美标酒店建筑低压配电设计特点

2020-10-26郭怀远

工程技术研究 2020年17期

郭怀远

（中国建筑上海设计研究院有限公司，上海 200063）

近些年，“一带一路”倡议受到越来越多国家的响应，中国基建在海外承建甚至设计的项目逐渐增多，不可避免地会接触大量按美国标准设计的工程项目。文章以笔者实际参与的美国某大型酒店项目为例，试对民用公共建筑中低压配电系统特点进行简述分析。

美标项目低压配电主要遵循的规范为NFPA 70 National Electrical Code（简称NEC），与民用建筑电气设计相关的规范还有NFPA 72（国家火灾报警与信号规范），NFPA 110（应急和备用电源系统标准）、NFPA 780（防雷系统安装标准）等。

1 低压电源电压等级

美标民用建筑中常见的低压电源制式包括三相五线制480V/277V、三相五线制208V/120V、三相三线制240V、三相四线制240V/120V、单相两线制240V、单相三线制240V/120V共6种，电源频率均为60Hz。其中，单相两线制240V、单相三线制240V/120V常见于美标住宅项目，公共建筑中常见的低压电源制式为三相五线制480V/277V和三相五线制208V/120V，两种低压电压等级同时使用，设置两级降压变压器。该项目中设置有13.8kV/0.48kV和480V/208V两级降压变压器，其中13.8kV/0.48kV主变压器设置于变电站内，480V/208V设置于各楼层配电间中。

由于单相120V电源在发生接地故障时间接接触电压为60V，正常情况下不会造成人员电击致死，因此除了大功率设备外，其他所有人员可直接接触到的用电设备均采用120V供电，这些设备包括插座、地面灯具、低位墙面灯具等。480V/277V电压较高，可以提供更大的电源容量，因此空调、风机、照明、火警设备等大功率设备和一般人员不会接触到的用电设备多数采用此电压供电。其中，三相负荷采用480V，单相负荷采用277V。

但在酒店项目中，电源电压的应用会略微复杂一些。按照NEC中要求，在酒店客房中，除了客房插座外，客房照明灯具、照明开关以及小于1/4HP（184W）的电动机负载，包括风机盘管、通风机、排风扇等也需要采用单相120V电源供电，整个客房内只有单相120V一个电压等级。这样的要求可以避免客房内出现多个不同电压等级的配电箱，简化了客房内的配电设计，但也造成客房内风机盘管和照明灯具的电压等级与公共区域不同，即客房内风机盘管和照明灯具与公共区域不能互换，建议设计师在设计时对图例加以区分，以免施工方采购时出错。

另外，在酒店厨房区域，美标项目厨房中有大量240V用电设备。由于美标住宅项目一般为两相三线制240/120V，两根不同相相线的相位角180°，在住宅中对240V设备采用两根不同相位的120V相线供电；有些图纸中在设计公建项目时习惯性采用两根120V相线供电，然而在公建项目中两根不同相120V相线的相位角是120°，相电压实际为208V，并非240V，无法达到240V设备的用电要求，这种设计是错误的。对大型酒店厨房可以设置专用的Y/D接线的480V/240V变压器，为厨房设备引出专用的三相三线制240V电源；而如果厨房内240V用电设备较少，则可以为每个设备单独设置277V/240V单相降压变压器。该项目240V设备较少，采用为240V设备单设277V/240V单相降压变压器的方案。某美标大型酒店项目总体低压配电示意图和末端配电箱典型配电示意图如图1、图2所示。

图1 某美标酒店总体低压配电示意图

图2 某美标酒店末端配电箱典型配电示意图

2 电源要求及配电形式

美标中针对不同用电设备的重要性将设备供电分为重要电力系统和普通电力系统，重要电力系统需要两个独立电源，相当于国标的一级负荷和一级特别重要负荷；而普通电力系统则无特别要求，相当于国标三级负荷。美标中没有对应国标二级负荷供电要求的电力系统。该项目位于岛屿上，且酒店定位高端，因此整个酒店所有用电设备均接入重要电力系统。根据当地电源情况设置与市政电压等级相同的13.8kV高压柴油发电机组作为备用电源，柴发容量满足100%用电设备负荷，每台柴油发电机对应一台变压器。同时，针对重要的火警、应急照明、安防、电梯、网络设备等再设置专用UPS作为第三电源，UPS从变电站两台不同的变压器低压配电柜分别引来一路电源，两路电源互为备用，在UPS内自动切换，另预留一路旁路电源在UPS检修维护时保证相关设备的正常供电。

美标项目低压配电形式与国标无太大差别，均可采用树干式或放射式或两者结合的方式配电。该项目除酒店塔楼普通用电采用母线槽树干式配电外，其他负荷均采用放射式配电形式。该项目消防泵采用柴油泵，其他消防设备在美标中没有双电源末端切换的要求，且该项目柴发和市电均在前端高压侧已完成切换，消防设备电源也从变电站或UPS机房放射式单回路供给至末端消防设备配电箱和火警控制盘。

3 低压电器选择及保护设置

美标低压断路器整定值与国标或IEC不同，常用断路器整定值从15A起，均为5的倍数。所有美标电气设备均需具备UL认证。

美标配电箱结构为鱼骨式，配电箱内母排竖向中置，出线断路器分设两侧，整个配电箱为长条形，而国标配电箱通常为方形或矩形。美标配电箱防护等级为NEMA防护等级，与国标IP防护等级相比增加了防爆等级要求，就该项目而言，室内配电箱防护等级为NEMA 1，室外配电箱防护等级为NEMA 3R，而水泵房及室内潮湿场所的配电箱防护等级为NEMA 4X。常见NEMA与IP防护等级对照表如表1所示，更多关于NEMA防护等级的内容可参阅相关资料。

表1 NEMA与IP防护等级对照表

美标项目在接地故障防护上与国标有所不同。在插座配电方面，由于220V单相电源在发生接地故障时故障电压110V，人体接触此电压时存在触电伤人风险，因此国标JGJ16、GB50054等规范均要求除重要设备外所有人员可触及的末端插座回路必须设置30mA RCD。美标中针对末端120V、15A或20A的插座设置的保护装置称为接地故障回路保护器（Ground-Fault Circuit Interrupter,GFCI），一般很少设置在插座配电回路中，而是直接采用自带GFCI保护的成品插座，GFCI的漏电电流动作值设定为6mA。对固定设备供电插座，无论这些插座是否安装在人员可触及的高度，美标规范均不要求设置GFCI。同时为了确保供电连续性，火警设备和防盗报警设备的供电回路也不允许设置GFCI。而对厨房、浴室、天台、户外、地下车库及其他室内潮湿场所的末端插座回路均要求设置GFCI保护。该项目即针对末端需要设置接地故障保护的插座设计为GFCI插座，所有插座的配电回路均采用20A 1P微型断路器。

由于GFCI保护设置在末端插座，配电箱内出线断路器可全部采用1P断路器，因此与通常国内项目相比，相同插座回路时美标项目中末端出线断路器所占用的模数空间大幅降低。但需注意的是，无论是美标插座还是国标插座，末端插座可接入的电线截面并无太大差别，即国标和美标在末端插座回路的出线断路器整定电流值是一致的。由于美标插座回路的电压仅为国标的一半，相应美标每个插座回路所能提供的用电容量也仅为国标的一半，因此每个回路所带插座数量相较于国标要求也减半。同时，考虑到NEC其他章节对单个回路最大插座数量的约束性规定，每个回路最终供电的插座数量远少于国标。该项目普通插座回路出线采用20A/1P断路器，每个插座回路仅带3个插座。由此可见，末端插座配电箱内虽然省去了RCD的空间，但出线断路器个数则比国内一般项目要多1～2倍，为相同数量插座配电时美标配电箱尺寸并不会比国标配电箱有所减少。由于美标配电箱结构限制了配电箱内的最大断路器数量，且美标项目配电间内一般还需要额外增加480V/208V降压变压器，因此美标酒店项目的楼层配电间面积要比国内类似项目的配电间面积大40%～60%。

GFCI针对的是120V的末端插座，变电站低压柜出线处480V主回路则需要设置接地故障设备保护器（Ground-Fault Protection of Equipment）。美标对150～600V、大于等于1000A的出线断路器强制要求设置GFEP，GFEP设置目的类似国标电气火灾监控系统，都是通过监测剩余电流防止接地故障引发电气火灾。该项目出于电气火灾防护的考虑，对除专用消防设备配电回路外的所有变电站出线回路均设置300mA GFEP。

为了防止电气火灾，美标规范中还对电弧故障保护器（Arc-Fault Circuit Interrupter,AFCI，对应国标的AFDD）提出了明确的设置要求。电弧故障保护器主要用于通过持续检测线路绝缘老化破损产生的电弧并在线路起火前切断电源以避免火灾发生。国标对故障电弧的防护思路与美标不同，AFDD在国内项目中使用相对有限。在GB/T 16895.2—2017中针对故障电弧防护更强调采用耐弧材料遮蔽或保证足够的安装间距，JGJ16、GB50054等民用建筑电气核心规范中也并未对AFDD提出明确设置要求。美标则强调采用AFCI进行故障电弧防护，NEC中要求居住建筑和宿舍的所有120V单相15A或20A配电回路均应设置AFCI，而对设有厨房电器的酒店套房和客房也要求按照居住建筑的要求设置AFCI。该项目酒店标准客房和一般套房中没有厨电设备，因此无需设置AFCI；总统套房由于设置了厨电设备，按美标规范需按照居住建筑要求在套房内配电箱的所有出线回路增设AFCI。

过电流保护方面，对一般配电回路，其回路通常为连续负载（如照明）或同时包含连续负载和非连续负载（如普通插座），按照NEC要求，其过电流保护装置的整定值大于等于本回路所有非连续负载计算电流与本回路所有连续负载计算电流的1.25倍之和，配电回路线缆校正后载流量应不低于过电流保护装置的整定值。如果配电回路是包含有一台超过1/8HP（92W）电动机和其他非电动机负载的混合负载回路，在计算时还需将最大一台电动机的计算负载乘以1.25倍在与其他负载的计算结果相加。对电梯、空调箱、冷冻机组、电动机等专用用电设备的配电，NEC均给出专门章节进行规定，在遇到相应设备时可以对应查阅。与国标要求类似，美标对消防泵或其他断电会造成重大危险的设备的配电回路也要求只设置短路保护不设置过电流保护。

4 低压配电线路

美标项目低压配电采用电缆或母线槽配电，其配电形式与国标项目没有差异，主要差异在电缆规格上，美标电缆截面不采用平方毫米表示，而采用AWG线标和千圆密尔（kcmil）来表示（截面较小时采用AWG线标，截面较大时采用kcmil）NEC 2017版中的Table 310.15（B）（16）～Table 310.15（B）（21）给出了不同敷设条件下典型电缆或导体的载流量表，相应的载流量矫正系数也在第310章中给出。

在低压配电线路的敷设方式上，美标项目与国标基本一致，可采用桥架、穿管等敷设方式。美标项目在室内电缆敷设时额外存在一种采用MC钢铠电缆空气中明敷，类似国内BTTZ型矿物绝缘电缆空气中明敷的做法。MC电缆是在聚乙烯绝缘电缆的护套外增加一层钢制护套，用以代替金属电线管，施工时直接弯曲，省去穿管的工序。MC电缆并非专用的为消防电源供电的电缆，美标项目采用MC电缆更多是为了便于施工，国内选用BTTZ则更多的是出于耐火需求，而非出于施工方面的考虑。与国标GB/T 50169-2016中要求一样，美标中同样不允许利用MC电缆的钢制护套作为接地导体。

在国标项目尤其是大型公共建筑项目中，电缆通常有低烟无卤的要求，为消防设备供电的电缆同时还需要有耐火要求或者要求采用防火电缆。NEC中对低烟无卤电缆没有特别的要求，也没有对消防设备供电的电缆规定额外的措施。在NEC中，防火主要依靠隔离来满足，如果采用的是非MC电缆，则要求穿金属电线管或敷设于槽式金属桥架中；如采用非金属电线管，就必须暗敷于墙体、地面、楼板或吊顶内，且相应的屏障应满足不少于15min耐火要求，非金属电线管不得明敷。如果需要采用非封闭式桥架敷设，那么需要采用MC钢铠电缆敷设。