美標酒店建筑低壓配電設計特點

郭懷遠

（中國建筑上海設計研究院有限公司，上海 200063）

近些年，“一帶一路”倡議受到越來越多國家的響應，中國基建在海外承建甚至設計的項目逐漸增多，不可避免地會接觸大量按美國標準設計的工程項目。文章以筆者實際參與的美國某大型酒店項目為例，試對民用公共建筑中低壓配電系統特點進行簡述分析。

美標項目低壓配電主要遵循的規范為NFPA 70 National Electrical Code（簡稱NEC），與民用建筑電氣設計相關的規范還有NFPA 72（國家火災報警與信號規范），NFPA 110（應急和備用電源系統標準）、NFPA 780（防雷系統安裝標準）等。

1 低壓電源電壓等級

美標民用建筑中常見的低壓電源制式包括三相五線制480V/277V、三相五線制208V/120V、三相三線制240V、三相四線制240V/120V、單相兩線制240V、單相三線制240V/120V共6種，電源頻率均為60Hz。其中，單相兩線制240V、單相三線制240V/120V常見于美標住宅項目，公共建筑中常見的低壓電源制式為三相五線制480V/277V和三相五線制208V/120V，兩種低壓電壓等級同時使用，設置兩級降壓變壓器。該項目中設置有13.8kV/0.48kV和480V/208V兩級降壓變壓器，其中13.8kV/0.48kV主變壓器設置于變電站內，480V/208V設置于各樓層配電間中。

由于單相120V電源在發生接地故障時間接接觸電壓為60V，正常情況下不會造成人員電擊致死，因此除了大功率設備外，其他所有人員可直接接觸到的用電設備均采用120V供電，這些設備包括插座、地面燈具、低位墻面燈具等。480V/277V電壓較高，可以提供更大的電源容量，因此空調、風機、照明、火警設備等大功率設備和一般人員不會接觸到的用電設備多數采用此電壓供電。其中，三相負荷采用480V，單相負荷采用277V。

但在酒店項目中，電源電壓的應用會略微復雜一些。按照NEC中要求，在酒店客房中，除了客房插座外，客房照明燈具、照明開關以及小于1/4HP（184W）的電動機負載，包括風機盤管、通風機、排風扇等也需要采用單相120V電源供電，整個客房內只有單相120V一個電壓等級。這樣的要求可以避免客房內出現多個不同電壓等級的配電箱，簡化了客房內的配電設計，但也造成客房內風機盤管和照明燈具的電壓等級與公共區域不同，即客房內風機盤管和照明燈具與公共區域不能互換，建議設計師在設計時對圖例加以區分，以免施工方采購時出錯。

另外，在酒店廚房區域，美標項目廚房中有大量240V用電設備。由于美標住宅項目一般為兩相三線制240/120V，兩根不同相相線的相位角180°，在住宅中對240V設備采用兩根不同相位的120V相線供電；有些圖紙中在設計公建項目時習慣性采用兩根120V相線供電，然而在公建項目中兩根不同相120V相線的相位角是120°，相電壓實際為208V，并非240V，無法達到240V設備的用電要求，這種設計是錯誤的。對大型酒店廚房可以設置專用的Y/D接線的480V/240V變壓器，為廚房設備引出專用的三相三線制240V電源；而如果廚房內240V用電設備較少，則可以為每個設備單獨設置277V/240V單相降壓變壓器。該項目240V設備較少，采用為240V設備單設277V/240V單相降壓變壓器的方案。某美標大型酒店項目總體低壓配電示意圖和末端配電箱典型配電示意圖如圖1、圖2所示。

圖1 某美標酒店總體低壓配電示意圖

圖2 某美標酒店末端配電箱典型配電示意圖

2 電源要求及配電形式

美標中針對不同用電設備的重要性將設備供電分為重要電力系統和普通電力系統，重要電力系統需要兩個獨立電源，相當于國標的一級負荷和一級特別重要負荷；而普通電力系統則無特別要求，相當于國標三級負荷。美標中沒有對應國標二級負荷供電要求的電力系統。該項目位于島嶼上，且酒店定位高端，因此整個酒店所有用電設備均接入重要電力系統。根據當地電源情況設置與市政電壓等級相同的13.8kV高壓柴油發電機組作為備用電源，柴發容量滿足100%用電設備負荷，每臺柴油發電機對應一臺變壓器。同時，針對重要的火警、應急照明、安防、電梯、網絡設備等再設置專用UPS作為第三電源，UPS從變電站兩臺不同的變壓器低壓配電柜分別引來一路電源，兩路電源互為備用，在UPS內自動切換，另預留一路旁路電源在UPS檢修維護時保證相關設備的正常供電。

美標項目低壓配電形式與國標無太大差別，均可采用樹干式或放射式或兩者結合的方式配電。該項目除酒店塔樓普通用電采用母線槽樹干式配電外，其他負荷均采用放射式配電形式。該項目消防泵采用柴油泵，其他消防設備在美標中沒有雙電源末端切換的要求，且該項目柴發和市電均在前端高壓側已完成切換，消防設備電源也從變電站或UPS機房放射式單回路供給至末端消防設備配電箱和火警控制盤。

3 低壓電器選擇及保護設置

美標低壓斷路器整定值與國標或IEC不同，常用斷路器整定值從15A起，均為5的倍數。所有美標電氣設備均需具備UL認證。

美標配電箱結構為魚骨式，配電箱內母排豎向中置，出線斷路器分設兩側，整個配電箱為長條形，而國標配電箱通常為方形或矩形。美標配電箱防護等級為NEMA防護等級，與國標IP防護等級相比增加了防爆等級要求，就該項目而言，室內配電箱防護等級為NEMA 1，室外配電箱防護等級為NEMA 3R，而水泵房及室內潮濕場所的配電箱防護等級為NEMA 4X。常見NEMA與IP防護等級對照表如表1所示，更多關于NEMA防護等級的內容可參閱相關資料。

表1 NEMA與IP防護等級對照表

美標項目在接地故障防護上與國標有所不同。在插座配電方面，由于220V單相電源在發生接地故障時故障電壓110V，人體接觸此電壓時存在觸電傷人風險，因此國標JGJ16、GB50054等規范均要求除重要設備外所有人員可觸及的末端插座回路必須設置30mA RCD。美標中針對末端120V、15A或20A的插座設置的保護裝置稱為接地故障回路保護器（Ground-Fault Circuit Interrupter,GFCI），一般很少設置在插座配電回路中，而是直接采用自帶GFCI保護的成品插座，GFCI的漏電電流動作值設定為6mA。對固定設備供電插座，無論這些插座是否安裝在人員可觸及的高度，美標規范均不要求設置GFCI。同時為了確保供電連續性，火警設備和防盜報警設備的供電回路也不允許設置GFCI。而對廚房、浴室、天臺、戶外、地下車庫及其他室內潮濕場所的末端插座回路均要求設置GFCI保護。該項目即針對末端需要設置接地故障保護的插座設計為GFCI插座，所有插座的配電回路均采用20A 1P微型斷路器。

由于GFCI保護設置在末端插座，配電箱內出線斷路器可全部采用1P斷路器，因此與通常國內項目相比，相同插座回路時美標項目中末端出線斷路器所占用的模數空間大幅降低。但需注意的是，無論是美標插座還是國標插座，末端插座可接入的電線截面并無太大差別，即國標和美標在末端插座回路的出線斷路器整定電流值是一致的。由于美標插座回路的電壓僅為國標的一半，相應美標每個插座回路所能提供的用電容量也僅為國標的一半，因此每個回路所帶插座數量相較于國標要求也減半。同時，考慮到NEC其他章節對單個回路最大插座數量的約束性規定，每個回路最終供電的插座數量遠少于國標。該項目普通插座回路出線采用20A/1P斷路器，每個插座回路僅帶3個插座。由此可見，末端插座配電箱內雖然省去了RCD的空間，但出線斷路器個數則比國內一般項目要多1～2倍，為相同數量插座配電時美標配電箱尺寸并不會比國標配電箱有所減少。由于美標配電箱結構限制了配電箱內的最大斷路器數量，且美標項目配電間內一般還需要額外增加480V/208V降壓變壓器，因此美標酒店項目的樓層配電間面積要比國內類似項目的配電間面積大40%～60%。

GFCI針對的是120V的末端插座，變電站低壓柜出線處480V主回路則需要設置接地故障設備保護器（Ground-Fault Protection of Equipment）。美標對150～600V、大于等于1000A的出線斷路器強制要求設置GFEP，GFEP設置目的類似國標電氣火災監控系統，都是通過監測剩余電流防止接地故障引發電氣火災。該項目出于電氣火災防護的考慮，對除專用消防設備配電回路外的所有變電站出線回路均設置300mA GFEP。

為了防止電氣火災，美標規范中還對電弧故障保護器（Arc-Fault Circuit Interrupter,AFCI，對應國標的AFDD）提出了明確的設置要求。電弧故障保護器主要用于通過持續檢測線路絕緣老化破損產生的電弧并在線路起火前切斷電源以避免火災發生。國標對故障電弧的防護思路與美標不同，AFDD在國內項目中使用相對有限。在GB/T 16895.2—2017中針對故障電弧防護更強調采用耐弧材料遮蔽或保證足夠的安裝間距，JGJ16、GB50054等民用建筑電氣核心規范中也并未對AFDD提出明確設置要求。美標則強調采用AFCI進行故障電弧防護，NEC中要求居住建筑和宿舍的所有120V單相15A或20A配電回路均應設置AFCI，而對設有廚房電器的酒店套房和客房也要求按照居住建筑的要求設置AFCI。該項目酒店標準客房和一般套房中沒有廚電設備，因此無需設置AFCI；總統套房由于設置了廚電設備，按美標規范需按照居住建筑要求在套房內配電箱的所有出線回路增設AFCI。

過電流保護方面，對一般配電回路，其回路通常為連續負載（如照明）或同時包含連續負載和非連續負載（如普通插座），按照NEC要求，其過電流保護裝置的整定值大于等于本回路所有非連續負載計算電流與本回路所有連續負載計算電流的1.25倍之和，配電回路線纜校正后載流量應不低于過電流保護裝置的整定值。如果配電回路是包含有一臺超過1/8HP（92W）電動機和其他非電動機負載的混合負載回路，在計算時還需將最大一臺電動機的計算負載乘以1.25倍在與其他負載的計算結果相加。對電梯、空調箱、冷凍機組、電動機等專用用電設備的配電，NEC均給出專門章節進行規定，在遇到相應設備時可以對應查閱。與國標要求類似，美標對消防泵或其他斷電會造成重大危險的設備的配電回路也要求只設置短路保護不設置過電流保護。

4 低壓配電線路

美標項目低壓配電采用電纜或母線槽配電，其配電形式與國標項目沒有差異，主要差異在電纜規格上，美標電纜截面不采用平方毫米表示，而采用AWG線標和千圓密爾（kcmil）來表示（截面較小時采用AWG線標，截面較大時采用kcmil）NEC 2017版中的Table 310.15（B）（16）～Table 310.15（B）（21）給出了不同敷設條件下典型電纜或導體的載流量表，相應的載流量矯正系數也在第310章中給出。

在低壓配電線路的敷設方式上，美標項目與國標基本一致，可采用橋架、穿管等敷設方式。美標項目在室內電纜敷設時額外存在一種采用MC鋼鎧電纜空氣中明敷，類似國內BTTZ型礦物絕緣電纜空氣中明敷的做法。MC電纜是在聚乙烯絕緣電纜的護套外增加一層鋼制護套，用以代替金屬電線管，施工時直接彎曲，省去穿管的工序。MC電纜并非專用的為消防電源供電的電纜，美標項目采用MC電纜更多是為了便于施工，國內選用BTTZ則更多的是出于耐火需求，而非出于施工方面的考慮。與國標GB/T 50169-2016中要求一樣，美標中同樣不允許利用MC電纜的鋼制護套作為接地導體。

在國標項目尤其是大型公共建筑項目中，電纜通常有低煙無鹵的要求，為消防設備供電的電纜同時還需要有耐火要求或者要求采用防火電纜。NEC中對低煙無鹵電纜沒有特別的要求，也沒有對消防設備供電的電纜規定額外的措施。在NEC中，防火主要依靠隔離來滿足，如果采用的是非MC電纜，則要求穿金屬電線管或敷設于槽式金屬橋架中；如采用非金屬電線管，就必須暗敷于墻體、地面、樓板或吊頂內，且相應的屏障應滿足不少于15min耐火要求，非金屬電線管不得明敷。如果需要采用非封閉式橋架敷設，那么需要采用MC鋼鎧電纜敷設。

5 結束語

文章對美國標準的低壓配電系統的一些特點進行簡述，并對美標酒店項目相關特殊要求進行一定說明。由于美標規范體系及配電設計思路與國標和IEC標準存在較大差異，且美標規范更新頻繁，因此需要根據實際項目結合現行規范具體分析。希望本文可以為參與美標項目設計的設計師提供一定的參考。