儀表電源電纜的線芯截面積選擇

孟鐸

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

在化工裝置的生產和運行中，控制系統及現場大多數儀表的電源負荷均屬于一級負荷中特別重要的負荷。為確保儀表及控制系統的安全可靠運行，許多文獻對儀表用電設備所采用的UPS和供電系統的方案進行了詳細的論述[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儀表供配電系統的安全、經濟運行同樣起著至關重要的作用。本文結合國內的規范和電氣專業的有關規定，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 儀表用電設備

目前，大型化工裝置中的儀表用電設備在機柜室、操作室、工程師室和現場均有分布，UPS供電的儀表設備如圖1所示。根據化工行業的設計分工，除儀表設備配套的UPS外，UPS的設計、選型由自控專業人員提出條件，電氣專業人員負責設計和選型。儀表用UPS電源等級一般為單相220 V/50 Hz或110 V/50 Hz的交流電源。電氣專業人員負責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，自控設計人員需對配電柜(箱)至各個儀表用電設備的供電電纜進行設計。

大型化工裝置中的UPS室、機柜室、操作室和工程師室常相鄰布置，現場儀表與機柜室的距離在幾百米范圍內。當儀表電源電纜的線芯截面積過小時，不能滿足電纜溫升的要求，容易導致電纜發熱損壞，且過小的線芯截面積容易導致儀表電源電纜的電壓降過大，不能夠滿足儀表用電設備對輸入電壓的要求。當儀表電源電纜的線芯截面積過大時，會導致儀表電源電纜的外徑過大，對儀表電源電纜的敷設和安裝不利，容易造成材料的浪費和成本的提高。

2 儀表電源電纜的線芯截面積

在電力系統中，線芯截面積的選擇主要根據溫升、經濟條件、短路穩定、線路壓降、機械強度和過負載保護等條件進行選擇[4]。針對儀表用電設備的線芯截面積選擇，可從機械強度、載流量、配電線路的電壓降等方面考慮。根據HG/T 20509—2014《儀表供電設計規范》[5]第9.1.1條文的規定，儀表電源電纜的長期允許載流量不應小于線路上游斷路器的額定電流或低壓斷路器內延時脫扣器整定電流的1.25倍。按照機械強度校驗線芯截面積時，儀表電源電纜的線芯最小截面積不應小于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，否則會導致儀表電源電纜的實際工作溫度超過電纜的長期允許最高工作溫度，導致絕緣層發熱、融化，嚴重時甚至發生短路危險，對配電線路的安全產生不利影響[6]。儀表電源電纜載流量的基準值可從電纜樣本、電力電纜規范或相關手冊中查表得到，該值與電纜的絕緣類型、線芯截面積等因素有關。一般情況下，已知載流量數據為在空氣中敷設且環境溫度為30 ℃的電纜長期連續負荷允許載流量值。設計選型時，需要根據配電線路的工作電流，結合電纜的敷設方式、電纜線芯的允許長期工作溫度、敷設處的環境溫度等因素，求得在空氣中敷設且環境溫度為30 ℃的儀表電源電纜的計算載流量值。儀表電源電纜的載流量計算如式(1)所示，實際所選用的儀表電源電纜的允許載流量應大于載流量計算值。

(1)

式中：Ical——儀表電源電纜的計算載流量，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；K2——載流量的線路敷設校正系數。

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

(2)

式中：F——橋架的填充系數；ni——同一種規格電纜所對應的根數；di——同一種規格的電纜所對應的外徑，mm；N——在橋架中敷設的電纜的規格種類；A——電纜橋架的截面積，mm2。在GB 50217—2007 《電力工程電纜設計規范》[8]附錄D.0.6中，對電纜橋架上無間距配置多層并列電纜，且水平并列電纜的根數不小于7根時，給出的K2見表1所列。表1所示的數據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算出的數值[4]。

表1 線路敷設的校正系數

載流量的溫度校正系數K1，如式(3)所示[4]：

(3)

式中：t1——線芯的允許長期工作溫度，℃；t2——線路敷設處的環境溫度，℃；t3——電纜允許載流量數據的對應溫度，℃。

儀表電源一般選用聚氯乙烯絕緣(PVC)或交聯聚乙烯絕緣(XLPE)的電纜，普通級的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的耐熱性增塑劑后，線芯的t1可適當提高，具體數值可從電纜的樣本中獲取。在空氣中敷設的電纜的t3為30 ℃，線路敷設處的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時的K1值可由式(3)計算，具體的數值見表2所列。

表2 線路敷設環境下的溫度校正系數

2.2 配電線路的電壓降確定

在化工裝置中，儀表用電設備的額定電壓等級主要分為直流24 V、交流單相110 V和單相220 V。 根據文獻[5]9.1.4條文規定，配電線路的電壓降不應影響儀表用電設備所需的供電電壓。當配電線路通過電流后會產生溫升，線芯的實際工作溫度與通過電流大小和絕緣層溫度有密切關系[9]。計算配電線路的電壓降時，可根據環境溫度和負荷確定線芯的實際工作溫度。在工程應用中，橋架敷設中的儀表電源電纜的實際線芯溫度可按電纜的絕緣類型估算，PVC絕緣電纜的實際線芯工作溫度可取60 ℃，XLPE絕緣電纜的實際線芯溫度可取80 ℃。

1) 當儀表用電設備為交流供電且功率因數cosφ=1.00時，與直流供電的儀表用電設備的配電線路的電壓損失百分數計算公式相同，如式(4)所示：

(4)

式中： Δu——配電線路的電壓損失百分數，%；Unph——標稱相電壓，kV；ρt——導體在溫度為t時的電阻率，Ω·μm；S——線芯標稱截面積，mm2；P——有功功率，kW；l——線路長度，m。

銅導線的電阻率ρt如式(5)所示：

ρt=ρ20(1+α(t-20))

(5)

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

(6)

2) 當儀表用電設備為交流供電且功率因數cosφ<1.00時，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地

在化工裝置的儀表供配電系統中，電源系統的接地采用TN-S系統，保護線PE和中性線N是分開的。儀表及控制系統的接地接入電氣專業的低壓系統接地網中，低于36 V的現場儀表可以不作保護接地[10]。

文獻[8]第3.7.10條文規定：“保護地的線芯截面積，應滿足回路保護電器可靠動作的要求”。結合化工裝置中的儀表電源電纜的規格尺寸，當相線的線芯截面積分別為S≤16 mm2， 16 mm2

3 軟件設計流程

基于上述分析可知，在儀表電源電纜線芯截面積的計算中涉及的參數較多，需要查閱的樣本和手冊也較多。在此，可利用Visual C#完成儀表電源電纜的線芯截面積計算的可視化程序設計，并利用Access數據庫將不同絕緣類型電纜的電阻和電抗等參數匯總[10-11]，給出相應的標準值及參考依據，供設計人員選擇和校驗。

1) 輸入所需的電氣參數，結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，根據儀表用電設備的允許壓降判斷是否滿足要求，并校驗配電線路上游的斷路器額定電流是否滿足要求。

3) 如果數據不合理，設計人員可重新修改參數，并重復上述過程；當設計結果滿足要求時，可將輸入條件和計算結果保存，供設計校核使用。線芯截面積計算的流程如圖2所示。

圖2 線芯截面積計算流程示意

4 案例分析

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

長期工作溫度為90 ℃，電纜敷設處的環境溫度取45.1 ℃，電纜的實際線芯溫度取80 ℃。

布置在現場的CEMS機柜的視在功率為1 kV·A，設備的功率因數在技術協議中未注明。從中心控制室敷設至現場CEMS機柜的供電距離為300 m，儀表電源電纜在梯級式橋架中敷設的層數按2層考慮，項目規定到用電設備端子處電壓偏差允許值為額定電壓的±5%。按照圖2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算，得到的計算載流量值為16.17 A。電纜樣本中對應的在空氣中敷設、溫度為30 ℃時的長期連續負荷允許載流量值見表3所列。用計算載流量選擇儀表電源電纜的線芯截面積時，4 mm2以上的線芯截面積均可滿足要求。

表3 電纜在空氣中敷設的長期允許載流量 A

在此選擇4，6，10，16，25，35 mm2的線芯截面積，分別對配電線路的Δu進行計算，結果見表4所列。由于在計算過程中式(6)未使用電纜樣本的電阻值和電抗值，當功率因數cosφ為1.00時，配電線路的Δu計算結果與式(7)有微小的差異。在儀表用電設備的功率因數cosφ未知的情況下，取功率因數cosφ為1.00時，得到的配電線路的Δu偏大。

表4 電纜的線芯截面積與Δu的對應值 %

最終，設計中選擇線芯截面積為2×25 mm2+1×16 mm2的儀表電源電纜，在開關柜側配備額定電流為16 A的斷路器，滿足了該CEMS設備的用電需求。

5 結束語

文中所述的儀表電源電纜的線芯截面積選擇方法及Visual C#的應用實現，集成了標準和手冊中的電纜電氣參數，具有良好的通用性并提高了設計效率，有助于自控專業人員更好地完成儀表電源電纜的設計工作。