美國電氣標準簡介和與國標的差異分析

卞海林

(中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038)

0 前言

隨著中國國內(nèi)軟硬實力的提升,工程公司或設計單位在國外承接的工程越來越多,對工程設計人員的要求越來越高,熟悉工程所在地的標準規(guī)范是首要難點。就電氣標準而言,世界范圍內(nèi)主要有兩大標準體系:IEC 標準和美國標準。IEC 標準主要覆蓋北美洲以外的地區(qū),大家熟知的中國標準、歐洲標準和澳洲標準等大部分是以IEC 標準為基礎并結合本國實際情況發(fā)展而來的,有部分標準則直接是IEC 標準的全文引用。美標適用范圍主要集中在北美和部分南美洲國家。本文對美國電氣標準體系和常用的電氣標準做了一個較為系統(tǒng)的梳理,以供大家參考。

1 美國電氣標準體系

1.1 美國標準體系的特點

長期以來,美國推行民間標準優(yōu)先的標準化政策。鼓勵政府部門參與民間團體的標準化活動,從而調(diào)動了各方面的積極因素,形成了相互競爭的多元化標準體系,自愿性和分散性是其兩大特點。

美國大約有700 個機構在制定各自的標準,其中既包括政府機構,也包括非政府機構,諸如標準化機構、科學和專業(yè)協(xié)會、工貿(mào)協(xié)會、其他社團組織,以及非正式標準制定機構等。目前,美國大約一半的標準是由民間組織制定的,其余標準則為聯(lián)邦及各州政府機構制定的標準。

1.2 美國制定電氣標準的主要協(xié)會組織

(1)ANSI

ANSI:美國國家標準學會(American National Standards Institute)成立于1918 年,美國國家標準學會是非贏利性質(zhì)的民間標準化團體。

ANSI 在美國標準中有著舉足輕重的地位。對內(nèi)來說,ANSI 是已成為國家標準化中心,各界標準化活動都圍繞著它進行。ANSI 本身很少制定標準,它主要是協(xié)調(diào)并指導全國標準化活動,為標準制訂、研究和使用單位提供幫助,將各協(xié)會制定的標準提升為國家標準并冠以ANSI 標準代號及分類號。對外來說,ANSI 作為美國政府官方代表參與國際或區(qū)域性組織政策的制定,提供國內(nèi)外標準化情報。

(2)NFPA

NFPA:National Fire Protection Association 國家防火協(xié)會,成立于1896 年11 月6 日,屬非盈利性國際民間組織,宗旨是推行科學的消防規(guī)范和標準,由NFPA 制定的標準基本都與消防和安全相關,其制定的所有標準中影響力最大的是美國國家電氣標準(NEC)。

(3)IEEE

IEEE:Institute of Electrical and Electronic Engineers 電氣和電子工程師協(xié)會,是美國的電子技術與信息科學工程師協(xié)會,是世界上最大的非營利性專業(yè)技術學會。IEEE 一直致力于推動電工技術在理論方面的發(fā)展和應用方面的進步。作為全球最大的專業(yè)學術組織,IEEE 在學術研究領域發(fā)揮重要作用的同時也非常重視標準的制定工作。IEEE 的標準制定內(nèi)容包括電氣與電子設備、試驗方法、原器件、符號、定義以及測試方法等多個領域。

(4)NEMA

NEMA:National Electrical Manufacturers Association 美國電氣制造商協(xié)會,成立于1926 年秋,是由美國電力俱樂部和美國電氣供應制造商聯(lián)盟合并而成。NEMA 的主要活動之一是為電氣設備標準化提供論壇,從而保證電氣設備的安全、有效和兼容。

(5)UL

UL 是美國保險商試驗所(Underwriters Laboratories Inc.)的簡寫。UL 安全試驗所是美國最有權威的,也是世界上從事安全試驗和鑒定的較大的民間機構。它是一個獨立的、營利的、為公共安全做試驗的第三方專業(yè)機構。它采用科學的測試方法來研究確定各種材料、裝置、產(chǎn)品、設備、建筑等對生命、財產(chǎn)有無危害和危害的程度;確定、編寫、發(fā)行相應的標準和有助于減少及防止造成生命財產(chǎn)受到損失的資料,同時開展實情調(diào)研業(yè)務。UL 認證在美國屬于非強制性認證,主要是產(chǎn)品安全性能方面的檢測和認證,其認證范圍不包含產(chǎn)品的EMC(電磁兼容)特性。但需要注意的是,出口至美國的電氣產(chǎn)品基本都得取得UL 認證才能入關。

在美國,制定電氣標準的政府部門和協(xié)會組織還有很多,如制定能效標準的能源部DOE,制定照明相關標準的照明工程協(xié)會(IESNA)等,不在此處一一列舉了。

2 美標中的電氣產(chǎn)品標準

美標中電氣產(chǎn)品標準很多,主要由以上各個協(xié)會組織制定。電氣產(chǎn)品標準主要都是保障電氣產(chǎn)品安全的制造和測試標準,還有小部分為能效標準。

2.1 美國國家電氣標準(NEC)

NFPA 70 National Electrical Code 美國國家電氣標準,簡稱NEC,它由國家防火協(xié)會(NFPA)發(fā)布,是電氣產(chǎn)品安全標準中最基礎和最全面的標準,也是最重要的一個標準,其他電氣標準都是在這個標準的基礎上發(fā)展和制定,其關系如圖1 所示。

圖1 美國電氣標準構成示意圖

2.2 美國電氣產(chǎn)品標準介紹

美國電氣標準很多,大部分為電氣產(chǎn)品的制造和試驗標準。對于工程設計人員,了解一些常用設備需要執(zhí)行的主要標準是有必要的。下文按照工業(yè)場所上常用的一次和二次電氣設備,分別對其適用的主要美國標準進行了列舉,供大家參考。

2.2.1 系統(tǒng)一次設備

2.2.1.1 配電裝置

(1)低壓配電裝置

美國標準將低壓配電裝置分為三類,即Switchgear、Switchboard 和MCC,不同的柜型適用的標準是不同的。開關柜及其內(nèi)部元件如斷路器、熔斷器、隔離開關、繼電保護裝置等設備和元件標準基本都歸納在ANSI C37 系列標準內(nèi)。

①Switchgear 低壓開關柜

Switchgear 柜型的主要特點是水平母線和各功能單元分隔開來,功能單元彼此也分隔開來,類似于國內(nèi)的MNS 柜。該柜型主要為大功率用電負荷配電,進出回路以ACB 為主,主要適用標準如下:

a.ANSI/IEEE C37.20.1 Standard for Metal-Enclosed Low-Voltage(1 000 V ac and below,3 200 V dc and below) Power Circuit Breaker Switchgear 交流1 000 V 及以下,直流3 200 V 及以下低壓金屬封閉開關柜標準。

b.ANSI/UL1558 Standard for Safety for Metal-Enclosed Low-Voltage Power Circuit Breaker Switchgear 低壓金屬封閉開關柜安全性標準。

②Switchboard 低壓配電盤

和Switchgear 相比,Switchboard 的區(qū)別在于功能單元之間沒有分隔開,類似于國內(nèi)的固定柜,主要用于商業(yè)場所,主要適用的標準為:ANSI/UL891 Standard for Safety for Switchboards 低壓配電盤安全性標準。

③MCC 馬達控制中心

該柜型主要適用于各種起動方式的低壓電動機負載、小容量的配電回路等,適用的標準為:ANSI/UL845 Standard for Safety for Motor Control Centers MCC 安全性標準。

根據(jù)以上各柜型的特點,工業(yè)場所里設置變電所的常用配置為:Switchgears 與變壓器相連,并配出回路給各MCCs,MCCs 為終端負荷配電。這與國內(nèi)有所區(qū)別,需要注意。

(2)中壓配電裝置

中壓配電裝置的分類基本和國內(nèi)的中壓產(chǎn)品類似,主要為以下四類,分別用于不同的負載。

①Metal-Clad(MC) Switchgear 金屬鎧裝開關柜

該柜型類似于國內(nèi)的KYN 柜,以真空斷路器出線回路為主,各種負載都適用,柜體要相對大一些。主要的適用標準為:ANSI/IEEE C37.20.2 Standard for Metal-Clad Switchgear 金屬鎧裝開關柜標準。

②Metal-enclosed interrupter(MEI) Switchgear金屬封閉開關柜

該柜型主要以熔斷器+負荷開關為主,類似于國內(nèi)的負荷開關柜或環(huán)網(wǎng)柜,主要的適用標準為:ANSI/IEEE C37.20.3 Standard for Metal-Enclosed interrupter Switchgear 金屬封閉開關柜標準。

③MV MCC 中壓馬達控制中心

該柜型的額定電壓為7.2 kV 及以下,出線單元為FC(熔斷器+接觸器)回路,適用于中壓小功率電動機、電容器或配電變壓器等負載。主要適用標準為:ANSI/UL347 Standard for Safety for Medium-Voltage AC Contactors,Controllers,and Control centers中壓交流接觸器、控制器和控制中心安全標準。

和低壓MCC 柜不同,由于中壓MCC 柜是采用的接觸器控制,基本方案只有450 A 以下的出線回路,所以它很少單獨使用,需要和MC 柜配合起來用。MV MCC 柜和MC 柜兩種柜型的尺寸差距較大,需要專門的過渡柜來連接。

④Gas-Insulated Switchgear(GIS)氣體絕緣開關柜

該柜型主要為SF6 氣體絕緣,和國內(nèi)氣體絕緣柜是相似的,主要適用標準為:ANSI/IEEE C37.20.9 Standard for Metal-Enclosed Switchgear Rated 1 kV to 52 kV Incorporating Gas Insulating System額定電壓為1 kV 至52 kV 氣體絕緣金屬封閉開關柜標準。

(3)高壓配電裝置

52 kV 以上配電裝置主要指GIS 設備,該設備適用標準為:ANSI/IEEE C37.122 Standard for Gas-Insulated Substations 氣體絕緣變電站標準。

(4)防弧閃開關柜

和國內(nèi)中、低壓柜不同的是,為了增加電氣操作人員的安全度,美標中、低壓柜特別生產(chǎn)了防內(nèi)部弧閃功能的柜型。中、低壓開關柜如果需要具有防內(nèi)部弧閃功能,則必須符合ANSI/IEEE C37.20.7 IEEE Guide for Testing Switchgear Rated Up to 52 kV for Internal Arcing Faults 額定電壓52 kV 及以下開關柜內(nèi)部弧閃測試標準。

2.2.1.2 變壓器

和國內(nèi)變壓器一樣,美國的變壓器按絕緣介質(zhì)的不同,分為干式變壓器和油浸變壓器。再根據(jù)變壓器容量的不同,又分為配電變壓器和電力變壓器。不同類型和容量的變壓器分別適用不同的制造、測試和能效標準。變壓器主要執(zhí)行的標準基本都在ANSI/IEEE C57 系列標準里。

(1)干式變壓器

干式變壓器主要執(zhí)行的制造標準如下:

①IEEE C57.12.01 Standard for General Requirements for Dry-Type Distribution and Power Transformers 干式配電和電力變壓器通用要求;

②UL1562 Standard for Safety for Transformers,Distribution,Dry-Type Over 600 Volts 600V 以上干式配電變壓器安全性標準。

(2)油浸變壓器

油浸變壓器主要執(zhí)行的制造標準如下:

①IEEE C57.12.00 Standard for General Requirements for Liquid-Immersed Distribution,Power,and Regulating Transformers 油浸式配電、電力和調(diào)節(jié)變壓器的通用要求;

②IEEE C57.12.10 Standard Requirements for Liquid-Immersed Power Transformers 油浸電力變壓器要求;該標準適用于100 MVA 及以下,高壓側230 kV 及以下電力變壓器;

③IEEE C57.12.36 Standard Requirements for Liquid-Immersed Distribution Substation Transformers油浸配電變壓器要求;該標準適用于10 MVA 及以下,高壓側69 kV 及以下,低壓側34.5 kV 及以下的配電變壓器。

(3)整流變壓器

整流變壓器為特種變壓器,主要執(zhí)行的制造和測試標準為:IEEE C57.18.10 Standard Practices and Requirements for Semiconductor Power Rectifier Transformers 半導體電力整流變壓器的實施和要求。

(4)配電變壓器能效標準

關于變壓器能效要求,美國目前只有針對小容量(≤2 500 kVA)的配電變壓器的能效標準,即美國能源部(DOE)制定的標準:DOE 2016 10 CFR Part 431 Part II Energy Conservation Standards for Distribution Transformers 配電變壓器節(jié)能標準。

(5)配電變壓器的標準容量

美標對油浸配電變壓器的容量(kVA)規(guī)定如表1 所示。

表1 油浸或干式配電變壓器標準容量表

2.2.1.3 變頻器

變頻器分為低壓變頻器和中壓變頻器,中壓變頻器除了需要符合以下標準外,還需要滿足整流變壓器的制造標準。

(1)ANSI/NEMA ICS 7 Industrial Control and Systems-Variable speed Drives 工業(yè)控制及系統(tǒng)-可調(diào)速傳動裝置

(2)IEEE Std 519 Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems 電力系統(tǒng)諧波控制的操作指南和要求

2.2.1.4 并聯(lián)電容器

(1)IEEE Std 18 Standard for Shunt Power Capacitors 并聯(lián)電力電容器標準

注:該標準適用范圍額定電壓為216 V 或以上,額定容量為2.5 kvar 或以上的并聯(lián)電力電容器。但需要指出的是2.4 kV 及以上的并聯(lián)電力電容器參照標準IEEE Std 1036 執(zhí)行。

(2)IEEE Std 1036 Guide for Application of Shunt Power Capacitors 并聯(lián)電力電容器應用導則

注:該標準適用范圍額定電壓為2.4 kV 及以上的并聯(lián)電力電容器。

2.2.1.5 電動機

(1)電動機主要執(zhí)行制造標準有:

①NEMA MG1 Motors and Generators 電動機和發(fā)電機。

②ANSI/IEEE 841 Standard for Petroleum and Chemical Industry-Premium Efficiency Severe Duty Totally Enclosed Fan-Cooled (TEFC) Squirrel Cage Induction Motors-Up to and Including 370 kW (500 hp)化學和石油工業(yè)用額定功率為370 kW(500 hp)及以下高效全封閉風扇冷卻鼠籠感應電動機標準。

(2)歐標、國標和美標關于低壓電動機的能效分級,如表2 所示。

表2 電動機能效分級對比表

2.2.1.6 UPS 不間斷電源

UPS 系統(tǒng)的制造標準主要如下:

(1)UL1778 Standard for Safety for Uninterruptible Power Systems 不間斷電源系統(tǒng)安全標準。

(2)NEMA PE1 Uninterruptible Power Systems-Specification And Performance Verification 不間斷電源系統(tǒng)-規(guī)范和性能驗證。

2.2.1.7 柴油發(fā)電機組

ANSI/UL2200 Standard for Safety for Stationary Engine Generator Assemblies 固定式發(fā)電機組安全標準。

2.2.1.8 爆炸危險區(qū)的電氣設備

根據(jù)爆炸危險源的不同,分別執(zhí)行不同的標準,具體如下:

(1)ANSI/UL1332 Standard for Safety for Explosion-Proof and Dust-Ignition-Proof Electrical Equipment for Use in Hazardous(Classified) Locations 危險(分類的)場所用防爆和防燃塵電氣設備的安全標準。

(2)NFPA 497 Recommended Practice for the Classification of Flammable Liquids,Gases,or Vapors and of Hazardous (Classified) Locations for Electrical Installations in Chemical Process Areas 化學工藝區(qū)易燃液體、氣體或蒸汽的分類和危險區(qū)域電氣裝置分類的推薦標準。

(3)NFPA 499 Recommended Practice for the Classification of Combustible Dusts and of Hazardous(Classified) Locations for Electrical Installations in Chemical Process Areas 化學工藝區(qū)可燃粉塵的分類和危險區(qū)域電氣裝置分類的推薦標準。

(4)UL60079 Standard for Safety for Explosive Atmospheres 爆炸環(huán)境下的安全性標準。

2.2.1.9 電氣設備外殼防護等級

美國電氣設備外殼防護等級廣泛采用的標準為NEMA 250 Standard for Enclosures for Electrical Equipment(1 000 Volts Maximum)。

從標準的名稱可以看到,雖然NEMA250 僅適用于1 kV 及以下電氣設備,但實際上1 kV 以上的美國電氣設備外殼防護等級仍然都采用該標準。另外,IEC 60529 外殼防護標準已經(jīng)得到美國官方認可并被直接引用成為美國的國家標準。NEMA 和IP 的對應關系如表3 所示。

表3 NEMA 外殼防護等級和IEC 標準IP 防護等級的對應表

2.2.1.10 電氣材料

(1)電纜

電纜的種類很多,不同種類適用的標準也不同,具體如下:

①UL1581 Reference Standard for Electrical Wires,Cables,and Flexible Cords 電線、電纜和軟線參考標準。

②UL1072 Standard for Safety for Medium-Voltage Power Cables 中壓電力電纜安全性標準。

③UL44 Standard for Safety for Thermoset-Insulated Wires and Cables 熱固性絕緣電線電纜安全性標準。

④UL83 Standard for Safety for Thermoplastic-Insulated Wires and Cables 熱塑性絕緣電線電纜安全性標準。

⑤UL1569 Standard for Safety for Metal-Clad Cables 金屬鎧裝電纜安全性標準。

⑥UL1277 Standard for Safety for Electrical Power and Control Tray Cables with Optional Optical-Fiber Members 帶可選光纖附件的托架用電力和控制電纜安全性標準。

不同種類的電纜對應的美國標準還很多,在此不一一列舉,需要注意以下幾點:

①UL 標準中把用于橋架敷設的電纜和其他非橋架敷設電纜區(qū)別開來,這和國內(nèi)的習慣用法是不一樣的。

②美標電纜的規(guī)格與國內(nèi)電纜不同,截面單位為AWG 和kcmil,1 kcmil=0.506 7 mm2。AWG 和公制單位的對照關系如表4 所示。

表4 AWG/kcmil 和公制單位對照表

③電纜的PE 線截面的要求也和國內(nèi)較大差別,最小截面的要求要低于國標,節(jié)選了部分要求如表5 所示。

表5 接地導體最小尺寸要求

(2)電纜保護管

①ANSI/UL1653 Standard for Safety for Electrical Nonmetallic Tubing 電氣用非金屬管安全性標準。

②ANSI/UL6A Standard for Safety for Electrical Rigid Metal Conduit-Aluminum,Red Brass,and Stainless Steel 電氣用剛性金屬管安全性標準-鋁、紅黃銅和不銹鋼。

③ANSI/UL1 Standard for Safety for Flexible Metal Conduit 柔性金屬管安全性標準。

(3)橋架

①NEMA VE1 Metal Cable Tray Systems 金屬電纜橋架系統(tǒng)。

②NEMA VE2 Metal Cable Tray Installation Guideline 金屬電纜橋架安裝導則。

③NEMA FG1 Fiberglass Cable Tray Systems 玻璃鋼電纜橋架系統(tǒng)。

④UL 568 Standard for Safety for Nonmetallic Cable Tray Systems 非金屬電纜橋架系統(tǒng)安全標準。

2.2.2 二次系統(tǒng)

(1)繼電保護相關

①ANSI/IEEE Std C37.2 Standard for Electrical Power System Device Function Numbers,Acronyms,and Contact Designations 電力系統(tǒng)設備功能數(shù)字代碼、縮寫和接點名稱標準。

注:在全世界范圍內(nèi)廣泛使用的繼電保護代碼出自這一標準。

②ANSI/IEEE Std C37.96 Guide for AC Motor Protection 交流電動機保護規(guī)程。

③ANSI/IEEE Std C37.99 Guide for Protection of Shunt Capacitor Banks 并聯(lián)電容器組保護規(guī)程。

④ANSI/IEEE Std C37.108 Guide for Protection of Network Transformer 網(wǎng)絡變壓保護規(guī)程。

⑤ANSI/IEEE Std C37.113 Guide for Protective Relay Applications to Transmission Lines 輸電線路繼電保護規(guī)程。

⑥ANSI/IEEE Std C37.119 Guide for breaker failure Protection of Power Circuit breakers 斷路器失靈保護規(guī)程。

(2)SCADA 系統(tǒng)

SCADA 系統(tǒng)廣泛應用于電力系統(tǒng)的監(jiān)控,適用的標準為IEEE Std C37.1 Standard for SCADA and Automation Systems SCADA 及自動化系統(tǒng)標準。

3 工程設計標準

美標中除了常用的電氣產(chǎn)品標準外,還有很多設計標準,以下是部分常用的設計標準。

(1)電氣制圖標準

ANSI/IEEE Std 315 Graphic Symbols for Electrical and Electronics Diagrams 電氣和電子圖形符號。

美標電氣符號和國標有很大區(qū)別,設計人員需要特別注意,主要元器件的圖例如表6 所示。

表6 主要元器件圖例對比表

(2)標準電壓

ANSI C84.1—2016 Electrical Power System and Equipment-Voltage Ratings(60 Hertz)電力系統(tǒng)和設備額定電壓(60 Hz)。

從該標準中節(jié)選了部分美國工業(yè)用電使用的電壓,如表7 所示。

表7 美國標準電壓

(3)應急電源系統(tǒng)標準

NFPA 110 Standard for Emergency and Standby Power Systems 應急和備用電源系統(tǒng)標準。

(4)變電站設計相關標準

①ANSI/IEEE Std 1427 Guide for Recommended Electrical Clearances and Insulation Levels in Air Insulated Electrical Power Substations 空氣絕緣電力變電站適宜電間隙和絕緣水平指南。

②ANSI/NEMA CC1 Electric Power Connection for Substations 變電站的電力連接。

③ANSI/IEEE Std 1615 Recommended Practice for Network Communication in Electric Power Substations 變電站網(wǎng)絡通信推薦做法。

④ANSI/IEEE Std 80 Guide for Safety in AC Substation Grounding 交流變電站接地安全設計指南。

⑤ANSI/IEEE Std 525 Design and Installation of Cable Systems in Substations 變電站電纜系統(tǒng)的設計和安裝。

⑥ANSI/IEEE Std 693 Recommended practices for seismic design of substations 變電站抗震設計推薦做法。

⑦ANSI/IEEE Std 979 Guide for Substation Fire Protection 變電站防火設計指南。

⑧ANSI/IEEE Std 998 Guide for Direct Lightning Stroke Shielding of Substation 變電站直接雷擊防護指南。

(5)照明設計標準

照明設計標準主要出自于北美照明工程協(xié)會(IESNA),主要如下:

①ANSI/IESNA DG-3 Application of Luminaire Symbols on Lighting Design Drawings 燈具符號在照明設計圖紙上的應用。

②ANSI/IESNA PR1 Recommended Practice on office Lighting 辦公室照明的推薦做法。

③ANSI/IESNA PR7 Recommended Practice for Lighting Industrial Facilities 工業(yè)設施照明的推薦做法。

④ANSI/IESNA PR8 Recommended Practice for Roadway Lighting 道路照明的推薦做法。

同樣,照明設計手冊(The IESNA Lighting Handbook)也出自于IESNA,作為照明設計的最重要和最全面的一本參考指導書。它詳細介紹了從如何設計燈具到照明計算,及能源管理的內(nèi)容,在各個章節(jié)中深入討論了諸如色彩、采光、照明計算、零售照明,室外照明、照明經(jīng)濟學和照明控制等主題。

(6)防雷設計標準

NFPA 780 Standard for the Installation of Lightning Protection System 防雷裝置規(guī)范,該規(guī)范中防雷措施條款主要參考IEC。該規(guī)范列出了詳細版的防雷評估計算程序和簡易版的防雷計算和評估,簡易版的防雷計算和國標較為相似。

(7)接地設計標準

除了變電站接地標準外,一般場所的接地標準參見ANSI/IEEE Std 142 Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial Power Systems工業(yè)和商業(yè)電力系統(tǒng)接地推薦做法。

以上列舉了一些主要的產(chǎn)品制造標準和與咨詢設計關系緊密的設計標準,針對需要注意的地方做了簡述。

4 結語

美國電氣標準涵蓋了電氣行業(yè)的方方面面,數(shù)量眾多,標準之間又相互引用,行業(yè)分工各不相同,側重點也不一樣。本文主要是為了讓讀者對美國的電氣標準有個初步了解,同時為大家也提供一些參考和借鑒。