交流供电电缆线径选择的误区介绍

交流供电电缆线径选择的误区介绍
交流供电电缆线径选择的误区介绍
 
机房供配电系统设计有一定的规范，用户新建机房供配电系统时，应通过设计单位选择合适的交流线径，严格按设计文件施工。对于现有机房新增一般性负载，往往由用户自行设计并安装。

　　安全用电是动力设备安装与维护人员的基本要求，所有安装与维护人员都有必要了解交流电缆线径选择的方法和原则。维护人员在日常工作中不局限于发现设备潜在故障，也应关注线缆等配套设备存在的风险，实现精细化维护。在具体的安装与维护工作中，不少工程师对电缆线径的选择存在着一些误区，需要对这些误区进行分析。选择了错误的电缆线径，轻则增加了建设或运行成本，重则可能带来巨大的安全隐患。

　　本文列出的十个误区都是工程与维护人员容易发生的，事实上导线线径选择还有更多的影响因素，具体选择线径时应根据环境温度、允许温升、敷设方式等查询电工手册或其它相关设计规范。

 
　　误区一：经济电流密度2~4A/mm2，选2偏安全，选4偏经济 信
　　按照经济电流密度选择交流线径是通行的方法，铜质电缆经济电流密度为2~4A/mm2。显然，取经济电流密度为2A/mm2时，线径较粗，投资成本较高;取经济电流密度为4A/mm2时，线径较细较经济。一些工程人员认为，按照经济电流密度选择电缆即可，选2A/mm2偏安全，选4A/mm2偏经济，都是可行的选择。

　　当电缆较细时，电缆比表面积大，对散热有利;当电缆较粗时，电缆比表面积小，热量不易散发，单位截面积导线通过相同的电流时，粗电缆温度较高。如果电缆温度超过允许值，就会发生危险。下表为在空气中敷设的塑料绝缘铜芯电线长期连续负荷载流量(《电工手册》第14章第99页，上海科学技术出版社第四版，吕如良等主编，2002年1月)，周围环境温度为25℃，线芯长期允许工作温度为70℃。

　　由上表可见，较细的电缆每平方载流量远大于4A，随着电缆线径的增加，每单位mm2载流量明显下降。由于电缆不应一直运行于最高温度，同时存在可能的过流或其它因素影响，选择时导线载流量应小于上表载流量数值。

　　由此看来，经济电流密度理解为粗电缆取2、细电缆取4，比理解为选2偏安全、选4偏经济更合乎实际。

 
　　误区二：只按经济电流密度，不复核电缆压降 信
　　假定某单相交流负载最大电流不超过16A(单相负载电流通常不超过20A)，按经济电流密度法选用4mm2电缆，如果负载距离100米，铜电导率σ为57，电缆电阻为：

　　R=L/(σS)=100×2/(57×4)=0.88Ω

 
　　电缆上电压降ΔU为 信息来源:http://www.tede.cn

　　ΔU=IR=16×0.88=14.1V

　　连接回路在最大工作电流作用下的电压降，不得超过该回路允许值(《电力工程电缆设计规范》第6页，GB50217-94)，该例电缆上电压降达到14.1/220=6.4%，超过多数设备线路上压降不应大于5%的要求。负载工作电压下降6.4%，相应的工作电流上升1A，需要选用更粗的电缆(如6mm2)，重新计算电压降，直至电压降小于5%。

　　误区三：只选择电线线径，不考虑电线类型

　　计算电缆线径时，只确定了电缆金属介质的截面积。只要截面积相同，不论何种绝缘层与护套，电缆本身性质完全相同(铜质，通信机房电力电缆一般不用铝芯电线)。但正是由于绝缘层与护套的不同，散热性能、允许温升就有区别，如常用的VV(聚氯乙烯绝缘)电缆与JYV(交联聚乙烯绝缘)电缆，前者允许温度为70℃，后者可达90℃，因此JYV电缆允许的截流量更大，同样的负载电流条件下，可以选择较小的线径。此外，单芯与多芯电缆(指内部含互相绝缘的多芯成套电缆)散热条件不同，截流量也有区别。例如，铜芯导体截面为50mm2，单芯与多芯明敷电缆在环境温度为25℃、导体温度分别为70℃(VV电缆)和90℃(JYV电缆)时载流量规格如下表所示(数据来源：北京电缆网)。

 

　　由上表可知，多芯电缆载流量较单芯为小，VV电缆载流量较YJV电缆为小，设计电缆时需要计入这些因素。多根单芯电缆平行捆扎敷设时，计算载流量也应在单芯电缆的基础上乘以一个小于1的降额矫正系数。下表为《工厂供电》中多根电缆并列时载流修正系数，电缆相距100mm。

　　误区四：优先选择长期安全载流量大的电缆

　　一般地，从电缆的绝缘性能、环保性能和耐候性能等方面看，YJV电缆载流量大，在各方面比VV电缆性能更优异，应在工程设计中优先考虑。

　　事实上，YJY电缆虽然具有载流量大、电缆直径小、重量轻、方便安装等优点，但在同等截面积条件下，YJY电缆比VV电缆流量大的原因仅仅是因为能承受的温度高而已。截面积相同，铜的质量、导电率也相同，因而在输送同等电流的情况下，选择YJY电缆可以比选择VV电缆细一些的线径，但线路电阻增加，线损和电压降也增加，长期运行不一定合算。

 
　　电缆选择必须全面考虑环境条件、使用场所、敷设方式、供电距离、长期运行的费用和电压降，能用VV电缆的场所一般仍推荐用VV电缆。如果原行线架上已敷设VV电缆，新设计增加耐受温升更高的JYV电缆是没有意义的，平行捆扎走线的电缆只能按耐受温升最低的电缆计算载流量。

　　误区五：并联多大的导线，就相当于线径增大多少平方

　　大型机房负载容量大，需要提供很大的电流，如果选择一根导线，无疑需要线径很粗的供电电缆，施工并不方便，甚至没有足够粗的导线可供使用。多根导线并联是允许的，由于线径小的电线每平方载流量大于粗电线，并联方式可能在经济上更合算。

　　并联电线之间的电流在理论上按截面积分配，只要是相同材质电线(如铜线)，都可以直接并联。但实际工程中，最好使用相同的线径。如果线径相差悬殊，可能由于接线端子存在一定电阻，以及与电缆截面积不成正比的感抗作用，导致电流分配偏差，一根导线可能分配电流过大，超过安全载流量。此外，如果采用不一致的线径，需仔细复核电线上的电流是否小于安全载流量，细导线的单位载流量只能按粗导线计算。

　　因此，大小相差悬殊的电缆并联使用，电缆载流量往往并不按照理想条件下的电流分配规律来分配，小电缆相对发热明显。两线并联时，粗的电缆不应大于细电缆的两倍。

　　误区六：只依据负载电流，未考虑短路电流

　　只根据负载电流选择交流输入电缆的线径，事实上存在着安全风险。例如，某大楼由功率S为315KVA的变压器供电，变压器Z值为5%。现欲在配电室增加一台3P空调(单相)，发现配电柜内有一额定容量为500A的断路器CB3空闲未用，拟通过该断路器为空调引入一相交流电，如下图所示。工程人员按经济电流密度法选择线径，取经济电流密度为4A/mm2，空调工作电流12A，选择电缆的截面积S为4mm2，并在空调侧安装16A空开作为空调输入开关。

A

　　16A

　　315KVA/Z=5% 信息来自:输配电设备网

　　CB1/500A 信息来自:输配电设备网

　　CB2/500A 信息来源:http://tede.cn

　　CB3/500A

 
　　CB4/500A

　　其它负载

 
　　50米 信息来自:输配电设备网

　　3P空调

 
　　空调距离配电柜较远，电缆长度L为50米，导线电阻R为 信息请登陆:输配电设备网

　　R=L/(σS)=50×2/(57×4)=0.44Ω 信息来自:输配电设备网

　　假定电网供电能力为无穷大，变压器短路电流IST为： 信息来源:http://tede.cn

　　IST=S/(3U×Z)=315×1000/(220×3×5%)=9545A 信息来

　　变压器副卷单相等效电阻RT为：

 
　　RT=U/I=220/9545=0.023Ω

　　假定变压器输出端至CB3所有导体与接头电阻之和为0.05Ω，如果电缆末端A点发生短路，短路电流IS为

　　IS=U/R=220/(0.023+0.05+0.44)=429A

　　由于断路器跳闸电流为500A，因此电缆末端短路后断路器不跳闸，电缆烧断甚至起火。

　　由以上例子可以看出，在选用电缆时，需要校验短路电流。在检查供配电系统时，如果发现大型断路器后端连接细电线，就应重点关注。(注：除短路电流需要核算外，还应计算接地故障电流，校验断路器是否符合要求。因本文只讨论电缆选型问题，不在此讨论如何选用断路器。) 信息来自:www.tede.cn

　　误区七：按负载电流选线，不考虑断路器容量

　　根据负载性质不同，断路器容量一般选择为负载电流的1.15~1.5倍。断路器选定以后，过载跳闸电流即已确定(大型断路器往往允许整定跳闸电流)。过流的产生与供电质量、负载质量及运行状态有关，也与漏电流有关。在通信机房供电系统中，通常并不安装漏电保护器，如果漏电流与负载电流之和不超过断路器额定电流，断路器不跳闸，负载继续运行。

　　在有较大漏电流的情况下，如果线径只按负载电流设计，可能导致线径偏小，超过导线安全载流量，电缆发热过温，存在的安全风险比漏电流更甚。

　　正确的做法是：根据负载电流选择断路器(包括微断，熔丝等过流保护装置也是类似的)容量，再根据断路器容量选择导线线径，再复核压降是否符合规范要求。

　　误区八：只考虑建设成本，不核算运行总成本

　　设计单位进行配电设计时，会计算负载电流、线路压降等，按建设投资最低的原则设计，较少考虑运行成本。仍以3P空调为例，如果选用4mm2的电缆，消耗在电缆上的功率为：

　　P=I2R=122×0.44=63W

如果改选用6mm2的电缆，电缆电阻值为：

　　R=L/(σS)=50×2/(57×6)=0.29Ω 信息来源:http://www.tede.cn

　　消耗在电缆上的功率为

 
　　P=I2R=122×0.29=42W
 
　　损耗降低21W。假定电费每度1元，一年运行下来，选用6mm2的电缆可以节约电费C为：
　　C=21×24×365/1000×1=184元。 信息来源:http://www.tede.cn

　　按北京电缆价格，2×6mm2的电缆比2×4mm2的电缆贵2.2元/米，50米的电缆差价仅为110元，选用6mm2的电缆初期投资大于选用4mm2的电缆，但不到1年即可收回投资，显然更为经济，总运行费用更节省。

　　选用更粗的电缆是否更经济，需要按同样的方法进行核算，如果三到五年可以收回投资，宜选用较粗的电缆。

　　误区九：零线选择未考虑三次谐波与不平衡电流

　　当负载三相不平衡时，零线将有电流流过;当三相严重不平衡时，零线电流甚至大于相电流。计算机、节能灯等电子设备多产生三次及三的倍次谐波，谐波电流通过零线。对于谐波抑制不佳的电子设备来说，三次谐波电流可能大于相电流，零线电流很大。此外，三次及以上谐波频率较高，在导线内流过时有趋肤效应，即电流主要从导体表面流过，相当于缩小了导线截面积，热效应更加明显。

　　现行IDC机房建设过程中，普遍采用3+2电缆，即一根圆形绝缘电缆中包括三根相线、一根零线和一根保护地线，如3×50+2×25电缆，零线线径为相线的一半。如果为普通计算机或照明供电，当负载达到设计容量后，存在一定的安全风险，三次谐波导致零线过热甚至着火。除非负载谐波抑制效果好，或进行了谐波整治，否则零线线径不应小于相线线径。
　　误区十：保护地线目的是等电位连接，线径细一点也可以 信
　　交流设备与机房接地排之间、设备内部部件与机柜之间连接有保护接地线，一方面是等电位连接的要求，使所有设备和部件外壳保持等电位，预防触电以及由于雷电侵入导致的内部放电;另一方面用于泄放接地故障电流。
 
　　由于雷击时长以微秒计，即使大的雷电流，积累的能量常不足以烧毁保护地线，因此不少工程师认为接地保护线对于防雷来说不用考虑粗细。确实，在雷击事件中少见有保护地线烧毁的案例，但保护地线的线径要求还有另外的原则，即发生接地故障时，保护地线不应在保护设备动作前烧毁。显然，电流越大的设备，输入电缆越粗，输入断路器容量越大，保护地线也越粗。因此规范规定，当相线线径大于35mm2时，保护地线线径应取相线线径的一半，按规范进行供配电系统设计，能达到相线越粗，保护地线也越粗的目的，消除安全隐患。
 
　　因此，保护地线线径不能随意选择，保护地线的截面，应满足回路保护电器可靠动作的要求(《电力工程电缆设计规范》第8页)。

　　结语

　　交流电缆的选择看似简单，但为了选择安全而又经济的电缆，则需要综合考虑多方面的因素。可能因为选择了过大的线径增加建设成本，选择过小的线径增加运行成本并可能导致严重的安全风险。 目前通信领域多数电力电缆配置偏于安全，在铜材日益昂贵、电缆费用占比越来越高的今天，有必要选择经济的电缆。对于正在运行中的系统，宜与专业的机房评测机构进行合作，实施机房评估与必要的整改，确保供电安全。