漫談海外項目低壓電氣裝置設計要點

陳 校， 朱明碩

(1. 北京建院京誠建標工程咨詢有限公司，北京 100076；2. 北京凱燕國際飯店管理有限公司，北京 100000)

0 前言

設計師在國際市場開展業務，首先需要了解掌握國際標準，無論是IEC標準還是NEC標準，電氣設計對電氣安全、可靠性和靈活性的追求是殊途同歸的，這是低壓電氣裝置設計的核心思想。第二步是要深入調研，了解掌握項目所在地的環境條件、安裝及使用習慣。不同外界環境條件有不同性質和不同程度的電氣危險，需采取不同的防范措施。第三步是掌握產品特點，注意認證問題。第四步是逐步適應海外工程的EPC管理模式。

1 深入調研捕捉技術要點

海外工程在搜資階段，應格外重視氣象及自然環境條件資料的搜集。在《工業與民用供配電設計手冊》第四版中，詳細介紹了電器設備、開關柜及導體的正常使用條件，當環境條件不滿足時，應于設計中提出特殊要求。影響電氣設計的常見因素有：在海拔較高地區，電器絕緣及電纜溫升受到影響，應加以修正；在干熱、濕熱地區宜采用干熱、濕熱帶專用電器產品，亞濕熱帶地區可采用普通型電器產品，但應根據當地運行經驗加強防水、防潮、防霉、防銹等措施；在風速較大的地區，應對在屋頂上設置的光伏發電太陽能板提出結構加強措施；在風沙灰塵大的地區，應根據不同灰塵沉降量提出設備IP防護等級；在有鹽霧腐蝕的地區，裸露設備外殼及橋架、電纜護套等可選用不銹鋼、鋁合金、PVC等材質，保護層可采取涂料、熱鍍鋅、隔絕空氣等方式；在有白蟻、鼠類等蟲害的地區，電纜溝及入戶管處應做好密封處理，并采取噴灑藥水、預埋藥物等措施，PVC管應選硬質管材，電纜應選用有鎧裝的外護套，必要時可選用防白蟻電纜；在膨脹土、濕陷土地區，外線電纜盡量采用鎧裝電纜直埋地敷設方式；在高土壤電阻率地區，應采取降低接地電阻的措施，如換土、降阻劑等；頻繁受雷電災害和地震的地區，可按我國相關規范進行設計。

2 基于規范適用及功能優先原則進行系統設計

2.1 過電流保護

2.1.1 過載保護

(1)過載保護的條件

過載保護為電氣設計師所熟知，應用起來較為簡單。GB 50054-2011《低壓配電設計規范》 第6.3.3條[1]和IEC標準《低壓電氣裝置》IEC 60364-4-43∶2008 第433.1條在過載保護方面要求一致。

值得注意的是，規范中的斷路器整定電流In并不是脫扣動作電流。當負載電流達到In時，不論時間多長，過載防護電器都是不動作的。In是可長期通過保護電器而不會使電器的特性變劣的電流。

過載保護中“Iz=1.45I2”公式的意義在于其允許回路短時過載，以節約有色金屬。該公式所述的跳閘動作電流應小于回路導體電流限值，即“約定時間的約定脫扣電流小于1.45倍導體載流量”，這才是必須校驗的內容。與短時過載相反，IEC標準規定，第二個公式不適用于經常發生長時間持續少量過負載的回路，需注意工程中對于此種回路的導體截面應適當放大，詳見IEC 60364-4-43：2008 第433.1條。

做海外工程時，所選用的產品可能來自不同區域的不同產品系列，“約定時間約定脫扣電流I2”應由制造商提供或按照產品標準命名和提供，因此須關注“Iz=1.45I2”。某些設計人員因為不理解從而忽視該公式顯然是不妥的。

(2)根據諧波含量選擇過載保護及中性線導體截面

根據IEC 60364-4-43：2008 第433.1條注2，IB是通過線路(相線)的設計電流或在三次諧波含量較高的情況下通過中性點的永久電流，因此過載保護選擇校驗需考慮線路的諧波含量。海外工程設計時應格外注重諧波含量較高回路的設計問題，或設置就地補償，或依據諧波含量選擇相線及中性線導體截面，詳見GB50054-2011 表3.2.9(本文不在贅述)。

(3)關于經濟電流密度

經濟電流密度數據的確定，與銅/鋁的價格、銀行的利息、電能的費用等多種因素有密切關系。在海外工程中，項目后期運行維護的成本問題應納入設計師考慮范圍，可根據項目運行工況及電價、銅價的調研情況，適當推廣TOC總費用法選擇導體截面。筆者認為，在高電價地區或高電價用電單位的工作時間長、負荷穩定的線路上，應優先選用此方法進行電纜截面選擇。

(4)過載保護其他問題

根據IEC 60364-4-43：2008 第433.3.3條，火災風險及爆炸風險場所的過載保護設置需特殊考慮。在下列回路上不應裝設過載保護電氣來切斷電源，僅需提供過載報警：消防設備的用電回路及安防設施的用電回路(如防盜報警、氣體報警等)。與我國規范GB 50054-2011 第6.3.6條及其條文說明進行比對，我國規范對最后一項“安防設施的用電回路”未提出明確設計要求。因此，海外工程中此條款可選擇執行IEC標準，其為“安防系統、氣體報警、事故風機供電電源等負荷僅提供報警信號而不切斷電源”的設計提供了明確的依據。事故風機可以參考消防負荷處理，僅報警不跳閘、火災時不切電，但不屬消防負荷性質，不應從消防專線內供電。

2.1.2 短路保護

(1)金屬性短路的保護條件

根據GB 50054-2011 第6.2.2條及第6.2.3條[1]和IEC 60364-4-43：2008 第434.5條，短路保護電器應滿足其額定分斷能力不小于安裝地點預期最大短路電流的要求。當短路保護電器的分斷能力小于其安裝處預期短路電流時，在該段線路的上一級應裝設具有所需分斷能力的短路保護電器；其上下兩級的短路保護電器的動作特性應配合，使該段線路及其短路保護電器能承受通過的短路能量[7]。電纜和絕緣導體的熱穩定，應按其截面積進行校驗，確保被保護回路任何點發生短路時，防護電器都能在被保護回路導體絕緣達到允許極限溫度前的時間內切斷電源。

對于持續時間小于0.1s的短路電流來說，大幅值的非周期分量發熱起到主要作用，因此對于短路保護裝置來講，設計人員選定的電纜，其k2s2應大于短路保護裝置制造商所給出的允通能量(I2t)值。

對于持續時間大于0.1s且不超過5s的短路，其計算系數k，與導體電阻率、絕緣材質、溫度系數和熱容以及短路電流通過時的初始和最終溫度有關。關于k值，我國規范GB 50054-2011 表A.0.7[1]和IEC 60364-4-43：2008 第434.5.2條表43A均有闡述。IEC標準較比我國規范更為全面，涵蓋了聚氯乙烯絕緣初始溫度為90℃的相關數據。

(2)短路保護需注意問題

變壓器出線套管至低壓配電柜總開關的一段母排，其無法裝設短路保護電器，這段母排的短路防護由變壓器高壓側的短路防護兼用。在設計中應校驗高壓側繼電保護對這段低壓母線短路防護的靈敏度是否滿足要求。在變電站布置中應使變壓器盡量靠近低壓配電柜以減小此段母排的阻抗，提高高壓側繼電保護動作靈敏度。海外工程中，變配電室高壓側的電氣設計有時被劃分為外方負責；有時考慮維修便利性問題，變壓器采用油變壓器，單獨設置變壓器室；有時受變配電室面積所限，低壓配電柜布置在遠離變壓器處等。上述這些情況都需要在設計時充分考慮，提出校驗高壓側保護靈敏度的要求。

2.2 過電壓防護

2.2.1 暫時工頻過電壓防護

低壓系統暫時工頻過電壓防護問題，為《工業與民用供配電設計手冊》第四版新增內容，其與IEC 60364-4-44∶2015的要求一致。

海外工程中，園區獨立變配電所的設計較國內工程而言略為復雜，調研和設計時常考慮到各國標準電壓等級、高壓系統接地型式、高壓系統接地故障電流IE等各因素。終端變電所高壓側發生接地故障時，會引起所供另一建筑物低壓電器裝置內持續時間以若干毫秒計的暫時工頻對地過電壓，根據不同低壓系統的接地型式，有的可能引起人身電擊事故，有的可能引起設備絕緣損壞導致電氣火災，該問題需引起設計師足夠重視。我國設計師在承接國外項目時，有些電網側高壓系統的技術參數在調研考察時不能落實，設計師就參照國內通用做法或當地設計院做法進行設計，這就給用戶留下了一些日后難以查明原因的電氣事故隱患。圖1以我國10/0.4kV終端變配電室為例，闡述暫時工頻過電壓的防護問題。

若變電站高壓側有接地故障，工頻故障電壓(Uf)以及工頻應力電壓(U1和U2)將影響低壓系統運行。圖1(摘自IEC 60364-4-44：2015第442.2條圖44.A1)明確了變電所和低壓裝置可能對地的連接及故障時出現過電壓的典型示意圖，表1(摘自IEC 60364-4-44：2015第442.2條表44.A1)規定了不同類型過電壓相關計算方法。

圖1 變電站及低壓裝置可能對地的連接及故障時出現過電壓的示意圖

圖1中，RB為低壓系統中性點內接地裝置的接地電阻，Ω；RE為高壓系統保護接地的接地電阻，Ω；IE為高壓系統接地故障電流，A；RA為低壓電氣設備外露可導電部分單獨接地時的接地電阻，Ω；Uf為低壓系統在故障持續期間內外露可導電部分與地之間的故障電壓(工頻故障電壓)，V；U0為低壓系統相線對中性點的標稱電壓，V；U1、U2為低壓設備工頻應力電壓，V；Id為在低壓系統第一次故障期間，流經低壓裝置外露導電部件接地裝置的故障電流，A。

(1)10kV不接地系統接地故障引起的過電壓

10/0.4kV變配電所內發生10kV單相接地故障時，IE值非常小。在低壓系統中性點系統接地RB與變電站10kV保護接地RE共用時，高壓側單相接地故障會導致低壓系統對地電位及PE線對地電位升高至故障電壓Uf，實測表明，Uf數值一般可控制在接觸電壓限值50V以下，也就是說，當10kV電網為不接地系統時，變電站高壓側保護接地和低壓側的系統接地可共用同一接地裝置，低壓系統無需采取措施來防范可能出現的幅值不大的暫時過電壓危害。

低壓系統內的工頻應力電壓和工頻故障電壓 表1

注1：表44.A1 僅涉及有中性點的IT 系統。無中性點的IT 系統，公式宜相應地修正。
注2：低壓系統接地不同類型(TN，TT，IT)詳見IEC 60364-1。
注3：對U1 和U2 要求源出于低壓設備耐暫時工頻過電壓的絕緣設計標準(可見表44.A2)。
注4：在中性點與變電所接地裝置連接的系統內，此暫時工頻過電壓也出現在建筑物外的外殼不接地的設備絕緣上。
注5：在TT 和TN 系統中，所謂“連接”和“分隔”系指RE 和RB 之間是否連接；對于IT 系統，系指RE 和Z 之間和RE 和RA 之間是否連接。

(2)10kV經小電阻接地系統接地故障引起的過電壓

在低壓系統中性點系統接地RB與變電站10kV保護接地RE共用時，高壓側單相接地故障會導致低壓系統對地電位及PE線對地電位升高至故障電壓Uf，此上千伏的故障電壓Uf將傳導至低壓系統在10kV側切斷故障前引起對地大幅值暫時過電壓。

如低壓系統采用TN系統，如圖1所示，所供低壓裝置的外露可導電部分對地則有上千伏的故障電壓Uf。當低壓電氣裝置位于建筑物內時，由于等電位聯結的存在，人體同時觸及的導電部分不存在電位差。但低壓電氣裝置位于建筑物外時，如戶外安裝的路燈、電動門、水泵以及其他電氣設備，其外露可導部分帶故障電壓Uf，但戶外地面卻為0V地電位，則人身電擊致死的危險甚大。而且，因為10kV側接地故障電流大，繼電保護切斷電源后，故障電壓也不可復現，所以一旦發生電擊事故，事故原因很難查清。

如低壓系統采用TT系統，高壓側接地故障時，TT系統內接地的設備外殼和線路之間的絕緣存在被擊穿的風險，即工頻應力電壓不滿足要求。

變電站設在建筑物內部的情況下，不存在暫時工頻過電壓引起電氣事故的危險，但由此變電站給其他建筑物供電時，均存在上述危險。

(3)暫時工頻過電壓防護小結

海外工程終端變配電所設計時，應考慮防范暫時工頻過電壓，允許的工頻應力電壓不得超過表2(摘自IEC 60364-4-44∶2015第442.2.2條表44.A2)中給出的值，變電站內共用接地極時，需降低RE(RB)及IE值。通常低壓系統的PEN導體為多點接地，總并聯接地電阻降低，則Uf值可按下式計算：Uf=0.5REIE，且要求允許的工頻故障電壓不得超過圖2(摘自IEC 60364-4-44∶2015第442.2.1條圖44.A2)中給出的值。

允許的工頻應力電壓 表2

注:對于無鐘形導體的系統,U0應是相對相的電壓。
注1：表中第1行數值適用于接地故障切斷時間較長的高壓系統，例如中性點絕緣和諧振接地的高壓系統；表中第2行數值適用于接地故障切斷時間較短的高壓系統，例如中性點低阻抗接地的高壓系統。兩行數值是低壓設備對于暫時工頻過電壓絕緣的相關設計準則。(見IEC60664-1)。
注2：對于中性點與變電所接地裝置連接的系統，此暫時工頻過電壓也出現在處于建筑物外的設備外殼不接地的絕緣上。

圖2 變電所內高壓側發生接地故障時

在高壓中性點有效接地、低壓采用TN系統時，引出低壓線路在總等電位聯結作用范圍外，允許接觸電壓值與接地故障保護電器動作時間對照圖3(圖44.A2)允許的故障電壓值，以及表3(表44.A2)允許的工頻應力電壓，即可確定接地極電阻值。舉例說明：如高壓接地故障保護電器動作時間為0.4s，查圖3(圖44.A2)可知允許接觸電壓值為310V，在總等電位聯結作用范圍外，可認為允許接觸電壓值與接地故障電壓值相近，當10kV系統中性點接地，接地故障電流IE限值為600A時，共用接地電阻值可為0.5Ω。

高壓中性點不接地或非有效接地、低壓TN系統時，接觸電壓限值≤50V，規范要求IE≤10A，則接地電阻RB值5Ω即可滿足要求。

系統接地與保護接地的電阻值應按工頻過電壓限值和接觸電壓限值、低壓系統接地故障自動切斷電源要求及高、低壓系統接地型式不同組合確定。在海外工程設計中，不論是不是我方進行高壓系統設計，均應對項目所在國的電網基礎條件落實格外重視，至少需明確項目所在地高壓系統接地型式、接地故障電流IE值以及高壓接地故障保護電器動作時間等主要技術參數。

當海外工程終端獨立變電站基礎條件不詳時，筆者建議采取下列措施進一步完善：1)高壓側保護接地和低壓側的系統接地可分設兩個接地極，免于復雜計算。2)TN系統建筑物內要完善總等電位聯結措施。3)建筑物外的TN系統改為局部TT系統，切斷故障電壓傳導的路徑。

2.2.2 瞬態沖擊過電壓防護

防范瞬態沖擊過電壓有多種措施，一方面是防止在設備線路上產生這種危險過電壓，另一方面是產生了這種過電壓時能消除或減少其有害效應。前者可通過在電氣裝置中分流、等電位聯結、屏蔽、接地和正確布線等方法緩解，后者可通過在線路中設置SPD來減少其有害效應。海外工程設計中，要重視多種手段的聯合運用，尤其是現在數據中心等類似敏感設備集中的建筑越發多見，應力求在方案設計階段優化建筑平面布置，抑制瞬態沖擊過電壓的能量。

關于低壓系統中電氣設備絕緣耐沖擊電壓額定值，我國規范GB 50057-2010《建筑物階雷設計規范》表6.4.4內已經給出了380/220V的數值，但在海外工程中由于各國家標稱電壓等級多樣，因此設備耐沖擊電壓額定值、SPD的有效電壓保護水平值的選擇也必然與國內工程有所差異。筆者摘錄了IEC 60364-4-44：2015第443.6.2條表443.2(見表3)，供設計師們參考。

設備耐沖擊電壓額定值UW 表3

2.3 電氣防火

2.3.1 短路引發火災

GB 50116-2013《火災自動報警系統設計規范》第9章，明確了電氣火災監控系統的設置要求，但在海外工程中該系統的使用會受到一些客觀條件的限制，要考慮該系統的后期運維便利性，維修配件應能在所在國購入替換，且備有多語種的操作指南，使得工程交付時可以順利提供技術培訓，方便受過培訓的電氣人員能夠在警報發生時及時處理報警信息，排除火災隱患。

海外項目中，如果不采用裝設電氣火災監控系統的方式預防電氣火災，也可參考IEC標準，在建筑物內設置多級RCD來達到同樣目的。接地故障的短路，無論是金屬性還是電弧性，均可用RCD來切斷電源。IEC標準推薦在大型建筑物內，可裝設二級到三級RCD，詳見圖3。

圖3 建筑物內多級RCD

2.3.2 接觸不良引發火災

接觸不良引發火災主要是鋁線連接不良和插頭、插座連接不良兩個主要誘因。實踐中大量插頭、插座火災都發生在用戶自己加接的接線板上，我國現階段設計在墻上的固定插座數量安裝過少，接線板的使用不可避免，所以接觸不良引發火災的事故屢禁不止。某些執行美標的國家根本不允許使用臨時接線板，美國產品標準規定用電器具電源插頭線的長度不得小于1.8 m，與此相適應，住宅電氣裝置標準規定，墻上兩固定插座的間距不得大于3.6m，插座到門框的距離不得大于1.8m。這種設計規范及產品標準上的嚴密配合，使得當地使用臨時接線板的幾率大大減低，客觀上對該類型的火災實施了有效防護。

2.3.3 電氣裝置布置不當引發火災

電氣設備熱效應產生的火災不容忽視，我國規范和IEC標準都把這部分內容列為電氣防火的重點條款，如GB 50016-2014(2018)《建筑設計防火規范》第10.2.4條、GB 50222-2017《建筑內部裝修設計防火規范》第4.0.14條和第4.0.17條，工程設計時應對上述條款有所體現。

2.3.4 防電氣火災蔓延及封堵措施

防電氣火災沿線路蔓延，是防災的一項重要措施。在設計過程中，應盡量避免線路多次跨越防火分區，增加火災蔓延的隱患，前期應優化豎井布置，后期施工過程中，還應確保防火封堵措施有效落實。

3 基于使用和維護便利原則落實產品選型

在海外項目技術設備選型方面，一要充分考慮使用方在當地長期承擔日常維護保養和定期大修的可行型、便利性，二要注意電氣產品的強制性認證問題。因此在海外工程中尤其要慎重選擇大型電氣設備。筆者在設計某中東項目時發現，該市對干式變壓器完全沒有維修能力，其常用變壓器類型為采用Midel 7131型絕緣液的油浸變壓器。美國NFPA標準中變壓器油絕緣分為普通油絕緣和難燃絕緣油兩種。我國GB 50016-2014(2018)《建筑設計防火規范》對油浸變壓器的應用做了明確規定、且為強制性條款，但其條文的正文卻沒對這兩種絕緣油作區分，在條文說明中，又將“油浸”的定義縮小為“可燃油浸”，放松了規范正文的要求。柴油發動機常用的柴油閃點60～90℃、燃點220℃，該類油變所用的難燃絕緣油，其閃點、燃點都高于300℃，火災危險性都是低于柴油的，因此，該類變壓器可以參考柴油發電機，而不是參考油浸變壓器相關條款，在《建筑防火設計規范中》相關條文指導下使用。海外工程在執行規范的層面，應準確理解規范制訂的初衷并了解當地通用產品的特點，方可優化設計。

在遵循美標體系的國家，其產品標準主要以NEMA標準為主，其電氣設備應根據電壓、頻率和接地型式來選擇。筆者以NEMA常用插座樣式為例，說明設計師必須掌握當地通用產品后方可開展設計，見圖4。

圖4 NEMA標準插座產品系列

4 全面咨詢為項目順利推進助力

工程建設全過程咨詢主要涵蓋設計、施工建設、運營和維護四個方面，國內項目由于分工細化，設計師對后三個階段的了解相對較少。海外工程設計師應對電纜色號、常用電氣設備安裝、電價及其影響、招投標采購程序、不同廠家的產品特點等問題有所了解，還應對施工組織有簡單概念，便于預估施工臨時用電方案以及確保施工用電安全。

1)電纜色號問題：除三相四線制各國對應不同顏色外，美標國家還有120/240系統，單相三線系統所配導線為L1、L1'、N，即同相位還有“火線”、“副火線”之分，需區分L1、L1'的電纜顏色。2)美標插座安裝：有人說國標是“左零右火”，美標是“左火右零”，這個安裝細節對電氣安全影響重大，應于設計說明中明確，正確方式見圖5。3)RCD選用問題：RCD分為電子式及電磁式兩類，電子式RCD借其所在回路處的故障殘壓提供的能量來使LCD動作，如果故障殘壓過低能量不足，RCD就有可能拒動。在120V美標系統內，應注意此問題。4)施工相關問題：在IEC標準內，建筑施工場地屬于特殊場所，不具備等電位聯結，電擊風險大，應特殊處理。

圖5 插座接線示意

5 結束語