高层建筑配电系统中用电安全设计分析

2018-02-16穆柏荣

通信电源技术 2018年12期

穆柏荣

（山西大同大学煤炭工程学院，山西大同 037009）

0 引言

依据我国相关设计标准，楼层数大于10层及以上的民用建筑为高层建筑。实际中，此类建筑所需要用到的电器设备往往较多，且对电气设备标准要求高。在对高层建筑电气进行设计时，往往对供电安全性和用电安全性有着非常严格的规定。随着我国经济的发展，高层建筑越来越多，人们对电力的需求也越来越大。因此，对高层建筑电气设计的安全性和供电稳定性等方面提出了更高要求。

1 低压配电系统安全事故概述

作为供配电系统的重要构成部分，低压配电系统主要包括高压配电线路、配电变电所、配电变压器以及低压配电气等。基于完善的低压配电系统，当发生供配电事故时，可以及时切除故障线路，以避免事故蔓延，从而对非故障线路和人员起到保护作用[1]。但是，实际中由于施工人员疏忽、电线、空开等原材料品质不达标等，极有可能造成漏电现象，严重时甚至可能引发火灾，进而给人们的生命和财产造成严重损失。目前，虽然采用漏电保护器、保护接地、电位联结、提高验收力度等措施规避此类问题，但是依然存在个别问题。低压配电系统和人们的生活息息相关，它的安全稳定运行直接影响人们的正常生活和地区社会的稳定。

2 供电线路安全性分析

在确保供电满足要求的前提下，变电所的安全性和供配电系统的稳定性直接影响居民的正常用电。对于现阶段高层民用建筑而言，往往存在大量的一级和二级负荷，实际需要配备变压器数量在两台及以上。为了应对紧急情况，通常需要额外配备专用柴油发电机作为后备应急方案[2]。对于高层建筑而言，一旦发生线路故障，整栋建筑供电出现问题，柴油发电机需要在10 s内投入运行，承担起给整栋建筑供电的任务。此外，为了避免不必要的消耗和确保消防用电的稳定性，一旦发生火灾事故，要求电气设计可以自动切除非消防用电负荷，如图1所示。

图1 柴油发电机与变压器线路连接

变压器TM1和变压器TM2之间，断路器1QF和断路器2QF之间与断路器3QF基于机械、电气联锁。实际上，在同一时间点，只有两个开关可以同时处于吸合状态，另一个必须处于开断状态。在实际的高层建筑电气设计过程中，变压器和柴油发电机之间并不存在联系，彼此之间互相独立。它的优点在于排除联锁，同时柴油发电机也不会发生送给市电的情况。但是，设计方案存在一定弊端，在日常基于市电运行时，柴油发电机无法对下载负荷进行供电。Ⅲ段母线平时处于非工作状态，因此难以及时发现线路上断路器和线路存在的故障。一些高层建筑电气设计为了避免上述情况，设计时会将柴油发电机下辖的断路器QF和两变压器形成机械、电气互锁，进而促使Ⅲ段母线在正常运行时可以带电。但是，正常工作时柴油发电机依然无法对一般负荷进行供电。

3 低压供电系统接地保护措施分析

高层建筑电气设计的主要目的是，尽可能避免人员和财产受到电气系统的负面影响，确保整栋建筑低压供电的安全性和可靠性。在实际建筑电气设计时，需要添加接地保护，具体可结合建筑工程特征和电气设计特征。一般而言，接地保护设置应当依据建筑配电系统具体接地形式、电气设备的实际使用需求、电气回路保护线的截面情况等进行综合考量设计。设计过程中，所需接地保护形式也应当依据总等电位进行连接，以避免外部危险电压影响整个建筑的供电安全[3]。

3.1 低压配电系统

采用TT系统对高层建筑低压配电进行设计时，对电源的中性点需要进行单独接地保护设计。同时，对电源中性点接地设置和电气设备外漏电部分也需要进行接地保护设置。基于TT系统设计，电力系统中性线N和PE之间不存在供电关系。实际投入运行时，PE线路不进行供电。建筑电气设计时，低压配电系统中TN系统往往出现在对用电要求不高的地方，或者电容量较低、电气设备较少的地区。个别地区公用低压线路供电会使用该系统用于电力供应。

3.2 低压配电TN系统

TN系统是较常见的低压配电系统设计方案，金属线短路和出现的故障电流并不低。在接地保护设置过程中，安装电路保护器可以对整个电路负荷和电流短路起到很好的保护作用，同时可以在低压配电系统中加装接地故障保护装置。对高层建筑而言，电网布局较复杂且线路较长。在电网线路导线截面积较小的情况下，选用漏电保护装置作为接地保护，能够起到保护效果。基于该供电系统设计，应当将所有电气设备外壳均与同一保护线连接，并针对性设计保护模式。此外，配电系统中性点之间也需要进行可靠连接。TN-C、TN-S以及TNC-S是三种较常见的TN供电系统模式[4]。

3.3 低压配电IT系统

基于低压配电IT系统，在进行接地保护时，导电装置一旦出现问题电压将会保持在规定的要求内。IT系统接地保护不需要采用中断供电保护形式，只需设置警报系统即可。一旦发生故障立即报警发出信号，相关检修人员即可随即到现场处理故障。

4 基于高层建筑接地保护设计要点

相较于常规建筑，高层建筑发生漏电起火几率更大。因此，依据多年工作经验，就漏电原因进行分析。低压配电系统安装质量不达标，在潮湿环境和酸碱腐蚀性环境中采用明线敷设，设备未做有效防护。布线时，刀、钳子以及锤子等工具使用过度，易损伤线路绝缘层；导线连接处质量不达标、绝缘包扎等不符合要求。此外，日常对线路和设备等疏于管理，长时间超负荷运行致使线路绝缘老化，降低线路整体质量；使用一些产品质量不达标或者假冒的产品，极有可能造成后期使用时发生火灾；鼠咬、长时间浸水等外界因素，也有增加电力事故的可能性。

在对高层建筑进行接地保护设计时，低压配电系统通常设有接零和过流保护等装置。但是，无法彻底避免漏电、火灾情况的发生，此时往往需要用到漏电断路器。科学合理地应用漏电断路器，对安全用电具有一定意义。在进行漏电断路器选择时，应当对额定动作电流进行合理选择。通常，电气系统漏电电流较低，对整个线路影响不大。在选择动作电流时，应当遵循一定的原则：分支线路和线路末端用电设备，应当选择动作电流为30 mA的漏电断路器，动作响应时间不高于0.1 s；支线上漏电保护器，应选择动作电流为100 mA的漏电断路器，动作响应时间最好不高于0.3 s。电气设计过程中，在分支线路和线路末尾增加用电装置，在电路支线和电路干线需要相应增加漏电断路器，从而对整个低压供配电网络起到保护作用。对高层建筑电气系统进行设计时，要使整个建筑能够可靠用电和稳定供电。为避免造成财产和人身受到损失，通常需要设计故障自动切除装置和接地保护等，进一步确保用电的安全性。在进行高层建筑电气设计时，应当综合考量电气特征和建筑工程特点，针对接地保护系统进行设计。此外，要对电气设备实际应用环境等进行分析，合理选用漏电断路器装置。

合理的接地电阻值设计和等电位联结等，可以一定程度上起到防范漏电火灾的效果。漏电短路器对单项220 V线路通常只提供间接接触保护，由于劳损和质量不稳定等因素，极有可能造成误动作或者拒动作等情况，因此难以单独成为可靠的保护措施。基于等电位联结形式，可以有效隔离漏电电气线路和较低电位金属构件之间的电火花生成，从而有效消除漏电电压火花造成火灾的可能性。基于等电位联结主要是指将保护接零总线和建筑总水管、总煤气罐以及暖通等金属管道装置用导线联结的措施，从而起到平衡整栋建筑物电位的效果，特别是对易燃易爆场所具有非常良好的应用价值。合适的接地电阻值设计对漏电火灾防范效果较好。通常，电气设备接地保护电阻值应不大于4Q，当用电设备容量较大和熔体熔断电流较大时，可以适当增加接地线截面，并联接地体型设计，从而有效降低接地电阻值，提高漏电断流电流，最终有助于相关保护装置的感应动作。