè)方式等具體情況的影響。

（5）電纜的載流量應(yīng)不小于回路中的設(shè)計(jì)電流，還應(yīng)不小于上級保護(hù)電器的額定電流。

（6）除非距離特別長，交流系統(tǒng)的電纜一般僅需根據(jù)載流量進(jìn)行截面積選擇；而直流系統(tǒng)的電纜除應(yīng)滿足載流量外，還應(yīng)根據(jù)允許的最大電壓降進(jìn)行驗(yàn)算。

（7）在某些應(yīng)用場景下，電纜還應(yīng)考慮機(jī)械強(qiáng)度的要求。