摘要：高层建筑在我国普遍存在，而且用电安全常常是人们关注的重点，因此针对高层建筑中低压配电系统安全性的探讨是十分有必要的。譬如：供配电系统的可靠性；供配电系统的连续性；低压配电系统的保护选择性；电气火灾防范等问题都与中低压配电系统安全性息息相关，应引起各位电气设计同行的高度重视，本文将会对所提及的这几类问题进行分析和探讨，提出相应的设计方法及措施。
关键词：高层建筑电气；中低压配电系统；安全性
1供配电系统的可靠性
供配电系统的可靠性是指建筑中用电设备的电源可靠稳定，提高供配电系统的可靠性能够减少由于大范围的停电带来的经济损失，特别是发生火灾时，消防设备用电电源能够正常提供尤为重要。供电可靠性应考虑的主要问题有：前端供电电源的设置；高层建筑的负荷分级；供配电系统主接线等。
1.1前端供电电源的设置
供电电压应该根据工程的用电量、用电设备特点、供电距离、供电线路的回路数、建设单位的规划以及当地电网发展的情况等因素决定的。项目的变压器总容量在12000kVA以上时，宜采用20kV以上电压等级供电；项目变压器总容量在12000kVA以下时，以10kV供电为宜。20kV电压等级相对于10kV电压等级有一定的优越性，譬如：增加了供电能力，在同样的供电半径条件下，使用相同截面的导体，采用20kV配电比10kV配电增加输送功率约1倍；保证电压质量，相同条件下，20kV线路的电压损失和功率损耗都低于10kV线路；能降低电网的线损。输送同样的功率，电压等级越高，电流越小，根据公式P线损=I²R，因此由于长距离的线路产生的损耗也越少。显而易见，20kV电压等级有利于整个电网的运行，但是在具体实施前，还是需要咨询当地供电部门提供的前端电压等级。以笔者以往的项目经验，住宅项目、商业综合体以及普通办公楼的前端电源以10kV电压等级居多，国家重点发展的项目、超高层地标建筑、建筑体量较大的项目的前端电源以20kV电压等级居多，并且需要配合建设单位向当地供电部门提出申请。
针对普遍的项目情况，对10kV电压等级进行简单地讨论。一路10kV电压能带8000~10000kVA负荷容量。根据建筑方案指标，对项目进行初步负荷计算，确定项目需要几路10kV回路。若建设单位对用电可靠性要求比较高，可以向供电部门申请由两个不同电站提供10kV回路，不过需要向供电部门交付用电高可靠费用，据笔者了解高可靠费用约为110元/kVA（各地供电局会存在差异，本数据仅供参考）。
1.2高层建筑的负荷分级
用电负荷应该根据供电可靠性及中断供电所造成的损失或影响程度，分为一级负荷、二级负荷及三级负荷，具体负荷分级原则可查阅JGJ16-2008《民用建筑电气设计规范》第3.2条负荷分级及供电要求，本文不加以累赘。
按负荷分级的原则，一级负荷要求电源备份和线路备份；二级负荷要求电源可不备份，但线路要求备份；三级负荷即不要求电源备份，也不要求线路备份。因此，在项目电气设计方案阶段时，就要对项目中的各类用电设备进行负荷分级，满足规范要求同时，若建设单位有特殊要求，也要合理配置。
1.3供配电系统主接线
影响供配电可靠性和安全性的因素很多，合理设计供配电系统的主接线无疑是最重要的。以下分别对常用的中压供电方案和低压供电方案进行简单的分析。
1.3.1中压供电主接线
方案1为两回路10（20）kV中压电源同时工作、互为备用（热备）、单母线分段，当其中一回电源故障被切除时，由母线联络开关自动或手动对事故回路供电。
方案2为两回路10（20）kV中压电源正常运行时一工作一备用（冷备），当正常工作电源发生停电故障时，另一回备用电源自动投入。
1.3.2低压供电主接线
如图所示，此方案为常用的低压配电主接线。变压器1与变压器2互相联络（热备）且断路器之间互相电气机械联锁，最多同时闭合三个中的两个。当其中一个变压器故障或者需要检修时，可以先去除不那么重要的负荷，再断开此变压器的进线断路器，最后闭合联络断路器，由另一个变压器对两段母线上比较重要的负荷供电，保证建筑内的重要设备正常运作。此方案还设置了发电机作为应急备用电源，当停电或者火灾时，由应急母线段对一级负荷进行供电，值得注意的是，若对供电连续性要求比较高，发电机作为应急备用电源并不能满足要求，解决方法详见第2章。
1.3.3消防负荷和非消防负荷在低压母线段上的接线原则
消防负荷和非消防负荷在低压母线段上的接线原则应为，互相独立，互不干扰。这是根据近年来许多建筑物在发生火灾时，虽然市电正常供电，但是供配电系统的主断路器不能正常合闸，消防设备不能启动灭火。究其原因，大多数是因为消防负荷与普通负荷共用同一进线断路器或同一低压母线段。火灾时，由于没能正常切除非消防电源或低压馈线回路的断路器上下级保护配合不好等原因，导致普通负荷配电线路由于消防水过载或短路，引起配电系统越级误跳闸，消防负荷因此失去工作电源而不能启动，耽误了火灾救援最佳时间，造成生命财产的重大损失。
2供配电系统的连续性
2.1应急和后备电源的种类和选择
供配电系统的连续性与中低压配电系统的安全存在着一定联系。当市电停电或者发生火灾时，需要应急和后备电源为建筑中的设备供电，应急电源的种类有：柴油发电机组、UPS不间断电源、EPS应急电源、独立于正常电源能自动投入的专用馈电线路。
对于应急电源种类的选择，应该按照用电设备允许中断供电时间选择。快速自启动柴油发电机组适用于允许中断供电时间15~30s的设备；UPS不间断电源适用于有连续供电要求或允许中断供电时间为ms级的设备；EPS应急电源适用于允许中断供电时间为数百ms级的设备。独立于正常电源能自动投入的专用馈电线路适用于允许中断供电时间大于电源切换时间的设备。
2.2柴油发电机组的应用
除了对供电连续性要求很高的计算机中心、国家重要场所等，目前的项目一般采用柴油发电机组作为应急电源，因为柴油发电机的容量较大，持续供电时间长，可独立运行，不受电网故障的影响，可靠性较高。尤其在某些地区市电不是很可靠的情况下，把柴油发电机组作为后备电源，既能起到应急电源的作用，又能通过低压系统的合理优化，使较为重要的负荷在市电停电时不受影响，因此柴油发电机组在工程中得到广泛应用。
2.3柴油发电机组容量选择的方法
高层民用建筑中，柴油发电机组在火灾时为消防设备供电，停电时为重要负荷供电。柴油发电机组的容量既要满足消防负荷又要满足重要负荷，取两者中数值大的作为发电机组的容量。
2.3.1消防负荷
消防负荷种类一：平时备用、火灾时才启用的专用消防设备计算负荷（Pjs1）。一般按最不利的一个防火分区发生火灾时考虑需要启动的消防水泵、纯消防风机、防火卷帘等。同层有几个防火分区时，若某一个防火分区着火，所需要的消防设备负荷计算应按本着火分区及相邻的两个及以上的防火分区来考虑。
消防负荷种类二：火灾或停市电时，均需保障供电的设备计算负荷（Pjs2）。例如应急疏散照明、消防电梯、车库潜污泵、消防控制中心等。
2.3.2重要负荷
停市电非火灾时，由发电机供电的重要计算负荷（Pjs3）。例如普通电梯、生活水泵、安防控制中心、综合通讯机房、公共区域普通照明等。
2.3.3容量选择
发电机组的额定功率（Pe）应大于或等于1.1倍的计算功率（Pjs），即Pe≥1.1Pjs：
A.当Pjs1＞Pjs3时，Pe≥1.1（Pjs1+Pjs2）；
B.当Pjs3＞Pjs1时，Pe≥1.1（Pjs3+Pjs2）；
这样既能满足发生火灾时消防负荷用电，又能保证停电时重要负荷的用电。
3低压配电系统的保护选择性
3.1保护选择性的定义
无论供配电系统发生过载、短路、绝缘故障等故障，均由最靠近故障点的上级断路器或者熔断器来动作脱扣，非故障回路保持闭合持续供电，其他出线回路的供电不受影响。对低压配电系统进行选择性配合的价值就是，当供电系统出现故障现象，配电系统可以做出有效的保护措施，在保证用电的安全性的同时尽可能减少断电范围，避免大面积断电造成不必要的损失。
3.2保护选择性的实现
3.2.1电流选择性
基于保护设备电流设定值的不同来实现。通过上下级断路器的过电流保护整定值的级差来保证选择性。图1中末端回路发生过载故障，足够长的时间后，使下级断路器动作，上级断路器不动作。图2为断路器的脱扣曲线，上下级断路器的脱扣曲线完全分开，两条曲线的间距越大，选择性越好。
图1 图2
3.2.2时间选择性
基于上下级保护电器动作的时间差来完成选择性配合。在满足一定电流级差的前提下，上下级断路器的脱扣时间差为0.1~0.2秒。当配电末端发生短路故障时，虽然上下级断路器同时检测到短路电流，但是上级断路器发生脱扣的时间更长，还没达到动作时间点，下级断路器已经动作并切除故障，故障电流消失，避免了越级跳闸，减少了停电范围。
图3
3.2.3逻辑选择性
基于在时间选择性基础上的提升。A与B为上下级断路器，首先要满足B的动作时间要小于A，脱扣有0.1~0.2秒的时间差，同时通过一根二次信号线使A和B之间构成电气联锁，通常称为区域选择性联锁（ZSI）。如图4所示，在B下级发生短路，A和B都能检测到短路电流，B检测到短路电流的同时，通过二次信号线给A发送高电平，A接收到高电平进行逻辑判断，认为故障发生在下级，不立即瞬动，保持延时等待（例如短延时脱扣为0.4秒），此时B已经脱扣，故障断开，A不动作，实现选择性配合。如图5所示，在A下级B上级发生短路，B没检测到短路电流不发送高电平，A检测到短路电流但没收到高电平，立即瞬动，切除故障。
图4 图5
3.2.4能量选择性
基于保护设备特殊限流能力和灵敏反映断路器中短路所产生的能量的脱扣。当两个断路器检测到大电流时，下级断路器限流非常快，上级断路器产生的能量不足以使其脱扣。
4电气火灾防范
4.1电气火灾监控系统基本概念
由于电气原因引发的火灾，占全部火灾的40%左右，且近年来一直呈上升趋势，故电气火灾不容忽视。剩余电流（500mA，IEC现行标准）和电缆温升（电缆允许温度上限如70°C、90°C、135°C等等）达到一定限值就可能引发电气火灾。因此，设置电气火灾监控系统能够检测配电线路剩余电流和电缆温升，系统提前报警，使维护人员及时处理，有效的防止电气火灾事故的发生。电气火灾监控系统由电气火灾控制器、探测器、信号线路组成，其中电气火灾探测器有剩余电流式和测温式。
4.2电气火灾监控系统的检测范围
由于电气火灾成因分析可知，消防负荷的配电回路不易发生火灾，主要原因有：消防配电回路所带的负荷比较稳定，不会产生过负荷；并且其配电线缆采用阻燃耐火或矿物绝缘电缆，绝缘不容易被破坏而发生接地故障。因此，消防动力负荷的配电回路一般不做监控。
电气火灾监控系统应根据建筑物的性质及电气火灾危险性设置，并应根据电气线路敷设和用电设备的具体情况，确定电气火灾监控探测器的型式与安装位置。从电气火灾发生的部位来看，负荷侧发生的火灾概率远大于电源侧，因此建议检测点安装在配电系统第二级开关进线处。值得注意的是，剩余电流式电气火灾探测器不宜设置在IT系统的配电线路中，因为剩余电流式电气火灾探测器在无地线的供电线路中不能正确探测，不适合使用。
5结束语
总体来说，高层建筑中低压配电系统的安全问题是十分重要的，值得我们进行研究和分析，本文所提及的几点仅为实际工程中的一部分，尚有其他问题有待讨论，只有不断深入探索才能找到更加可靠的设计方案，群策群力提高电气设计水平，保障电气设计的安全，为城市建设作出贡献。
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论文作者:张锦淇
论文发表刊物:《基层建设》2019年第5期
论文发表时间:2019/4/17
标签：负荷论文; 火灾论文; 断路器论文; 电源论文; 系统论文; 电气论文; 选择性论文; 《基层建设》2019年第5期论文;