高層建筑電氣設計中低壓配電系統(tǒng)淺議
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［摘要］我國高層建筑是我國建筑工程產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的形式之一，也是城市現(xiàn)代化建設的重要內容。低壓配電系統(tǒng)是維持高層建筑功能實現(xiàn)的關鍵，但是同樣也是產(chǎn)生安全風險的主要環(huán)節(jié)。如果設計不合理或者安全防護能力不足，極有可能發(fā)生安全風險，影響建筑居住使用的安全性。為此，本文針對低壓配電系統(tǒng)設計的安全性進行研究，分析風險因素與接地設計，提出安全設計對策，為高層建筑電氣設計提供技術參考。
［關鍵詞］高層建筑；電氣設備；低壓配電系統(tǒng)；安全性
我國高層建筑的定義為十層或以上的建筑物，隨著建筑樓層的增加，電氣設備數(shù)量和用電住戶數(shù)量會增多，而且不同用戶的電氣設備功率、數(shù)量存在較大的差異，如果建筑電氣設計不合理，就會在正常使用過程中發(fā)生故障，影響建筑用電體驗。所以在高層建筑設計中，電氣系統(tǒng)的安全防護能力也是設計的重點。因此，高層建筑低壓配電系統(tǒng)設計應以安全為基本原則，為建筑的正常運轉提供穩(wěn)定的電能供應，推動城市穩(wěn)定發(fā)展。
1低壓配電系統(tǒng)安全風險因素
1.1系統(tǒng)過載系統(tǒng)過載是低壓配電系統(tǒng)常見的風險因素之一，在系統(tǒng)運行過程中，由于短路或者大功率用電設備的應用，導致配電系統(tǒng)運行過載。這種情況下，為了保護配電系統(tǒng)的安全性，斷路器或者熔斷保護裝置就會及時發(fā)揮作用，切斷配電系統(tǒng)的電能供應，從而避免引發(fā)電氣設備損壞和電氣火災等安全風險[1]。但是，如果配電系統(tǒng)的熔斷與短路保護裝置設備不合理，或者不能及時發(fā)揮作用，就會導致電路安全故障的發(fā)生，影響配電系統(tǒng)的安全性。
1.2接地質量
電氣接地是低壓配電系統(tǒng)保護的重要措施，能夠有效保護配電系統(tǒng)中電氣設備與線路的安全。在配電系統(tǒng)發(fā)生漏電或者其他故障時，為了避免安全事故的發(fā)生，接地系統(tǒng)會發(fā)揮作用，提供良好的安全防護。如果電氣接地質量存在問題，接地不可靠，那么就無法達到預期的保護效果，造成安全風險升高[2]。
1.3保護設備
保護設備包括低壓配電系統(tǒng)運行過程中的所有保護裝置，例如，接地保護、過流保護、斷路保護等，這些保護裝置的功能直接關系著整個配電系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。保護裝置如果選擇不合理，就會導致系統(tǒng)運行不穩(wěn)定。所以，在設計過程中需要科學合理地選擇保護設備，避免此類問題發(fā)生[3]。
1.4越級跳閘
越級跳閘問題是當前高層建筑低壓配電系統(tǒng)中存在最為普遍、影響最大的配電系統(tǒng)故障，不僅會造成經(jīng)濟損失，同時還會威脅配電系統(tǒng)運行的安全性。通常來講，配電系統(tǒng)在發(fā)生故障時，如果下級配電系統(tǒng)故障，那么保護裝置應該切斷下級配電系統(tǒng)供電，實現(xiàn)對配電系統(tǒng)的保護。但是，越級跳閘情況表現(xiàn)為下級配電系統(tǒng)發(fā)生故障，上級配電系統(tǒng)無選擇地進行跳閘切斷，導致大范圍的斷電。這種情況嚴重威脅了城市的正常運轉，必然會導致嚴重的經(jīng)濟損失，甚至可能造成嚴重風險事故，需要配電系統(tǒng)設計人員加以重視。
2高層建筑低壓配電系統(tǒng)安全性分析
2.1供電線路安全性分析
高層建筑供配電系統(tǒng)設計過程中，為了提升其安全性，需要重點考慮建筑物的結構特點、材料、性質、環(huán)境以及電氣配置，從而實現(xiàn)全面的安全風險分析，提高供配電線路的安全性。根據(jù)環(huán)境的不同，配電線路需要考慮自然腐蝕、外力破壞等眾多因素，從而進行有效防護。例如，消防系統(tǒng)需要專門設計供電系統(tǒng)，配電線路能夠一定程度上抵抗高溫和火災。當高層建筑發(fā)生火災時，消防系統(tǒng)的配電系統(tǒng)需要能夠穩(wěn)定運行，為消防水泵的設備提供動力，實現(xiàn)對火災的撲救和人員的疏散。
2.2配電方案安全性分析
配電方案的安全性主要體現(xiàn)在配電系統(tǒng)發(fā)生故障后，其故障排除效率與系統(tǒng)供電恢復速度。通常情況下，電力系統(tǒng)的配電方案為高層建筑配電系統(tǒng)配置兩臺變壓器，并且設置一臺應急柴油發(fā)電機。在一臺變壓器發(fā)生故障時，系統(tǒng)能夠通過調節(jié)控制切換到另一臺變壓器，保障系統(tǒng)的正常電能供應。當同時發(fā)生故障，無法完成供電時，柴油發(fā)電機作業(yè)，提供配電系統(tǒng)基本設備的供電，保障最基本的安全照明等功能正常運行。
3高層建筑電氣設計中低壓配電系統(tǒng)的接地
3.1低壓配電系統(tǒng)接地安全保護
在任何配電系統(tǒng)中，人身安全的防護永遠處于第一位，因此在高層建筑低壓配電系統(tǒng)設計中，為了保護建筑物內的居民人身安全和配電作業(yè)人員安全，需要在設計時選擇可靠的配電系統(tǒng)接地保護方式。由于高層建筑樓層高，人員數(shù)量多，所以發(fā)生安全問題時需要爭取更多的疏散時間。在配電系統(tǒng)發(fā)生故障時，接地保護能夠迅速切斷故障位置的供電，保護設備和人員不受傷害。在接地系統(tǒng)設計時，需要考慮地形因素和配電系統(tǒng)參數(shù)等，確保接地保護的可靠性。
3.2低壓配電系統(tǒng)接地保護形式
3.2.1低壓配電。TT系統(tǒng)TT接地系統(tǒng)的特點是將系統(tǒng)內的負載設備外露不與帶電體相接的金屬導電部分與大地直接連接，這種方式減少了系統(tǒng)的接線，接地方式簡單，對配電系統(tǒng)也有保護效果。但每個電氣設備均單獨直接與大地連接，接地裝置耗用鋼材多，工程量大，對接地裝置的接地電阻要求也難以滿足，所以，TT系統(tǒng)并不適于在高層建筑中使用。3.2.2低壓配電。IT系統(tǒng)IT系統(tǒng)有非常好的安全防護效果，當IT系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，其對地電流一般很小，外露導電設備對地電壓不高，不需要切斷故障回路，供電連續(xù)性好，所以較多用于一般不允許停電的場所，如地下礦井、醫(yī)院手術室等。但IT系統(tǒng)對電源系統(tǒng)的對地絕緣性能要求較高，同時，IT接地系統(tǒng)對包括中性導體在內的任何帶電部分嚴禁直接接地，當系統(tǒng)發(fā)生接地故障時無法及時發(fā)現(xiàn)并排除，存在著安全隱患，所以并不大適用于一般的高層民用建筑。3.2.3低壓配電。TN系統(tǒng)TN接地系統(tǒng)可分為TN-C、TN-S與TN-C-S三種形式。區(qū)別在于TN-C系統(tǒng)用工作零線兼作接零保護線，稱作保護中性線（PEN線）；TN-S系統(tǒng)的工作零線N和專用保護線（PE線）嚴格分開；TN-C-S系統(tǒng)前部分采用保護中性線（PEN線），后部分現(xiàn)場總配電箱分出PE線。其共同點在于它們都有專用的PE或PEN線與系統(tǒng)內所有配電設備進行有效接地連接，當系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，系統(tǒng)接地電流大，系統(tǒng)配電保護設備能快速察覺并斷開故障回路，從而保障系統(tǒng)對接地故障安全性的保護要求。因TN-C與TN-C-S系統(tǒng)存在PE線與N線合用情況，可靠性沒有N線和專用保護線（PE線）嚴格分開的TN-S系統(tǒng)高，所以，目前高層建筑的接地系統(tǒng)普遍采用TN-S接地形式。
4低壓配電系統(tǒng)安全性設計對策
4.1科學選擇漏電保護裝置
低壓配電系統(tǒng)發(fā)生故障時，漏電保護裝置能夠確保系統(tǒng)安全。在漏電保護裝置的選擇時，應注意以下幾點：（1）漏電保護裝置應能斷開被保護回路的所有帶電導體。（2）保護接地導體（PE線）不應穿過漏電保護裝置的磁回路。（3）應確保回路正常運行時的自然泄漏電流不致引起漏電保護裝置誤動作。（4）上下級漏電保護裝置之間應有選擇性，并可通過額定動作電流值和動作時間的級差來保證。（5）用于電子信息設備、醫(yī)療電氣設備的漏電保護裝置應采用電磁式；另外，對不同的配電系統(tǒng)接地形式，漏電保護裝置選擇也有不同的要求。漏電保護裝置可以用于TN系統(tǒng)和TN-C-S系統(tǒng)中，但嚴禁用于TN-C系統(tǒng)。需注意的是用于TN-C-S系統(tǒng)中時，保護裝置的負荷側不得再出現(xiàn)保護接地中性導體，應在漏電保護裝置的電源側將中性導體與保護接地導體分別引出。漏電保護裝置用于TT系統(tǒng)或作為IT系統(tǒng)的附加防護時，需采用下式進行校驗：R*IΔn≤50V式中：R——可同時觸及的外露可導電部分和保護接地導體或外界可導電部分之間的電阻（Ω）；IΔn——漏電保護裝置額定剩余動作電流）（A）。
4.2合理選擇接觸器
配電系統(tǒng)設計中，部分人往往只注重于斷路器的選擇而忽略了接觸器的要求，接觸器作為配電系統(tǒng)中的重要功能性開關電器之一，其選用應根據(jù)配電系統(tǒng)的實際復雜情況和使用場所確定。接觸器用于低壓電動機保護時，應保證接觸器線圈的電壓不低于釋放電壓，且接觸器的限制短路電流不應小于安裝處的預期短路電流。接觸器主觸頭額定電流應大于等于電動機的額定電流或線路的計算電流，且應留有余量，并應考慮接觸器所服務對象的工作制，當接觸器用于長期工作制下應降容使用。接觸器用于照明系統(tǒng)時，接觸器的電流選擇應不大于用電設備（線路）額定電流的90％。對于鎢絲燈及有電容補償?shù)恼彰餮b置，應考慮其接通電流值。同時，處于不同溫度、濕度、使用場所振動、塵埃、化學腐蝕等環(huán)境時，應按相應環(huán)境選用不同類型接觸器。
4.3熱繼電器設計
高層建筑低壓配電系統(tǒng)中設計熱繼電器，主要作用是為發(fā)電機提供過載保護，使電動機能夠最大程度發(fā)揮性能，在短時間內實現(xiàn)過載和啟動。在熱繼電器的設計時，需要考慮以下幾個方面的因素：其一，熱繼電器類型的選擇，通常高層建筑熱繼電器選擇不帶斷相保護的設備，如果作為配電系統(tǒng)電動機過載保護使用，則選擇具備斷相保護的熱繼電器。其二，設備額定電流與型號選擇。在設計選擇時，需要考慮熱繼電器的整定電流應接近并不小于電動機的額定電流，并且能夠在配電系統(tǒng)中穩(wěn)定發(fā)揮功能作用。
4.4變壓器設計
變壓器的設計原則因素較多，從配電系統(tǒng)安全性的角度來看，主要集中在變壓器的選用類型、變壓器的容量和變壓器的負載率幾個方面。變壓器按冷卻方式可分為干式變壓器和油浸式變壓器。油浸式變壓器性能優(yōu)良、價格低廉，但油浸式變壓器用硅油絕緣，其燃點為180℃，高燃點為360℃，發(fā)生匝間短路或過負荷可導致變壓器內產(chǎn)生瓦斯氣體，易發(fā)生火災和爆炸。所以，目前高層民用建筑中已不再采用油浸式變壓器。干式變壓器無可燃油，也不會產(chǎn)生瓦斯爆炸，在民用建筑中，人員密集，使用干式變壓器降低了火災危險，安全性更好。另外，使用干式變壓器的變電所占用面積小，防火要求也比油浸式變壓器低，整體造價有優(yōu)勢。高層建筑的規(guī)模較于一般建筑更大，用電設備更多，如果選用大容量的變壓器容量，其供電范圍和供電半徑可能偏大，對配電系統(tǒng)的繼電保護和低壓斷路器等設備要求更高，當保護設備達不到要求或者故障時，更容易出現(xiàn)安全性風險，故結合實際需求，高層建筑中不建議選用大于1250kVA的單臺變壓器。變壓器負載率應按單臺變壓器所接的用電設備的總計算負荷除以其容量進行計算，設計時應合理分配各變壓器所連接的用電負載，使變壓器的長期工作負載率保持在接近且不大于85％的最佳范圍，避免變壓器過載和低負載運行。
5結束語
綜上所述，高層建筑低壓配電系統(tǒng)設計的安全性，關鍵在于接地防護系統(tǒng)的設計、配電系統(tǒng)運行方案的設計、防護設備的配置、變壓器的配置等方面。通過對以上內容的科學選擇，能夠保障高層建筑配電系統(tǒng)運行過程中有效防護安全風險，提升配電系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，為建筑使用提供可靠的電力供應。
參考文獻
[1]周中軍，林猛.高層建筑電氣設計中低壓配電系統(tǒng)的安全性分析[J].住宅與房地產(chǎn)，2020（24）：97.
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[3]王軍海，劉金躍.高層建筑電氣設計中低壓配電系統(tǒng)安全性研究[J].商情，2019（7）：215.
作者:黃文彪 單位:廣州建筑產(chǎn)業(yè)開發(fā)有限公司