高層建筑電氣設(shè)計中低壓配電的系統(tǒng)安全性探究

屈磊

（同濟大學建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司，上海 200082）

1 工程概況

某高層建筑，項目內(nèi)容為辦公、住宅綜合樓，建筑結(jié)構(gòu)為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，整體建設(shè)面積約為8 000 m2，其中，地上建筑面積約為5 516 m2，屬于一類高層建筑工程項目。按照GB 51348—2019《民用建筑電氣設(shè)計標準》，該建筑用電負荷為二級負荷，住宅區(qū)域每戶用電負荷設(shè)計為7 kW，共包含256 戶，總用電量為1 792 kW。建筑運行過程中空調(diào)系統(tǒng)、公共用電設(shè)施、發(fā)電設(shè)備所產(chǎn)生的負荷分別為760 kW、768 kW、918 kW。對該高層建筑項目進行電氣設(shè)計時，由于低壓配電系統(tǒng)運行中的安全要求較高，所以，要求施工單位依據(jù)高層建筑用電需求，優(yōu)化低壓配電系統(tǒng)的整體設(shè)計。

2 高層建筑低壓配電系統(tǒng)設(shè)計要求

高層建筑電氣設(shè)計中，低壓配電系統(tǒng)由高、低壓配電線路以及配電變壓器、配電變電組成。低壓配電系統(tǒng)中的控制保護設(shè)施會監(jiān)測電力資源分配情況，當高層建筑中的電壓超過設(shè)計負荷時，低壓配電系統(tǒng)可直接切斷電源線路，使建筑電氣設(shè)備進入自動保護狀態(tài)。但是受多種因素影響，高層建筑低壓配電系統(tǒng)運行中的安全風險較多，使用期間會有火災、漏電、短路風險，因此，在設(shè)計高層建筑低壓配電系統(tǒng)時，還應(yīng)滿足以下要求，保證低壓配電系統(tǒng)的安全性。

1）低壓配電系統(tǒng)是高層建筑電氣設(shè)計的重要內(nèi)容，為滿足高層建筑供配電要求，設(shè)計低壓配電系統(tǒng)時應(yīng)確保供電活動的持續(xù)性。相關(guān)人員可按照高層建筑的用電需求，在電氣設(shè)計中增加電源設(shè)備，可為其提供兩個電源，且這兩個電源相互獨立，在低壓配電系統(tǒng)故障后，另一電源可作為應(yīng)急備用電源維持高層建筑電氣設(shè)備的正常使用。

2）優(yōu)化低壓配電系統(tǒng)電源線路設(shè)計，設(shè)計電源設(shè)備時，重點強調(diào)其安全性以及低壓電氣主接線設(shè)計的合理性。低壓系統(tǒng)中的主接線是連接母線、開關(guān)電氣、電力變壓器、電容器等設(shè)備的線路，因此，保證低壓電氣主接線設(shè)計的可靠性，對完善低壓配電系統(tǒng)電源功能意義重大，具體設(shè)計方式如圖1所示。

圖1 某高層建筑低壓配電系統(tǒng)中主接線設(shè)計圖

3 高層建筑電氣設(shè)計中低壓配電時的安全風險

3.1 漏電風險

現(xiàn)階段，高層建筑低壓配電過程由于部分保護裝置選用不合理，且保護設(shè)施設(shè)置不到位，低壓配電系統(tǒng)會有嚴重的漏電風險，漏電風險則會誘發(fā)安全事故，威脅高層建筑中人員的安全，同時也會造成不可預估的經(jīng)濟損失。為控制漏電風險，相關(guān)人員會在高層建筑電氣設(shè)計工作中，將漏電保護設(shè)備應(yīng)用在低配電系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)。但部分電氣設(shè)計人員缺乏對漏電保護的正確認知，所選用的保護裝置不匹配，從而使得高層建筑低壓配電系統(tǒng)運行中的漏電保護效果不佳，漏電風險依然存在[1]。

3.2 接地風險

接地風險同樣是高層建筑低壓配電系統(tǒng)中的常見安全風險。低壓配電系統(tǒng)設(shè)計過程中，接地形式的選擇、接地保護設(shè)計都可能誘發(fā)接地風險，使低壓配電系統(tǒng)運行中產(chǎn)生人員觸電、系統(tǒng)斷電等安全事故。比如，布設(shè)低壓配電系統(tǒng)的電源設(shè)施時，若接地形式選擇不合理，會使低壓配電系統(tǒng)存在安全隱患。建筑電氣設(shè)計中低壓配電系統(tǒng)內(nèi)導電設(shè)施如果沒有加強接地保護時，依然會引起導電設(shè)備內(nèi)電流外漏問題，造成嚴重的安全風險。

4 保障高層建筑低壓配電系統(tǒng)安全性的有效策略

4.1 合理應(yīng)用保護設(shè)備

針對高層建筑低壓配電系統(tǒng)中的漏電風險，相關(guān)人員可通過合理應(yīng)用保護設(shè)備的方式，確保系統(tǒng)的安全性。對此，可根據(jù)漏電風險的產(chǎn)生原因，針對性地選用保護設(shè)備，維護低壓配電系統(tǒng)的安全性。

1）按照高層建筑的電力負荷，科學選擇漏電保護設(shè)施，設(shè)置漏電動作電流量。比如，對于建筑面積小于1 500 m2的住宅區(qū)域，可選用漏電斷路器作為保護裝置，漏電斷路器的漏電動作電流可設(shè)置為300 mA；住宅區(qū)域建筑面積處于1 500～6 000 m2時，漏電動作電流應(yīng)設(shè)置為500 mA；當建筑內(nèi)住宅面積超過6 000 m2時，在應(yīng)用漏電斷路器時，應(yīng)在低壓配電系統(tǒng)中增設(shè)多組漏電斷路器，并采用多路配電的基本模式。在此過程中，為全方位提升低壓配電系統(tǒng)的安全性，布設(shè)保護裝置時，相關(guān)人員還應(yīng)分別在主線路末端、電路直線位置、所有電氣設(shè)備等區(qū)域安裝漏電斷路器，并使斷路器的動作電流值大于高層建筑低壓配電系統(tǒng)運行中的泄漏電流量。

2）低壓配電系統(tǒng)中的備用電源同樣可作為系統(tǒng)保護設(shè)施，用以增強系統(tǒng)安全性。對于高層建筑電氣設(shè)計工作，相關(guān)人員應(yīng)以低壓配電系統(tǒng)的安全運行為目標設(shè)計備用電源。為發(fā)揮備用電源的安全保護功能，還應(yīng)使其滿足以下要求：（1）將單臺機組作為備用電源時，還應(yīng)合理控制機組的額定容量，同時通過有效的線路設(shè)計，使備用電源能夠在系統(tǒng)斷電后的3 s 內(nèi)自行啟動。（2）備用電源中發(fā)動機處于額定轉(zhuǎn)速后，應(yīng)嚴格控制電流量，盡量分批投入電流，以免因低壓母線壓降后出現(xiàn)安全風險。（3）低壓配電系統(tǒng)恢復供電后，應(yīng)在30 s 后將供電任務(wù)轉(zhuǎn)移給系統(tǒng)，并且在系統(tǒng)穩(wěn)定運行后的5～10 min 后關(guān)閉備用電源的發(fā)電設(shè)備。

4.2 優(yōu)化接地保護設(shè)計

高層建筑電氣設(shè)計中低壓配電系統(tǒng)所造成的安全隱患，容易在安全事故發(fā)生后引起火災，威脅建筑內(nèi)的住戶或商戶的人身安全。所以，為確保低壓配電系統(tǒng)的安全性，高層建筑從宏觀角度出發(fā)，全面優(yōu)化接地保護設(shè)計。目前，高層建筑低壓配電時的接地保護模式可分為IT、TT、TN 3 種。其中，IT 接地保護模式是將接地故障保護設(shè)備安裝在高層建筑電網(wǎng)外，將外部導電設(shè)備的電壓值控制在合理范圍內(nèi)。若在低壓配電系統(tǒng)運行中電壓持續(xù)上升，且超出標準值，接地保護設(shè)備可直接將供電線路切除。高層建筑中IT 接地模式的線路設(shè)計圖，如圖2 所示。

圖2 高層建筑IT 接地模式線路設(shè)計圖

另外，對于高層建筑而言，低壓配電系統(tǒng)中的線路形式通常為380/220 V 的三相四線，相關(guān)人員可使用TT 接地保護模式強化低壓配電系統(tǒng)的安全性。TT 接地保護模式的主要原理是在高層建筑產(chǎn)生的照明負荷、動力負荷后，通過RP 接地法，靈活地將地級電氣設(shè)備、中心點接地設(shè)備相連接，使RE 接地極小于RP 接地極，二者串聯(lián)后可產(chǎn)生10 V 電壓降，借此阻隔低壓配電系統(tǒng)運行中的故障回路，保障系統(tǒng)安全性。

TN 接地保護模式是通過電流保護的方式應(yīng)對短路問題，以此維持低壓配電系統(tǒng)運行過程中的安全性。電氣設(shè)計人員可根據(jù)高層建筑電網(wǎng)線路的特點，設(shè)置接地設(shè)備，用接地保護設(shè)施在各相線碰撞后的金屬外殼和保護零線將短路電流控制在閉合回路中，隨后啟動繼電保護裝置將電源切斷，預防觸電、漏電風險。在此過程中，電氣設(shè)計人員應(yīng)科學地選擇中性點、保護線的組織形式，用更可靠的TN-S 線路隔離PE 線路，或是用TN-C-S 阻隔相鄰導線、進戶桿，強化低壓配電系統(tǒng)的安全防護功能[2]。

4.3 重視低壓配電系統(tǒng)優(yōu)化

為提升高層建筑低壓配電系統(tǒng)的安全性能，相關(guān)人員在電氣設(shè)計中還應(yīng)重視低壓配電系統(tǒng)本身的優(yōu)化。一般情況下，高層建筑供配電時往往包含兩層負荷，所以，在設(shè)計低壓配電系統(tǒng)時，應(yīng)增加變壓器數(shù)量，至少配置兩臺或兩臺以上的變壓器。選用系統(tǒng)電源時，可按照高層建筑配電功率的要求，合理安裝柴油發(fā)電機組，布設(shè)備用電源機組。使備用電源、核心發(fā)電機組能夠在高層建筑使用中自由切換，滿足建筑物供配電要求，或是在安全風險產(chǎn)生后啟動備用電源，對應(yīng)急裝置、消防設(shè)備、安全報警裝置供應(yīng)電流。除此之外，高層建筑在設(shè)計低壓配電系統(tǒng)時，可將自動化技術(shù)、計算機技術(shù)應(yīng)用在系統(tǒng)安全管理中，用先進的技術(shù)手段強化低壓配電系統(tǒng)安全風險控制，使其時刻處于安全、可靠的運行狀態(tài)。

4.4 完善低壓配電安全設(shè)計

為在高層建筑電氣設(shè)計中保障低壓配電系統(tǒng)的安全性，相關(guān)人員還應(yīng)進一步完善高層建筑的低壓配電安全設(shè)計。

1）電氣設(shè)計過程中，應(yīng)全面考察高層建筑工程項目，獲取高層建筑建設(shè)信息，及其所需的電氣設(shè)備類型、周圍環(huán)境等。隨后以此為依據(jù)，設(shè)計合理的供電線路，安裝電氣設(shè)備、供配電線路時，還需提前預防線路腐蝕風險。比如，電氣設(shè)計人員應(yīng)基于GB 51348—2019《民用建筑電氣設(shè)計標準》中的相關(guān)標準選擇低壓配電系統(tǒng)中的材料設(shè)備，同時禁止電氣施工人員改動供電線路配置方案。對于照明、消防等關(guān)鍵用電設(shè)施，還應(yīng)加強安全設(shè)計力度，選擇更可靠的供電線路設(shè)計方案。

2）低壓配電過程中，相關(guān)人員應(yīng)重視配電方案的安全設(shè)計。對此，相關(guān)人員在科學配置變壓器、柴油發(fā)電機組后，應(yīng)根據(jù)高層建筑中配電設(shè)備的實際需求，科學地控制電流供應(yīng)量。目前，高層建筑內(nèi)低壓配電系統(tǒng)的主要負荷來源包括基礎(chǔ)電氣設(shè)備、建筑通風設(shè)備、空調(diào)設(shè)備、給排水設(shè)備等，為預防短路、斷電等風險問題，應(yīng)結(jié)合高層建筑內(nèi)各類用電設(shè)施的實際需求，計算電源負荷，確定各區(qū)域電力設(shè)備、配電線路的安裝數(shù)量和設(shè)計位置。比如，對于高層建筑的通風設(shè)備，排煙機所需的風量為36 000 m3/h 時，電機配電容量為11 kW；送風機所需風量為25 000 m3/h 時，電機配電容量為7.5 kW。電氣設(shè)計時相關(guān)人員可根據(jù)電機配電容量，針對性的設(shè)計低壓配電線路，安裝配電設(shè)備，保障高層建筑使用中低壓配電系統(tǒng)的安全性[3]。

5 結(jié)語

綜上所述，對于樓層較多的高層建筑，其內(nèi)部空間中的電氣設(shè)計更為復雜，低壓配電系統(tǒng)所涉及的設(shè)備、線路較多，所以，為增強高層建筑低壓配電系統(tǒng)的安全性，保障其用電質(zhì)量，相關(guān)人員還應(yīng)深入分析高層建筑低壓配電安全風險，并通過合理布設(shè)保護裝置、科學應(yīng)用接地保護模式、加強供配電線路安全設(shè)計等方式，提升高層建筑電氣設(shè)計整體水平，建設(shè)更可靠的建筑低壓配電系統(tǒng)。