摘 要：石油庫項目配電電纜的選擇，需要同時兼顧考慮用電設備供電可靠性、電纜敷設難度與概算投資成本等因素。鑒于此，根據相關標準規(guī)范及配電手冊中相關章節(jié)要求的電纜選擇方式，逐一校驗、計算，最終對比得出采用帶接地故障保護的斷路器，可以更準確地選擇、校驗電纜規(guī)格。

關鍵詞：電纜選擇；校驗；電壓降；載流量；帶接地故障保護；斷路器

中圖分類號：TM726.4" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）04-0081-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.04.020

0" " 引言

在石油庫項目中，除了常規(guī)的裝船泵、裝車泵、倒罐泵、雨水提升泵、消防水泵等機泵類用電負荷之外，罐組的主要用電設備例如工藝電動閥、平臺照明燈具、管線電伴熱、儀表液位計等用電負荷，均屬于低壓配電類設備，其負荷等級一般為二級或者三級。罐組用電設備的電源通常直接引自罐區(qū)現場的防爆動力配電箱，而動力配電箱的配電電纜往往采用阻燃型鎧裝交聯聚乙烯絕緣銅芯電纜，由庫區(qū)內的變配電所低壓配電柜采用放射式直接供電。

因為石油庫項目占地面積龐大，變配電所的選址需要綜合統籌考慮多種因素，既要盡量靠近用電負荷的中心，又要便于進出線電纜的敷設與電氣設備的運輸安裝，還要盡可能遠離爆炸（或火災、腐蝕）等危險性環(huán)境，所以配電箱類電源電纜的敷設距離往往較長。為了滿足相關標準規(guī)范中的敷設要求和防火需要，主要生產作業(yè)場所的配電電纜往往是沿充砂電纜溝敷設。充砂電纜溝敷設條件相對復雜，通風散熱條件較差，甚至有時候會有存在積水、長期浸泡現象發(fā)生，總之敷設環(huán)境比較惡劣。為了保證配電系統的供電可靠性，必須合理選擇配電電纜截面的規(guī)格，使其既滿足標準規(guī)范要求及日常生產使用的安全可靠性，又不過度增加概算投資成本，這對于設計人員來說是一個重要考核目標，值得仔細思考。

1" " 校驗方式概述

本文依據GB 50217—2018《電力工程電纜設計標準》與《工業(yè)與民用供配電設計手冊（第四版）》（下文簡稱“配電手冊（四）”）中的相關章節(jié)要求，對比其中幾種常用的低壓電纜截面選擇條件，應至少包括電纜熱穩(wěn)定選擇、電纜線路壓降校驗、電纜載流量校驗、經濟電流條件選擇、電纜截面機械強度校驗及配電系統故障防護靈敏性校驗等。下面基于某個石油庫項目設計過程中的應用案例，通過上述各種方式的校驗、分析、計算，對比分析結果，最終選擇出最合適的電纜截面。

某原油罐組項目，現場設置一臺防爆照明配電箱，為鄰近的儲罐爬梯及罐頂平臺、原油泵棚、工藝電動閥組區(qū)的照明燈具提供電源。爆炸危險區(qū)域內的低壓配電系統接地型式為TN-S型，三相四線制。經過負荷計算，已知該照明配電箱的計算負荷Pc約為20 kW，計算電流Ic約為34 A，功率因數cos φ=0.9。該防爆照明配電箱的進線開關選用微型斷路器（iC65H-C50 4P），變配電所智能照明控制柜的出線開關選用塑殼斷路器（NSX 100H TM 4P 63A）。該防爆照明配電箱的電源電纜采用阻燃型鎧裝交聯聚乙烯絕緣銅芯電纜（ZA-YJV22-0.6/1 kV型），配電電纜的長度約為400 m。其電源電纜自變配電所的電纜夾層引出后，主要沿庫區(qū)內的充砂電纜溝敷設，局部穿熱鍍鋅鋼管保護，埋地暗敷設或沿鋼結構護欄、平臺明敷設。保護管可采用斷配型式。電源電纜經防爆鎧裝電纜密封接頭后，進入防爆照明配電箱的接線腔內部。

2" " 電纜截面的選擇與校驗

2.1" " 電纜熱穩(wěn)定選擇

根據GB 50054—2011《低壓配電設計規(guī)范》，保護導體的截面應符合下式要求[1]：

已知通過該電纜的短路電流均方根值I為8 kA，交聯聚乙烯銅芯電纜的k值為143，t為低壓開關柜（或智能照明控制柜）內塑殼斷路器的瞬動脫扣時間，一般取0.02 s，經計算得出電纜的保護導體截面積S≥7.9 mm2。因此，該配電電纜的保護導體（PE）截面積至少選擇10 mm2，即可滿足電纜的熱穩(wěn)定校驗要求。

由于短延時脫扣器的動作時間一般為0.1～0.4 s，根據工程設計經驗，當選用帶短延時脫扣器的斷路器所保護的配電電纜線路截面積規(guī)格較大時，因為低壓短路電流經電纜衰減非?？焖伲虼吮容^容易滿足上式的要求，故在實際設計過程中電纜的熱穩(wěn)定可不進行校驗[2]。

2.2" " 電纜線路壓降計算

根據配電手冊（四）的計算公式，三相線路的電壓降百分數Δu%可根據下式計算：

式中：Un為標稱線電壓；R′與X′分別為三相線路單位長度的阻抗；φ為功率因數角；Ic為計算電流；L為電纜長度；Δua%為三相線路每A·km的電壓損失百分數。

GB 50052—2009《供配電系統設計規(guī)范》中要求，“用電設備端子處電壓偏差允許值要求，不宜大于±5%的額定電壓”[3]。

經查配電手冊（四）的表9.4-19（圖1），對于三相平衡的負荷線路，當選擇截面積為16 mm2的交聯聚乙烯銅芯電纜時，Δua%=0.574%/（A·km），線路壓降Δu%約為7.04%，超過規(guī)范中電壓偏差允許范圍的要求。當選擇截面積為25 mm2的交聯聚乙烯銅芯電纜時，三相線路電壓損失百分數Δua%=0.373%/（A·km），線路壓降Δu%約為4.62%，滿足規(guī)范中電壓偏差允許范圍（不宜大于±5%）的要求。因此，該配電箱電纜的相導體截面積應至少選擇25 mm2的銅芯電纜。

2.3" " 電纜載流量計算

原油罐區(qū)主要的爆炸危險介質為揮發(fā)的油氣及含油雨水，屬于ⅡA級爆炸危險介質，引燃溫度組別為T3，釋放源為2級。雖然現場防爆照明配電箱位于爆炸危險環(huán)境2區(qū)之外，但事故情況下仍存在油氣泄漏風險，因此按照爆炸環(huán)境2區(qū)進行設計。根據GB 50058—2014《爆炸危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范》，“爆炸危險環(huán)境內，電纜允許載流量IC不應小于斷路器長延時過電流脫扣器整定電流Iset1的1.25倍”[4]，即下式：

按照GB 50217—2018《電力工程電纜設計標準》中的附錄D，電纜載流量Iz需要滿足下式：

由于該配電電纜的敷設路徑主要為沿充砂電纜溝內敷設，不妨假設載流量的綜合校正系數k（不同環(huán)境溫度時的校正系數、不同土壤熱阻系數時的校正系數、土壤中多根電纜并行敷設時的校正系數等）按0.7考慮，經計算可得知電纜的允許載流量不得小于113 A。

為了節(jié)能降耗，照明燈具采用LED光源，LED燈具產生的諧波電流以三次諧波為主。查閱相關燈具產品樣本確認，由于LED燈具中設置了功率因數校正器，其相電流中三次諧波分量可以小于15%。根據配電手冊（四）9.2.2.2相關內容，由于諧波電流對相電流的影響較小，因此可忽略不計。

查詢GB 50217—2018《電力工程電纜設計標準》中的附錄C中電纜允許的持續(xù)載流量，該配電電纜的相導體截面積至少選擇25 mm2的銅芯電纜。

2.4" " 經濟電流條件選擇

根據石油庫項目用電設備的負荷性質與工作狀態(tài)，可按兩班制考慮，Tmax=4 000 h，電價約為0.7元/（kW·h）。經查詢配電手冊（四）表16.4-2（圖2），可知當配電電纜選擇相導體截面積為25 mm2的銅芯電纜時（經濟電流密度26.5～40.2 A/mm2）最經濟。

2.5" " 機械強度校驗電纜截面

經查詢配電手冊（四）表9.2-1，銅芯絕緣導體穿管敷設或槽盒敷設時，相導體按機械強度校驗，允許的最小截面積為1.5 mm2。

根據本項目詳細工程設計階段的設計統一規(guī)定，選用的電力電纜及照明電纜截面積不小于2.5 mm2，因此可滿足電纜的機械強度校驗要求。

2.6" " 配電系統故障防護靈敏性校驗

當TN-S系統發(fā)生接地故障時，如果用斷路器瞬時脫扣器作為間接接觸防護，選擇相導體截面積S，能被保護的銅芯電纜最大長度L可根據下式計算：

式中：Ik為接地故障電流。

假設電源側阻抗系數取0.9，相對標稱電壓U0=

220 V，導體電阻率ρ=0.018 4 Ω·mm2/m，瞬動整定電流Iset3=630 A，誤差系數krel=1.2，動作系數kop=1.2，具體計算結果如表1所示。

因此，根據上述計算結論，該電纜的相導體截面積至少要選擇185 mm2，才能滿足采用斷路器做間接接觸防護時的保護距離（400 m）要求。為了方便鎧裝電纜的敷設安裝，減少電纜的彎曲半徑，低壓電力電纜的截面積不宜大于240 mm2。因此在實際設計項目中，當配電電纜的長度超過100 m時設計人員推薦盡量不選擇此種保護方式。過度增大電纜截面會帶來投資費用與施工難度的增加，從成本控制方面看也不是最優(yōu)選擇。

對于如何提高TN-S系統的接地故障防護靈敏性這一問題，以犧牲電纜截面為代價并不意味著最優(yōu)解決方案。配電手冊（四）提供了另外一種解決思路，即采用帶接地故障保護功能的斷路器[1]。在實際的低壓配電系統設計與訂貨過程中，當低壓開關柜（或智能照明控制柜）內出線側的塑殼斷路器不能滿足接地故障保護時，可以利用低壓線路綜合保護裝置（FCU），通過其單相接地保護功能動作于塑殼斷路器的分勵脫扣器；或者在低壓開關柜（或智能照明控制柜）內出線側增加剩余電流保護裝置，來檢測電纜回路的剩余電流IPE。但是為了避免誤動作，斷路器剩余電流保護裝置整定值Iset4需要滿足下式[5]：

由此可見，當配電電纜長度較長，而接地故障電流較小時，通過采取上述措施，電纜截面校驗僅需要滿足載流量和電壓降要求，即可滿足電纜校驗的需要。此種方式既可有效提高接地故障保護靈敏性，又可合理優(yōu)化減小電纜截面積，節(jié)省工程項目投資概算成本，綜合對比效果非常顯著。

2.7" " 結論

綜合考慮以上各種情況的校驗與計算后發(fā)現，當塑殼斷路器達到滿足接地故障保護的功能，現場照明配電箱進線電纜相導體的截面積僅需要選擇25 mm2的銅芯電纜，即可滿足標準規(guī)范與配電手冊中的各種校驗要求。此種保護方式既能減少施工難度，降低成本投資，又能保證設備運行的安全可靠。

3" " 結束語

電纜截面選擇，對于設計人員來說是最常遇到的基本問題。如何合理選擇，對于設計人員來說至關重要。

本文按照規(guī)范與配電手冊中要求的各種電纜截面選擇與校驗方式，以設計項目中經常遇到的典型案例為切入點，逐一進行計算、校驗，并在保證TN-S系統接地故障防護靈敏性的前提下，通過對比幾種保護方案的選擇結果，最終合理選擇出最適合的電纜截面，優(yōu)化減小了電纜截面規(guī)格。

在詳細工程設計階段中，設計人員需要綜合考慮各種因素，結合現場實際情況，不能僅憑過去多年工作中積累的所謂“設計經驗”，一拍腦袋就選擇不合理的電纜規(guī)格。設計經驗對于設計人員來說固然是一筆寶貴財富，但是一旦被固有的理論、思維束縛住，那么設計水平就很難得到進一步提高。

隨著科技水平發(fā)展與設備材料更新換代，設計人員還需及時通過技術交流與培訓，學習新規(guī)范，了解新技術，接觸新設備，拓展理論知識與設計思維，優(yōu)化設計思路。同時，還需要通過現場配合施工與調試，第一時間發(fā)現設計與施工中的問題，總結經驗與教訓，及時歸納成為案例集，做到舉一反三，從而更好地為設計項目服務。

質量問題重于泰山，設計工作的嚴謹性與項目運行的安全穩(wěn)定性對于設計人員來說缺一不可。設計過程中的每一個環(huán)節(jié)都至關重要，必須懷著謙虛、嚴謹、科學的心態(tài)去認真對待。

[參考文獻]

[1] 低壓配電設計規(guī)范：GB 50054—2011[S].

[2] 劉亞楠，劉俊峰，郭曉巖.長距離低壓電力電纜截面積的選擇與優(yōu)化[J].電氣應用，2023，42（3）：63-68.

[3] 供配電系統設計規(guī)范：GB 50052—2009[S].

[4] 爆炸危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范：GB 50058—2014[S].

[5] 中國航空規(guī)劃設計研究總院有限公司.工業(yè)與民用供配電設計手冊[M].4版.北京：中國電力出版社，2016.

收稿日期：2024-11-04

作者簡介：田飛（1986—），男，山東東營人，工程師，研究方向：石化行業(yè)電氣設計。