高層建筑電氣設計中低壓配電的系統安全性探究

屈磊

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海 200082）

1 工程概況

某高層建筑，項目內容為辦公、住宅綜合樓，建筑結構為框架剪力墻結構，整體建設面積約為8 000 m2，其中，地上建筑面積約為5 516 m2，屬于一類高層建筑工程項目。按照GB 51348—2019《民用建筑電氣設計標準》，該建筑用電負荷為二級負荷，住宅區域每戶用電負荷設計為7 kW，共包含256 戶，總用電量為1 792 kW。建筑運行過程中空調系統、公共用電設施、發電設備所產生的負荷分別為760 kW、768 kW、918 kW。對該高層建筑項目進行電氣設計時，由于低壓配電系統運行中的安全要求較高，所以，要求施工單位依據高層建筑用電需求，優化低壓配電系統的整體設計。

2 高層建筑低壓配電系統設計要求

高層建筑電氣設計中，低壓配電系統由高、低壓配電線路以及配電變壓器、配電變電組成。低壓配電系統中的控制保護設施會監測電力資源分配情況，當高層建筑中的電壓超過設計負荷時，低壓配電系統可直接切斷電源線路，使建筑電氣設備進入自動保護狀態。但是受多種因素影響，高層建筑低壓配電系統運行中的安全風險較多，使用期間會有火災、漏電、短路風險，因此，在設計高層建筑低壓配電系統時，還應滿足以下要求，保證低壓配電系統的安全性。

1）低壓配電系統是高層建筑電氣設計的重要內容，為滿足高層建筑供配電要求，設計低壓配電系統時應確保供電活動的持續性。相關人員可按照高層建筑的用電需求，在電氣設計中增加電源設備，可為其提供兩個電源，且這兩個電源相互獨立，在低壓配電系統故障后，另一電源可作為應急備用電源維持高層建筑電氣設備的正常使用。

2）優化低壓配電系統電源線路設計，設計電源設備時，重點強調其安全性以及低壓電氣主接線設計的合理性。低壓系統中的主接線是連接母線、開關電氣、電力變壓器、電容器等設備的線路，因此，保證低壓電氣主接線設計的可靠性，對完善低壓配電系統電源功能意義重大，具體設計方式如圖1所示。

圖1 某高層建筑低壓配電系統中主接線設計圖

3 高層建筑電氣設計中低壓配電時的安全風險

3.1 漏電風險

現階段，高層建筑低壓配電過程由于部分保護裝置選用不合理，且保護設施設置不到位，低壓配電系統會有嚴重的漏電風險，漏電風險則會誘發安全事故，威脅高層建筑中人員的安全，同時也會造成不可預估的經濟損失。為控制漏電風險，相關人員會在高層建筑電氣設計工作中，將漏電保護設備應用在低配電系統設計內。但部分電氣設計人員缺乏對漏電保護的正確認知，所選用的保護裝置不匹配，從而使得高層建筑低壓配電系統運行中的漏電保護效果不佳，漏電風險依然存在[1]。

3.2 接地風險

接地風險同樣是高層建筑低壓配電系統中的常見安全風險。低壓配電系統設計過程中，接地形式的選擇、接地保護設計都可能誘發接地風險，使低壓配電系統運行中產生人員觸電、系統斷電等安全事故。比如，布設低壓配電系統的電源設施時，若接地形式選擇不合理，會使低壓配電系統存在安全隱患。建筑電氣設計中低壓配電系統內導電設施如果沒有加強接地保護時，依然會引起導電設備內電流外漏問題，造成嚴重的安全風險。

4 保障高層建筑低壓配電系統安全性的有效策略

4.1 合理應用保護設備

針對高層建筑低壓配電系統中的漏電風險，相關人員可通過合理應用保護設備的方式，確保系統的安全性。對此，可根據漏電風險的產生原因，針對性地選用保護設備，維護低壓配電系統的安全性。

1）按照高層建筑的電力負荷，科學選擇漏電保護設施，設置漏電動作電流量。比如，對于建筑面積小于1 500 m2的住宅區域，可選用漏電斷路器作為保護裝置，漏電斷路器的漏電動作電流可設置為300 mA；住宅區域建筑面積處于1 500～6 000 m2時，漏電動作電流應設置為500 mA；當建筑內住宅面積超過6 000 m2時，在應用漏電斷路器時，應在低壓配電系統中增設多組漏電斷路器，并采用多路配電的基本模式。在此過程中，為全方位提升低壓配電系統的安全性，布設保護裝置時，相關人員還應分別在主線路末端、電路直線位置、所有電氣設備等區域安裝漏電斷路器，并使斷路器的動作電流值大于高層建筑低壓配電系統運行中的泄漏電流量。

2）低壓配電系統中的備用電源同樣可作為系統保護設施，用以增強系統安全性。對于高層建筑電氣設計工作，相關人員應以低壓配電系統的安全運行為目標設計備用電源。為發揮備用電源的安全保護功能，還應使其滿足以下要求：（1）將單臺機組作為備用電源時，還應合理控制機組的額定容量，同時通過有效的線路設計，使備用電源能夠在系統斷電后的3 s 內自行啟動。（2）備用電源中發動機處于額定轉速后，應嚴格控制電流量，盡量分批投入電流，以免因低壓母線壓降后出現安全風險。（3）低壓配電系統恢復供電后，應在30 s 后將供電任務轉移給系統，并且在系統穩定運行后的5～10 min 后關閉備用電源的發電設備。

4.2 優化接地保護設計

高層建筑電氣設計中低壓配電系統所造成的安全隱患，容易在安全事故發生后引起火災，威脅建筑內的住戶或商戶的人身安全。所以，為確保低壓配電系統的安全性，高層建筑從宏觀角度出發，全面優化接地保護設計。目前，高層建筑低壓配電時的接地保護模式可分為IT、TT、TN 3 種。其中，IT 接地保護模式是將接地故障保護設備安裝在高層建筑電網外，將外部導電設備的電壓值控制在合理范圍內。若在低壓配電系統運行中電壓持續上升，且超出標準值，接地保護設備可直接將供電線路切除。高層建筑中IT 接地模式的線路設計圖，如圖2 所示。

圖2 高層建筑IT 接地模式線路設計圖

另外，對于高層建筑而言，低壓配電系統中的線路形式通常為380/220 V 的三相四線，相關人員可使用TT 接地保護模式強化低壓配電系統的安全性。TT 接地保護模式的主要原理是在高層建筑產生的照明負荷、動力負荷后，通過RP 接地法，靈活地將地級電氣設備、中心點接地設備相連接，使RE 接地極小于RP 接地極，二者串聯后可產生10 V 電壓降，借此阻隔低壓配電系統運行中的故障回路，保障系統安全性。

TN 接地保護模式是通過電流保護的方式應對短路問題，以此維持低壓配電系統運行過程中的安全性。電氣設計人員可根據高層建筑電網線路的特點，設置接地設備，用接地保護設施在各相線碰撞后的金屬外殼和保護零線將短路電流控制在閉合回路中，隨后啟動繼電保護裝置將電源切斷，預防觸電、漏電風險。在此過程中，電氣設計人員應科學地選擇中性點、保護線的組織形式，用更可靠的TN-S 線路隔離PE 線路，或是用TN-C-S 阻隔相鄰導線、進戶桿，強化低壓配電系統的安全防護功能[2]。

4.3 重視低壓配電系統優化

為提升高層建筑低壓配電系統的安全性能，相關人員在電氣設計中還應重視低壓配電系統本身的優化。一般情況下，高層建筑供配電時往往包含兩層負荷，所以，在設計低壓配電系統時，應增加變壓器數量，至少配置兩臺或兩臺以上的變壓器。選用系統電源時，可按照高層建筑配電功率的要求，合理安裝柴油發電機組，布設備用電源機組。使備用電源、核心發電機組能夠在高層建筑使用中自由切換，滿足建筑物供配電要求，或是在安全風險產生后啟動備用電源，對應急裝置、消防設備、安全報警裝置供應電流。除此之外，高層建筑在設計低壓配電系統時，可將自動化技術、計算機技術應用在系統安全管理中，用先進的技術手段強化低壓配電系統安全風險控制，使其時刻處于安全、可靠的運行狀態。

4.4 完善低壓配電安全設計

為在高層建筑電氣設計中保障低壓配電系統的安全性，相關人員還應進一步完善高層建筑的低壓配電安全設計。

1）電氣設計過程中，應全面考察高層建筑工程項目，獲取高層建筑建設信息，及其所需的電氣設備類型、周圍環境等。隨后以此為依據，設計合理的供電線路，安裝電氣設備、供配電線路時，還需提前預防線路腐蝕風險。比如，電氣設計人員應基于GB 51348—2019《民用建筑電氣設計標準》中的相關標準選擇低壓配電系統中的材料設備，同時禁止電氣施工人員改動供電線路配置方案。對于照明、消防等關鍵用電設施，還應加強安全設計力度，選擇更可靠的供電線路設計方案。

2）低壓配電過程中，相關人員應重視配電方案的安全設計。對此，相關人員在科學配置變壓器、柴油發電機組后，應根據高層建筑中配電設備的實際需求，科學地控制電流供應量。目前，高層建筑內低壓配電系統的主要負荷來源包括基礎電氣設備、建筑通風設備、空調設備、給排水設備等，為預防短路、斷電等風險問題，應結合高層建筑內各類用電設施的實際需求，計算電源負荷，確定各區域電力設備、配電線路的安裝數量和設計位置。比如，對于高層建筑的通風設備，排煙機所需的風量為36 000 m3/h 時，電機配電容量為11 kW；送風機所需風量為25 000 m3/h 時，電機配電容量為7.5 kW。電氣設計時相關人員可根據電機配電容量，針對性的設計低壓配電線路，安裝配電設備，保障高層建筑使用中低壓配電系統的安全性[3]。

5 結語

綜上所述，對于樓層較多的高層建筑，其內部空間中的電氣設計更為復雜，低壓配電系統所涉及的設備、線路較多，所以，為增強高層建筑低壓配電系統的安全性，保障其用電質量，相關人員還應深入分析高層建筑低壓配電安全風險，并通過合理布設保護裝置、科學應用接地保護模式、加強供配電線路安全設計等方式，提升高層建筑電氣設計整體水平，建設更可靠的建筑低壓配電系統。