浏览：次 2019-01-28 20:21
摘要} 本文面向设计部门和用户，全面介绍了分支电缆结构、性能和应用情况，并通过计算和图表的形式，表述相关建筑设计的一些具体问题和参数，以便于建筑设计、用户和生产厂商的衔接和配合，以利于分支电缆产品的推广和应用。
{关键词} 分支电缆
绝缘分支接头
绝缘吊头
专用接头卡子和代用“C”形连接金具
紧密母线
供电可靠性
电压降和电压损失
电压损失百分数
负荷矩
电流矩
单位电压降
线路允许长度
负荷分段系数
分支电缆型号和规格拧绞形多芯
敷设形式
楼板预开口尺寸
分支电缆配电干线系统图
一、引
言
日本从20世纪80年代初开始生产分支电缆，并成功应用于高层建筑电气竖井供电系统。由于其具有良好的供电可靠性等诸多优点，推广迅速。同时也由单一的建筑供电干线用缆，向众多的使用领域发展。目前，分支电缆在日本高层建筑中的使用率已达90％以上，在法国和香港各商业大厦和高层住宅中使用率达到70％以上。20世纪90年代中后期，北京、上海、广州、深圳等发达城市和地区的高层建筑陆续选用了分支电缆，均获得了较好的使用效果。
国家建筑标准设计研究所于2000年编制了分支电缆安装图集，并制定了分支电缆标准（待批未发），以利于分支电缆产品的推广。相信，伴随着人们对分支电缆产品的认知，设计部门的大力支持和各生产厂商在技术、市场方面的努力，分支电缆产品的应用定会如火如荼。
二、分支电缆的实质
可以定义，分支电缆是适用于现代化高层建筑和现代化工厂的一种新型主干线电缆。其最大特征是依据配电设计要求，在干线电缆的规定位置工厂化预制分支接头和分支线。
可以认为，分支电缆即是将普通电缆现场制作接头的工作转移到工厂预制。这样，多个接头的质量和一致性是现场制作接头不能实现和难以比拟的。
从制造角度，分支电缆的生产是相对简单的。其整体性能的好坏，很大程度地取决于产品的前期设计，如冷压模具、注塑模具以及制造工艺等方面。值得一提的是，分支接头使用的卡子（或称连接管）、配套压模和压缩率，应为分支电缆制造的关键。
三、分支电缆的组成和结构
分支电缆由电缆本体（干线和分支线）、绝缘分支接头、绝缘吊头（末端装置）和安装附件组成（参见图1）。
绝缘分支接头是分支电缆的主要部分，每套分支电缆有若干个绝缘分支接头。从图2可见，绝缘分支接头是用分支卡子把干线和分支线固定在一起，使用冷压模具压缩连接制成分支接头，并在极短的时间内模塑绝缘。
各分支电缆生产厂制造的绝缘分支接头在结构上基本相同。但外观和外形尺寸有一定差异。另外多数厂家使用代用“C”形连接金具作分支卡了，使用专用分支卡子的厂家很少。
分支电缆绝缘吊头为电缆未端装置，能够承受电缆重量和敷设时的牵引力，牵引到位后作末端固定，其上部金属吊环或挂钩与电缆导体应有足够的绝缘强度。
多数生产厂的分支电缆末端处理采用如图3a所示的结构。其外形尺寸很大，这就要求分支电缆末端最后一个分支以上要有较大的空间，给建筑设计带来不便。另外，敷设时牵引力作用在电缆护层上，故只能在牵引力小于电缆护层允许牵引力时使用。再有，牵引钢丝网套暴露在空气中，在潮湿或腐蚀性气体的环境中，使用寿命会受到很大影响。有些生产厂采用瓷绝缘子等材料制造绝缘吊头，体积很大。如干线电缆为240mm2的绝缘吊头的外形尺寸为Φ90×500mm。河北新华线缆有限公司生产的分支电缆绝缘吊头如图3b所示。其采用专门设计的连接组件，外模注绝缘，具有允许拉力大，绝缘强度高（绝缘电阻大于50000MΩ），外形美观小巧，可以直接吊挂等特点。干线电缆为240mm2的绝缘吊头的外形尺寸仅Φ50×195mm，吊环允许拉力大于1000kg。
分支电缆安装附件包括电缆支架、电缆线夹和末端固定用的吊挂装置（吊头横担）。该部分不同生产厂在结构和外形尺寸上也略有不同。
四、我国建筑垂直供电主干线路的情况和问题
20世纪80年代以前，高层建筑不多，用电量较小，普遍使用聚氯乙烯绝缘电缆作垂直供电主干线路，现场制作接头。接头的制作，技术要求较高。由于现场工作环境差，操作人员的技术差异等因素，会出现接头电阻难以保证，绝缘绕包不密闭，各个接头性能不一等问题。致使故障点增多，线路损耗增大，使用寿命较短。
到了20世纪80年代中后期，经济的迅速发展，高层建筑大行其势，同时用电量大大提高，当时大截面电缆还难于生产，母线槽应运而生，出现了母线槽与普通电缆组合使用的配电干线方式。最初的母线槽，为空气间隙绝缘形式，结构笨重，环境因素对绝缘性能影响非常大。现在使用的母线槽，导电铜排经绝缘处理，体积有所减小，常称作紧密母线。同样，紧密母线也存在着较多缺点：1、紧密母线需要一节一节安装，用插接方式连接和螺栓固定，各连接点的接触电阻很难保证，并且安装质量直接影响到使用性能。2、用于TN－S供电系统的五芯母线槽，对于相关标准来说时不允许的。因为PE线必须有绝对可靠的连续性，不允许有过多的接头。而母线槽必须一节一节连接，只要有一个接头出现断开或松动情况，PE线就会有带电的可能，其危险性可想而知。3、运行中环境温度和工作温度的变化，将会产生潮气的吸入和排出现象，以至接头松动和氧化，使接触电阻变大，绝缘性能降低等问题出现。4、故障点多，维护和检修工作量大，费用高。5、体积仍然很大且重，占用的建筑面积较大，安装劳动强度大，工期很长。
分支电缆的出现为高层建筑配电干线设计提供了更大的空间选择，其不但可以把供电可靠性上升到一个新的高度，并且使工程造价大大降低了。
五、分支电缆的优点和使用效果
1.电气性能好
分支电缆接头采用工厂化生产，制作时间短，工作环境好，加之合理的制造工艺设计，使接触电阻很小且非常稳定；采用特定工艺制造的模塑接头，气密性良好，防水防潮耐腐蚀，即使工作在较恶劣的环境中，也能保证正常供电；使用高质量的材料制造分支接头绝缘，绝缘强度高。
2.供电可靠性高
分支电缆干线采用整根电缆，中间无断点，这样既减小了干线故障隐患，又降低了线路损耗，加之很小的接头电阻和良好的绝缘性能，使供电可靠性大大提高，达到长期免维护的要求。
3.具有优良的抗震性能，保证运输、安装过程及运行中，外部原因造成的震动不会对电缆整体性能产生影响。
4.提供整套的安装附件，施工方便
5.采用地面拉起或楼顶放下的方法安装，电缆到位后，按规定间距固定在支架上即可，安装简单可靠，对安装环境要求也很低。
6.综合经济效益明显
据有关资料看，采用分支电缆的投资仅为紧密母线投资的30～60％，安装工时仅为紧密母线的1/20左右，大大降低了工程造价。又由于其结构紧凑，对土建空间的需求较小，会节约较多的建筑面积。加上运行可靠，无需任何维护保养，对于建筑业主来说，经济效益非常明显。
为了进一步了解分支电缆的综合性能，对分支电缆、普通电缆（现场制作接头）、紧密母线进行比较，请见表1。
从表可知，分支电缆与紧密母线相比，存在着输送电能容量小和感抗较大的不足。分支电缆最大载流量为1600A，密集母线最大载流量为5000A。对于载流量，因各地电力部门规定的建筑配电单路供电容量均不太大，现有的分支电缆完全可以满足建筑配电的需要。至于感抗，通过下面计算讨论。
六、分支电缆的感抗和电压降计算
1.感抗
拧绞形多芯结构分支电缆的感抗很小，与普通多芯电缆的感抗值基本相同。单芯分支电缆采用并行排列安装，线间有一定距离（一般为两倍电缆外径），故感抗值较之普通多芯电缆和紧密母线要大一些，但与普通单芯电缆并行排列安装时的感抗值相比是相同的。
例如：185mm2铜单芯交联聚乙烯绝缘分支电缆，导体半径8.2mm，电缆外径24mm，三根电缆并行排列敷设（如图示），间距S为2倍的电缆外径。
线芯半径 r=8.2mm
间距 s=2×24=48mm
几何均距DP=1.26s=1.26×48=60.48mm
每相感抗X0=0.1445lgDP/r＋0.0157
=0.1445lg60.48/8.2＋0.0157
=0.1411Ω/km
通过计算得出，单芯185mm2分支电缆按上图尺寸敷设后，1公里长的电缆感抗值为0.1411欧姆。
常见的架空铝绞线，线间距比单芯分支电缆的敷设间距大很多，感抗要大几倍，输电线路比分支电缆也要长得多，对供电质量并没有什么影响。单芯分支电缆的感抗虽然比密集母线要大，但其直流电阻小，集肤效应系数小，线路容抗更小得多，这样就使两者的线路抗就更接近一些。由于单芯分支电缆敷设线与线之间有一定距离，允许最大载流量与普通多芯电缆和密集母线相比也要大一些。
由上可知
，单芯分支电缆在感抗上与多芯电缆和密集母线的差异，对供电系统不会有大的影响，同时由于其具有的诸多优点，将会使供电系统在运行可靠性和经济性等方面的指标大幅提高。
2.电压降计算
负载电流流过线路，就会产生电压降落。因负载具有电抗和电阻性质，电流与电压存在相位差，其相位角Φ=cos－1X，即会产生有功和无功分量。线路阻抗也由电阻和电抗组成，阻抗角Φ=tg－1R/X。负载有功电流流过线路电阻产生横向电压降落，流过线路感抗产生纵向电压降落；负载无功电流流过线路电阻产生纵向电压降落，流过线路感抗产生横向电压降落。横向和纵向电压降落的矢量和构成总的电压降落。配电干线电压降和电压损失在数量和物理意义上是相同的，仅是在工程计算中为了简便，又不会引起工程上不允许的误差，常将数值较小的电压降落纵分量省略，仅取横向分量，下面计算也同。
通常一些电工手册上提供了以单位负荷矩百分数和单位电流矩百分数表示的电缆线路电压损失百分值数据，以计算线路电压损失。为了方便确定电缆线路的长度，分支电缆样本多数提供了单位电压降的参数，单位是V/A·m，该数据不同生产厂家略有出入。
前面说分支电缆即是将普通电缆现场制作接头的工作转移到工厂预制，其相关线路参数的计算与普通电缆是相同的，下面仍以185mm2铜单芯交联聚乙烯绝缘电缆三相线路为例，通过计算说明负荷矩、电流矩、单位电压降以及线路允许长度等参数。因电缆的容抗很小，计算中忽略不计。
①计算条件及公式中的物理量：
a.导体工作温度60℃；
b.负载功率因数：cosΦ=0.8；
c.功率因数角正弦：sinΦ=sinAcos0.8 =0.6
d.功率因数角正切：tgΦ=tgAcos0.8 =0.75
e.导体温度20℃时的直流电阻：R20=0.0991Ω/km
f.电阻的温度系数：a20=0.004
g.导体温度60℃时的直流电阻：R60=R201＋α2060－20 =0.1150Ω/km，因50 Hz240mm2电缆导体集肤效应系数为1，此时导体交流电阻R0≈R20；
h.感抗：X0=0.1411Ω/km；
i.线电压：UL=0.38KV=380V
j.额定（满负荷）电流：I=530A
k.满负荷有功功率：P=1.732ULIcosφ=1.732×0.38×530×0.8=279.06KW
l.计算电流（按额定电流80％计）：Ij=530×80％=424A
m.计算有功功率：Pj=1.732ULIjcosφ=1.732×0.38×424×0.8=223.25KW
n.电压称ΔU，单位KV或V；
o.线路电压损失百分数ΔU％，单位％；
p.三相线路每1千瓦·公里的电压损失百分数ΔUp％，单位％/KW·km
q.三相线路每1安培·公里的电压损失百分数ΔUa％，单位％/A·km
r.负荷矩M=PL单位KW·km
s.电流矩Me=IL单位A·km
②按三相线路终端负荷矩计算。
ΔUP％=（R0＋X0tgφ）/（10UL2）
=（0.1150＋0.1411×0.75）/（10×0.38×0.38）=0.1529％/KW·km
由ΔU％=ΔUP％M=ΔUP％PL
得出L=ΔU％/ΔUP％/P
因三相线路允许电压称百分数ΔU％为5％
故三相线路允许长度L=ΔU％/ΔUP％/P=5％/0.1529％/279.06=0.117km=117m
也就是说185mm2铜单芯交联聚乙烯绝缘电缆并行排列敷设三相线路（满负荷运行时）长度小于117米时可以满足允许电压降的要求。
如果按计算负荷Pj计，将得出三相线路允许长度L=5％/0.1529％/223.25=146m
若分段计算，10个相同负荷时允许长度为146×1.82=266m（系数1.82见表3）
③按三相线路终端电流矩计算。
ΔUa％=1.732（R0cosφ＋X0sinφ）/（10UL）
=1.732×（0.1150×0.8＋0.1411×0.6）/（10×0.38（=0.0805％/A·km
由ΔU％=ΔUa％eMe=ΔUa％IL
得出L=ΔU％/ΔUa％/I 式6－1
因三相线路允许电压降百分数ΔU％为5％
故满负荷电流时三相线路允许长度
L=ΔU％/ΔUa％/I=5％/0.0805％/530=0.117km=117m
如果按计算负荷Ij计，将得出三相线路允许长度L=5％/0.0805％/424=146m
④按三相线路单位电压降计算。
分支电缆样本中多提供单位电压降参数作为计算线路允许长度的依据。所谓单位电压降（有的厂商称表内电压降），工具书中未见。经分析和推导，实际意义即为三相线路的相阻抗，只不过样本中提供的单位电压降是在未考虑纵向电压降落时计算的，比实际阻抗要小。如果按全电压降计算，单位电压降与三相线路相阻抗相同。
ΔU=1.732I（R0cosφ＋X0sinφ）=1.732×530×（0.1150×0.8＋0.1411×0.6）=162.1V/km
V0=ΔU/1.732/I=162.1/1.732/530=0.177V/A·km=0.177×103V/A·m
取三相线路允许电压降ΔUy=380×5％=19V
故三相线路允许长度L=19/1.732/0.177×103/530=117m
如果按计算负荷Ij计，将得出L=19/1.732/0.177×103/424=146m
⑤结论。
由上可见，三种计算方法的结果是相同的，但使用式6－1最方便。表2为分支电缆配电干线部分设计参数，供参考。另外，上述计算三相线路允许长度是按终端负荷考虑的，如果分段计算，允许长度还要大的多，表3列出了2－25个（全线路2－25组分支）相同负荷时的分段系数，只要将该系数乘以按终端负荷得出的允许长度，即为分段时的允许长度。
七、分支电缆在高层建筑中的应用原则
1.单芯和多芯分支电缆的选用
日本电线工业会分支电缆标准（JCS第376号－1980）规定，分支电缆采用拧绞形多芯结构（由单芯分支电缆以S绞合成缆，节距为电缆干线直径的100倍）。但实际上日本国内分支电缆多数还是采用单芯分支电缆并行间距排列敷设，拧绞形多芯仅限于小截面干线的分支电缆。据悉，目前上海中日合资南洋藤仓、河北新华、青岛汉河均生产此两种结构的分支电缆。笔者认为，一般情况下分支电缆干线长度较短、采用单芯分支电缆，并列平行敷设（必要时循环换位）的形式是可行的，只有在干线长度大（大于200m）时，采用多芯拧绞形分支电缆。
2.分支电缆的型号和规格
在目前国家分支电缆标准尚未颁布，不同生产厂的型号及规格编制较乱，一般形式为：
厂家代号－干线和分支线型号
－干线规格/分支线规格
单芯分支电缆宜采用如下表示方法：
XTF － ZR － YJV － 41×240 / 41×35
TN－C系统
XTF － ZR － YJV － 41×240＋PE1×120 /41×50＋PE1×25 TN－S系统