隧道照明配电电缆方案优化设计与分析

责任编辑黄琴　隧道照明配电电缆方案优化设计与分析　广东赛达实业开发有限公司张峰华　在公路隧道照明系统中，配电电缆是非常重要的材料，而　且占据了很大部分的工程量。特别是在较长的隧道，为了保证供　给照明灯具的电压符合设备的电压降要求，往往需要选用较粗截　面的电缆。在以往的设计中，配电电缆由始端到末端都是等截　面的，但实际上随着距离的由近至远在配电电缆上通过的电流是　逐渐减小的，在末端电缆上的电流相对近端电缆上的电流明显减　小，如果远端电缆的截面依然采用与近端较粗的截面相同，那么　必然会造成电缆材料的浪费和工程造价的提高。　本文根据公路隧道照明配电电缆中电流逐渐减小的特点，设　计了电缆截面分段递减的方案，从而达到节省电缆材料和降低工　程造价的目的。　问题的提出　例如，某高速公路的隧道全长约４８Ｋｉｎ，隧道口两端分别设　一座变配电所，分别从两端给隧道的照明灯具送电。其电缆接线　方案如图ｌ所示（以应急照明为例）。　隧道长４　８Ｋｍ　图某隧道应急照明的接线方式　应急照明灯具每隔２４米设置一套，共４００套，每套灯具为　ｌＯＯＷ。主干电缆采用４　ｘ　３５ｍｍ　的电缆，从隧道的两端洞口引至　隧道的中部。用支线电缆在主干电缆上支接，引电至各灯具。灯　具是均匀分布的，主干电缆中的电流从始端（变电所）至末端　（最远端的灯具）是逐渐减少的。在末端，主干电缆中的电流只　提供给最末端的灯具，电流较小，而主干电缆自始至终均采用　３５ｍｍ　的截面，在末端小电流的情况下仍然使用如此粗的电缆显　然有失合理，而且造成电缆材料的浪费。　既然主干电缆中的电流是逐渐减少的，那么主干电缆的方案　能否也设计为截面是分段递减（阶梯式分段）的呢？在保证最末　端的灯具的电压降（隧道照明的配电电缆截面的选取只需要考虑　电压降的因素，若电压降满足要求，则其他因数也满足要求）符　合要求的情况下，采用电缆截面分段递减的方案，能否节省电缆　材料？　问题的分析　照明线路可按无感线路电压损耗公式计算如下　△（，％：　：　（　（　其中　一∑　为线路的所有功率距之和，ｃ为计算系数，　Ａ为电缆的截面。　设有ｎ盏照明灯（均匀布设），每盏灯的功率为　，则：非　分段电缆的方案如图２所示，分段电缆的方案如图３所示。　ｎ　ＡＯ　Ｌ　Ｌ　Ｌ／３　Ｌ／３　Ｌ／３　图３分段电缆的方案　方案一：采用非分段电缆的方案　设电缆的长度为Ｌ，电缆的截面为Ａｎ，则电压降为　△￡，　‘　％　（　Ｌ一＝　＝　２（　．　ｃ１（）　、　　假设此电压降已满足要求（电压降的一般要求为不大于　５％）。　方案二：采用电缆截面分段递减的方案　若把主干电缆分为三段，从前端至末端的截面依次为Ａ　，　Ａ　，Ａ。，每一段的长度为Ｌ／３（总长为Ｌ），每一段电缆带的灯具　为ｎ／３盏（共ｎ盏）。则电压降为：　％：　：ＣＡ　至ｎ　＿Ｌ互（　：２至ｎ　．Ｌ　圭ＣＡ２：　生毽　（　，　２０１２ｗ．０６　Ｉ＿ｃ　￣　１２１　ｗｗ技术＜ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　即　△（，１％：一５ｎＰｏＬ１８Ｃ意　＋　１８ＣＡ　＋　ｌ８ｃ／ｉ，　８．９×（　一（　ｒ　２、　、　＋　＋　一２）／３）（单位为ｇ）　（ｉ＂１＝３，４，…，ｌ３）（其中，　从表格知，对各种情况下的则对所有情况下的Ａ。＝中　，　ＡＩ　＋ｌ，Ａ　２＝中　，Ａ　３＝中　２令　ｆ，１％　％，即：　５ｎＰＬｏ３＂６ｍｍ　，ＡＩ＝中７＝１０ｒａｍ　，Ａ２＂　ｎ＝６ｍｍ　，Ａ３＝中ｎ２＝２．５ｒａｍ　），　３ｎＰＬｏ．ＰＯＸ．　采用电缆截面分段递减的方案均比非分段电缆的方案节省铜　——＋——＋　ｓ一１８ｃＡ，１８ｃｘ２　１８ｃ　２ＣＡｏ　取Ａ２：Ａｏ，Ａｌ＝　ｌＡ２＝　ｌＡｏ，Ａ３＝　３Ａ２＝　３Ａｏ，化简得：　尢　：　（３）　６九一５　上述的过程表明：取第二段的电缆的截面为Ａｏ，当取定第一　段的电缆截面为Ａ　＝　。Ａ。时，则只要第三段电缆的截面Ａ。＝　。Ａｏ满　足（１）式，　２％　％就成立。即若采用非分段电缆的方案　能满足电压降要求，则采用电缆截面分段递减的方案的总电压降　也满足要求。　对各种标准规格的电缆分析，如在下表中取Ａ。＝中　，　Ａｌ＝　．１’Ａ２：　，Ａ３＝　＿２’经过计算所得的数据填入表格。　表１分析表格　电缆的标　。　＾ｔ．—　．　是否满足电　单位长度（Ｉｍ）的单芯电　准截面规　中　６ｚ，一５　中　压降要求　缆节省的材料（ｇ）：　格（ｆｎｍ　）　九一　０　＆９ｘ（巾　一（　¨＋巾　＋　）／３）　中１　２　５　２　４　中３　６　　１６６７　０　３３３　０　４｛７　＞０　—１　４８３　４　１　０　　１６００　０　３４８　０　４００　＞０　０　０００　中５　１　６　　１５６３　０　３５７　０　３７５　＞０　２　９６７　６　２５　　１４００　Ｏ　４１　２　０　４００　＜０　１　４　８３３　中７　３５　　１４２９　０　４００　０　４５７　＞０　１１　８６７　中８　５０　　１４００　０　４１　２　０　５００　＞０　１　４　８３３　中９　７０　　１３５７　０　４３２　０　５００　＞０　２９　６６７　中１　０　９５　　１２６３　０　４９０　０　５２６　＞０　５９　３３３　中１１　１　２０　　１２５０　０　５００　０　５８３　＞０　５９　３３３　中１　２　｛５０　｛２３３　０　５１　４　０　６３３　＞０　５９　３３５　中１　３　１　８５　１　２９７　０　４６６　０　６４９　＞０　２９　６６７　中１　４　２４０　从表格知，若采用非分段电缆的方案，设Ａ。＝　（ｎ＝３，　４，…，ｌ３）；采用电缆截面分段递减的方案，取第二段的截面　为Ａ２　Ａｏ＝　，第一段的截面Ａ｝＝　ｌＡｏ＝　＋ｌ（　ｌ：中　＋ｌ／　），第　三段的截面为Ａ３＝　３Ａ０＝　一２（　３＝中　一２／中　），则对所有情况下　的Ａｏ＝　，Ａｌ　．１’Ａｚｏ中　，Ａ３＂中　一２（ｎ＝３，４，…，ｌ３）均满足　（３）式（除了Ａｏ＝　￣２５ｍｍ　，Ａｌ＝中７＝３５　ｍｍ　，Ａｚ＝　６＝２５　ｍｍ　，　Ａ３ｏ中４：１０　ｉｎｍ　的情况），即若采用非分段电缆的方案能满足电压降　要求，则采用电缆截面分段递减的方案的总电压降也满足要求。　采用电缆截面分段递减（单芯的电缆）的方案相比非分段电　缆的方案节省的铜材料计算如下：　三一（４导＋　鲁＋４　。　上一（西Ⅱ＋ｌ　Ｌ＋　Ｌ＋垂　一２Ｌｉ）　当Ｌ为单位长度，Ｎｌｍ时：　（　一（　＋Ｉ＋　。＋　２）／３）（单位为ｃｍ。）　按铜的密度为８．９　ｇ／ｃｍ。计算，换算为重量：　材料。　问题的解决　把上述的结论应用于前面提出的问题。　在问题中，Ａｏ－３５ｍｍ　。若采用电缆截面分段递减的方案，分　为三段，每段长约为８００ｍ，并取第一段的截面为Ａ　＝５０ｍｍ　，第　二段的截面为Ａｚ－３５ｍｍ　，第三段的截面为Ａ３＂１６ｒａｍ　，由表１易知　若分段前Ａ￣３５ｍｍＺｆ￣足电压降满足要求，则分段后的Ａ＿＝５０ｒａｍ　，　Ａ２＝３５ｍｍ　，Ａ３＂１６ｒａｍ　的总的电压降也满足要求。　也可以把各数据ｉ＂１＝１（２１０，ＰＯ　ｌｋＷ，Ｌ￣２４００ｍ，ＣＣ６．５　ｋＷ－ｍ／　ｍｍ　，　３５　ｍｉｎ　，Ａｌ＝５０　ｍｍ　，Ａｚ－３５ｍｍ　，Ａ３ｏ１６　ｍｍ　代入（１）　式和（２）式进行验证，得：　△【，１％≈４．４８％＜５％　△（，２％≈４．３３％＜５％　可见，采用电缆截面分段递减的方案确实满足电压降要求　（不大于Ｓ％）。　叉Ｌ：２４００ｍ，采用三相四线制的配电模式，即电缆是四芯　的，则采用电缆截面分段递减的方案比非分段电缆的方案节省的　铜材料为：４ｘ２４００ｘｌ１．８６７；ｌ１３９２３．２ｇ一１１４Ｋｇ。　整个隧道的应急照明共４回路，节省的铜材料共为：　４ｘ　ｌ　１４＝４５６Ｋｇ。即在整个隧道的应急照明回路中，采用电缆截　面分段递减的方案比非分段电缆的方案可节省铜材料约４５６Ｋｇ。　应用与推广　在隧道的照明系统中，是否采用电缆截面分段递减的方案应　该根据单个回路的配电电缆的长度决定。若单个回路的配电电缆　长度较短，所带的灯的数量不多，采用分段电缆的方案，则每段　电缆都很短，不利于施工时电缆的配盘和对电缆的管理，不建议　采用分段电缆的模式；若单个回路的配电电缆长度较长，所接的　灯具的数量较多，分段后每段电缆的长度适当，则建议采用电缆　截面分段递减的方案，可以节省电缆材料。　本文把电缆分三段作分析，实际上还可以采用分为二或四、　五…段的方法。分段的数量应该根据单回路的电缆长度决定，当　单回路的电缆长度较长，则电缆的分段的数量可相应取较多；反　之取少。