高层建筑电气设计中低压配电的系统安全性探究

屈磊

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海 200082）

1 工程概况

某高层建筑，项目内容为办公、住宅综合楼，建筑结构为框架剪力墙结构，整体建设面积约为8 000 m2，其中，地上建筑面积约为5 516 m2，属于一类高层建筑工程项目。按照GB 51348—2019《民用建筑电气设计标准》，该建筑用电负荷为二级负荷，住宅区域每户用电负荷设计为7 kW，共包含256 户，总用电量为1 792 kW。建筑运行过程中空调系统、公共用电设施、发电设备所产生的负荷分别为760 kW、768 kW、918 kW。对该高层建筑项目进行电气设计时，由于低压配电系统运行中的安全要求较高，所以，要求施工单位依据高层建筑用电需求，优化低压配电系统的整体设计。

2 高层建筑低压配电系统设计要求

高层建筑电气设计中，低压配电系统由高、低压配电线路以及配电变压器、配电变电组成。低压配电系统中的控制保护设施会监测电力资源分配情况，当高层建筑中的电压超过设计负荷时，低压配电系统可直接切断电源线路，使建筑电气设备进入自动保护状态。但是受多种因素影响，高层建筑低压配电系统运行中的安全风险较多，使用期间会有火灾、漏电、短路风险，因此，在设计高层建筑低压配电系统时，还应满足以下要求，保证低压配电系统的安全性。

1）低压配电系统是高层建筑电气设计的重要内容，为满足高层建筑供配电要求，设计低压配电系统时应确保供电活动的持续性。相关人员可按照高层建筑的用电需求，在电气设计中增加电源设备，可为其提供两个电源，且这两个电源相互独立，在低压配电系统故障后，另一电源可作为应急备用电源维持高层建筑电气设备的正常使用。

2）优化低压配电系统电源线路设计，设计电源设备时，重点强调其安全性以及低压电气主接线设计的合理性。低压系统中的主接线是连接母线、开关电气、电力变压器、电容器等设备的线路，因此，保证低压电气主接线设计的可靠性，对完善低压配电系统电源功能意义重大，具体设计方式如图1所示。

图1 某高层建筑低压配电系统中主接线设计图

3 高层建筑电气设计中低压配电时的安全风险

3.1 漏电风险

现阶段，高层建筑低压配电过程由于部分保护装置选用不合理，且保护设施设置不到位，低压配电系统会有严重的漏电风险，漏电风险则会诱发安全事故，威胁高层建筑中人员的安全，同时也会造成不可预估的经济损失。为控制漏电风险，相关人员会在高层建筑电气设计工作中，将漏电保护设备应用在低配电系统设计内。但部分电气设计人员缺乏对漏电保护的正确认知，所选用的保护装置不匹配，从而使得高层建筑低压配电系统运行中的漏电保护效果不佳，漏电风险依然存在[1]。

3.2 接地风险

接地风险同样是高层建筑低压配电系统中的常见安全风险。低压配电系统设计过程中，接地形式的选择、接地保护设计都可能诱发接地风险，使低压配电系统运行中产生人员触电、系统断电等安全事故。比如，布设低压配电系统的电源设施时，若接地形式选择不合理，会使低压配电系统存在安全隐患。建筑电气设计中低压配电系统内导电设施如果没有加强接地保护时，依然会引起导电设备内电流外漏问题，造成严重的安全风险。

4 保障高层建筑低压配电系统安全性的有效策略

4.1 合理应用保护设备

针对高层建筑低压配电系统中的漏电风险，相关人员可通过合理应用保护设备的方式，确保系统的安全性。对此，可根据漏电风险的产生原因，针对性地选用保护设备，维护低压配电系统的安全性。

1）按照高层建筑的电力负荷，科学选择漏电保护设施，设置漏电动作电流量。比如，对于建筑面积小于1 500 m2的住宅区域，可选用漏电断路器作为保护装置，漏电断路器的漏电动作电流可设置为300 mA；住宅区域建筑面积处于1 500～6 000 m2时，漏电动作电流应设置为500 mA；当建筑内住宅面积超过6 000 m2时，在应用漏电断路器时，应在低压配电系统中增设多组漏电断路器，并采用多路配电的基本模式。在此过程中，为全方位提升低压配电系统的安全性，布设保护装置时，相关人员还应分别在主线路末端、电路直线位置、所有电气设备等区域安装漏电断路器，并使断路器的动作电流值大于高层建筑低压配电系统运行中的泄漏电流量。

2）低压配电系统中的备用电源同样可作为系统保护设施，用以增强系统安全性。对于高层建筑电气设计工作，相关人员应以低压配电系统的安全运行为目标设计备用电源。为发挥备用电源的安全保护功能，还应使其满足以下要求：（1）将单台机组作为备用电源时，还应合理控制机组的额定容量，同时通过有效的线路设计，使备用电源能够在系统断电后的3 s 内自行启动。（2）备用电源中发动机处于额定转速后，应严格控制电流量，尽量分批投入电流，以免因低压母线压降后出现安全风险。（3）低压配电系统恢复供电后，应在30 s 后将供电任务转移给系统，并且在系统稳定运行后的5～10 min 后关闭备用电源的发电设备。

4.2 优化接地保护设计

高层建筑电气设计中低压配电系统所造成的安全隐患，容易在安全事故发生后引起火灾，威胁建筑内的住户或商户的人身安全。所以，为确保低压配电系统的安全性，高层建筑从宏观角度出发，全面优化接地保护设计。目前，高层建筑低压配电时的接地保护模式可分为IT、TT、TN 3 种。其中，IT 接地保护模式是将接地故障保护设备安装在高层建筑电网外，将外部导电设备的电压值控制在合理范围内。若在低压配电系统运行中电压持续上升，且超出标准值，接地保护设备可直接将供电线路切除。高层建筑中IT 接地模式的线路设计图，如图2 所示。

图2 高层建筑IT 接地模式线路设计图

另外，对于高层建筑而言，低压配电系统中的线路形式通常为380/220 V 的三相四线，相关人员可使用TT 接地保护模式强化低压配电系统的安全性。TT 接地保护模式的主要原理是在高层建筑产生的照明负荷、动力负荷后，通过RP 接地法，灵活地将地级电气设备、中心点接地设备相连接，使RE 接地极小于RP 接地极，二者串联后可产生10 V 电压降，借此阻隔低压配电系统运行中的故障回路，保障系统安全性。

TN 接地保护模式是通过电流保护的方式应对短路问题，以此维持低压配电系统运行过程中的安全性。电气设计人员可根据高层建筑电网线路的特点，设置接地设备，用接地保护设施在各相线碰撞后的金属外壳和保护零线将短路电流控制在闭合回路中，随后启动继电保护装置将电源切断，预防触电、漏电风险。在此过程中，电气设计人员应科学地选择中性点、保护线的组织形式，用更可靠的TN-S 线路隔离PE 线路，或是用TN-C-S 阻隔相邻导线、进户杆，强化低压配电系统的安全防护功能[2]。

4.3 重视低压配电系统优化

为提升高层建筑低压配电系统的安全性能，相关人员在电气设计中还应重视低压配电系统本身的优化。一般情况下，高层建筑供配电时往往包含两层负荷，所以，在设计低压配电系统时，应增加变压器数量，至少配置两台或两台以上的变压器。选用系统电源时，可按照高层建筑配电功率的要求，合理安装柴油发电机组，布设备用电源机组。使备用电源、核心发电机组能够在高层建筑使用中自由切换，满足建筑物供配电要求，或是在安全风险产生后启动备用电源，对应急装置、消防设备、安全报警装置供应电流。除此之外，高层建筑在设计低压配电系统时，可将自动化技术、计算机技术应用在系统安全管理中，用先进的技术手段强化低压配电系统安全风险控制，使其时刻处于安全、可靠的运行状态。

4.4 完善低压配电安全设计

为在高层建筑电气设计中保障低压配电系统的安全性，相关人员还应进一步完善高层建筑的低压配电安全设计。

1）电气设计过程中，应全面考察高层建筑工程项目，获取高层建筑建设信息，及其所需的电气设备类型、周围环境等。随后以此为依据，设计合理的供电线路，安装电气设备、供配电线路时，还需提前预防线路腐蚀风险。比如，电气设计人员应基于GB 51348—2019《民用建筑电气设计标准》中的相关标准选择低压配电系统中的材料设备，同时禁止电气施工人员改动供电线路配置方案。对于照明、消防等关键用电设施，还应加强安全设计力度，选择更可靠的供电线路设计方案。

2）低压配电过程中，相关人员应重视配电方案的安全设计。对此，相关人员在科学配置变压器、柴油发电机组后，应根据高层建筑中配电设备的实际需求，科学地控制电流供应量。目前，高层建筑内低压配电系统的主要负荷来源包括基础电气设备、建筑通风设备、空调设备、给排水设备等，为预防短路、断电等风险问题，应结合高层建筑内各类用电设施的实际需求，计算电源负荷，确定各区域电力设备、配电线路的安装数量和设计位置。比如，对于高层建筑的通风设备，排烟机所需的风量为36 000 m3/h 时，电机配电容量为11 kW；送风机所需风量为25 000 m3/h 时，电机配电容量为7.5 kW。电气设计时相关人员可根据电机配电容量，针对性的设计低压配电线路，安装配电设备，保障高层建筑使用中低压配电系统的安全性[3]。

5 结语

综上所述，对于楼层较多的高层建筑，其内部空间中的电气设计更为复杂，低压配电系统所涉及的设备、线路较多，所以，为增强高层建筑低压配电系统的安全性，保障其用电质量，相关人员还应深入分析高层建筑低压配电安全风险，并通过合理布设保护装置、科学应用接地保护模式、加强供配电线路安全设计等方式，提升高层建筑电气设计整体水平，建设更可靠的建筑低压配电系统。