國內外主流電氣設計做法對比分析

尤士剛

(北京三磊建筑設計有限公司，北京 100048)

國內外主流電氣設計做法對比分析

尤士剛

(北京三磊建筑設計有限公司，北京 100048)

本文對國內外的主流電氣設計做法進行了總結，對各種做法進行了對比分析，并提出了在國內可施行的做法建議。

配電系統 可靠性 雙電源切換 末端切換 疏散照明 自帶電源型 集中電源型 集中控制型 應急照明智能監控系統 消防應急照明燈具 消防應急標志燈具 EPS UPS

1 引言

我國改革開放已三十年，大規模的建設促進了建筑設計行業的蓬勃發展。境外建筑師事務所、機電顧問公司的作品，在國內建筑市場中所占的比重也越來越大，這也充分體現了中華文化強大的包容性。傳統的機電設計，應突破藩籬，充分吸納境外機電顧問的優點，符合工程建設的需求。因此，本文從工程建設管理及配電系統做法方面，總結和比較了國內外主流電氣做法的特點和差異，與業內同仁分享。

2 工程建設管理的差異

工程管理方法會影響到各個環節的組織、表達和銜接，所以了解國內、外工程建設管理方面的差異非常必要，下文對存在差異之處進行詳細介紹。

2.1 設計階段劃分上的差異

1)國內設計階段一般劃分為方案設計、初步設計及施工圖階段。各階段設計深度按《建筑工程設計文件編制深度規定》(2008年版)執行。

2)國外設計階段劃分基本與國內相同，但實施的主體不同，各階段深度不同。

國外的方案設計、初步設計文件由設計方(建筑師事務所、機電顧問)提供，而施工圖由中標的承包商負責，如此劃分的理由有如下幾點：

(1)初步設計中充分體現“設計”的份量，其文件深度可充分滿足工程概算的要求。

(2)承包商依據設計文件中體現出的技術要求，充分考慮系統特點，并結合擬采用的機電設備，組織有競爭力的投標文件。中標承包商的工程技術人員會跟進完成“施工圖”，此“施工圖”會充分體現施工安裝的具體要求(深度遠超國內的施工圖)，可真正指導施工。在施工過程中，無法實施之處或其他需要變更之處，工程技術人員會及時修改施工圖，待施工結束時，施工圖自然而然演變成為了“竣工圖”。這樣的竣工圖才真正具有歸檔、后期維護的指導意義。相比而言，我國的竣工圖只是將設計變更的內容補充到了施工圖中，而二次機電、廠商深化圖紙等更改并沒有反映到竣工圖紙中，因而是不完整的。國內外設計階段劃分差異如圖1所示。

2.2 文件組織及表達上的差異

基于上述分析，國外的初步設計文件作為設計的終極產品，其文件深度要超出國內的初設文件。下面以某個項目為例進行展開說明。

1)機電專業劃分

MEP(機電)工程分為Mechanical(設備)、Electrical(電氣)和Plumbing(管道)三部分。

境外機電顧問公司通常按Electrical(電氣)、Low Current(弱電)和Mechanical(設備)三個專業進行工作劃分。相對于國內的機電設計，其特點如下：

(1)弱電設計由獨立的專業工程師負責，不屬于“電氣設計”的范疇，更能體現專業性。

(2)機電顧問為建筑師提供電梯需求分析報告。

(3)不分“水”、“暖”，更有利于系統的設備各子系統的綜合設計考量。

2)內容編排

國外的機電初步設計文件一般按從平面到系統的順序編排，電氣專業的設計文件內容及特點如下(以某公司的設計舉例)：

(1)通用部分(說明、文字符號、圖例、安裝作法圖)

因施工圖由中標承包商負責，因而設計文件中會給出各類安裝做法要求，對后續的工作指令明確(國內設計通常引用“標準圖”，若選用不夠細致或附加說明不到位，會引起加工制作上的偏差)。安裝做法中還包含照明控制接線原理圖。

(2)應急照明平面，表述各類消防應急燈具的布置及回路劃分。

(3)照明平面，表述各類普通照明燈具的布置、控制要求和開關設置等。

(4)電力平面，表述內容包括：主干電纜橋架路由(單線圖，區分出種類)，各類電力設備位置及相應的控制柜/箱位置，配電箱位置和風機盤管(FCU)位置等。

(5)末端照明配電箱系統

因涉及大量關聯數據，一般利用EXCEL表實現。表1為筆者參考某境外設計文件編制(僅為示意性)，以供參考。

(6)配電柜/箱系統，以CAD單線系統圖的形式給出，此圖側重系統性，反映重要電氣參數。

(7)各變配電室低壓配電系統均以CAD單線系統圖的形式給出，此圖側重系統性，反映重要電氣參數。此圖實現了國內設計中的“低壓配電系統圖”和“配電干線系統圖”表達要求，參見圖2。

(8)電纜選型計算表

若想準確地進行電纜選擇，需綜合截面、電壓損失、載流量、校正系數、同路徑電纜數量等眾多因素進行詳盡的計算，涉及大量關聯數據。利用EXCEL可充分實現此需求。

表2為筆者參考某境外設計文件編制的電纜選型計算表(僅為示意性，EXCEL表內的關聯數據定義不在本文介紹范圍內)，以供參考。

以電纜選型計算表來表達的優勢包括：計算過程及結論一目了然，便于追溯及修改；此表可集中地反映整個項目對主電纜需求的信息，有利于工程概算；在系統圖中不再出現電纜的具體選型信息，使系統圖重點突出。

(9)各類豎向系統圖，復雜項目可包括：a)中壓主干豎向單線圖(參見圖3)，反映中壓配電室與各變電所之間的關系；b)應急供電主干單線圖(參見圖4)，反映發電機房主應急柜與各分應急柜之間的

表1 末端配電箱負荷計算表(部分)

圖2 配電系統單線圖

關系，反映各分應急柜的供電范圍；c)低壓主干豎向單線圖(參見圖5和圖6)，反映各變電所的供電范圍；d)應急照明(集中電池系統CBS)配電豎向單線圖(參見圖7)，反映各CBS主柜與各應急照明分配電裝置之間的關系，并反映出各應急照明分配電裝置的供電范圍；e)應急照明監控豎向單線圖(參

表2 電纜選型計算表(部分)

圖3 中壓主干豎向單線圖

圖4 應急供電主干單線圖

圖5 低壓主干豎向單線圖(一)

圖6 低壓主干豎向單線圖(二)

見圖8)，反映各應急照明主柜、應急照明分配電裝置與監控中心的監控網絡；f)UPS配電豎向單線圖(參見圖9)，反映UPS系統的配電網絡。

3)注重工程管理的指導性，在系統圖中盡量反映出不同機電承包商之間的界面劃分。

如圖10所示，風機盤管等小容量設備前均設置插座、控制箱前均設置隔離開關，插座、隔離開關由機電總承包方負責，以此作為與設備供應商之間的工程界面。

3 配電系統做法上的差異

國內、外設計依據的不同，導致配電做法存在差異，在某些環節上，這些差異是巨大的。下面針對幾個有特點的環節，筆者給出對比分析，希望能拋磚引玉，引起同行的關注和討論。

3.1 關于電源可靠性

1)我國電氣設計以負荷分級為基礎，電力負荷根據對供電可靠性的要求及中斷供電對人身安全、經濟損失所造成的影響程度進行分級。

規范中對供電可靠性的要求是極其籠統的，舉例說明如下：

一類高層建筑消防用電應按一級負荷要求供電，而一級負荷應由雙重電源供電，當一路電源發生故障時，另一路電源不應同時受到損壞。

關于“雙重電源”的個人看法如下：

(1)何種等級的電源能稱為“雙重電源”，規范中給出的條文解釋尚不夠清晰明確，至少在是否能夠作為可靠性保障的充分條件上沒有界定清晰。

(2)在《北京電網規劃設計技術原則》及《北京10千伏及以下配電網技術標準》中，提及到10kV開閉站的雙路電源取自同一座110kV站或35kV站，但要求“重要用電客戶”必須自備獨立的保安電源。這是否意味著雙路10kV也無法保障“重要用電客戶”對可靠性的要求，什么等級的雙路市電才能成為“雙重電源”？現實可操作性如何？

2)IEC標準中，對供電可靠性的要求是根據負荷允許中斷供電的時間來判定的，并據此設計相應的電源保障措施，多數境外機電顧問公司均按此原則進行電氣設計。

在IEC60364-5-55中，對允許中斷供電的時間劃分了幾個等級：0級(不間斷)、0.15級(極短時間隔)、0.5級(短時間隔)、15級(中等間隔)、>15級(長時間隔)。

筆者認為根據不同負荷對允許中斷供電時間的要求來采取相應的電源保障措施，是有針對性的做法，也是能落地、可行的做法。

實際上國內設計也主要是據此原則來考慮可靠性的，“雙重電源”的提法已無真正的指導意義。

3.2 消防用電配電做法

1)我國的消防法規是極其嚴格的，有多本消防規范對消防設計進行限定。

與消防配電有關的幾個主要規定摘錄如下：

圖7 應急照明(集中電池系統CBS)配電豎向單線圖

圖8 應急照明監控豎向單線圖

圖9 UPS配電豎向單線圖

(1)消防用電對供電的要求

如：一類高層建筑應按一級負荷要求供電，二類高層建筑應按二級負荷要求供電。

(2)不同等級的負荷對供電電源的要求

如：一級負荷應由雙重電源供電，當一電源發生故障時，另一電源不應同時受到損壞。二級負荷由雙回路供電，兩路電源應分別引自不同的變壓器母線段。

(3)高層建筑的消防控制室、消防水泵、消防電梯和防煙排煙風機等的供電，應在最末一級配電箱處設置自動切換裝置。

(4)消防用電設備應采用專用的供電回路，其配電設備應設有明顯標志。

2)消防配電做法的現狀及反思

(1)末端切換，其針對的主體應為“消防設備”，不應包括消防應急照明，因為消防應急照明有下列幾個特殊性：

除少量的用于備用照明的燈具相對集中外，消防用疏散照明(由消防應急照明燈及消防應急標志燈實現)數量眾多，且每個燈具的用電量小、比較分散。

圖10 電力平面局部(反映工程界面)

備用電源一般采用中央電池系統，分散于應急照明箱的EPS、燈具自備電池幾種方式中的一種，形式多樣。

既然已有獨立的備用電源作為市電失效的后備，雙路市電電源至末端已完全沒有必要。因而，不必要求雙路電源在各ALE處切換。這樣可使系統簡潔、可靠，且會大大降低電纜及ATS的造價。

圖11 消防設備配電系統(一)

關于應急照明的系統做法在后續章節中有專門論述。

(2)消防水泵的雙電源配電

消防水泵容量大，相對集中，因而在水泵房內控制柜組的前端設置雙電源切換柜是合適的，國內、外做法基本相同。但雙電源從系統中的什么位置引接，設計上有所差異。圖11為某境外工程的設計做法，消防水泵雙電源引自配變電室低壓主進開關的前端，從系統設計上提高了供電可靠性，值得借鑒。

(3)關于防排煙設備等小容量消防設備的末端切換做法

規范要求切換點應在末端的配電柜/配電箱，而不是控制箱。

目前多數做法為雙電源延伸至防排煙風機控制箱，多個控制箱之間采用壓接的形式。這樣造成小容量ATS過多、配電層次混亂且故障面不可控，況且在一個防火分區內部走兩路電纜對可靠性已無實質的意義。

圖12 消防設備配電系統(二)

筆者認為相對集中地設置雙電源切換箱更為合理，此箱設置于內“配電間”內，兩路電源引自變配電室低壓母線。此箱出線回路為單路，放射式地向與其相鄰的2～3個防火分區內的防排煙風機控制箱、防火卷簾門控制箱、消防管道電伴熱等供電。這樣的放射式系統可使配電系統清晰，并可降低故障的影響范圍，從而提高可靠性。

在境外機電顧問的設計中，雙電源切換的位置更加靠近系統的上游，理念上的差異還是很明顯的。如圖12上部的EPP為防排煙風機等消防設備的配電柜/箱，其電源引自應急母線(有市電及發電機支持)，單路。

3.3 應急照明設計做法

1)基本概念

(1)從照明種類而言，應急照明包括備用照明、疏散照明和安全照明。

(2)用于消防的應急照明包括消防備用照明和疏散照明。

(3)疏散照明是由消防應急照明和疏散指示系統實現的，現場的執行者為消防應急燈具，包括消防應急照明燈具和消防應急標志燈具。

2)關于消防應急燈具

(1)消防應急燈具不同于普通照明的燈具，是有明確的產品標準要求的，《消防應急照明和疏散指示系統》(GB 17945-2010)為目前最權威的標準，其中的“試驗”章節中提及的共24項試驗項目均適用于消防應急燈具。

試驗項目如下：

基本功能試驗；

充放電試驗，重復轉換試驗；

電壓波動試驗，轉換電壓試驗；

充、放電耐久試驗，絕緣電阻試驗，接地電阻試驗；

耐壓試驗；

高溫試驗，低溫試驗，恒定濕熱試驗；

振動試驗，沖擊試驗；

靜電放電試驗，浪涌(沖擊)抗擾度試驗；

電源瞬變試驗，電壓暫降、短時中斷和電壓變化的抗擾度試驗；

射頻電磁場輻射抗擾度試驗，射頻場感應的傳導騷擾抗擾度試驗，電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗；

外殼防護等級試驗，表面耐磨性試驗，抗沖擊試驗。

從試驗項目可以看出，消防應急燈具必須符合專業標準。

(2)我國消防應急燈具選型及布置的現狀

在多數的電氣設計中，消防應急照明的電源、配電、線路敷設等均會引起設計人員的注意，但對“消防應急燈具”產品本身普遍關注不夠。消防應急標志燈具的選型，普遍能滿足產品標準，但消防應急照明燈具，利用普通燈具(筒燈、吸頂燈)的情況非常普遍，普通燈具是無法滿足《消防應急照明和疏散指示系統》要求的，在火災發生后，不能有效地為人員疏散和消防作業提供支持。

形成這種歷史問題的原因很多，有設計人員對產品標準關注度不高的因素，也有監管、驗收等把控不夠的原因。不管何種因素造成了今天的局面，筆者認為這種現狀必須改變。

(3)多數境外機電設計做法

消防應急照明燈具也全部使用“專業”燈具，如圖13中的“E2”、“E3”、“EL3”。

圖13 應急照明平面布置圖局部

優化平面布置，按需設置，避免浪費。

筆者認為這樣的設計應推崇。

3)系統形式選擇

筆者觀點如下：

(1)樓層面積大、疏散通道復雜的建筑(如交通樞紐等)可考慮集中控制型系統，其他類的建筑慎重使用集中控制型系統，以避免系統復雜帶來的不穩定因素。

(2)小型建筑，采用自帶電源型為宜，簡單、可靠。

(3)大型建筑，采用自帶電源型會造成后期維護量非常大，若維護不及時會使系統有效性降低，因而采用集中電源型為宜。

(4)在應急照明箱ALE中加EPS作為備用電源，是目前設計采用較多的集中電源型系統的形式，但有如下缺點：

① 各箱所帶負荷量統計不詳，EPS設置普遍偏大，造成初投資無謂的加大；

② ALE及EPS設置在小配電間中，通風散熱等考慮往往欠缺，會成為安全隱患；

③ EPS及電池組設置分散，不利于維護；

④ 無法監測燈具的狀態。

(5)集中電源型系統，采用專業成套的應急照明智能監控系統，是正確的發展方向。此類系統的特點、優點如下：

① 在中心可對系統線路、電池、終端燈具進行統一監控與管理，后期維護費用低；

② 成套性：監控主機、配電裝置、模塊、燈具等均為工廠預制化產品，可靠性高，系統性強；

③ 電源相對集中：每一處監控主機及電池組管控的范圍很大，設置于專用的房間內，通風散熱的設計會得以有效關注；先進電池充放電技術的應用，可延長電池使用壽命；

④ 系統簡潔有效。

圖14中的MDB-CBS為智能監控系統的主配電裝置(有多處)，同電池機柜共同安裝于避難層的專用房間內，其交流電源引自大樓的應急供電系統。圖14中左側的CBS為末端配電裝置(有對燈具的監測功能)，主電為市電(AC230V)，備電引自MDB-CBS(DC216V)。CBS安裝于樓層配電間內，供電范圍為3個樓層的消防應急燈具，其配出線路在電井內敷設，各樓層的支路獨立。

還有其他形式的智能監控系統，如HOCEN的EMCS系統，通過電力載波的方式通信，可對消防應急燈具進行系統監測。

圖15 信息設備配電系統(UPS系統)

3.4 其他各類用電的配電做法

1)弱電系統供電

(1)信息系統

信息系統的可靠性等級為0級，采用UPS供電。

信息機房內設備集中，UPS獨立設置；分散于各樓層配線間內的IT設備，若由機房內的UPS供電，則存在著壓降、敷設路由等諸多不利因素，因而相對集中設置UPS的做法成為大家的共識。

由圖15可看出，UPS及其配電柜，同電池機柜共同安裝于避難層的專用房間內，其交流電源引自大樓的應急供電系統。圖15中左側的ULP為末端配電裝置，ULP安裝于樓層配電間內，供電范圍為5個樓層的IT設備。

(2)安防系統

安防系統的配電做法有如下幾種：

POE方式供電(適用于全數字系統，注意POE交換機為故障點之一)；

分區集中UPS供電(似信息系統做法)；

監控中心集中UPS供電。

2)非消防類的備用照明

主體標準樓層的此類負荷較分散，采用分區樹干式為宜，每個ELP箱供3層的負荷，系統示意見圖16。

母線槽的電源引自應急母線(有市電及發電機支持)，單路，可參見圖2。

4 結束語

以上為筆者對電氣設計及工程管理的一些思考，歡迎同行們批評指正或進行研究討論。

圖16 非消防類備用照明系統

[1] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.《供配電系統設計規范》(GB 50052-2009)[S].北京:中國計劃出版社，2010.

[2] 中華人民共和國公安部.《高層民用建筑設計防火規范》 (GB 50045-2005)[S].北京：中國計劃出版社，2005.

[3] 中華人民共和國建設部國家質量監督檢驗檢疫總局.《消防應急照明和疏散指示系統》(GB 17945-2010)[S].北京：中國標準出版社，2010.

[4] Saudi Diyar Consultants Architects and Engineers.AL-MADA TOWERS(JEDDAH，K.S.A)

尤士剛

1993年畢業于哈爾濱建筑工程學院，進入中國建筑設計研究院工作；1997年到該院設在深圳的合資公司——華森建筑與工程設計顧問有限公司工作，一直從事建筑電氣設計。現就職于北京三磊建筑設計有限公司。

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You Shigang

This paper summarizes and juxtaposes the mainstream electrical design methods in domestic and overseas, and proposes some feasible design methods could be implemented in china.

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