高層建筑電氣設(shè)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(shè)的重要內(nèi)容。低壓配電系統(tǒng)是維持高層建筑功能實現(xiàn)的關(guān)鍵，但是同樣也是產(chǎn)生安全風(fēng)險的主要環(huán)節(jié)。如果設(shè)計不合理或者安全防護(hù)能力不足，極有可能發(fā)生安全風(fēng)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(shè)計的安全性進(jìn)行研究，分析風(fēng)險因素與接地設(shè)計，提出安全設(shè)計對策，為高層建筑電氣設(shè)計提供技術(shù)參考。
［關(guān)鍵詞］高層建筑；電氣設(shè)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(shè)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(shè)備功率、數(shù)量存在較大的差異，如果建筑電氣設(shè)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(shè)計中，電氣系統(tǒng)的安全防護(hù)能力也是設(shè)計的重點。因此，高層建筑低壓配電系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)以安全為基本原則，為建筑的正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供穩(wěn)定的電能供應(yīng)，推動城市穩(wěn)定發(fā)展。
1低壓配電系統(tǒng)安全風(fēng)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(fēng)險因素之一，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，由于短路或者大功率用電設(shè)備的應(yīng)用，導(dǎo)致配電系統(tǒng)運(yùn)行過載。這種情況下，為了保護(hù)配電系統(tǒng)的安全性，斷路器或者熔斷保護(hù)裝置就會及時發(fā)揮作用，切斷配電系統(tǒng)的電能供應(yīng)，從而避免引發(fā)電氣設(shè)備損壞和電氣火災(zāi)等安全風(fēng)險[1]。但是，如果配電系統(tǒng)的熔斷與短路保護(hù)裝置設(shè)備不合理，或者不能及時發(fā)揮作用，就會導(dǎo)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(zhì)量
電氣接地是低壓配電系統(tǒng)保護(hù)的重要措施，能夠有效保護(hù)配電系統(tǒng)中電氣設(shè)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(hù)。如果電氣接地質(zhì)量存在問題，接地不可靠，那么就無法達(dá)到預(yù)期的保護(hù)效果，造成安全風(fēng)險升高[2]。
1.3保護(hù)設(shè)備
保護(hù)設(shè)備包括低壓配電系統(tǒng)運(yùn)行過程中的所有保護(hù)裝置，例如，接地保護(hù)、過流保護(hù)、斷路保護(hù)等，這些保護(hù)裝置的功能直接關(guān)系著整個配電系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。保護(hù)裝置如果選擇不合理，就會導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定。所以，在設(shè)計過程中需要科學(xué)合理地選擇保護(hù)設(shè)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(dāng)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(jì)損失，同時還會威脅配電系統(tǒng)運(yùn)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(hù)裝置應(yīng)該切斷下級配電系統(tǒng)供電，實現(xiàn)對配電系統(tǒng)的保護(hù)。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(jìn)行跳閘切斷，導(dǎo)致大范圍的斷電。這種情況嚴(yán)重威脅了城市的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，必然會導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至可能造成嚴(yán)重風(fēng)險事故，需要配電系統(tǒng)設(shè)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(shè)計過程中，為了提升其安全性，需要重點考慮建筑物的結(jié)構(gòu)特點、材料、性質(zhì)、環(huán)境以及電氣配置，從而實現(xiàn)全面的安全風(fēng)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(jìn)行有效防護(hù)。例如，消防系統(tǒng)需要專門設(shè)計供電系統(tǒng)，配電線路能夠一定程度上抵抗高溫和火災(zāi)。當(dāng)高層建筑發(fā)生火災(zāi)時，消防系統(tǒng)的配電系統(tǒng)需要能夠穩(wěn)定運(yùn)行，為消防水泵的設(shè)備提供動力，實現(xiàn)對火災(zāi)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(fù)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(shè)置一臺應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)。在一臺變壓器發(fā)生故障時，系統(tǒng)能夠通過調(diào)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(yīng)。當(dāng)同時發(fā)生故障，無法完成供電時，柴油發(fā)電機(jī)作業(yè)，提供配電系統(tǒng)基本設(shè)備的供電，保障最基本的安全照明等功能正常運(yùn)行。
3高層建筑電氣設(shè)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(hù)
在任何配電系統(tǒng)中，人身安全的防護(hù)永遠(yuǎn)處于第一位，因此在高層建筑低壓配電系統(tǒng)設(shè)計中，為了保護(hù)建筑物內(nèi)的居民人身安全和配電作業(yè)人員安全，需要在設(shè)計時選擇可靠的配電系統(tǒng)接地保護(hù)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(hù)能夠迅速切斷故障位置的供電，保護(hù)設(shè)備和人員不受傷害。在接地系統(tǒng)設(shè)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(hù)的可靠性。
3.2低壓配電系統(tǒng)接地保護(hù)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(nèi)的負(fù)載設(shè)備外露不與帶電體相接的金屬導(dǎo)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(hù)效果。但每個電氣設(shè)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(hù)效果，當(dāng)IT系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，其對地電流一般很小，外露導(dǎo)電設(shè)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(shù)室等。但I(xiàn)T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(dǎo)體在內(nèi)的任何帶電部分嚴(yán)禁直接接地，當(dāng)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(hù)線，稱作保護(hù)中性線（PEN線）；TN-S系統(tǒng)的工作零線N和專用保護(hù)線（PE線）嚴(yán)格分開；TN-C-S系統(tǒng)前部分采用保護(hù)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(nèi)所有配電設(shè)備進(jìn)行有效接地連接，當(dāng)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(hù)設(shè)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(hù)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(hù)線（PE線）嚴(yán)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(shè)計對策
4.1科學(xué)選擇漏電保護(hù)裝置
低壓配電系統(tǒng)發(fā)生故障時，漏電保護(hù)裝置能夠確保系統(tǒng)安全。在漏電保護(hù)裝置的選擇時，應(yīng)注意以下幾點：（1）漏電保護(hù)裝置應(yīng)能斷開被保護(hù)回路的所有帶電導(dǎo)體。（2）保護(hù)接地導(dǎo)體（PE線）不應(yīng)穿過漏電保護(hù)裝置的磁回路。（3）應(yīng)確?；芈氛＿\(yùn)行時的自然泄漏電流不致引起漏電保護(hù)裝置誤動作。（4）上下級漏電保護(hù)裝置之間應(yīng)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(shè)備、醫(yī)療電氣設(shè)備的漏電保護(hù)裝置應(yīng)采用電磁式；另外，對不同的配電系統(tǒng)接地形式，漏電保護(hù)裝置選擇也有不同的要求。漏電保護(hù)裝置可以用于TN系統(tǒng)和TN-C-S系統(tǒng)中，但嚴(yán)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(hù)裝置的負(fù)荷側(cè)不得再出現(xiàn)保護(hù)接地中性導(dǎo)體，應(yīng)在漏電保護(hù)裝置的電源側(cè)將中性導(dǎo)體與保護(hù)接地導(dǎo)體分別引出。漏電保護(hù)裝置用于TT系統(tǒng)或作為IT系統(tǒng)的附加防護(hù)時，需采用下式進(jìn)行校驗：R*IΔn≤50V式中：R——可同時觸及的外露可導(dǎo)電部分和保護(hù)接地導(dǎo)體或外界可導(dǎo)電部分之間的電阻（Ω）；IΔn——漏電保護(hù)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(shè)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(guān)電器之一，其選用應(yīng)根據(jù)配電系統(tǒng)的實際復(fù)雜情況和使用場所確定。接觸器用于低壓電動機(jī)保護(hù)時，應(yīng)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(yīng)小于安裝處的預(yù)期短路電流。接觸器主觸頭額定電流應(yīng)大于等于電動機(jī)的額定電流或線路的計算電流，且應(yīng)留有余量，并應(yīng)考慮接觸器所服務(wù)對象的工作制，當(dāng)接觸器用于長期工作制下應(yīng)降容使用。接觸器用于照明系統(tǒng)時，接觸器的電流選擇應(yīng)不大于用電設(shè)備（線路）額定電流的90％。對于鎢絲燈及有電容補(bǔ)償?shù)恼彰餮b置，應(yīng)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(xué)腐蝕等環(huán)境時，應(yīng)按相應(yīng)環(huán)境選用不同類型接觸器。
4.3熱繼電器設(shè)計
高層建筑低壓配電系統(tǒng)中設(shè)計熱繼電器，主要作用是為發(fā)電機(jī)提供過載保護(hù)，使電動機(jī)能夠最大程度發(fā)揮性能，在短時間內(nèi)實現(xiàn)過載和啟動。在熱繼電器的設(shè)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(hù)的設(shè)備，如果作為配電系統(tǒng)電動機(jī)過載保護(hù)使用，則選擇具備斷相保護(hù)的熱繼電器。其二，設(shè)備額定電流與型號選擇。在設(shè)計選擇時，需要考慮熱繼電器的整定電流應(yīng)接近并不小于電動機(jī)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(shè)計
變壓器的設(shè)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(fù)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(fù)荷可導(dǎo)致變壓器內(nèi)產(chǎn)生瓦斯氣體，易發(fā)生火災(zāi)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(zāi)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(shè)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(hù)和低壓斷路器等設(shè)備要求更高，當(dāng)保護(hù)設(shè)備達(dá)不到要求或者故障時，更容易出現(xiàn)安全性風(fēng)險，故結(jié)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(fù)載率應(yīng)按單臺變壓器所接的用電設(shè)備的總計算負(fù)荷除以其容量進(jìn)行計算，設(shè)計時應(yīng)合理分配各變壓器所連接的用電負(fù)載，使變壓器的長期工作負(fù)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(fù)載運(yùn)行。
5結(jié)束語
綜上所述，高層建筑低壓配電系統(tǒng)設(shè)計的安全性，關(guān)鍵在于接地防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計、配電系統(tǒng)運(yùn)行方案的設(shè)計、防護(hù)設(shè)備的配置、變壓器的配置等方面。通過對以上內(nèi)容的科學(xué)選擇，能夠保障高層建筑配電系統(tǒng)運(yùn)行過程中有效防護(hù)安全風(fēng)險，提升配電系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，為建筑使用提供可靠的電力供應(yīng)。
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作者:黃文彪 單位:廣州建筑產(chǎn)業(yè)開發(fā)有限公司