仪表电源电缆的线芯截面积选择

孟铎

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223)

在化工装置的生产和运行中，控制系统及现场大多数仪表的电源负荷均属于一级负荷中特别重要的负荷。为确保仪表及控制系统的安全可靠运行，许多文献对仪表用电设备所采用的UPS和供电系统的方案进行了详细的论述[1-3]。

仪表电源电缆作为仪表供电的传输载体，线芯截面积的正确选择对仪表供配电系统的安全、经济运行同样起着至关重要的作用。本文结合国内的规范和电气专业的有关规定，阐述了化工装置中仪表电源电缆的线芯截面积的选择方法。

1 仪表用电设备

目前，大型化工装置中的仪表用电设备在机柜室、操作室、工程师室和现场均有分布，UPS供电的仪表设备如图1所示。根据化工行业的设计分工，除仪表设备配套的UPS外，UPS的设计、选型由自控专业人员提出条件，电气专业人员负责设计和选型。仪表用UPS电源等级一般为单相220 V/50 Hz或110 V/50 Hz的交流电源。电气专业人员负责将电源电缆送至指定的仪表电源柜或仪表供电箱的接线端子侧，自控设计人员需对配电柜(箱)至各个仪表用电设备的供电电缆进行设计。

大型化工装置中的UPS室、机柜室、操作室和工程师室常相邻布置，现场仪表与机柜室的距离在几百米范围内。当仪表电源电缆的线芯截面积过小时，不能满足电缆温升的要求，容易导致电缆发热损坏，且过小的线芯截面积容易导致仪表电源电缆的电压降过大，不能够满足仪表用电设备对输入电压的要求。当仪表电源电缆的线芯截面积过大时，会导致仪表电源电缆的外径过大，对仪表电源电缆的敷设和安装不利，容易造成材料的浪费和成本的提高。

2 仪表电源电缆的线芯截面积

在电力系统中，线芯截面积的选择主要根据温升、经济条件、短路稳定、线路压降、机械强度和过负载保护等条件进行选择[4]。针对仪表用电设备的线芯截面积选择，可从机械强度、载流量、配电线路的电压降等方面考虑。根据HG/T 20509—2014《仪表供电设计规范》[5]第9.1.1条文的规定，仪表电源电缆的长期允许载流量不应小于线路上游断路器的额定电流或低压断路器内延时脱扣器整定电流的1.25倍。按照机械强度校验线芯截面积时，仪表电源电缆的线芯最小截面积不应小于1.5 mm2。下面主要阐述仪表电源电缆的载流量、供电线路的电压降和保护接地线的要求。

2.1 仪表电源电缆的载流量确定

仪表电源电缆的载流量需要大于配电线路的工作电流，否则会导致仪表电源电缆的实际工作温度超过电缆的长期允许最高工作温度，导致绝缘层发热、融化，严重时甚至发生短路危险，对配电线路的安全产生不利影响[6]。仪表电源电缆载流量的基准值可从电缆样本、电力电缆规范或相关手册中查表得到，该值与电缆的绝缘类型、线芯截面积等因素有关。一般情况下，已知载流量数据为在空气中敷设且环境温度为30 ℃的电缆长期连续负荷允许载流量值。设计选型时，需要根据配电线路的工作电流，结合电缆的敷设方式、电缆线芯的允许长期工作温度、敷设处的环境温度等因素，求得在空气中敷设且环境温度为30 ℃的仪表电源电缆的计算载流量值。仪表电源电缆的载流量计算如式(1)所示，实际所选用的仪表电源电缆的允许载流量应大于载流量计算值。

(1)

式中：Ical——仪表电源电缆的计算载流量，A；Ie——配电线路的额定工作电流，A；K1——载流量的温度矫正系数；K2——载流量的线路敷设校正系数。

在化工装置中，仪表电源电缆多使用桥架敷设，桥架的填充系数如式(2)所示[7]：

(2)

式中：F——桥架的填充系数；ni——同一种规格电缆所对应的根数；di——同一种规格的电缆所对应的外径，mm；N——在桥架中敷设的电缆的规格种类；A——电缆桥架的截面积，mm2。在GB 50217—2007 《电力工程电缆设计规范》[8]附录D.0.6中，对电缆桥架上无间距配置多层并列电缆，且水平并列电缆的根数不小于7根时，给出的K2见表1所列。表1所示的数据是假定各回路的电缆截面积均相等，且均为额定载流量的情况下计算出的数值[4]。

表1 线路敷设的校正系数

载流量的温度校正系数K1，如式(3)所示[4]：

(3)

式中：t1——线芯的允许长期工作温度，℃；t2——线路敷设处的环境温度，℃；t3——电缆允许载流量数据的对应温度，℃。

仪表电源一般选用聚氯乙烯绝缘(PVC)或交联聚乙烯绝缘(XLPE)的电缆，普通级的PVC和XLPE绝缘的线芯的t1分别为70 ℃和90 ℃。在绝缘材料中添加了相应的耐热性增塑剂后，线芯的t1可适当提高，具体数值可从电缆的样本中获取。在空气中敷设的电缆的t3为30 ℃，线路敷设处的t2可选取最热月的日最高温度平均值。常用的PVC和XLPE绝缘电缆在不同的t2时的K1值可由式(3)计算，具体的数值见表2所列。

表2 线路敷设环境下的温度校正系数

2.2 配电线路的电压降确定

在化工装置中，仪表用电设备的额定电压等级主要分为直流24 V、交流单相110 V和单相220 V。 根据文献[5]9.1.4条文规定，配电线路的电压降不应影响仪表用电设备所需的供电电压。当配电线路通过电流后会产生温升，线芯的实际工作温度与通过电流大小和绝缘层温度有密切关系[9]。计算配电线路的电压降时，可根据环境温度和负荷确定线芯的实际工作温度。在工程应用中，桥架敷设中的仪表电源电缆的实际线芯温度可按电缆的绝缘类型估算，PVC绝缘电缆的实际线芯工作温度可取60 ℃，XLPE绝缘电缆的实际线芯温度可取80 ℃。

1) 当仪表用电设备为交流供电且功率因数cosφ=1.00时，与直流供电的仪表用电设备的配电线路的电压损失百分数计算公式相同，如式(4)所示：

(4)

式中： Δu——配电线路的电压损失百分数，%；Unph——标称相电压，kV；ρt——导体在温度为t时的电阻率，Ω·μm；S——线芯标称截面积，mm2；P——有功功率，kW；l——线路长度，m。

铜导线的电阻率ρt如式(5)所示：

ρt=ρ20(1+α(t-20))

(5)

式中：ρ20——铜导体在20 ℃的电阻率，Ω·μm；α——铜导体的电阻温度系数，1/℃，在此α=4×10-3/℃；t——铜导体的工作温度，℃。为便于计算，可引入计算系数C，则Δu最终的计算公式如式(6)所示：

(6)

2) 当仪表用电设备为交流供电且功率因数cosφ<1.00时，则需要使用式(7)所述的公式[9]：

(7)

2.3 仪表电源电缆的保护地

在化工装置的仪表供配电系统中，电源系统的接地采用TN-S系统，保护线PE和中性线N是分开的。仪表及控制系统的接地接入电气专业的低压系统接地网中，低于36 V的现场仪表可以不作保护接地[10]。

文献[8]第3.7.10条文规定：“保护地的线芯截面积，应满足回路保护电器可靠动作的要求”。结合化工装置中的仪表电源电缆的规格尺寸，当相线的线芯截面积分别为S≤16 mm2， 16 mm2

3 软件设计流程

基于上述分析可知，在仪表电源电缆线芯截面积的计算中涉及的参数较多，需要查阅的样本和手册也较多。在此，可利用Visual C#完成仪表电源电缆的线芯截面积计算的可视化程序设计，并利用Access数据库将不同绝缘类型电缆的电阻和电抗等参数汇总[10-11]，给出相应的标准值及参考依据，供设计人员选择和校验。

1) 输入所需的电气参数，结合仪表电源电缆的已知载流量值，初步选择线芯的截面积。

2) 生成配电线路的压降值，根据仪表用电设备的允许压降判断是否满足要求，并校验配电线路上游的断路器额定电流是否满足要求。

3) 如果数据不合理，设计人员可重新修改参数，并重复上述过程；当设计结果满足要求时，可将输入条件和计算结果保存，供设计校核使用。线芯截面积计算的流程如图2所示。

图2 线芯截面积计算流程示意

4 案例分析

在国外某大型化工装置中，UPS供给控制系统及现场仪表的电压等级为单相交流110 V，频率为50 Hz。最热月的日最高温度平均值为45.1 ℃，仪表用电设备主要包括DCS，CCS，GDS，ESD，CEMS以及分析小屋和单独供电的变送器等仪表，仪表电源电缆为XLPE绝缘PVC护套的0.6/1.0 kV铜芯电力电缆，采用梯级式桥架敷设。铜导体在20 ℃下的电阻率取0.017 2 Ω·μm，电缆线芯允许

长期工作温度为90 ℃，电缆敷设处的环境温度取45.1 ℃，电缆的实际线芯温度取80 ℃。

布置在现场的CEMS机柜的视在功率为1 kV·A，设备的功率因数在技术协议中未注明。从中心控制室敷设至现场CEMS机柜的供电距离为300 m，仪表电源电缆在梯级式桥架中敷设的层数按2层考虑，项目规定到用电设备端子处电压偏差允许值为额定电压的±5%。按照图2完成仪表电源电缆的线芯截面积选择和配电线路的电压降计算，得到的计算载流量值为16.17 A。电缆样本中对应的在空气中敷设、温度为30 ℃时的长期连续负荷允许载流量值见表3所列。用计算载流量选择仪表电源电缆的线芯截面积时，4 mm2以上的线芯截面积均可满足要求。

表3 电缆在空气中敷设的长期允许载流量 A

在此选择4，6，10，16，25，35 mm2的线芯截面积，分别对配电线路的Δu进行计算，结果见表4所列。由于在计算过程中式(6)未使用电缆样本的电阻值和电抗值，当功率因数cosφ为1.00时，配电线路的Δu计算结果与式(7)有微小的差异。在仪表用电设备的功率因数cosφ未知的情况下，取功率因数cosφ为1.00时，得到的配电线路的Δu偏大。

表4 电缆的线芯截面积与Δu的对应值 %

最终，设计中选择线芯截面积为2×25 mm2+1×16 mm2的仪表电源电缆，在开关柜侧配备额定电流为16 A的断路器，满足了该CEMS设备的用电需求。

5 结束语

文中所述的仪表电源电缆的线芯截面积选择方法及Visual C#的应用实现，集成了标准和手册中的电缆电气参数，具有良好的通用性并提高了设计效率，有助于自控专业人员更好地完成仪表电源电缆的设计工作。