信息通信機房電力電纜的選擇與應用

［謝擁華］

1 概述

信息通信機房中有大量的信息通信設備，這些設備的正常工作需要有電力的持續穩定供應，電力導線承擔著將電力從電網、供電設備輸送到用電設備的任務，最常見的電力導線就是電力電纜。

電力電纜的正常工作是信息通信設備安全穩定運行的前提和基礎，如何保證電力電纜的正常工作呢？主要包括3 個方面：

（1）在設計階段正確地選擇和配置電力電纜；

（2）在施工階段按規范和技術要求正確地敷設電力電纜；

（3）在運維階段對電力電纜進行日常巡檢和監視。

本文主要討論在設計階段如何正確地選擇和配置電力電纜。

2 電力電纜的結構

電力電纜一般為3 層結構，導體、絕緣層和護套層，部分電纜還會有鎧裝層。圖1 所示為常見電力電纜的橫截面示意圖。

圖1 常見電力電纜的橫截面示意圖

最常用的導體是銅和鋁，銅的導電系數相對較高。

絕緣層按材料可以分為勻質和纖維質，勻質材料主要有聚氯乙烯、聚烯烴、交聯聚烯烴、橡膠等，勻質材料的絕緣層具有較好的抗潮性，實際中應用較多。

護套層是為了保護絕緣層不受機械損傷，同時避免整條電纜被拉力破壞，護套的材料一般采用塑料、鋁、鉛等。

3 電纜的分類

電力電纜有很多種分類方法，可以按照導體種類、芯數、燃燒性能等進行分類。

按照電纜內的導體不同，電纜可以分為銅芯電纜和鋁芯電纜。

按照電纜內的芯數不同，電纜可以分為單芯電纜和多芯電纜，多芯電纜有2 芯電纜、3 芯電纜、3+1 芯電纜、4 芯電纜、4+1 芯電纜、5 芯電纜。國內的信息通信機房低壓配電系統絕大部分采用TN-S 系統，此時保護導體和中性導體各自獨立，因此三相供電回路的電纜芯數宜選擇5 芯電纜。

按照燃燒性能不同，電纜可以分為耐火電纜、阻燃電纜和普通電纜。所謂耐火是指電纜被燃燒仍能在一定時間內保持正常運行的性能。所謂阻燃是指電纜被燃燒，火焰的蔓延有限，且殘焰在規定的時間內能自行熄滅的特性。

4 電力電纜的選擇原則

4.1 電纜燃燒性能

信息通信機房內的所有電力電纜都應選用阻燃電纜或耐火電纜，不能選用不具備阻燃性能或耐火性能的普通電纜。這是因為信息通信機房具有價值高、重要性強的特點，選用阻燃電纜或耐火電纜可以在火災發生時防止火災蔓延，避免造成重大的財產損失和人員傷亡。

對于耐火和阻燃電纜，根據性能的優劣，又可以分為A、B、C 三類，其中，A 類性能最優，信息通信機房內的阻燃電纜一般會選擇A 類。

4.2 電纜導體種類

前文已述，常見的電纜導體種類為銅和鋁，相對于鋁來說，銅具有如下優點：

（1）銅的電阻率低。在標準大氣壓和常溫20℃時，銅的電阻率為1.724＊10-8Ω.m，鋁的電阻率為2.826＊10-8Ω.m。這就意味著相同的橫截面積，銅芯電纜的內阻比鋁芯電纜的內阻低，流過相同的電流時，發熱量將更小，所以相對來說，銅芯電纜的載流量更高，電纜上的電壓降更小，更加節能。

（2）銅更耐腐蝕。相對于鋁，銅金屬更抗氧化，不容易腐蝕，尤其是電纜的接頭處，鋁芯電纜會由于氧化腐蝕而使接觸電阻增大，這樣就有可能發熱過大而引發事故。

（3）銅的柔性好，強度高，且抗疲勞。銅芯的柔性好，允許的彎曲半徑更小，因此便于施工過程中的穿管和轉彎；常溫下，銅的允許應力和拉伸強度極限也比鋁更高；另外，鋁芯如果反復折彎容易折斷，而銅芯不會。

銅的主要缺點就是產量有限，因此價格相對較高，以2021 年1 月初的市場價格為例，1#電解銅的價格大約為6 萬元/噸，而鋁的價格大約為1.5 萬元/噸。

考慮到信息通信機房的重要性，機房內的電纜均建議采用銅芯電纜，尤其是地線電纜必須采用銅芯電纜，在沿海等有環境腐蝕的地區，也應選擇采用銅芯電纜。

在信息通信機房中的建設中，一些較偏遠的移動通信基站，如果市電引入的外線電纜采用銅芯電纜而經常發生被偷盜時，可以考慮將外線電纜更換為鋁芯電纜。

4.3 電纜導體的截面積

在討論電纜導體的截面積之前，首先要正確理解標稱截面積、設計截面積和實際截面積3 個概念的聯系和區別。

標稱截面積是指產品標準中用來表述電纜產品的規格，僅僅是此規格的代號或名稱，便于產品制造過程中的文件及生產管理。標稱截面積并不要求直接測量其截面積，而是通過導體的電阻值進行衡量和考核。

設計截面積也稱為電氣截面積，是指設計過程中選擇的電纜截面積，施工進場時應對其截面和導體電阻進行見證取樣送檢。

實際截面積指電纜導體的幾何截面積。

對于電纜生產制造者來講，某標稱截面的導體截面究竟設計多大才能滿足標準要求，不是指實際截面積要大于等于標稱截面積，而是指此標稱截面下的設計截面積（電氣截面積）要滿足標準要求，即電阻值應滿足標準要求，將此作為設計導體實際截面大小的依據。如果選擇的導電性能較高的導體材料，那么實際截面可以小一些，反之導體實際截面應大一些。當今隨著導體材料生產工藝的改進和科學技術進步，無氧銅材的先進生產工藝已經得到普遍應用，銅導體材料電阻率足以保證用小于標稱直徑銅絲能滿足對應規格電阻的要求，所以目前電纜行業中較普遍出現電阻合格，但線芯實際截面小于標稱截面的現象，這是符合產品標準要求的，也符合節能節材的發展趨勢。

下文所討論的電纜導體截面積均是指設計截面積（電氣截面積）。

電纜導體的設計截面積需要滿足信息通信機房系統安全運行的要求，首先，電纜的發熱應控制在允許范圍內，即載流量應滿足要求；其次，電纜上的電壓降應滿足系統正常工作的要求。

4.3.1 按電纜的載流量選擇

電力電纜由于存在內阻，當有電流流過導體時，電纜將發熱，從而產生溫度升高，通過的電流越大，發熱量越大，溫升越高。不同類型的電纜有不同的最高工作溫度，如：聚氯乙烯電纜持續工作的最高允許溫度不能超過70℃，而交聯聚乙烯電纜持續工作的最高允許溫度為不超過90℃。

電纜的發熱量大小除了與流過的電流大小相關，還與電纜的內阻大小有關，內阻越小，發熱量越小。假設允許的發熱量恒定，則截面積越大，允許通過的電流越大。但電纜的截面積（可換算成導體電阻）和允許通過的電流并非一個簡單的線性關系，而是遵循如下公式1：

式中：

I—導體流過的電流，即允許載流量（A）；

R—導體在其最高工作溫度下的電阻（Ω）；

Δ θ—高于環境溫度的導體溫升（K）；

Wd—一根導體絕緣單位長度的介質損耗（W/m）；

T1—一根導體和金屬套之間單位長度熱阻（K.m/W）；

T2—金屬套和鎧裝之間襯墊層單位長度熱阻（K.m/W）；

T3—電纜外護層單位長度熱阻（K.m/W）；

T4—電纜表面和周圍介質之間單位長度熱阻（K.m/W）；

n—電纜中載有負荷的導體數（導體截面相等，負載相同）；

λ1—電纜金屬套損耗相對于該電纜所有導體總損耗的比率；

λ2—電纜鎧裝損耗相對于該電纜所有導體總損耗的比率。

由于公式1 涉及參數較多，技術人員要通過該公式計算出特定截面積的電纜的允許載流量非常麻煩，技術人員通常是通過查表的方法得到已知截面積電纜的允許載流量。國家標準GB 50217-2018《電力工程電纜設計標準》附錄C 中規定了10 kV 及以下各類常用電力電纜的持續允許載流量。其中，1 kV 聚氯乙烯絕緣電纜空氣中敷設時持續允許載流量如表1 所示。

表1 1 kV 聚氯乙烯絕緣電纜空氣中敷設時持續允許載流量（A）

電力電纜的載流量還受到如下一些因素的影響：

（1）環境溫度的差異；

（2）直埋敷設時土壤熱阻系數的差異；

（3）電纜多根并列敷設的差異；

（4）戶外架空敷設無遮陽的日照影響。

對于信息通信機房來說，一般都有機械通風設備，環境溫度不會超過40℃，如果環境溫度為30℃，則實際允許載流量可以增加15%。

機房內的電纜敷設方式一般為走線槽道架空敷設，而且，電纜多根并列多層敷設的情況比較普遍，這勢必對電纜的散熱造成不利影響，因此，需要根據標準的規定進行校正。在最惡劣的情況下，電纜的允許載流量甚至需要乘以校正系數0.5。

在設計階段，電纜上的載流量應滿足公式2：

式中：

IZ—電纜的持續載流量，單位為安培（A）；

In—保護電器的額定電流，單位為安培（A）；

IB—回路的設計電流，單位為安培（A）；

從式（2）可以看出，在設計中選擇的電纜，其載流量除了要不小于回路中的設計電流，還應不小于上級保護電器的額定電流，這樣保護電器除了可以保護用電設備，還可以保護電纜。

4.3.2 按電纜的允許電壓降選擇

電纜上通過電流時，由于電纜內阻的存在，在電纜上將產生電壓降，如果電壓降過大，將導致用電設備上的電壓值過小，用電設備將無法正常工作。

在信息通信系統中，不同電壓等級的用電設備，有各自的電壓允許變動范圍，因此，電纜上的允許電壓降也是不同的。不同電源系統的允許電壓降參數如表2 所示。

表2 不同電源系統的允許電壓降

從表2 可知，交流系統的允許電壓降較大，在根據最大工作電流選擇好電纜截面積后，電纜的電壓降一般都能滿足系統正常運行的要求，只有當從信息通信機房外部引入交流的距離很長時，才需要驗算電壓降是否滿足要求。

以典型的移動通信基站為例，假設基站的遠期負荷為40 kW，此時交流引入采用63 A 的斷路器進行保護，交流電力電纜選用5 芯25 mm2的銅芯電纜，假設三相平衡，此時只有當電纜長度（交流引入距離）超過783 米時，電壓降才會達到額定電壓的15%，考慮到實際負荷很難達到設計的遠期負荷，因此電壓降將更低，允許的電纜長度會更長。

相對來說，直流系統的允許電壓降值較小，因此，在根據最大工作電流選擇好電纜截面積后，還需要驗算電纜的電壓降。以﹣48 V 直流電源系統為例，蓄電池放電回路的全程電壓降最大允許值為3.2 V，如圖2 所示。

圖2 ﹣48V 直流電源系統電壓降分配圖

在圖2 中，根據有關標準規定，直流電源設備內部的直流配電單元電壓降ΔU2一般取0.5 V，列頭柜的電壓降ΔU4一般取0.3 V，因此，ΔU1、ΔU3和ΔU5三者之和應不大于2.4 V。為了便于計算，可以采用固定壓降分配法，所謂固定壓降分配法就是把要計算的直流供電系統全程允許電壓降的數值，根據經驗適當地分配到每個壓降段落上去，從而計算每段導線的截面積。如果計算出來的導線截面積明顯不合理時，應重新分配各段電壓降并計算。如圖2 中例子，可將ΔU1取為固定壓降0.8 V，ΔU3取為1 V，ΔU5取為0.6 V。

導線截面積的計算公式見（3）：

式中：

S—電纜的截面積（mm2）；

I—電纜上流過的電流（A）；

L—電纜長度（m）；

ρ—電纜內導線的電阻率（Ω.m）；

ΔU—電纜導線電壓降（V）；

直流系統中，電纜長度需要計算雙程，即正極和負極的電纜長度均需要計算。

上述公式同樣適用于交流電纜的截面積計算，此時需要注意，如果是三相交流系統且三相平衡，則電纜的長度只需計單程；如果是單相交流系統，則電纜長度需要計算雙程，即相線長度和中性線長度均需要計列。

4.3.3 按照機械強度進行校核

電纜的截面積除了需要滿足持續工作最大電流值和電壓降條件外，有時候還需要根據電纜的機械強度進行調整。筆者曾經實地勘察過一個移動通信基站，該基站建設在山頂，交流市電由山腳架空引入到基站，由于該山所處位置經常會有強風，市電引入的電纜經常被風吹斷，將電纜更換為截面積更大的電纜，并做了加固措施后，問題得到了解決。

另外，國家及行業的相關標準對電纜導體的最小截面積也做了相關規定，主要有：

（1）多芯電力電纜導體最小截面，銅導體不小于2.5 mm2，鋁導體不小于4 mm2；

（2）通信局站的接地引入線宜采用不小于95 mm2的多股銅線；

（3）通信局站內的主設備接地線應采用不小于16 mm2的多股銅線；

（4）通信局站內小型設備的接地線宜采用不小于4 mm2的多股銅線。

5 小結

在信息通信機房中，電力電纜的選擇涉及到電纜的燃燒性能、電纜導體的種類、截面積大小等方面。總的來說，電纜的選擇應遵循如下要求：

（1）信息通信機房內的所有電力電纜應選用阻燃電纜或耐火電纜，建議采用具備阻燃A 類性能的電纜。

（2）信息通信機房內的電力電纜宜采用銅芯電纜，其中，地線電纜必須采用銅芯電纜，在沿海等有環境腐蝕的地區，也應采用銅芯電纜。

（3）信息通信機房內的電纜導體截面積應滿足信息通信系統安全運行的要求，主要考慮三個方面的因素：電纜的載流量、允許的最大電壓降和機械強度。

（4）電纜的載流量一般通過國家標準查表的方式確定，并應考慮電纜運行的環境溫度和敷設方式等具體情況的影響。

（5）電纜的載流量應不小于回路中的設計電流，還應不小于上級保護電器的額定電流。

（6）除非距離特別長，交流系統的電纜一般僅需根據載流量進行截面積選擇；而直流系統的電纜除應滿足載流量外，還應根據允許的最大電壓降進行驗算。

（7）在某些應用場景下，電纜還應考慮機械強度的要求。