对高层建筑中配电干线设计方式的分析
摘要：本文从现代高层建筑设计角度，分别论述了插接式密集型封闭母线槽、预制分支电缆以及利用电缆绝缘穿刺分支技术的传统电缆三种干线配电方式。
关键词：配电干线,干线设计,电气设计
【前言】：随着科学技术的发展,生产工艺的不断改进和提高,供电系统日趋向大系统、高参数的方向迅猛发展。因此,对工程的设计、施工、维修和运行的要求也越来越高。要想使系统达到优质、高效、低能耗运行的目的,除有合理的设计方案外,系统安装质量的优劣将会对日后的使用产生极大的影响。为确保系统在使用过程中发挥其安全、稳定、高效的作用,故系统的安装、施工技术及其质量控制极其重要。
由于现代建筑中因配电的复杂性和供电容量的增加,对于配电主干线的可靠性及经济性的要求越来越高。现代高层建筑对垂直配电干线的主要要求是:输送容量大、能承受较大的短路负荷;电压降和电能损失小;供电安全、绝缘可靠、防火性能好;可挠性大、抗震性好;分支容易、施工方便、维修方便;占据空间小、造价小、投资少。笔者根据近年来在设计实践中的经验,对目前高层建筑中所采用的几种垂直配电干线方式谈一点粗浅的体会。
一、插接式密集型封闭母线槽配电方式
近几十年来,插接式密集型封闭母线槽配电方式(以下简称封闭母线)已广泛地应用在高层建筑中。封闭母线的种类可划分为三相三线制、三相四线制、三相五线制等几种,额定工作电流为250 A至5000 A不等。它的主要结构是由优质钢板弯制的外壳、导电铜(铝)排、绝缘材料及有关附件等组成。它用特制的插接端与变压器或低压配电柜直接插接,带插孔的母线槽可以通过插接头箱或插接开关箱很方便地引出电源分支回路至楼层配电箱。
封闭母线与传统的电缆配电方式相比，具有传输电流大(最大可至5000 A)、结构紧凑、体积小(以载流量1000 A为例,国产母线槽截面为135 mm×170 mm)、互换性及通用性强、绝缘强度及动稳定性能较高等优点。国内外几十年的安装使用证明,在高层建筑中,它是目前普遍采用的一种垂直配电干线方式。
虽然封闭母线以其种种优点在高层建筑中得到广泛应用,但其逐步暴露的缺点也一直为业内人士所忧虑,主要有:
1)封闭母线的安装质量直接影响使用功能,其安装步骤多、要求高,如安装弹簧支承器(起承重,伸缩和调直作用)就需分四步;母线插接后需用压板定位,压紧后再紧固穿心螺栓;对安装使用地点的环境要求高,必须保持空气清洁;每节母线槽安装前必须测量绝缘电阻,装上后需再总测一次。
2)封闭母线为了不受高层建筑中风荷载或地震等引起的机械应力的影响,安装时采用了弹簧支座等固定方式来增加其可挠性和防震性,从而使结构变得复杂。
3)相比其他几种垂直配电干线方式,封闭母线的综合单价是最高的。
二、预制分支电缆配电方式
预制分支电缆是指根据设计要求，制造厂采用预制作方式，完成了位于主干电缆上制作带有支线及其接头的电力电缆。其由主干电缆、支线电缆、分支接头、分支压接型连接件及提升金具等组成。预制分支电缆按采用0.6/1KV铜单芯塑料绝缘电力电缆型号可分为：FZ-VV-0.6/1、FZ-ZRVV-0.6/1、FZ-NHVV-0.6/1、FZ-YJV-0.6/1、FZ-ZRYJV-0.6/1、FZ-NHYJV-0.6/1、FZ-WDZYJV-0.6/1及FZ-WDNHYJV-0.6/1几种。
与在高层建筑中普遍选用的插接式密集型封闭母线槽相比,预制分支电缆有以下明显的优点:
1)安装简便,施工周期短。由于原来需要在工地现场完成的电缆分支工作都已预先在工厂中完成,并保证了电缆各项电气性能的质量控制,而且预制分支电缆的重量在同线制和同载流量的情况下,约为母线槽的一半左右,因而既减轻了施工现场的劳动强度,节省了工作时间(仅有母线槽安装工时的十分之一),又保证了分支连接的质量。其安装方法简单方便,对安装人员的技术水平要求也不高,并且对安装场地环境要求低,使用环境要求也低。
2)电气性能好,供电安全可靠。由于主干电缆导体整根通长无接头,连续性好,因而减少了故障点，分支接头结构合理,经机械模压成型后,主干与分支电缆的接触电阻很小,保证分支接头不受热胀冷缩的影响,分支接头采用工厂化制作,大大降低了人为因素造成质量不良的现象。
3)良好的抗震性、防水性、气密性。分支接头模塑部分采用特殊配方的PVC聚合物与电缆护套紧密粘接,保证了连接头具有良好的气密性和防水性,因而能在潮湿环境中正常供电。由于预制分支电缆为一整根,其抗拉性、可挠性远比机械连接的母线槽(墙体受震后会发生接头松动)要好,对地震引起的机械应力基本无响应。
4)免维护。预制分支电缆按规范要求(标准安装图集号:00D162)安装后,一次性开通率很高,正常运行的预制分支电缆平时不需要任何维护保养。
5)造价经济、投资少。同母线槽相比,预制分支电缆可降低工程造价30 %左右,且技术经济指标高,综合经济效益显著。
虽然预制分支电缆技术解决了插接式密集型封闭母线槽的种种弊端,但其也有如下缺点:
1) 预分支电缆定货前需对建筑电气竖井的实际尺寸(竖井高度、层高、每层分支头位置及分支间距等)进行测量,工厂再根据实际尺寸制作,在加工制作生产后的预制分支电缆具有不可变性。如需改变分支电缆的容量及长度,要报废整条电缆重新到厂家制作。为避免因楼层功能改变引起容量的变动,还需将预分支电缆的干线和支线截面均放大一级,特殊情况还应预留分支线以供备用。
2)预制分支电缆安装除需要专门的吊装设备外,还要求每层楼板开孔面积大,安装完后,楼层孔难以修补,分支接头安装时容易损坏,并且需要多人配合,安装费时费工。
3)由于预制分支电缆需在工厂内特殊订制,定货周期长,其价格比传统电缆仍显昂贵(约高50 %~60 %)。
4)相比插接式母线槽,预制分支电缆有输送容量较小(目前最大载流量为2400 A),而且配线占有空间相对较大等缺点。
不过虽然预制分支电缆有这样一些缺点,但作为电缆配电方式的一种,在目前高层建筑中仍然有着良好的应用前景。
三、利用电缆绝缘穿刺线夹分支技术的传统电缆配电方式
电缆绝缘穿刺线夹分支技术与预制分支电缆均属于电缆干线式系统。电缆分支技术是完善单芯电缆大容量供电的关键技术,而电缆穿刺线夹分支技术巧妙地配合电缆供电方式,以其特有的优点,为电缆分支提供快速、简便、可靠的连接,完整地解决了电缆分支的各种技术难题,从而可能成为最有发展前途的电缆供配电线路分支技术。
电缆绝缘穿刺线夹分支的关键技术是穿刺密封分支结构,其穿刺线夹整体采用高强度航空碳纤维和特殊合金制造,穿刺线夹中的接触刀片与主干电缆、支线电缆的导体均有六处可靠的电气连接。见图1。
图1绝缘穿刺线夹
与传统电缆配电方式相比,电缆穿刺线夹分支技术有以下优点:
1)绝缘穿刺线夹不需截断主电缆,不需割开电缆内外的护套层和绝缘层,不破坏电缆的机械性能和电气性能即可在电缆的任意位置做分支,还可拆卸。
2)绝缘穿刺线夹与主干、分支电缆的电气接触电阻小,耐受15 kA的电流冲击,接头发热较小。线夹壳体绝缘强度达6 kV,并可防水、防腐蚀、抗外界破坏、抗机械拉力、耐扭曲,其抗拉强度接近电缆。另外,由于绝缘穿刺线夹采用镀锌铜合金制造,接头处无电化腐蚀,适用于铜铝电缆过渡。
3)绝缘穿刺线夹安装极简捷,设有特制的力矩螺母用于恒定的穿刺压力(保证既有效地穿刺又不损伤导体,保证最小的接触电阻及热循环状态),通过机械方式确定良好的电气接触,质量可靠,而且穿刺线夹的连接质量检验直观方便,只需观察力矩螺母是否拧掉,主干、分支电缆位置是否妥当即可。其使用寿命大于30年,不需维护。
4)由于主干及分支电缆均采用大量生产的传统电缆,仅分支处采用绝缘穿刺线夹技术,因而整个配线工程的造价比前二种配电方式(封闭母线及预制分支电缆)大大降低,具有最佳的性能价格比。
与前二种配电方式相比,电缆绝缘穿刺线夹技术也有一些缺点，如:绝缘穿刺线夹连接的主干电缆最大截面仅为300 mm2,截流量也仅为800 A,而且此技术仅能用于单芯电缆的分支,多芯电缆的分支目前尚无法做到。因此,这种方式目前仅适用于中小型高层建筑的垂直配电干线。
四、结束语
确定高层建筑物配电主干线究竟采用哪种方式，笔者认为：对于用电负荷较小、分支回路不是很多，供电主干线尽量采用电缆绝缘穿刺线夹方式;对于用电负荷较大，分支回路较多，供电主干线容量在1600A以下的可以采用预制分支电缆方式或电缆绝缘穿刺线夹方式，但如果其分支用电负荷变化较大则优先采用电缆绝缘穿刺线夹方式，使供电方式多样化，便于增容;当供电主干线容量在1600A以上时，则采用插接式密集型封闭母线槽配电方式。当然除此之外选择哪种配电干线方式还要取决于建设单位的意见以及施工单位的水平等综合因素。只有这样,才能使配电线路具有最佳的性能价格比。
