石油庫項目配電電纜的選擇

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(shè)備供電可靠性、電纜敷設(shè)難度與概算投資成本等因素。鑒于此，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及配電手冊中相關(guān)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(hù)的斷路器，可以更準(zhǔn)確地選擇、校驗電纜規(guī)格。

關(guān)鍵詞：電纜選擇；校驗；電壓降；載流量；帶接地故障保護(hù)；斷路器

中圖分類號：TM726.4" " 文獻(xiàn)標(biāo)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(jī)泵類用電負(fù)荷之外，罐組的主要用電設(shè)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(fù)荷，均屬于低壓配電類設(shè)備，其負(fù)荷等級一般為二級或者三級。罐組用電設(shè)備的電源通常直接引自罐區(qū)現(xiàn)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(lián)聚乙烯絕緣銅芯電纜，由庫區(qū)內(nèi)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(tǒng)籌考慮多種因素，既要盡量靠近用電負(fù)荷的中心，又要便于進(jìn)出線電纜的敷設(shè)與電氣設(shè)備的運輸安裝，還要盡可能遠(yuǎn)離爆炸（或火災(zāi)、腐蝕）等危險性環(huán)境，所以配電箱類電源電纜的敷設(shè)距離往往較長。為了滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中的敷設(shè)要求和防火需要，主要生產(chǎn)作業(yè)場所的配電電纜往往是沿充砂電纜溝敷設(shè)。充砂電纜溝敷設(shè)條件相對復(fù)雜，通風(fēng)散熱條件較差，甚至有時候會有存在積水、長期浸泡現(xiàn)象發(fā)生，總之敷設(shè)環(huán)境比較惡劣。為了保證配電系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求及日常生產(chǎn)使用的安全可靠性，又不過度增加概算投資成本，這對于設(shè)計人員來說是一個重要考核目標(biāo)，值得仔細(xì)思考。

1" " 校驗方式概述

本文依據(jù)GB 50217—2018《電力工程電纜設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》與《工業(yè)與民用供配電設(shè)計手冊（第四版）》（下文簡稱“配電手冊（四）”）中的相關(guān)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(yīng)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(jīng)濟(jì)電流條件選擇、電纜截面機(jī)械強(qiáng)度校驗及配電系統(tǒng)故障防護(hù)靈敏性校驗等。下面基于某個石油庫項目設(shè)計過程中的應(yīng)用案例，通過上述各種方式的校驗、分析、計算，對比分析結(jié)果，最終選擇出最合適的電纜截面。

某原油罐組項目，現(xiàn)場設(shè)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(nèi)的低壓配電系統(tǒng)接地型式為TN-S型，三相四線制。經(jīng)過負(fù)荷計算，已知該照明配電箱的計算負(fù)荷Pc約為20 kW，計算電流Ic約為34 A，功率因數(shù)cos φ=0.9。該防爆照明配電箱的進(jìn)線開關(guān)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(guān)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(lián)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(nèi)的充砂電纜溝敷設(shè)，局部穿熱鍍鋅鋼管保護(hù)，埋地暗敷設(shè)或沿鋼結(jié)構(gòu)護(hù)欄、平臺明敷設(shè)。保護(hù)管可采用斷配型式。電源電纜經(jīng)防爆鎧裝電纜密封接頭后，進(jìn)入防爆照明配電箱的接線腔內(nèi)部。

2" " 電纜截面的選擇與校驗

2.1" " 電纜熱穩(wěn)定選擇

根據(jù)GB 50054—2011《低壓配電設(shè)計規(guī)范》，保護(hù)導(dǎo)體的截面應(yīng)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(lián)聚乙烯銅芯電纜的k值為143，t為低壓開關(guān)柜（或智能照明控制柜）內(nèi)塑殼斷路器的瞬動脫扣時間，一般取0.02 s，經(jīng)計算得出電纜的保護(hù)導(dǎo)體截面積S≥7.9 mm2。因此，該配電電纜的保護(hù)導(dǎo)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(jù)工程設(shè)計經(jīng)驗，當(dāng)選用帶短延時脫扣器的斷路器所保護(hù)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(jīng)電纜衰減非?？焖?，因此比較容易滿足上式的要求，故在實際設(shè)計過程中電纜的熱穩(wěn)定可不進(jìn)行校驗[2]。

2.2" " 電纜線路壓降計算

根據(jù)配電手冊（四）的計算公式，三相線路的電壓降百分?jǐn)?shù)Δu%可根據(jù)下式計算：

式中：Un為標(biāo)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(shù)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?jǐn)?shù)。

GB 50052—2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》中要求，“用電設(shè)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(jīng)查配電手冊（四）的表9.4-19（圖1），對于三相平衡的負(fù)荷線路，當(dāng)選擇截面積為16 mm2的交聯(lián)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(dāng)選擇截面積為25 mm2的交聯(lián)聚乙烯銅芯電纜時，三相線路電壓損失百分?jǐn)?shù)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(dǎo)體截面積應(yīng)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(zhì)為揮發(fā)的油氣及含油雨水，屬于ⅡA級爆炸危險介質(zhì)，引燃溫度組別為T3，釋放源為2級。雖然現(xiàn)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(fēng)險，因此按照爆炸環(huán)境2區(qū)進(jìn)行設(shè)計。根據(jù)GB 50058—2014《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》，“爆炸危險環(huán)境內(nèi)，電纜允許載流量IC不應(yīng)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(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》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(shè)路徑主要為沿充砂電纜溝內(nèi)敷設(shè)，不妨假設(shè)載流量的綜合校正系數(shù)k（不同環(huán)境溫度時的校正系數(shù)、不同土壤熱阻系數(shù)時的校正系數(shù)、土壤中多根電纜并行敷設(shè)時的校正系數(shù)等）按0.7考慮，經(jīng)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(chǎn)生的諧波電流以三次諧波為主。查閱相關(guān)燈具產(chǎn)品樣本確認(rèn)，由于LED燈具中設(shè)置了功率因數(shù)校正器，其相電流中三次諧波分量可以小于15%。根據(jù)配電手冊（四）9.2.2.2相關(guān)內(nèi)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(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》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(dǎo)體截面積至少選擇25 mm2的銅芯電纜。

2.4" " 經(jīng)濟(jì)電流條件選擇

根據(jù)石油庫項目用電設(shè)備的負(fù)荷性質(zhì)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(jīng)查詢配電手冊（四）表16.4-2（圖2），可知當(dāng)配電電纜選擇相導(dǎo)體截面積為25 mm2的銅芯電纜時（經(jīng)濟(jì)電流密度26.5～40.2 A/mm2）最經(jīng)濟(jì)。

2.5" " 機(jī)械強(qiáng)度校驗電纜截面

經(jīng)查詢配電手冊（四）表9.2-1，銅芯絕緣導(dǎo)體穿管敷設(shè)或槽盒敷設(shè)時，相導(dǎo)體按機(jī)械強(qiáng)度校驗，允許的最小截面積為1.5 mm2。

根據(jù)本項目詳細(xì)工程設(shè)計階段的設(shè)計統(tǒng)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(jī)械強(qiáng)度校驗要求。

2.6" " 配電系統(tǒng)故障防護(hù)靈敏性校驗

當(dāng)TN-S系統(tǒng)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(hù)，選擇相導(dǎo)體截面積S，能被保護(hù)的銅芯電纜最大長度L可根據(jù)下式計算：

式中：Ik為接地故障電流。

假設(shè)電源側(cè)阻抗系數(shù)取0.9，相對標(biāo)稱電壓U0=

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

因此，根據(jù)上述計算結(jié)論，該電纜的相導(dǎo)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(hù)時的保護(hù)距離（400 m）要求。為了方便鎧裝電纜的敷設(shè)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(shè)計項目中，當(dāng)配電電纜的長度超過100 m時設(shè)計人員推薦盡量不選擇此種保護(hù)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(tǒng)的接地故障防護(hù)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(hù)功能的斷路器[1]。在實際的低壓配電系統(tǒng)設(shè)計與訂貨過程中，當(dāng)?shù)蛪洪_關(guān)柜（或智能照明控制柜）內(nèi)出線側(cè)的塑殼斷路器不能滿足接地故障保護(hù)時，可以利用低壓線路綜合保護(hù)裝置（FCU），通過其單相接地保護(hù)功能動作于塑殼斷路器的分勵脫扣器；或者在低壓開關(guān)柜（或智能照明控制柜）內(nèi)出線側(cè)增加剩余電流保護(hù)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(hù)裝置整定值Iset4需要滿足下式[5]：

由此可見，當(dāng)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(hù)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(jié)論

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

3" " 結(jié)束語

電纜截面選擇，對于設(shè)計人員來說是最常遇到的基本問題。如何合理選擇，對于設(shè)計人員來說至關(guān)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(shè)計項目中經(jīng)常遇到的典型案例為切入點，逐一進(jìn)行計算、校驗，并在保證TN-S系統(tǒng)接地故障防護(hù)靈敏性的前提下，通過對比幾種保護(hù)方案的選擇結(jié)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(xì)工程設(shè)計階段中，設(shè)計人員需要綜合考慮各種因素，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，不能僅憑過去多年工作中積累的所謂“設(shè)計經(jīng)驗”，一拍腦袋就選擇不合理的電纜規(guī)格。設(shè)計經(jīng)驗對于設(shè)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(shè)計水平就很難得到進(jìn)一步提高。

隨著科技水平發(fā)展與設(shè)備材料更新?lián)Q代，設(shè)計人員還需及時通過技術(shù)交流與培訓(xùn)，學(xué)習(xí)新規(guī)范，了解新技術(shù)，接觸新設(shè)備，拓展理論知識與設(shè)計思維，優(yōu)化設(shè)計思路。同時，還需要通過現(xiàn)場配合施工與調(diào)試，第一時間發(fā)現(xiàn)設(shè)計與施工中的問題，總結(jié)經(jīng)驗與教訓(xùn)，及時歸納成為案例集，做到舉一反三，從而更好地為設(shè)計項目服務(wù)。

質(zhì)量問題重于泰山，設(shè)計工作的嚴(yán)謹(jǐn)性與項目運行的安全穩(wěn)定性對于設(shè)計人員來說缺一不可。設(shè)計過程中的每一個環(huán)節(jié)都至關(guān)重要，必須懷著謙虛、嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)的心態(tài)去認(rèn)真對待。

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[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(yīng)用，2023，42（3）：63-68.

[3] 供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范：GB 50052—2009[S].

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

[5] 中國航空規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司.工業(yè)與民用供配電設(shè)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(shè)計。