倪守雨

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

從2019年3月1日開始，建筑消防應(yīng)急照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須執(zhí)行《消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GB51309-2018(以下簡(jiǎn)稱《技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》)[1]。新《技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》與傳統(tǒng)的應(yīng)急照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)有很大不同，《技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》要求安裝高度低于8m的應(yīng)急照明燈具，應(yīng)采用DC36V或DC24V供電。由于采用低電壓直流供電，應(yīng)急照明燈具光源一般都為L(zhǎng)ED光源，而LED光源通常為恒功率供電。當(dāng)供電電壓低時(shí)，電流將增大，回路電流增大，有可能造成集中電源或應(yīng)急照明配電箱的回路保護(hù)裝置動(dòng)作，切斷應(yīng)急照明的供電電源，應(yīng)急照明也就失去了應(yīng)有的作用，發(fā)生安全事故；因此，末端應(yīng)急照明燈具的電壓偏差非常重要，電氣設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)高度重視。集中電源或應(yīng)急照明配電箱內(nèi)的出線回路，是采用慢熔型的直流熔斷器作為每回路配電線路的保護(hù)裝置。當(dāng)集中電源直流配電線路的供電長(zhǎng)度達(dá)到一定距離后，線路末端的短路電流因?yàn)榫€路電阻值增大而減少，當(dāng)減少到一定數(shù)值(熔斷器短路保護(hù)可靠動(dòng)作電流值)時(shí)，熔斷器將無(wú)法快速動(dòng)作。因此，計(jì)算直流配電線路的供電長(zhǎng)度，除了考慮線路的電壓損失，還需要對(duì)熔斷器短路保護(hù)動(dòng)作靈敏性進(jìn)行校驗(yàn)。

基此，本文將通過(guò)相關(guān)規(guī)范提出應(yīng)急照明配電線路的電壓損失百分?jǐn)?shù)的建議數(shù)值；并分析直流配電線路的供電長(zhǎng)度與導(dǎo)線工作溫度、線芯標(biāo)稱截面、標(biāo)稱相電壓等因素關(guān)系。為了配合實(shí)際工程設(shè)計(jì)，通過(guò)計(jì)算，取得應(yīng)急照明直流配電線路的供電長(zhǎng)度的相應(yīng)數(shù)值；并對(duì)配電線路熔斷器短路保護(hù)動(dòng)作靈敏性進(jìn)行校驗(yàn)。

1 應(yīng)急照明配電線路電壓損失允許值

《技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》第3.3.8條第2點(diǎn)[1]：集中電源的設(shè)置應(yīng)綜合考慮配電線路的供電距離、導(dǎo)線截面、壓降損耗等因素。其條文解釋為：應(yīng)按防火分區(qū)的劃分情況設(shè)置集中電源，并應(yīng)根據(jù)配電線路的供電距離、導(dǎo)線截面、壓降損耗等因素核算每一個(gè)輸出回路的末端電壓，以確保每一盞燈具工作電壓均滿足其正常工作的需求?？梢姟都夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)》僅是作了原則性的規(guī)定，難以滿足設(shè)計(jì)的實(shí)際需要。根據(jù)國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集《應(yīng)急照明與設(shè)計(jì)安裝》(19D702-7)第21頁(yè)[8]，消防應(yīng)急燈具端子處的電壓偏差允許值可為額定電壓的+20%，-20%。但考慮集中電源直流電池模塊本身已存在電壓損失，且線路上的接頭還有接觸電阻等，故建議消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)的用電設(shè)備端子處的電壓偏差允許值(以標(biāo)稱系統(tǒng)電壓的百分?jǐn)?shù)表示)不宜高于+5%，低于-10%。這樣可以同時(shí)滿足《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ16-2008)第3.4.5條[4]規(guī)定，應(yīng)急照明的電壓偏差允許值可為額定電壓的+5%，-10%，以及《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50034-2013)第7.1.4條第3款[6]規(guī)定：應(yīng)急照明和用安全特低電壓(SELV)供電的照明不宜低于其額定電壓的90%。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量供電電壓偏差》(GB/T 12325-2008)第5.2條[10]規(guī)定，供電電壓偏差的測(cè)量方法：

電壓損失值為配電線路電源出線端系統(tǒng)標(biāo)稱電壓(額定電壓值)與線路末端電壓測(cè)量值的差值，即：

綜上，本文中所討論的電壓損失允許值為系統(tǒng)標(biāo)稱電壓值(額定電壓值)的10%，即電壓損失允許值百分?jǐn)?shù)為10%。

2 查表確認(rèn)供電回路的配電距離

國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集《應(yīng)急照明與設(shè)計(jì)安裝》(19D702-7)第22～23頁(yè)[8]表示了在不同的導(dǎo)線截面、應(yīng)急照明燈具線路負(fù)荷、供電距離條件下，當(dāng)線路電壓為DC24V和DC36V時(shí)的電壓損失百分?jǐn)?shù)。

表1、表2中增粗矩形框內(nèi)數(shù)值分別為線路標(biāo)稱電壓DC24V和DC36V，當(dāng)線路采用銅導(dǎo)體、導(dǎo)線工作溫度為70℃、線路電壓損失百分?jǐn)?shù)Δu% 不大于10% 時(shí)的電壓損失百分?jǐn)?shù)值。通過(guò)表1～表2，可得：當(dāng)選用不同截面導(dǎo)線時(shí)，供電線路在不同負(fù)荷容量的情況下，所能滿足的最大線路配電距離。

表1 DC24V線路電壓損失百分?jǐn)?shù)

表2 DC36V線路電壓損失百分?jǐn)?shù)

但表1和表2中的直流線路配電距離作為參考取值，無(wú)法準(zhǔn)確描述出當(dāng)電壓損失百分?jǐn)?shù)Δu%為10%時(shí)，直流線路到末端燈具的配電距離。因此，為了更好地契合實(shí)際工程中的應(yīng)急照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將電壓損失允許值設(shè)為定值，分析導(dǎo)線工作溫度、線芯標(biāo)稱截面、直流系統(tǒng)標(biāo)稱電壓值等因素對(duì)A型應(yīng)急照明配電箱和集中電源出線線路配電距離的影響，以及通過(guò)負(fù)荷矩計(jì)算出配電距離的取值非常必要。

3 計(jì)算直流線路負(fù)荷矩

依據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)(第四版)》[9](第866頁(yè))，線路的電壓降計(jì)算公式：終端負(fù)荷且cosφ=1或直流線路用負(fù)荷矩PL(kW·km)表示：

(1)

式中：

Δu%——線路電壓損失百分?jǐn)?shù)，%；

Unph——標(biāo)稱相電壓，kV；

C——功率因數(shù)為1時(shí)的計(jì)算系數(shù)；

S——線芯標(biāo)稱截面，mm2；

P——有功負(fù)荷(配電線路功率)，kW；

L——線路長(zhǎng)度，km；

M——直流線路負(fù)荷矩，kW·km；

轉(zhuǎn)換可得：PL=Δu%CS=M

(2)

其中直流線路電壓降的計(jì)算系數(shù)C值為：

(3)

依據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)(第四版)》[9](第861頁(yè))，式9.4-2，導(dǎo)線直流電阻計(jì)算公式：

ρθ=ρ20[1+α(θ-20)]

(4)

式中：

ρ20——導(dǎo)線溫度為20℃時(shí)的電阻率，銅線芯(包括銅電線、銅電纜、硬銅母線)為0.0172 (Ω·mm2)/m，(Ω·μm)；

ρθ——導(dǎo)線溫度為θ℃時(shí)的電阻率，(Ω·mm2)/m，(Ω·μm)；

a——電阻溫度系數(shù)，銅取0.004；

θ——導(dǎo)線實(shí)際工作溫度，℃；

由式(4)可得，當(dāng)導(dǎo)線溫度θ=70℃時(shí)，銅導(dǎo)線電阻率：

ρ70=ρ20[1+a(θ-20)]

=0.0172[1+0.004(70-20)]

=0.02064(Ω·μm)

銅導(dǎo)線電導(dǎo)率：

當(dāng)導(dǎo)線溫度θ=70℃，Unph=DC24V(0.024kV)時(shí)，由式(3)可得，直流線路電壓降的計(jì)算系數(shù)C值為：

=5×48.45×0.0242=0.139 536

根據(jù)式(2)可得,當(dāng)電壓損失百分?jǐn)?shù)Δu%=10%，線芯標(biāo)稱截面S=2.5mm2時(shí)：直流線路負(fù)荷矩PL(kW·km)為：

M=PL=Δu%C24VS

=10%×0.139 536×2.5

=3.4884×10-3(kW·km)

=3488.4(W·m)

同理可得：

當(dāng)S=4mm2,直流線路負(fù)荷矩M=5581.4 (W·m)；

當(dāng)S=6mm2,直流線路負(fù)荷矩M=8372.2 (W·m)；

當(dāng)導(dǎo)線溫度θ=70℃，Unph=DC36V(0.036kV)時(shí)，由式(3)可得，直流線路電壓降的計(jì)算系數(shù)C值為：

=5×48.45×0.0362=0.313 956

根據(jù)式(2)，可得當(dāng)電壓損失百分?jǐn)?shù)Δu%=10%，線芯標(biāo)稱截面S=2.5mm2時(shí)：直流線路負(fù)荷矩PL(kW·km)為：

M=PL=Δu%C36VS

=10%×0.313 956×2.5

=7.8484×10-3(kW·km)

=7848.4(W·m)

同理可得：

當(dāng)S=4mm2,直流線路負(fù)荷矩M=12 558.24 (W·m)；

當(dāng)S=6mm2,直流線路負(fù)荷矩M=18 837.36 (W·m)；

根據(jù)以上計(jì)算公式推導(dǎo)，同理歸納可得，在相同線路電壓損失允許值前提下，直流線路負(fù)荷矩(M)的獲得值與導(dǎo)線工作溫度(θ) 、線芯標(biāo)稱截面(S)的取值有關(guān)，如表3所示。

表3 電壓損失百分?jǐn)?shù)Δu%=10%，銅導(dǎo)線直流線路負(fù)荷矩

由表3可得：

在相同標(biāo)稱相電壓、線芯標(biāo)稱截面條件下，直流導(dǎo)線工作溫度越高，線路的負(fù)荷矩越?。?/p>

在相同導(dǎo)線工作溫度、線芯標(biāo)稱截面條件下，直流導(dǎo)線標(biāo)稱相電壓越大，線路的負(fù)荷矩越大；

在相同導(dǎo)線工作溫度、標(biāo)稱相電壓條件下，直流導(dǎo)線線芯標(biāo)稱截面越大，線路的負(fù)荷矩越大。

銅導(dǎo)線的工作溫度與導(dǎo)線線型選擇有關(guān)，設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到消防應(yīng)急照明線路的耐火要求，消防應(yīng)急照明配電箱或集中電源的出線線路一般采用無(wú)鹵低煙阻燃耐火電線WDZN-BYJ(F)線型[2]。根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)(第四版)》[9](第812頁(yè))，表9.3-1，塑料絕緣導(dǎo)線，裸鋁、銅母線和絞線導(dǎo)體長(zhǎng)期允許最高工作溫度為70℃，乙丙橡膠電力電纜導(dǎo)體長(zhǎng)期允許最高工作溫度為90℃；根據(jù)《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50054-2011(第9頁(yè))[5]，表3.2.3，聚氯乙烯絕緣導(dǎo)體最高運(yùn)行溫度為70℃，交聯(lián)聚乙烯和乙丙橡膠絕緣導(dǎo)體最高運(yùn)行溫度為90℃。下文將分析導(dǎo)體工作溫度為70℃、90℃時(shí)，直流配電線路的供電距離。

4 A型應(yīng)急照明配電箱和集中電源每回路出線線路功率分析

根據(jù)《技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[1]規(guī)定：A型應(yīng)急照明配電箱和集中電源的輸出回路均不應(yīng)超過(guò)8 路，且每路配接燈具容量不超過(guò)線路總?cè)萘康?0%；A型燈具回路的額定電流不超過(guò)6A，即每路的額定電流不應(yīng)大于4.8A。當(dāng)采用DC24V供電時(shí)，每路的額定功率不應(yīng)大于115.2W(Pe=U×I=24V×4.8A=115.2W)；當(dāng)采用DC36V供電時(shí)，每路的額定功率不應(yīng)大于172.8W(Pe=U×I=36V×4.8A=172.8W)。

5 直流線路負(fù)荷矩計(jì)算線路配電距離

根據(jù)式(2)，轉(zhuǎn)換可得：

(5)

式中：

M——直流線路負(fù)荷矩，W·m；

P——配電線路功率，W；

L——當(dāng)電壓損失百分?jǐn)?shù)Δu%取值為10%時(shí)，A型應(yīng)急照明配電箱或集中電源配電線路的配電距離，m；

由式(5)可得，在線路電壓損失百分?jǐn)?shù)。

Δu%=10%、導(dǎo)線溫度θ=70℃、標(biāo)稱相電壓Unph=DC24V的條件下：

當(dāng)線芯標(biāo)稱截面S=2.5mm2，配電線路最大功率P為115.2W時(shí)，根據(jù)表3的直流線路負(fù)荷矩?cái)?shù)值，可計(jì)算出A型應(yīng)急照明配電箱或集中電源配電線路的配電距離：

同理可得：

當(dāng)S=4mm2,A型應(yīng)急照明配電箱或集中電源配電線路的配電距離：L=48m；

當(dāng)S=6mm2,A型應(yīng)急照明配電箱或集中電源配電線路的配電距離：L=73m；

在線路電壓損失百分?jǐn)?shù)Δu%=10%、導(dǎo)線溫度θ=70℃、標(biāo)稱相電壓Unph=DC36V的條件下：

當(dāng)線芯標(biāo)稱截面S=2.5mm2，配電線路最大功率P為172.8W時(shí)；根據(jù)表3的直流線路負(fù)荷矩?cái)?shù)值，可計(jì)算出A型應(yīng)急照明配電箱或集中電源配電線路的配電距離：

同理可得：

當(dāng)S=4mm2,A型應(yīng)急照明配電箱或集中電源配電線路的配電距離：L=73m；

當(dāng)S=6mm2,A型應(yīng)急照明配電箱或集中電源配電線路的配電距離：L=109m；

根據(jù)以上計(jì)算公式推導(dǎo)，同理歸納可得，在相同線路電壓損失允許值的前提下，A型應(yīng)急照明配電箱或集中電源配電線路的配電距離(L)與導(dǎo)線工作溫度(θ)、線芯標(biāo)稱截面(S)的取值、配電線路功率(P)有關(guān)，如表4～表5所示。

由表4、表5可得A型應(yīng)急照明配電箱或集中電源配電線路的配電距離(L)與導(dǎo)線工作溫度(θ)成反比；與線芯標(biāo)稱截面(S)的取值成正比；與配電線路功率(P)成反比；

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將式(1)轉(zhuǎn)換可得：

=n×PL

(6)

設(shè)n為直流電壓損失值計(jì)算系數(shù)：

(7)

當(dāng)銅導(dǎo)線溫度θ=70℃、標(biāo)稱相電壓Unph=DC24V(0.024kV)，線芯標(biāo)稱截面S=2.5mm2時(shí)，根據(jù)表3中的C24V值，代入式(7)可得：

表5 導(dǎo)體工作溫度90℃時(shí),A型應(yīng)急照明配電箱或集中電源配電線路的配電距離L m

同理可得：當(dāng)直流導(dǎo)線工作溫度為70℃，標(biāo)稱相電壓Unph為DC24V或DC36V，線芯標(biāo)稱截面S為2.5mm2、4mm2、6mm2時(shí)，直流電壓損失值計(jì)算系數(shù)(n)的取值，如表6所示。

表6 直流電壓損失值計(jì)算系數(shù)(n)

根據(jù)表6，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)，已知直流線路所帶燈具的總功率(P)和直流線路的配電距離(L),可快速計(jì)算出直流線路的電壓損失值(Δu%)，對(duì)實(shí)際工程設(shè)計(jì)具有一定的簡(jiǎn)化作用。

例如：當(dāng)直流導(dǎo)線工作溫度為70℃、標(biāo)稱相電壓Unph為DC24V、線芯標(biāo)稱截面S為2.5mm2時(shí)，假設(shè)直流線路所帶燈具的總功率P=50W，直流線路的配電距離L=100m，根據(jù)表6，可得：

Δu%=n×PL

=2.87×10-5×50×100

=0.1435=14.35%

查國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集《應(yīng)急照明與設(shè)計(jì)安裝》19D702-7[8](第23頁(yè))可得，當(dāng)直流線路所帶燈具的總功率P=50W、直流線路的配電距離L=100m時(shí)，線路電壓損失為14.34%，與計(jì)算得出的電壓損失值(Δu%)基本相符。

同時(shí)，為了設(shè)計(jì)方便和實(shí)用性，根據(jù)以上公式的推導(dǎo)，繪制了一個(gè)EXCEL計(jì)算表，在輸入直流系統(tǒng)標(biāo)稱電壓值Unph、導(dǎo)線工作溫度(θ)、線路電壓損失百分?jǐn)?shù)Δu%、線芯標(biāo)稱截面(S)的數(shù)值，以及設(shè)計(jì)中獲取的配電線路計(jì)算功率(P)，可直接得出A型應(yīng)急照明配電箱或集中電源配電線路的配電距離(L)，如表7所示。

表7 配電距離L(m) Excel計(jì)算表

需要注意的是，表3～表7中的配電距離(L)應(yīng)為將回路負(fù)荷等效為終端負(fù)荷后，集中電源(或應(yīng)急照明配電箱)至終端負(fù)荷等效點(diǎn)的有效距離，而終端負(fù)荷等效點(diǎn)至集中電源(或應(yīng)急照明配電箱)出線端的配電距離，并非是配電線路出線端至配電線路最末端燈具的距離，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中還應(yīng)具體分析。

6 消防應(yīng)急照明配電線路出線端至配電線路最末端消防應(yīng)急燈具距離分析

依據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)(第四版)》[9](第861頁(yè))，式9.4-1，導(dǎo)線直流電阻計(jì)算公式：

式中：

Rθ——導(dǎo)體實(shí)際工作溫度時(shí)的直流電阻值，Ω；

L——線路長(zhǎng)度，m；

S——導(dǎo)線截面，mm2；

Cj——絞入系數(shù),單股導(dǎo)線為1，多股導(dǎo)線為1.02；

ρθ——導(dǎo)線溫度為θ℃時(shí)的電阻率，(Ω·mm2)/m；

因同一直流線路，導(dǎo)線實(shí)際工作溫度為 (θ℃) 時(shí)的導(dǎo)線電阻率(ρθ)、絞入系數(shù)(Cj)和導(dǎo)線截面(S)均相等，可得導(dǎo)線直流電阻(Rθ)與導(dǎo)線的線路長(zhǎng)度(L)成正比；線路電壓損失計(jì)算公式：

集中電源某一配線線路上共有n盞燈具，從集中電源引出點(diǎn)至第1盞燈具的距離為L(zhǎng)1(OA段)，線路電阻設(shè)為R1,線路電壓損失U1,線路電流I1；第1盞燈具至第n盞的配電線路長(zhǎng)度為L(zhǎng)2(AG段)，直流線路等效電阻設(shè)為RX,等效長(zhǎng)度LX,線路電壓損失U2,線路電流I1，如圖1所示。

假設(shè)燈具功率相同且均勻布置，每?jī)杀K燈具之間的距離為ΔL，線路電阻為ΔR；

圖1 線路電壓損失示意圖

由圖1可得：

(8)

(9)

(10)

(11)

導(dǎo)線線路電壓損失為配電線路上的每段線路電壓損失之和，可得：

(12)

(13)

由式(12)和式(13)可得：

(14)

把式(10)和式(11)代入式(14)并化簡(jiǎn)，可得：

(15)

綜上可得：集中電源至終端負(fù)荷(消防應(yīng)急燈具)等效點(diǎn)的有效距離：

(16)

以上直流線路配電距離是在應(yīng)急照明燈具均勻布置在一條線路上，且未出現(xiàn)分支情況下，而實(shí)際工程中往往會(huì)出現(xiàn)配電線路分支的布置方式，故而，應(yīng)急照明配電線路電壓損失，還需要對(duì)燈具的接線布置方式進(jìn)行分析,如圖2所示。

圖2 燈具接線布置示意圖

方案一，集中電源配電線路到消防應(yīng)急燈具的等效距離為(0B段)：L=L1+LX=L1+3.5ΔL；

方案二，線路在A點(diǎn)出現(xiàn)分支，需獨(dú)立分析兩條支路，(0C段)集中電源配電線路到消防應(yīng)急燈具的等效距離為：L=L1+LX

不同的燈具連接方案，計(jì)算線路電壓損失的配電線路等效距離不同。

因此，相同數(shù)量及功率的應(yīng)急照明燈具(負(fù)載)，方案二中布置的兩條支線線路的電壓損失均小于方案一線路的電壓損失。

因此接線時(shí)，線路布置應(yīng)盡量減少燈具配電線路的總長(zhǎng)度，并盡量在前端分支，這樣相同負(fù)荷的線路可以減少線路電壓損失。

7 應(yīng)急照明直流線路短路保護(hù)動(dòng)作靈敏性分析

配電線路的短路保護(hù)電器(直流熔斷器)，應(yīng)在短路電流對(duì)導(dǎo)體和連接處產(chǎn)生的熱作用和機(jī)械作用造成危害之前切斷電源[5]。集中電源或應(yīng)急照明配電箱內(nèi)出線回路是采用直流熔斷器作為每回路配電線路的短路保護(hù)裝置，直流熔斷器的作用是電路在短路時(shí)產(chǎn)生大電流的瞬間，熔斷器熔絲在設(shè)備未損壞前先快速熔斷，從而達(dá)到切斷電路的目的。

當(dāng)線路短路電流小于熔斷器的約定熔斷電流時(shí)，熔斷器將無(wú)法動(dòng)作，也就無(wú)法起到對(duì)線路進(jìn)行短路保護(hù)的作用。所以，在設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)計(jì)算直流線路的短路電流，并對(duì)熔斷器(保護(hù)裝置)短路保護(hù)動(dòng)作靈敏性進(jìn)行校驗(yàn)。

7.1 直流線路短路電流計(jì)算

根據(jù)導(dǎo)線直流電阻計(jì)算公式：

(17)

根據(jù)短路電流計(jì)算公式：

(18)

式中：

Id——線路短路電流，A;

Unph——標(biāo)稱相電壓，V；

Rθ——導(dǎo)體實(shí)際工作溫度時(shí)的直流電阻值，Ω。

通過(guò)式(17)、式(18)以及前文中的公式推導(dǎo)可得：當(dāng)銅導(dǎo)體工作溫度為70℃時(shí)，不同線路長(zhǎng)度下，直流線路的電阻Rθ和短路電流Id，如表8所示。

7.2 熔斷器短路動(dòng)作電流值的確定

集中電源或應(yīng)急照明配電箱內(nèi),每個(gè)配電回路出線端均設(shè)置一個(gè)直流熔斷器作為配電線路的短路保護(hù)裝置。

根據(jù)《技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[1]第3.3.6條第2點(diǎn)：“A型燈具配電回路的額定電流不應(yīng)大于6A”，故熔斷器的額定電流規(guī)格選擇6A，即IN=6A；

表8 導(dǎo)體工作溫度70℃時(shí)，不同配電線路長(zhǎng)度下直流線路短路電流Id A

參照《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50054-2011)[5]第6.2.3條，絕緣導(dǎo)體的熱穩(wěn)定，應(yīng)按其截面積校驗(yàn)，且應(yīng)符合下列規(guī)定：當(dāng)短路持續(xù)時(shí)間小于等于5s時(shí)，絕緣導(dǎo)體的截面積應(yīng)符合本規(guī)范公式(3.2.14)的要求，其相導(dǎo)體的系數(shù)可按本規(guī)范表A.0.7規(guī)定確定；大于5s時(shí)，校驗(yàn)絕緣導(dǎo)體截面積應(yīng)計(jì)入散熱的影響。另根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)(第四版)》(第962頁(yè))，第11.2.3.2條第(2)款第1點(diǎn)注釋：當(dāng)短路持續(xù)時(shí)間大于5s時(shí)，部分熱量將散到空氣中，校驗(yàn)時(shí)應(yīng)計(jì)及散熱的影響，根據(jù)規(guī)定短路保護(hù)動(dòng)作時(shí)間不應(yīng)大于5s[9]；第11.2.3.3條第(1)款：當(dāng)采用熔斷器保護(hù)時(shí)，在考慮配電線路熱穩(wěn)定校驗(yàn)時(shí)，熔斷器短路保護(hù)動(dòng)作持續(xù)時(shí)間t選擇最不利值5s[9]。

根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)(第四版)》(第1002頁(yè))，表11.6-6 “‘gG’熔斷體規(guī)定弧前時(shí)間和熔斷時(shí)間的門限”可知當(dāng)弧前時(shí)間為5s時(shí),額定電流為6A的熔斷器的Imax(5S)=28A，即熔斷器最大預(yù)期短路保護(hù)可靠動(dòng)作電流值為I=28A[9]。

7.3 滿足熔斷器短路保護(hù)動(dòng)作靈敏性的直流配電線路最大線路長(zhǎng)度

當(dāng)線路的短路電流Id大于熔斷器的短路保護(hù)可靠動(dòng)作電流I，即當(dāng)Id≥I=28A時(shí)，配電線路滿足短路保護(hù)動(dòng)作靈敏性要求，如圖3所示。

圖3 短路電流示意圖

根據(jù)式(18)反推，當(dāng)Id確定時(shí)，滿足短路保護(hù)動(dòng)作靈敏性的最大線路長(zhǎng)度Ld為：

(19)

當(dāng)導(dǎo)線溫度θ=70℃、標(biāo)稱相電壓Unph=DC24V，線芯標(biāo)稱截面S=2.5mm2時(shí)，由式(19)可計(jì)算出滿足熔斷器短路保護(hù)動(dòng)作靈敏性的最大線路長(zhǎng)度Ld為：

同理可得：

當(dāng)S=4mm2,滿足熔斷器短路保護(hù)可靠動(dòng)作的最大線路長(zhǎng)度Ld=83.06m；

當(dāng)S=6mm2,滿足熔斷器短路保護(hù)可靠動(dòng)作的最大線路長(zhǎng)度Ld=124.58m；

根據(jù)以上計(jì)算公式推導(dǎo)，同理歸納可得，導(dǎo)體工作溫度70℃時(shí)，滿足熔斷器短路保護(hù)可靠動(dòng)作的最大線路長(zhǎng)度Ld，如表9所示。

表9 導(dǎo)體工作溫度70℃時(shí)，滿足熔斷器短路保護(hù)動(dòng)作靈敏性的最大線路長(zhǎng)度Ld m

另根據(jù)某熔斷器廠家提供的熔斷器熔斷特性(熔斷時(shí)間)數(shù)據(jù)(表10)，當(dāng)熔斷器的熔斷電流I為額定電流IN的2倍時(shí)，即當(dāng)熔斷器短路保護(hù)動(dòng)作電流值I=2IN=12A時(shí)，熔斷時(shí)間為0.15s～5s。

表10 某熔斷器廠家的熔斷器熔斷特性(熔斷時(shí)間)

隨著技術(shù)的進(jìn)步，熔斷器產(chǎn)品性能的提升，大部分熔斷器產(chǎn)品的靈敏性在提高，熔斷器熔斷時(shí)間減少，使得熔斷器在配電線路短路時(shí)，能夠快速動(dòng)作，達(dá)到保證線路安全目的。

7.4 熔斷器短路保護(hù)特性及電纜的熱穩(wěn)定校驗(yàn)

(1)依據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)(第四版)》(第382頁(yè))[9]，式5.6-10，電纜熱穩(wěn)定允許的最小截面積：

(20)

式中：

Smin——導(dǎo)體滿足熱穩(wěn)定所需的最小截面積，mm2；

Qt——短路電流的熱效應(yīng)，kA2·s；

C——電纜的熱穩(wěn)定系數(shù)。

上式為短路電流實(shí)用計(jì)算法的校驗(yàn)方法，電纜熱穩(wěn)定校驗(yàn)還可根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)方法。

(2)根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)(第四版)》(第962頁(yè))[1]，第11.2.3.2條,第(2)款:在回路任一點(diǎn)短路引起的電流,使導(dǎo)體達(dá)到允許極限溫度之前應(yīng)分段電路。對(duì)于持續(xù)時(shí)間不超過(guò)5s的短路，由已知的短路電流使導(dǎo)體從正常運(yùn)行時(shí)的最高允許溫度上升到極限溫度的時(shí)間t可近似地用下式計(jì)算：

(21)

式中：

t——持續(xù)時(shí)間，s；

S——導(dǎo)體截面積，mm2；

I——預(yù)期短路電流交流方均根值(r.m.s),A；

k——計(jì)算系數(shù)，取決于導(dǎo)體材料的電阻率、溫度系數(shù)和熱容量以及短路時(shí)初始和最終溫度，如表11所示。

根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)(第四版)》(第962頁(yè))[1]，表11應(yīng)急照明電纜選型為交聯(lián)聚乙烯銅導(dǎo)體，導(dǎo)體的k值取143。

表11 導(dǎo)體的k值

通過(guò)式(21)轉(zhuǎn)換可得：

(22)

當(dāng)短路保護(hù)動(dòng)作持續(xù)時(shí)間取最不利值5s時(shí)，額定電流為6A的熔斷器的預(yù)期短路電流為Imax(5S)=28A，即熔斷器預(yù)期短路保護(hù)可靠動(dòng)作電流值為IZ=28A；則根據(jù)式(22)可得，

應(yīng)急照明直流線路的線芯標(biāo)稱截面S一般取值為2.5、4、6mm2，均大于滿足電纜熱穩(wěn)定允許的最小截面積，故滿足電纜熱穩(wěn)定校驗(yàn)。

8 應(yīng)急照明直流線路過(guò)負(fù)荷保護(hù)分析

配電線路的過(guò)負(fù)荷保護(hù)，應(yīng)在過(guò)負(fù)荷電流引起的導(dǎo)體溫升對(duì)導(dǎo)體的絕緣、接頭、端子或?qū)w周圍的物質(zhì)造成損害之前切斷電源[5]。

依據(jù)《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50054-2011)[5]第6.3.3條，式6.3.3-1～2；《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)(第四版)》[9]第(960)頁(yè)，式11.2-1、11.2-2；過(guò)負(fù)荷保護(hù)電器的動(dòng)作特性,應(yīng)滿足以下兩個(gè)條件：

IC≤IN≤IZ

(22)

I2≤1.45IZ

(23)

式中：

IC——回路計(jì)算電流，A；

IZ——導(dǎo)體允許持續(xù)載流量，A；

IN——熔斷體額定電流，A；

I2——保證保護(hù)電器可靠動(dòng)作的電流，A，當(dāng)保護(hù)電器為熔斷器時(shí)，I2為熔斷體約定時(shí)間內(nèi)的約定熔斷電流，I2由產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定或由制造廠給出。

依據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)(第四版)》[9]第961頁(yè)，如表12所示。

表12 用“gG”熔斷器作過(guò)負(fù)荷保護(hù)時(shí)熔斷體額定電流(IN)與導(dǎo)體載流量(IZ)的關(guān)系

依據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)(第四版)》[9]第1001頁(yè)，如表13所示。

表13 額定電流小于16A的“gG”熔斷體的約定時(shí)間和約定電流

根據(jù)表12～表13和式(23)可得，當(dāng)采用熔斷器保護(hù)時(shí)，額定電流4A≤IN<16A的“gG”熔斷體約定熔斷電流I2約為額定電流IN的1.9倍，約定熔斷時(shí)間為1h；因此，熔斷器的約定熔斷電流I2=1.9IN=11.4A。

根據(jù)本文第4節(jié)內(nèi)容分析可得：回路計(jì)算電流IC=4.8AIN,1.45IZ>I2。

綜上，熔斷器過(guò)負(fù)荷保護(hù)的動(dòng)作特性滿足式(22)和式(23)要求。

9 直流線路配電距離L(m) Excel計(jì)算表(含靈敏性校驗(yàn))

為了設(shè)計(jì)方便和實(shí)用性，根據(jù)本文以上論述的公式推導(dǎo)，將短路電流計(jì)算及熔斷器短路保護(hù)動(dòng)作靈敏性的要求補(bǔ)充進(jìn)表7，作為驗(yàn)算依據(jù)，如表14所示。

表14 配電距離L(m) Excel計(jì)算表(含短路保護(hù)動(dòng)作校驗(yàn))

設(shè)計(jì)時(shí)，已知直流電壓值Unph、導(dǎo)線工作溫度(θ)、線芯標(biāo)稱截面(S)、線路電壓損失百分?jǐn)?shù)(Δu%)等數(shù)值，只需要在表14中輸入配電線路計(jì)算功率(P)數(shù)值，即可獲得計(jì)算配電距離(L)，并校驗(yàn)是否滿足熔斷器短路保護(hù)動(dòng)作靈敏性校驗(yàn)要求。

10 線路電壓損失Δu%和熔斷器短路保護(hù)動(dòng)作靈敏性校驗(yàn)

當(dāng)確定配電線路計(jì)算功率(P)和線路長(zhǎng)度時(shí)，可根據(jù)表15 校驗(yàn)配電線路的電壓損失Δu%和熔斷器短路保護(hù)動(dòng)作靈敏性校驗(yàn)。

表15 線路電壓損失Δu%和熔斷器短路保護(hù)動(dòng)作靈敏性校驗(yàn)(銅導(dǎo)體)

11 結(jié)論

(1)直流線路的配電距離除與應(yīng)急照明線路所帶的功率大小(負(fù)載)有關(guān)，還與銅導(dǎo)線工作溫度、線芯標(biāo)稱截面、標(biāo)稱相電壓(直流)、線路電壓損失等因素相關(guān)；

(3)直流配電線路的配電距離與燈具的接線布置方式有關(guān)；接線時(shí)，線路布置應(yīng)盡量減少燈具配電線路的總長(zhǎng)度，并盡量在前端分支，這樣相同負(fù)荷的線路可以減少線路電壓損失。

(4)當(dāng)線路的短路電流Id大于熔斷器短路保護(hù)可靠動(dòng)作電流I，即當(dāng)Id≥I=28A時(shí)，配電線路滿足熔斷器短路保護(hù)動(dòng)作靈敏性要求。

在應(yīng)急照明設(shè)計(jì)工作中，必須認(rèn)真做好應(yīng)急照明配電設(shè)計(jì)的各項(xiàng)計(jì)算及校驗(yàn)，特別是對(duì)配電線路的短路保護(hù)動(dòng)作靈敏性校驗(yàn)不可忽視。