孟鐸

(中國(guó)五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

在化工裝置的生產(chǎn)和運(yùn)行中，控制系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)大多數(shù)儀表的電源負(fù)荷均屬于一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷。為確保儀表及控制系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，許多文獻(xiàn)對(duì)儀表用電設(shè)備所采用的UPS和供電系統(tǒng)的方案進(jìn)行了詳細(xì)的論述[1-3]。

儀表電源電纜作為儀表供電的傳輸載體，線芯截面積的正確選擇對(duì)儀表供配電系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行同樣起著至關(guān)重要的作用。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)的規(guī)范和電氣專(zhuān)業(yè)的有關(guān)規(guī)定，闡述了化工裝置中儀表電源電纜的線芯截面積的選擇方法。

1 儀表用電設(shè)備

目前，大型化工裝置中的儀表用電設(shè)備在機(jī)柜室、操作室、工程師室和現(xiàn)場(chǎng)均有分布，UPS供電的儀表設(shè)備如圖1所示。根據(jù)化工行業(yè)的設(shè)計(jì)分工，除儀表設(shè)備配套的UPS外，UPS的設(shè)計(jì)、選型由自控專(zhuān)業(yè)人員提出條件，電氣專(zhuān)業(yè)人員負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和選型。儀表用UPS電源等級(jí)一般為單相220 V/50 Hz或110 V/50 Hz的交流電源。電氣專(zhuān)業(yè)人員負(fù)責(zé)將電源電纜送至指定的儀表電源柜或儀表供電箱的接線端子側(cè)，自控設(shè)計(jì)人員需對(duì)配電柜(箱)至各個(gè)儀表用電設(shè)備的供電電纜進(jìn)行設(shè)計(jì)。

大型化工裝置中的UPS室、機(jī)柜室、操作室和工程師室常相鄰布置，現(xiàn)場(chǎng)儀表與機(jī)柜室的距離在幾百米范圍內(nèi)。當(dāng)儀表電源電纜的線芯截面積過(guò)小時(shí)，不能滿(mǎn)足電纜溫升的要求，容易導(dǎo)致電纜發(fā)熱損壞，且過(guò)小的線芯截面積容易導(dǎo)致儀表電源電纜的電壓降過(guò)大，不能夠滿(mǎn)足儀表用電設(shè)備對(duì)輸入電壓的要求。當(dāng)儀表電源電纜的線芯截面積過(guò)大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致儀表電源電纜的外徑過(guò)大，對(duì)儀表電源電纜的敷設(shè)和安裝不利，容易造成材料的浪費(fèi)和成本的提高。

2 儀表電源電纜的線芯截面積

在電力系統(tǒng)中，線芯截面積的選擇主要根據(jù)溫升、經(jīng)濟(jì)條件、短路穩(wěn)定、線路壓降、機(jī)械強(qiáng)度和過(guò)負(fù)載保護(hù)等條件進(jìn)行選擇[4]。針對(duì)儀表用電設(shè)備的線芯截面積選擇，可從機(jī)械強(qiáng)度、載流量、配電線路的電壓降等方面考慮。根據(jù)HG/T 20509—2014《儀表供電設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]第9.1.1條文的規(guī)定，儀表電源電纜的長(zhǎng)期允許載流量不應(yīng)小于線路上游斷路器的額定電流或低壓斷路器內(nèi)延時(shí)脫扣器整定電流的1.25倍。按照機(jī)械強(qiáng)度校驗(yàn)線芯截面積時(shí)，儀表電源電纜的線芯最小截面積不應(yīng)小于1.5 mm2。下面主要闡述儀表電源電纜的載流量、供電線路的電壓降和保護(hù)接地線的要求。

2.1 儀表電源電纜的載流量確定

儀表電源電纜的載流量需要大于配電線路的工作電流，否則會(huì)導(dǎo)致儀表電源電纜的實(shí)際工作溫度超過(guò)電纜的長(zhǎng)期允許最高工作溫度，導(dǎo)致絕緣層發(fā)熱、融化，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生短路危險(xiǎn)，對(duì)配電線路的安全產(chǎn)生不利影響[6]。儀表電源電纜載流量的基準(zhǔn)值可從電纜樣本、電力電纜規(guī)范或相關(guān)手冊(cè)中查表得到，該值與電纜的絕緣類(lèi)型、線芯截面積等因素有關(guān)。一般情況下，已知載流量數(shù)據(jù)為在空氣中敷設(shè)且環(huán)境溫度為30 ℃的電纜長(zhǎng)期連續(xù)負(fù)荷允許載流量值。設(shè)計(jì)選型時(shí)，需要根據(jù)配電線路的工作電流，結(jié)合電纜的敷設(shè)方式、電纜線芯的允許長(zhǎng)期工作溫度、敷設(shè)處的環(huán)境溫度等因素，求得在空氣中敷設(shè)且環(huán)境溫度為30 ℃的儀表電源電纜的計(jì)算載流量值。儀表電源電纜的載流量計(jì)算如式(1)所示，實(shí)際所選用的儀表電源電纜的允許載流量應(yīng)大于載流量計(jì)算值。

(1)

式中：Ical——儀表電源電纜的計(jì)算載流量，A；Ie——配電線路的額定工作電流，A；K1——載流量的溫度矯正系數(shù)；K2——載流量的線路敷設(shè)校正系數(shù)。

在化工裝置中，儀表電源電纜多使用橋架敷設(shè)，橋架的填充系數(shù)如式(2)所示[7]：

(2)

式中：F——橋架的填充系數(shù)；ni——同一種規(guī)格電纜所對(duì)應(yīng)的根數(shù)；di——同一種規(guī)格的電纜所對(duì)應(yīng)的外徑，mm；N——在橋架中敷設(shè)的電纜的規(guī)格種類(lèi)；A——電纜橋架的截面積，mm2。在GB 50217—2007 《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]附錄D.0.6中，對(duì)電纜橋架上無(wú)間距配置多層并列電纜，且水平并列電纜的根數(shù)不小于7根時(shí)，給出的K2見(jiàn)表1所列。表1所示的數(shù)據(jù)是假定各回路的電纜截面積均相等，且均為額定載流量的情況下計(jì)算出的數(shù)值[4]。

表1 線路敷設(shè)的校正系數(shù)

載流量的溫度校正系數(shù)K1，如式(3)所示[4]：

(3)

式中：t1——線芯的允許長(zhǎng)期工作溫度，℃；t2——線路敷設(shè)處的環(huán)境溫度，℃；t3——電纜允許載流量數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)溫度，℃。

儀表電源一般選用聚氯乙烯絕緣(PVC)或交聯(lián)聚乙烯絕緣(XLPE)的電纜，普通級(jí)的PVC和XLPE絕緣的線芯的t1分別為70 ℃和90 ℃。在絕緣材料中添加了相應(yīng)的耐熱性增塑劑后，線芯的t1可適當(dāng)提高，具體數(shù)值可從電纜的樣本中獲取。在空氣中敷設(shè)的電纜的t3為30 ℃，線路敷設(shè)處的t2可選取最熱月的日最高溫度平均值。常用的PVC和XLPE絕緣電纜在不同的t2時(shí)的K1值可由式(3)計(jì)算，具體的數(shù)值見(jiàn)表2所列。

表2 線路敷設(shè)環(huán)境下的溫度校正系數(shù)

2.2 配電線路的電壓降確定

在化工裝置中，儀表用電設(shè)備的額定電壓等級(jí)主要分為直流24 V、交流單相110 V和單相220 V。 根據(jù)文獻(xiàn)[5]9.1.4條文規(guī)定，配電線路的電壓降不應(yīng)影響儀表用電設(shè)備所需的供電電壓。當(dāng)配電線路通過(guò)電流后會(huì)產(chǎn)生溫升，線芯的實(shí)際工作溫度與通過(guò)電流大小和絕緣層溫度有密切關(guān)系[9]。計(jì)算配電線路的電壓降時(shí)，可根據(jù)環(huán)境溫度和負(fù)荷確定線芯的實(shí)際工作溫度。在工程應(yīng)用中，橋架敷設(shè)中的儀表電源電纜的實(shí)際線芯溫度可按電纜的絕緣類(lèi)型估算，PVC絕緣電纜的實(shí)際線芯工作溫度可取60 ℃，XLPE絕緣電纜的實(shí)際線芯溫度可取80 ℃。

1) 當(dāng)儀表用電設(shè)備為交流供電且功率因數(shù)cosφ=1.00時(shí)，與直流供電的儀表用電設(shè)備的配電線路的電壓損失百分?jǐn)?shù)計(jì)算公式相同，如式(4)所示：

(4)

式中： Δu——配電線路的電壓損失百分?jǐn)?shù)，%；Unph——標(biāo)稱(chēng)相電壓，kV；ρt——導(dǎo)體在溫度為t時(shí)的電阻率，Ω·μm；S——線芯標(biāo)稱(chēng)截面積，mm2；P——有功功率，kW；l——線路長(zhǎng)度，m。

銅導(dǎo)線的電阻率ρt如式(5)所示：

ρt=ρ20(1+α(t-20))

(5)

式中：ρ20——銅導(dǎo)體在20 ℃的電阻率，Ω·μm；α——銅導(dǎo)體的電阻溫度系數(shù)，1/℃，在此α=4×10-3/℃；t——銅導(dǎo)體的工作溫度，℃。為便于計(jì)算，可引入計(jì)算系數(shù)C，則Δu最終的計(jì)算公式如式(6)所示：

(6)

2) 當(dāng)儀表用電設(shè)備為交流供電且功率因數(shù)cosφ<1.00時(shí)，則需要使用式(7)所述的公式[9]：

(7)

2.3 儀表電源電纜的保護(hù)地

在化工裝置的儀表供配電系統(tǒng)中，電源系統(tǒng)的接地采用TN-S系統(tǒng)，保護(hù)線PE和中性線N是分開(kāi)的。儀表及控制系統(tǒng)的接地接入電氣專(zhuān)業(yè)的低壓系統(tǒng)接地網(wǎng)中，低于36 V的現(xiàn)場(chǎng)儀表可以不作保護(hù)接地[10]。

文獻(xiàn)[8]第3.7.10條文規(guī)定：“保護(hù)地的線芯截面積，應(yīng)滿(mǎn)足回路保護(hù)電器可靠動(dòng)作的要求”。結(jié)合化工裝置中的儀表電源電纜的規(guī)格尺寸，當(dāng)相線的線芯截面積分別為S≤16 mm2， 16 mm2

3 軟件設(shè)計(jì)流程

基于上述分析可知，在儀表電源電纜線芯截面積的計(jì)算中涉及的參數(shù)較多，需要查閱的樣本和手冊(cè)也較多。在此，可利用Visual C#完成儀表電源電纜的線芯截面積計(jì)算的可視化程序設(shè)計(jì)，并利用Access數(shù)據(jù)庫(kù)將不同絕緣類(lèi)型電纜的電阻和電抗等參數(shù)匯總[10-11]，給出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值及參考依據(jù)，供設(shè)計(jì)人員選擇和校驗(yàn)。

1) 輸入所需的電氣參數(shù)，結(jié)合儀表電源電纜的已知載流量值，初步選擇線芯的截面積。

2) 生成配電線路的壓降值，根據(jù)儀表用電設(shè)備的允許壓降判斷是否滿(mǎn)足要求，并校驗(yàn)配電線路上游的斷路器額定電流是否滿(mǎn)足要求。

3) 如果數(shù)據(jù)不合理，設(shè)計(jì)人員可重新修改參數(shù)，并重復(fù)上述過(guò)程；當(dāng)設(shè)計(jì)結(jié)果滿(mǎn)足要求時(shí)，可將輸入條件和計(jì)算結(jié)果保存，供設(shè)計(jì)校核使用。線芯截面積計(jì)算的流程如圖2所示。

圖2 線芯截面積計(jì)算流程示意

4 案例分析

在國(guó)外某大型化工裝置中，UPS供給控制系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)儀表的電壓等級(jí)為單相交流110 V，頻率為50 Hz。最熱月的日最高溫度平均值為45.1 ℃，儀表用電設(shè)備主要包括DCS，CCS，GDS，ESD，CEMS以及分析小屋和單獨(dú)供電的變送器等儀表，儀表電源電纜為XLPE絕緣PVC護(hù)套的0.6/1.0 kV銅芯電力電纜，采用梯級(jí)式橋架敷設(shè)。銅導(dǎo)體在20 ℃下的電阻率取0.017 2 Ω·μm，電纜線芯允許

長(zhǎng)期工作溫度為90 ℃，電纜敷設(shè)處的環(huán)境溫度取45.1 ℃，電纜的實(shí)際線芯溫度取80 ℃。

布置在現(xiàn)場(chǎng)的CEMS機(jī)柜的視在功率為1 kV·A，設(shè)備的功率因數(shù)在技術(shù)協(xié)議中未注明。從中心控制室敷設(shè)至現(xiàn)場(chǎng)CEMS機(jī)柜的供電距離為300 m，儀表電源電纜在梯級(jí)式橋架中敷設(shè)的層數(shù)按2層考慮，項(xiàng)目規(guī)定到用電設(shè)備端子處電壓偏差允許值為額定電壓的±5%。按照?qǐng)D2完成儀表電源電纜的線芯截面積選擇和配電線路的電壓降計(jì)算，得到的計(jì)算載流量值為16.17 A。電纜樣本中對(duì)應(yīng)的在空氣中敷設(shè)、溫度為30 ℃時(shí)的長(zhǎng)期連續(xù)負(fù)荷允許載流量值見(jiàn)表3所列。用計(jì)算載流量選擇儀表電源電纜的線芯截面積時(shí)，4 mm2以上的線芯截面積均可滿(mǎn)足要求。

表3 電纜在空氣中敷設(shè)的長(zhǎng)期允許載流量 A

在此選擇4，6，10，16，25，35 mm2的線芯截面積，分別對(duì)配電線路的Δu進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表4所列。由于在計(jì)算過(guò)程中式(6)未使用電纜樣本的電阻值和電抗值，當(dāng)功率因數(shù)cosφ為1.00時(shí)，配電線路的Δu計(jì)算結(jié)果與式(7)有微小的差異。在儀表用電設(shè)備的功率因數(shù)cosφ未知的情況下，取功率因數(shù)cosφ為1.00時(shí)，得到的配電線路的Δu偏大。

表4 電纜的線芯截面積與Δu的對(duì)應(yīng)值 %

最終，設(shè)計(jì)中選擇線芯截面積為2×25 mm2+1×16 mm2的儀表電源電纜，在開(kāi)關(guān)柜側(cè)配備額定電流為16 A的斷路器，滿(mǎn)足了該CEMS設(shè)備的用電需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中所述的儀表電源電纜的線芯截面積選擇方法及Visual C#的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)，集成了標(biāo)準(zhǔn)和手冊(cè)中的電纜電氣參數(shù)，具有良好的通用性并提高了設(shè)計(jì)效率，有助于自控專(zhuān)業(yè)人員更好地完成儀表電源電纜的設(shè)計(jì)工作。