住宅建筑底层集中表箱表后共用PE干线方案探究

李金林

(广东博意建筑设计院有限公司，佛山 528311)

0 引言

随着我国经济持续快速增长，房产开发规模与日俱增，住宅建筑也越来越多，住宅电气在满足安全、可靠前提下，其经济性设计值得探索和重视。当前各地供电部门大都有自己标准和规定，如广东佛山等供电部门为便于管理，统一要求在住宅底部(负一层或首层)设集中表箱间，对于一类高层住宅不尽合理。目前设计院的常规做法为每户均独自配三根(L,N,PE)入户线，由底层集中表箱分回路沿电气竖井金属槽盒供至各住户，数量庞大耗材较多，倘若尝试优化为所有表后入户线共用一根PE干线方案，则可减少约1/3缆线数量，显著节省投资。本文就表后共用PE干线方案进行探究。

1 优化方案探究

1.1 案例优化简介

现以1栋30层每层4户(均为单相供电)的一类高层为例，层高3m，其中每层2户6kW配40A 开关WDZD-BYJ-3×10mm2入户线，另两户8kW配50A开关WDZD-BYJ-3×16 mm2入户线。优化前在竖井内每户均设有独立PE线，整栋塔楼就有120根PE线在电井槽盒内敷设，竖向干线示意如图1，优化后表后线在竖井垂直方向上共用一根PE干线，然后每层通过PE端子箱引出该楼层的各户PE支线，竖向干线示意如图2。

图1 优化前竖向干线示意图

图2 优化后竖向干线示意图

1.2 规范依据与理论支撑

国家标准GB 50217-2018《电力工程电缆设计标准》关于“电力电缆芯数”第3.5.2.1条第2款：“…… TN-S系统，保护导体与中性导体各自独立时，宜选用3芯电缆；当满足本标准第5.1.16条的规定时，也可采用2芯电缆与另外紧靠相导体敷设的保护导体组成”。 GB 51348-2019《民用建筑电气设计标准》第12.4.6条文解释：“4 两个或更多个回路共用一根保护接地导体时，其截面积应为……”。规范标准均允许配电回路采用与相线靠近敷设的共用PE干线方式。

其实从电气原理上分析，对于电源中性点直接接地的TN-S系统，只要能为接地故障电流提供返回电源点的可靠通路就满足要求。在文献[6]《建筑物电气装置600问》中第22.6问也提及：“在有多个配电回路的电缆竖井或电缆槽盒内，不为每一回路配出PE线而只在竖井或槽盒内设置一共用的PE线。只要此共用的PE线不远离回路相线，这一做法理论上是可行的。但需要注意的是，此共用PE线的截面积必须不小于最大回路PE线的截面积，而且各回路PE线自共用的PE干线的分支引出必须保证其连接导电的可靠。”由此可见，共用PE干线方案从理论和规范依据上是可行的。

2 优化经济性简析

方案优化前后对成本影响主要有三项：(1)竖向垂直段PE缆线数量的大幅减少；(2)楼层PE接线端子箱的增加；(3)竖井内槽盒规格的变化。成本对比分析汇总如表1所示。

表后入户线共用PE干线优化清单计价分析表 表1

本案优化成本测算节省造价约4.7万元，塔楼总建筑面积约15 247m2，对应折算到单位面积节约造价约3.1元/m2，经济效益可观。

3 方案存在的问题及应对

3.1 PE线的可靠连结

在低压配电系统中保护接地线的可靠性对人身安全至关重要，但因电气设备即使丢失PE线仍能正常工作，故平时PE线的断点故障非常隐蔽不易被发现，设备可能存在无保护接地运行的安全隐患，在实际工程中PE线应尽量减少接头，GB51348-2019《民用建筑电气设计标准》第12.4.5.2条要求“不得在保护接地导体(PE)回路中装设保护电器和开关器件，但允许设置只有用工具才能断开的连接点。共用PE干线的优化方案与原方案比较，在楼层各住户PE支线引出时多了一处接点，为了能确保各PE分支线与干线的可靠连接，可采用专用的PE接线端子箱(盒)，并设有用钥匙或工具才能开启的门且高位安装，以防无关人员触动。其接线大样如下图3所示。

图3 PE端子接线图样图

3.2 布线槽盒敷设要求

为了减少同一金属槽盒内载流导线的根数，同时方便日后维护管理，要求每个表箱表后线需独立槽盒或单独间隔敷设，亦可降低两处不同相别同时发生故障的可能。

3.3 末端住户电压质量校验

对于底层集中表箱方案，供电干线只到表箱处，再通过长距离的表后支线供给高层末端用户，末端住户的电压质量问题不容忽视。根据GB 50052-2009《供配电系统设计规范》第5.0.4条第3款：“……其他用电设备当无特殊规定时为±5%额定电压。”通常变压器低压母线段电压为1.05Un，而规范要求末端用电设备端子处电压≥0.95Un，则供电线路的电压损失裕量为10%。表前供电干线电缆截面通常都比较大，且为三相供电(同等条件下三相供电的电压损失为单相供电的一半)，表前电缆段电压损失可按不超过2%～2.5%考虑，则表后支线段电压损失可按7.5%～8%校验。根据聚氯乙烯绝缘铜芯电线的电压损失电流矩可编制电压损失自动计算校验表(参见表2)。

聚氯乙烯绝缘铜芯电线穿管允许电压损失对应长度速查表 表2

由表2测算可知(实际工程可按实校验)，本案电压质量基本能满足设计要求。但也有不少设计考虑到BYJ电线的载流量比BV线大，则对于50A住户配10 mm2的BYJ导线时，若底层表间至电井以及楼层电井至用户配电箱的水平距离按19m估算，由上表数据可知垂直段最多能供到69m约23层位置，则对于23层以上的50A住户，则需改用16mm2的入户导线才能保证电压质量要求，这点需要设计人员注意。

3.4 故障回路相保阻抗

共用PE干线相比每回路独立配PE线方案，相保回路电抗会略有加大，但由于95mm2及以下铜导体回路的电抗相比电阻占比较小，此时回路阻抗值可只考虑其电阻值而忽略其电抗，足以满足实际工程需求，但为了尽量降低故障回路相保阻抗，要求工程设计与施工时尽可能将PE干线靠近回路相线贴邻敷设。

3.5 故障防护灵敏度校验

3.5.1 故障防护要求

低压配电系统故障防护的最基本要求是在规定时间内自动切断电源。规范GB 50054-2011《低压配电设计规范》第5.2.9条“TN系统中配电线路的间接接触防护电器切断故障回路的时间，应符合下列规定：配电线路或仅供给固定式电气设备用电的末端线路，不应大于5s”。对于中性点直接接地的TN系统，为简化设计和节约投资，通常以断路器的过电流保护兼作系统接地故障防护切断电源，这是TN系统的一个优点。

根据GB 50054-2011《低压配电设计规范》第6.2.4条：“当短路保护电器为断路器时，被保护线路末端的短路电流不应小于断路器瞬时或短延时过电流脱扣器整定电流的1.3倍”。为确保故障防护的有效性，应以最小的故障电流(即线路末端单相接地故障电流)校验保护电器动作的灵敏度。当发生接地故障时，故障电流Ik与线路长度L的关系根据《工业与民用供配电设计手册》第4版(以下简称“配四”)P966式11.2-7，参见式(1)：

(1)

式中，U0为相电压，取220V；S为相导体截面积，mm2；K1为缆线电抗校正系数，当S≤95mm2时，取1.0；K2为多根相导体并联使用的校正系数，单根导体时取1；ρ为20℃时导体的电阻率，铜芯ρ=0.0172Ω·mm2/m；L为缆线长度，m；m为材料相同的每相导体总截面积(Sn)与PE导体截面积(SPE)之比；0.8～1.0为电源阻抗系数，是考虑接地故障回路省略变压器阻抗和高压侧系统阻抗导致的误差进行的修正，当故障点远离配电变压器、线路截面积较小、变压器容量较大时取高值(0.95～1.0)，本案取0.95；1.5是由于短路引起发热，缆线电阻的增大系数。

缆线的最大允许长度按式(1)计算，长度还应再除以断路器脱扣器误差系数(电磁脱扣器取1.2)和动作系数(二极断路器取1.1)，计算得出约1.32(与规范要求不低于1.3基本一致)，现编制自动计算表格如表3所示。

用断路器兼做接地故障防护时铜芯缆线最大允许长度校验表 表3

由表3可知，对于配电线路较长的上部塔楼住户线路难以通过校验，需采取一定的措施。另经笔者按式(1)仔细验算，配四手册P966现成表11.2-4中部分数据存在错误，提醒设计人员不宜直接套用，建议利用自制计算表格验算。

3.5.2 应对措施

(1)加大导体的截面，可减小故障回路相保阻抗，增大单相接地故障电流。因TN接地系统低压网络的零序阻抗等于相线的零序阻抗与3倍的保护线的零序阻抗之和，故加大PE线的截面效果尤为明显。本案中依据表1数据，10mm2入户线对应16 mm2的PE干线只能供到94-19=75m约25层，16 mm2的入户线只能供到98-19=79m约26层，若保持入户相线面积不变的情况下把共用的PE干线加大到25 mm2，则分别能供到110m和120m，去除水平段19m后，最末端的30层入户线均满足要求。

(2)采用带短延时过电流脱扣器的断路器。通常配电线路的断路器第三段保护的瞬动电流整定值约10Iset1，而其第二段短延时保护动作电流整定值约4～6 Iset1，所以接地故障灵敏度更容易满足。此措施不适用表后采用无第二段保护功能的微断，可适用低压电房配电柜馈线回路。

(3)采用带剩余电流保护的断路器(RCD)。剩余电流保护线圈所检测的是L-N导体电流的矢量和，如图4所示，当发生接地故障时，故障电流经PE线流回电源中性点而未通过检测线圈磁回路，此时故障电流即为剩余电流。TN-S系统单相接地故障电流通常为几百上千安，足以RCD可靠动作。为避免误动作，断路器剩余电流保护整定值Iset4应尽可能大，如微断可选额定剩余动作电流I△n=300mA。

图4 带剩余电流保护的断路器

以上(1)(3)两种措施均能妥善解决本案接地故障保护灵敏度问题，具体工程设计师可根据经济造价对比合理选择。

4 结束语