住宅建筑底層集中表箱表后共用PE干線方案探究

李金林

(廣東博意建筑設計院有限公司，佛山 528311)

0 引言

隨著我國經濟持續快速增長，房產開發規模與日俱增，住宅建筑也越來越多，住宅電氣在滿足安全、可靠前提下，其經濟性設計值得探索和重視。當前各地供電部門大都有自己標準和規定，如廣東佛山等供電部門為便于管理，統一要求在住宅底部(負一層或首層)設集中表箱間，對于一類高層住宅不盡合理。目前設計院的常規做法為每戶均獨自配三根(L,N,PE)入戶線，由底層集中表箱分回路沿電氣豎井金屬槽盒供至各住戶，數量龐大耗材較多，倘若嘗試優化為所有表后入戶線共用一根PE干線方案，則可減少約1/3纜線數量，顯著節省投資。本文就表后共用PE干線方案進行探究。

1 優化方案探究

1.1 案例優化簡介

現以1棟30層每層4戶(均為單相供電)的一類高層為例，層高3m，其中每層2戶6kW配40A 開關WDZD-BYJ-3×10mm2入戶線，另兩戶8kW配50A開關WDZD-BYJ-3×16 mm2入戶線。優化前在豎井內每戶均設有獨立PE線，整棟塔樓就有120根PE線在電井槽盒內敷設，豎向干線示意如圖1，優化后表后線在豎井垂直方向上共用一根PE干線，然后每層通過PE端子箱引出該樓層的各戶PE支線，豎向干線示意如圖2。

圖1 優化前豎向干線示意圖

圖2 優化后豎向干線示意圖

1.2 規范依據與理論支撐

國家標準GB 50217-2018《電力工程電纜設計標準》關于“電力電纜芯數”第3.5.2.1條第2款：“…… TN-S系統，保護導體與中性導體各自獨立時，宜選用3芯電纜；當滿足本標準第5.1.16條的規定時，也可采用2芯電纜與另外緊靠相導體敷設的保護導體組成”。 GB 51348-2019《民用建筑電氣設計標準》第12.4.6條文解釋：“4 兩個或更多個回路共用一根保護接地導體時，其截面積應為……”。規范標準均允許配電回路采用與相線靠近敷設的共用PE干線方式。

其實從電氣原理上分析，對于電源中性點直接接地的TN-S系統，只要能為接地故障電流提供返回電源點的可靠通路就滿足要求。在文獻[6]《建筑物電氣裝置600問》中第22.6問也提及：“在有多個配電回路的電纜豎井或電纜槽盒內，不為每一回路配出PE線而只在豎井或槽盒內設置一共用的PE線。只要此共用的PE線不遠離回路相線，這一做法理論上是可行的。但需要注意的是，此共用PE線的截面積必須不小于最大回路PE線的截面積，而且各回路PE線自共用的PE干線的分支引出必須保證其連接導電的可靠?！庇纱丝梢?，共用PE干線方案從理論和規范依據上是可行的。

2 優化經濟性簡析

方案優化前后對成本影響主要有三項：(1)豎向垂直段PE纜線數量的大幅減少；(2)樓層PE接線端子箱的增加；(3)豎井內槽盒規格的變化。成本對比分析匯總如表1所示。

表后入戶線共用PE干線優化清單計價分析表 表1

本案優化成本測算節省造價約4.7萬元，塔樓總建筑面積約15 247m2，對應折算到單位面積節約造價約3.1元/m2，經濟效益可觀。

3 方案存在的問題及應對

3.1 PE線的可靠連結

在低壓配電系統中保護接地線的可靠性對人身安全至關重要，但因電氣設備即使丟失PE線仍能正常工作，故平時PE線的斷點故障非常隱蔽不易被發現，設備可能存在無保護接地運行的安全隱患，在實際工程中PE線應盡量減少接頭，GB51348-2019《民用建筑電氣設計標準》第12.4.5.2條要求“不得在保護接地導體(PE)回路中裝設保護電器和開關器件，但允許設置只有用工具才能斷開的連接點。共用PE干線的優化方案與原方案比較，在樓層各住戶PE支線引出時多了一處接點，為了能確保各PE分支線與干線的可靠連接，可采用專用的PE接線端子箱(盒)，并設有用鑰匙或工具才能開啟的門且高位安裝，以防無關人員觸動。其接線大樣如下圖3所示。

圖3 PE端子接線圖樣圖

3.2 布線槽盒敷設要求

為了減少同一金屬槽盒內載流導線的根數，同時方便日后維護管理，要求每個表箱表后線需獨立槽盒或單獨間隔敷設，亦可降低兩處不同相別同時發生故障的可能。

3.3 末端住戶電壓質量校驗

對于底層集中表箱方案，供電干線只到表箱處，再通過長距離的表后支線供給高層末端用戶，末端住戶的電壓質量問題不容忽視。根據GB 50052-2009《供配電系統設計規范》第5.0.4條第3款：“……其他用電設備當無特殊規定時為±5%額定電壓?！蓖ǔＷ儔浩鞯蛪耗妇€段電壓為1.05Un，而規范要求末端用電設備端子處電壓≥0.95Un，則供電線路的電壓損失裕量為10%。表前供電干線電纜截面通常都比較大，且為三相供電(同等條件下三相供電的電壓損失為單相供電的一半)，表前電纜段電壓損失可按不超過2%～2.5%考慮，則表后支線段電壓損失可按7.5%～8%校驗。根據聚氯乙烯絕緣銅芯電線的電壓損失電流矩可編制電壓損失自動計算校驗表(參見表2)。

聚氯乙烯絕緣銅芯電線穿管允許電壓損失對應長度速查表 表2

由表2測算可知(實際工程可按實校驗)，本案電壓質量基本能滿足設計要求。但也有不少設計考慮到BYJ電線的載流量比BV線大，則對于50A住戶配10 mm2的BYJ導線時，若底層表間至電井以及樓層電井至用戶配電箱的水平距離按19m估算，由上表數據可知垂直段最多能供到69m約23層位置，則對于23層以上的50A住戶，則需改用16mm2的入戶導線才能保證電壓質量要求，這點需要設計人員注意。

3.4 故障回路相保阻抗

共用PE干線相比每回路獨立配PE線方案，相?；芈冯娍箷杂屑哟?，但由于95mm2及以下銅導體回路的電抗相比電阻占比較小，此時回路阻抗值可只考慮其電阻值而忽略其電抗，足以滿足實際工程需求，但為了盡量降低故障回路相保阻抗，要求工程設計與施工時盡可能將PE干線靠近回路相線貼鄰敷設。

3.5 故障防護靈敏度校驗

3.5.1 故障防護要求

低壓配電系統故障防護的最基本要求是在規定時間內自動切斷電源。規范GB 50054-2011《低壓配電設計規范》第5.2.9條“TN系統中配電線路的間接接觸防護電器切斷故障回路的時間，應符合下列規定：配電線路或僅供給固定式電氣設備用電的末端線路，不應大于5s”。對于中性點直接接地的TN系統，為簡化設計和節約投資，通常以斷路器的過電流保護兼作系統接地故障防護切斷電源，這是TN系統的一個優點。

根據GB 50054-2011《低壓配電設計規范》第6.2.4條：“當短路保護電器為斷路器時，被保護線路末端的短路電流不應小于斷路器瞬時或短延時過電流脫扣器整定電流的1.3倍”。為確保故障防護的有效性，應以最小的故障電流(即線路末端單相接地故障電流)校驗保護電器動作的靈敏度。當發生接地故障時，故障電流Ik與線路長度L的關系根據《工業與民用供配電設計手冊》第4版(以下簡稱“配四”)P966式11.2-7，參見式(1)：

(1)

式中，U0為相電壓，取220V；S為相導體截面積，mm2；K1為纜線電抗校正系數，當S≤95mm2時，取1.0；K2為多根相導體并聯使用的校正系數，單根導體時取1；ρ為20℃時導體的電阻率，銅芯ρ=0.0172Ω·mm2/m；L為纜線長度，m；m為材料相同的每相導體總截面積(Sn)與PE導體截面積(SPE)之比；0.8～1.0為電源阻抗系數，是考慮接地故障回路省略變壓器阻抗和高壓側系統阻抗導致的誤差進行的修正，當故障點遠離配電變壓器、線路截面積較小、變壓器容量較大時取高值(0.95～1.0)，本案取0.95；1.5是由于短路引起發熱，纜線電阻的增大系數。

纜線的最大允許長度按式(1)計算，長度還應再除以斷路器脫扣器誤差系數(電磁脫扣器取1.2)和動作系數(二極斷路器取1.1)，計算得出約1.32(與規范要求不低于1.3基本一致)，現編制自動計算表格如表3所示。

用斷路器兼做接地故障防護時銅芯纜線最大允許長度校驗表 表3

由表3可知，對于配電線路較長的上部塔樓住戶線路難以通過校驗，需采取一定的措施。另經筆者按式(1)仔細驗算，配四手冊P966現成表11.2-4中部分數據存在錯誤，提醒設計人員不宜直接套用，建議利用自制計算表格驗算。

3.5.2 應對措施

(1)加大導體的截面，可減小故障回路相保阻抗，增大單相接地故障電流。因TN接地系統低壓網絡的零序阻抗等于相線的零序阻抗與3倍的保護線的零序阻抗之和，故加大PE線的截面效果尤為明顯。本案中依據表1數據，10mm2入戶線對應16 mm2的PE干線只能供到94-19=75m約25層，16 mm2的入戶線只能供到98-19=79m約26層，若保持入戶相線面積不變的情況下把共用的PE干線加大到25 mm2，則分別能供到110m和120m，去除水平段19m后，最末端的30層入戶線均滿足要求。

(2)采用帶短延時過電流脫扣器的斷路器。通常配電線路的斷路器第三段保護的瞬動電流整定值約10Iset1，而其第二段短延時保護動作電流整定值約4～6 Iset1，所以接地故障靈敏度更容易滿足。此措施不適用表后采用無第二段保護功能的微斷，可適用低壓電房配電柜饋線回路。

(3)采用帶剩余電流保護的斷路器(RCD)。剩余電流保護線圈所檢測的是L-N導體電流的矢量和，如圖4所示，當發生接地故障時，故障電流經PE線流回電源中性點而未通過檢測線圈磁回路，此時故障電流即為剩余電流。TN-S系統單相接地故障電流通常為幾百上千安，足以RCD可靠動作。為避免誤動作，斷路器剩余電流保護整定值Iset4應盡可能大，如微斷可選額定剩余動作電流I△n=300mA。

圖4 帶剩余電流保護的斷路器

以上(1)(3)兩種措施均能妥善解決本案接地故障保護靈敏度問題，具體工程設計師可根據經濟造價對比合理選擇。

4 結束語