李樹庭 / 陳 勇(中南建筑設(shè)計(jì)院股份有限公司， 湖北 武漢 430071)

1 引言

大型鐵路客站體量越來越大，自動(dòng)化程度越來越高，并且有較高的持續(xù)可靠運(yùn)行要求。因此鐵路客站尤其是大型鐵路客站，對(duì)供配電系統(tǒng)也有相對(duì)更高的要求。因此在供配電設(shè)計(jì)中，保護(hù)電器及電能輸送導(dǎo)體的選型設(shè)計(jì)是非常重要的內(nèi)容。以下針對(duì)站房低壓配電設(shè)計(jì)中的若干重點(diǎn)、難點(diǎn)進(jìn)行分析和討論。

2 站房低壓配電電纜設(shè)計(jì)的若干重點(diǎn)

2.1 電纜截面選擇與保護(hù)校驗(yàn)

由于鐵路站房建筑規(guī)模較大，建筑內(nèi)變配電房布置尚需綜合考慮建筑的整體布局和功能分布，相應(yīng)各變配電房的低壓配電距離可能較長(zhǎng)，電纜的供電半徑往往比常規(guī)建筑大。因此相應(yīng)的配電保護(hù)方式及整定便尤為重要。做好此部分的校驗(yàn)及關(guān)鍵設(shè)備的選擇及參數(shù)整定，能最大限度的消除事故隱患，保證低壓配電系統(tǒng)的安全。

2.2 不同場(chǎng)所的電纜選型

鐵路站房配電系統(tǒng)中電纜種類、數(shù)量越來越多，敷設(shè)越來越多樣化，消防安全性也越來越受大家的關(guān)注。電纜線路貫穿整個(gè)建筑物，確保所設(shè)計(jì)的電纜滿足功能要求、并不引發(fā)火災(zāi)，不助長(zhǎng)火勢(shì)蔓延，不因毒素、濃煙危及人的生命安全且在技術(shù)經(jīng)濟(jì)上較為合理就是電氣設(shè)計(jì)中十分重要的方面，在此部分設(shè)計(jì)中也存在一些常見的特點(diǎn)、難點(diǎn)。

2.3 電纜敷設(shè)與優(yōu)化

由于電纜的長(zhǎng)期容許工作溫度以及電纜本身的散熱性能均為產(chǎn)品本身的特性，只能通過提高產(chǎn)品本身特性來實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)無法予以優(yōu)化。因此，改善電纜裝置情況及周圍環(huán)境的散熱條件成為本文低壓電纜載流量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)的切入點(diǎn)。

《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50054-95 第2.2.3條所述“沿不同冷卻條件的路徑敷設(shè)絕緣導(dǎo)線和電纜時(shí)，當(dāng)冷卻條件最壞段的長(zhǎng)度超過5m，應(yīng)按該段條件選擇絕緣導(dǎo)線和電纜的截面，或只對(duì)該段采用大截面的絕緣導(dǎo)線和電纜”即表達(dá)了在考慮電纜局部敷設(shè)條件較惡劣的情況下，當(dāng)冷卻條件最壞段的長(zhǎng)度<5m時(shí)，考慮到冷卻條件最壞段的熱量能傳導(dǎo)到條件好的區(qū)段，從而提供了按照較好冷卻條件選擇電纜截面的可能，對(duì)電纜敷設(shè)載流量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)提出了要求。

自2012年6月1日開始實(shí)施的《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50054-2011 第3.3.6條在原95版規(guī)范2.2.3條的基礎(chǔ)上使用強(qiáng)制性條文的方式提出了更苛刻的要求：“當(dāng)沿敷設(shè)路徑各部分的散熱條件各不相同時(shí)，電纜載流量散熱條件應(yīng)按最不利的部分選取”，并以附錄的形式將載流量修正系數(shù)的選擇完整化、系統(tǒng)化，在《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》JGJ 16-2008第7.4.2條也作了同樣地表述，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了電纜敷設(shè)散熱條件優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要性。以下通過若干方面的討論，闡述電纜敷設(shè)優(yōu)化設(shè)計(jì)中需要注意的問題。

3 電纜截面選擇與保護(hù)校驗(yàn)

3.1 接地故障保護(hù)及其校驗(yàn)

1)短路保護(hù)靈敏性的要求

《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50054-95第4.2.3條規(guī)定“短路電流不應(yīng)小于低壓斷路器瞬時(shí)或短延時(shí)過電流脫扣器整定電流的1.3倍”。

為達(dá)到短路保護(hù)靈敏性要求，一般采用較低的短延時(shí)脫扣整定值(電子脫扣器)或采用較大截面的導(dǎo)體以提高線路末端短路電流從而提高靈敏性的方式，其中第一種方式使用較多。

2)接地故障保護(hù)方式的選擇

在《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50054-95第4.1.1條規(guī)定“配電線路應(yīng)裝設(shè)短路保護(hù)、過負(fù)載保護(hù)和接地故障保護(hù)”。接地故障保護(hù)是以防止人身間接電擊、電氣火災(zāi)及線路損壞為目的的一種保護(hù),因而也是必須保證的。在上述規(guī)范(《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50054-95)第4.4.1～4.4.22條中也分別說明了接地故障保護(hù)的三種方式：利用零序電流來實(shí)現(xiàn)接地故障保護(hù)、利用剩余電流實(shí)現(xiàn)接地故障保護(hù)、采用過電流保護(hù)兼做接地故障保護(hù)。

圖1所示為筆者計(jì)算TN系統(tǒng)出線電纜采用熱磁脫扣器進(jìn)行過電流保護(hù)情況下，滿足接地故障保護(hù)靈敏性要求最大供電半徑，可供設(shè)計(jì)參考(瞬動(dòng)整定值按10 倍In)。

圖1為滿足末端保護(hù)靈敏性要求的最大半徑典型值。

3.2 線纜熱穩(wěn)定的校核

1)熱穩(wěn)定校驗(yàn)與短路保護(hù)設(shè)備的選擇

線纜熱穩(wěn)定校驗(yàn)需按最大短路電流來校驗(yàn)。此要求在《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50054-95第4.2.1條中提及：“配電線路的短路保護(hù)，應(yīng)在短路電流對(duì)導(dǎo)體和連接件產(chǎn)生的熱作用和機(jī)械作用造成危害之前切斷短路電流”。

如前所述，依鐵路站房項(xiàng)目的規(guī)模，其內(nèi)設(shè)置的配電變壓器容量往往較大，低壓母線配出線短路電流也較大。對(duì)于采用大截面電纜的短距離供電回路，其配出斷路器的分?jǐn)嗄芰σ话阋筝^高。

2)低壓電纜熱穩(wěn)定校驗(yàn)的必要性

低壓電纜熱穩(wěn)定校驗(yàn)要求的相關(guān)規(guī)定在多個(gè)規(guī)范均有提及。在《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》 GB 50217-2007第3.7.8條要求“短路點(diǎn)應(yīng)選取在通過電纜回路最大短路電流可能發(fā)生處”，第3.7.7條中要求“對(duì)非熔斷器保護(hù)的回路，應(yīng)按滿足短路熱穩(wěn)定條件確定電纜導(dǎo)體允許最小截面”。

以上規(guī)范的要求，對(duì)低壓配電設(shè)計(jì)來說，就是饋出線熱穩(wěn)定校驗(yàn)需按出線電纜首端短路的最惡劣情況進(jìn)行計(jì)算，此校驗(yàn)常用于對(duì)采用大容量變壓器的配電系統(tǒng)低壓側(cè)母線饋出電纜的校驗(yàn)。針對(duì)“變壓器低壓側(cè)出線電纜最小截面的選擇”這一計(jì)算校驗(yàn)內(nèi)容，需注意變壓器低壓側(cè)出線電纜截面的選擇尚需按熱穩(wěn)定校驗(yàn)結(jié)果選擇，而不能僅以載流量為依據(jù)。

在熱穩(wěn)定校驗(yàn)中，除了涉及系統(tǒng)和電纜本身的因素外，斷路器自身的電氣性能也需進(jìn)行考慮。部分廠家的塑殼斷路器標(biāo)注了其在分?jǐn)喽搪冯娏鲿r(shí)的限流作用，按其具體參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，往往能使熱穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確和經(jīng)濟(jì)。

下面以某系列限流特性斷路器為例進(jìn)行討論。其“熱應(yīng)力限制曲線”見圖2。

按“熱應(yīng)力限制曲線”進(jìn)行校驗(yàn)，即按導(dǎo)體的熱承受能力應(yīng)大于短路防護(hù)電器切斷電源前通過的短路電流的熱效應(yīng)I2t值方式校驗(yàn)。

通過此系列斷路器“熱應(yīng)力限制曲線”查得，在短路電流為50kA 處熱效應(yīng)值I2t<7×105(A2s)；相應(yīng)滿足熱穩(wěn)定要求的電纜截面為：

由計(jì)算可得，滿足熱穩(wěn)定要求的YJV電纜截面需>5.4mm2。

據(jù)此，按開關(guān)制造商提供的“熱應(yīng)力限制曲線”，YJV-0.6／1kV-5×6mm2的電纜已滿足熱穩(wěn)定要求。

4 不同場(chǎng)所的電纜選型要點(diǎn)

4.1 電纜阻燃等級(jí)的選擇

1)阻燃電纜分類

阻燃電纜按照電纜阻燃材料的不同可分為兩類，含鹵阻燃電纜及無鹵低煙阻燃電纜。

含鹵型阻燃電纜在燃燒時(shí)會(huì)釋放大量的濃煙和鹵酸氣體，鹵酸氣體對(duì)周圍的電氣設(shè)備有腐蝕性危害，救援人員需要帶上防毒面具才能接近現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行滅火。

無鹵低煙阻燃電纜在電纜燃燒時(shí)無鹵酸氣體放出，相應(yīng)發(fā)煙量較小，腐蝕性氣體也較少。

2)阻燃級(jí)別

阻燃電纜應(yīng)按等效工程使用條件的燃燒試驗(yàn)以滿足有效的自熄性?？己俗枞茧娎|阻燃性能的試驗(yàn)方法為《電纜在火焰條件下的燃燒試驗(yàn)方法 第3部分：成束電線或電纜的燃燒試驗(yàn)方法》GB/T 18380.3(基本等同于IEC60332)。

成束電線電纜燃燒試驗(yàn)是模擬電纜豎井敷設(shè)，在燃燒的同時(shí)在試驗(yàn)箱內(nèi)通入一定流量的空氣。成束電線電纜燃燒試驗(yàn)根據(jù)試樣每米所含非金屬材料的總體積不同，又分為A,B,C類(IEC 60332標(biāo)準(zhǔn)分為A,B，C,D類，前三種與GB/T1 8380.32001相同)。也就是說，可燃物越多，燃燒越激烈、充分。A類燃燒試驗(yàn)所含非金屬材料最多，阻燃性能要求也就最嚴(yán)格。

規(guī)定為：

(1)A類試樣根數(shù)應(yīng)使每米所含的非金屬材料的總體積為7L，試樣供火時(shí)間為40min。

(2)B類試樣根數(shù)應(yīng)使每米所含的非金屬材料的總體積為3.5L，試樣供火時(shí)間為40min。

(3)C類試樣根數(shù)應(yīng)使每米所含的非金屬材料的總體積為1.5L，試樣供火時(shí)間為20min。

(4)上述試驗(yàn)結(jié)果評(píng)定：如炭化部分所達(dá)到的高度不超過2.5m，則判定試驗(yàn)結(jié)果合格。

4.2 非金屬物的計(jì)算

對(duì)于上述規(guī)定中所敘述的單根電纜每米所含非金屬材料的容量計(jì)算采用如下方法：

V —電纜所含非金屬容量之和 L/m；

S1—電纜總截面積，mm2；

S2—電纜金屬截面積之和，mm2。

不同阻燃級(jí)別相應(yīng)的電纜根數(shù)，可按下列近似公式計(jì)算:

N —不同阻燃級(jí)別相應(yīng)的電纜根數(shù)；

Vs—不同阻燃級(jí)別規(guī)定每米電纜所含非金屬材料容量，L/m；

V —每米電纜所含非金屬材料容量之和，L/m。

每米成束電纜最大根數(shù)可參考表1。

4.3 阻燃電纜選型與敷設(shè)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

1)阻燃電纜分為A、B、C3類，其中A類阻燃電纜性能較B、C類更優(yōu)，價(jià)格也最貴。在設(shè)計(jì)時(shí)尚需標(biāo)注所選阻燃電纜的類別，避免籠統(tǒng)的標(biāo)注為阻燃電纜的做法。

2)由于敷設(shè)于同一橋架的電纜阻燃級(jí)別需按該橋架內(nèi)的非金屬總量來確定，當(dāng)同一橋架內(nèi)敷設(shè)電纜數(shù)量較多、非金屬含量較高時(shí)，就可能提高橋架內(nèi)阻燃電纜的阻燃級(jí)別。如合理安排干線電纜路徑，優(yōu)化分支電纜敷設(shè)分配情況；或?qū)⒃笠?guī)格橋架按照電纜類型、功能等合理分類布置，改為若干小橋架敷設(shè)電纜，則可以有利于降低所需電纜的阻燃耐火級(jí)別。

3)無鹵低煙阻燃電纜需要更大的彎曲半徑，這是由于無鹵低煙電纜的電性能及機(jī)械性能與含鹵型阻燃電纜相比較底，在敷設(shè)電纜時(shí)相對(duì)要求較高。

4)非阻燃電纜和阻燃電纜一般不宜并列敷設(shè)，不同阻燃類別的阻燃電纜也不宜并列敷設(shè)。

5)非阻燃性電纜不應(yīng)與阻燃性電纜混合敷設(shè)。由于阻燃電纜的可燃質(zhì)在規(guī)定值以內(nèi)及外界無繼續(xù)供火的條件下，才能使電纜本體自熄而阻止延燃，因此在采用阻燃電纜時(shí)，仍然需采取相應(yīng)防火阻燃措施。

4.4 防火措施對(duì)電纜載流量的影響

采取電纜防火阻燃措施時(shí)，應(yīng)考慮電纜防火措施對(duì)電纜載流量的影響。

當(dāng)電纜全線敷設(shè)在防火槽盒或防火橋架內(nèi)進(jìn)行保護(hù)時(shí)，根據(jù)有關(guān)試驗(yàn)電力電纜載流量將下降11%～13%(未包括溫度、排列等修正系數(shù))。

表1 上海市工程建設(shè)規(guī)范- 民用建筑電線電纜防 火設(shè)計(jì)規(guī)程 DGJ08-93-2002 表C.0.4-2

對(duì)于防火材料的選擇應(yīng)注意考慮采用有機(jī)防火堵料與無機(jī)防火堵料、防火包的組合使用，避免防火封堵處成為整個(gè)電纜敷設(shè)線路散熱的瓶頸。

防火封堵材料中的防火包和無機(jī)防火堵料單獨(dú)使用時(shí)，對(duì)電纜的載流量影響較大，特別是防火包對(duì)電力電纜的載流量將降低10%以上，而有機(jī)防火堵料具有良好的散熱性能，對(duì)電纜的載流量影響很小，可忽略不計(jì)。為減小防火材料對(duì)電纜載流量的影響，應(yīng)采用兩種或兩種以上防火材料組合使用。

由于耐火電纜的設(shè)計(jì)選用涉及到的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范較多，不是本文討論的重點(diǎn)，該部分內(nèi)容將另文詳述。

5 電纜敷設(shè)與優(yōu)化

5.1 決定電纜載流量的因素

電纜長(zhǎng)期允許載流量是指在電纜內(nèi)通過規(guī)定電流時(shí)，在熱穩(wěn)定后，電纜導(dǎo)體達(dá)到長(zhǎng)期允許工作溫度時(shí)的電流數(shù)值。在實(shí)際工程中，可依據(jù)載流量按需要選擇不同型號(hào)的電纜，并確定所需電纜的數(shù)量和電纜的敷設(shè)形式。因此，選擇電纜的許載流量具有十分重要的意義，在校驗(yàn)電纜長(zhǎng)期允許載流量時(shí)需考慮以下因素：

1)電纜自身的長(zhǎng)期容許工作溫度；

2)電纜本身的散熱性能；

3)敷設(shè)環(huán)境及散熱情況。

5.2 電纜敷設(shè)散熱條件的優(yōu)化

1)變配電房低壓柜出線方式的選擇

變配電房部分的低壓電纜敷設(shè)方式主要分為上進(jìn)上出橋架敷設(shè)以及下進(jìn)下出電纜溝敷設(shè)兩種，低壓配電柜的布置對(duì)其進(jìn)出線電纜的散熱也有一定的影響，以下對(duì)這些因素進(jìn)行分析比較。

(1)下進(jìn)下出電纜溝敷設(shè)

配電柜電纜下進(jìn)下出方式。這種方式配電柜下設(shè)電纜溝，利用電纜溝作為電纜敷設(shè)通道連通各設(shè)備。

(2)上進(jìn)上出電纜橋架敷設(shè)

配電柜電纜上進(jìn)上出方式。這種方式在配電柜上方設(shè)電纜橋架，利用電纜橋架作為電纜敷設(shè)通道連通各設(shè)備。

(3)兩種方式的比較

下進(jìn)下出方式需在配電裝置下設(shè)電纜溝，電纜溝一般為800mm深，與電纜上進(jìn)上出方式配電裝置上方設(shè)置橋架相比，對(duì)室內(nèi)高度的需求較大。

采用下進(jìn)下出方式時(shí)，在電纜溝轉(zhuǎn)角處，電纜溝匯集處容易出現(xiàn)電纜擁擠，交錯(cuò)等問題，對(duì)局部電纜散熱條件產(chǎn)生不利影響。從而限制了整個(gè)線路的載流量。

由于電纜出配電室后一般是沿橋架引至各用電設(shè)備，因此采用下進(jìn)下出方式，電纜由柜體先引下至電纜溝，再自電纜溝引上并沿配電室外橋架敷設(shè)，就不可避免地會(huì)增加垂直段的電纜長(zhǎng)度，考慮到配電室電纜根數(shù)較多，相應(yīng)地增加了電纜部分的總造價(jià)，經(jīng)濟(jì)性略差。

由于在配電室設(shè)備施工安裝完成后，下進(jìn)下出方式采用的電纜溝路徑對(duì)于各種原因造成的電纜溝內(nèi)局部電纜擁擠一般很難再作調(diào)整。而采用上進(jìn)上出方式，電纜橋架在電纜擁擠、交叉處則可比較容易地增加中間分支橋架解決。

2)變配電房低壓柜出線方式的選擇

為改善配電室電纜敷設(shè)局部擁擠，散熱條件差的問題，可考慮對(duì)低壓配電柜出線電纜采用分段、分節(jié)的方式。未分段、分節(jié)布置電纜敷設(shè)走向見圖3，分段、分節(jié)布置電纜敷設(shè)走向見圖4。由圖中可見，未設(shè)置配電柜分段、分節(jié)前，在各配電柜出線電纜匯集處及以后區(qū)段，由于電纜通道較擁擠，可能對(duì)散熱產(chǎn)生不利影響。而在設(shè)置了配電柜分段、分節(jié)后由于中間的電纜通道分流了部分電纜，使得整個(gè)電纜分布更加均勻、合理，改善了散熱條件，同時(shí)也縮短了部分電纜的長(zhǎng)度，優(yōu)化效果明顯。

以上方法對(duì)上進(jìn)上出橋架敷設(shè)很容易增加中間分支橋架，對(duì)下進(jìn)下出配電柜則需通過分節(jié)布置來實(shí)現(xiàn)。

3)水平段的電纜敷設(shè)

《民用建筑電氣涉及規(guī)范》JGJ 16-2008第8.5.3規(guī)定：“同一路徑無電磁兼容要求的配電線路，可敷設(shè)于同一金屬線槽內(nèi)。線槽內(nèi)電線或電纜的總截面(包括外護(hù)層)不應(yīng)超過線槽內(nèi)截面的20%，載流導(dǎo)體不宜超過30根。”第8.10.7規(guī)定：“在電纜托盤上可無間距敷設(shè)電纜。電纜總截面積與托盤內(nèi)橫斷面積的比值，電力電纜不應(yīng)大于40%；控制電纜不應(yīng)大于50%”

線槽、橋架規(guī)格的選擇應(yīng)符合電纜填充率不超過有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的規(guī)定值。

對(duì)于干線橋架考慮單層平鋪形排列，按間距計(jì)算；對(duì)支線橋架按照填充率計(jì)算是比較合理的方法，由于電纜在線槽里放的層數(shù)不同，載流量校正系數(shù)相應(yīng)不同，采用此方式選擇橋架規(guī)格，在經(jīng)濟(jì)性上也是較為有利的。

在滿足以上要求后，對(duì)于彎曲段橋架電纜敷設(shè)的彎曲半徑，施工是否可行也是十分重要的因素，在設(shè)計(jì)時(shí)不可忽略這一點(diǎn)。

下面以橋架內(nèi)單層平鋪一層電纜典型填充情況進(jìn)行分析，見圖5(均以600×100橋架為例)。

(1)圖5中40%填充率所示的情況為動(dòng)力干線橋架段，由于干線段電纜截面一般較大，圖5中以185平方5芯電纜為例按照理論情況無間距平鋪一層，填充率即約為40%。

(2)圖5中20%填充率所示的情況為動(dòng)力分支橋架段，由于分支段電纜截面與干線段相比較小，圖中以35平方5芯電纜為例無間距平鋪一層，填充率即約為20%。

(3)圖5中32%填充率所示情況為動(dòng)力干線橋架段，圖中以185平方5芯電纜為例按照電纜間距5mm平鋪一層，填充率即約為32%，此情況考慮到電纜實(shí)際敷設(shè)由于彎曲，固定產(chǎn)生的電纜間距，與實(shí)際施工敷設(shè)平鋪一層的情況較為接近，也是較為合適的計(jì)算方式。

[1]熊江，李樹庭，魏素軍.低壓配電線路設(shè)計(jì)的造價(jià)統(tǒng)計(jì)及校驗(yàn)優(yōu)化軟件[J].建筑電氣,2009.2：10-16.

[2]中國(guó)航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)(第三版)[M].北京:中國(guó)電力出版社.

[3]李樹庭，熊江.鐵路客運(yùn)站房低壓配電設(shè)計(jì)特點(diǎn)及解決方案[J].建筑電氣,2012.4：6-13.