高层建筑电气设计中低压配电系统安全

摘 要：随着城市化地加速和土地使用地限制，高层建筑逐渐成为都市的主要建筑形式。高层建筑因其复杂的结构和使用功能，对电气系统的安全和稳定性要求更高。低压配电系统作为建筑电气系统的关键部分，其安全性关乎到人员的生命安全和财产安全。

关键词：高层建筑；电气设计；低压配电系统文章编号：2095-4085（2024）09-0143-03

0 引言

高层建筑的电气设计中低压配电系统是其主要的构成部分，保证了建筑中所有设备能够正常运行，而且低压配电系统的安全程度也与高层建筑的整体安全性有着密不可分的关系。在其设计中，应重视低压配电系统的安全性，切实保证高层建筑供电的稳定性与用电的安全性。本文主要阐述了中低压配电系统的几种形式，并分析了影响高层建筑电气设计中，中低压配电系统安全的影响因素，并针对出现的问题制定了有效的解决措施，以期促进高层建筑电气设计工作的长远发展。

1 高层建筑中常见的低压配电系统模式

随着城市化进程的加速，高层建筑逐渐成为现代都市的主要建筑形态。为满足这些大型建筑对于电气供电的需求，低压配电系统扮演了非常重要的角色。下面对高层建筑中常见的低压配电系统模式进行详细探讨。

1.1 TT低压配电系统

TT系统的主要特点是变压器的中性点与大地直接相连，同时用户的中性点也与大地直接相连。TT系统简单且在某些特定应用中，如农村和偏远地区，具有经济效益。对于瞬时过电压的抑制能力较强。另外，由于TT系统的设备外壳接地，当瞬时过电压出现时，它可以迅速地通过地线放电，从而降低设备所受的损害，因此特定场景中对于瞬时过电压的抑制能力较强［1］。但在高层建筑中，由于布线距离较长，如果接地电阻不够小，或者地线过长、阻抗过高，那么过电压的抑制效果可能会受到影响，进而增加触电风险（如图1）。

1.2 IT低压配电系统

IT系统中，变压器的中性点不与大地直接相连，通常通过阻抗或电流传感器进行连接，电源端所有的带电部分应与大地隔离，或变压器的中性点通过足够高的阻抗进行接地。这种连接方式使得当单一绝缘故障发生时，系统不会立即跳闸。这种设计对于某些关键应用如医院手术室或不允许突然断电的生产线是理想的，因为它们需要在出现初次故障时继续工作，直至找到并修复问题［2］。但是，如果第二次故障发生在没有修复第一次故障的情况下，可能会造成严重的触电危险或火灾风险。从接地系统的兼容性考虑，同一高层建筑内的IT系统是可以与TN系统或TT系统兼容，只要IT系统与TN系统或TT系统不并联运行。

1.3 TN低压配电系统

TN系统中，变压器中性点直接接地，而用户电气装置的外露可导电部分，通过PEN导体或PE导体连接到变压器中性点的接地点。TN-S接地是供电公司和用户使用不同的接地方式，即分别有中性和保护导体。 TN-S接地是整个系统采用单独的PE，但电气装置可另外增设接地。TN-C-S接地则是供电公司采用TN-C方式，但用户采用TN-S方式［3］。TN-C-S接地是系统从电源开始由PEN导体充当系统中性线和保护功能。但在装置受电点或进入建筑位置将PEN导体分为PE导体和N导体，分开后不能合并。

TN系统在故障时能够快速切断，从而极大地减少了触电的风险。另外TN系统要求严格的接地和保护导体维护。若不当，则可能导致保护无效或导致大的接地回路电流。总之，选择哪种低压配电系统需要根据具体的应用场景、安全要求和经济考虑。在高层建筑中，由于复杂的用电环境和较高的安全要求，通常会综合考虑各种因素，进行系统地设计和优化。

2 加强建筑电气系统中低压配电系统安全

低压配电系统作为电气系统的核心部分，更是其安全性的关键，同时又是一项较为复杂的工作。因此，在整个高层建筑的质量监控中，电气设计占据着举足轻重的地位。

2.1 接地安全保护设计

良好的接地系统是确保人员和设备安全的第一道防线。接地可以消除设备上可能存在的有害电压，并在发生故障时提供路径导致的电流流动，从而触发保护装置。

2.1.1 TT系统接地

在TT配电系统中，变压器的中性点和用户电气系统的中性点都直接接地，但它们是两个独立的接地点。这种双独立接地结构的主要特点是，当接地设备（如家用电器）出现单一故障时，由于其独立的接地方式，会产生一个较小的接地电流流过。

TT配电系统中接地安全措施主要有过电流保护、接地电流监测和定期维护与检查。首先，设置过电流保护。因为TT系统在单一故障时可能不会立即切断电源，所以必须使用适当的过电流保护来检测和隔离故障。其次，设置接地电流监测。实时监测接地电流的大小和方向，以确保其在正常范围内。最后，定期维护与检查。TT系统的接地装置应定期进行检查和维护，以确保其性能始终达到标准要求［4］。

应对特殊环境的策略在多楼层的高层建筑中，建议在每层或每几层设置独立的接地系统，以降低接地电阻并提供更快的保护响应。

2.1.2 IT系统接地

IT配电系统的特点在于其中性点没有直接接地，或者是通过高阻抗进行接地，这意味着在第一次绝缘故障时，故障点并不形成短路。因此，IT系统在某些特殊应用中受到青睐，例如医院、工业控制室等，因为这些地方不能承受因短路造成的电力中断。

IT配电系统中接地安全措施包括设置绝缘警报、定期测试和故障电流限制。

（1）IT系统的绝缘警报是指绝缘监测设备能在检测到绝缘水平下降到临界值时发出警报，提醒工作人员采取行动。

（2）应定期对IT系统进行绝缘测试，确保系统的整体绝缘水平始终满足安全要求。

（3）使用电流限制器或阻抗来限制可能的故障电流，以降低在第二次绝缘故障发生时的风险。

2.1.3 TN系统接地

TN系统是其中性点直接接地，并且电气设备的保护导体（PE）与中性导体（N）在某个点或多个点连接的配电系统。基于PE和N的连接方式，TN系统可以进一步分类为TN-S、TN-C和TN-C-S系统。无论哪种方式，确保正确的接地都是至关重要的。

TN配电系统中接地安全措施包括过电流保护、避免中性断开和定期维护与检查。

（1）设置过电流保护装置。由于TN系统的特点，过电流保护装置在检测到故障时应能迅速作出响应，断开有问题的回路。

（2）保护中性连接。在TN系统中，如果中性导体意外断开，可能会导致设备过电压和损坏。因此，应采取措施保护中性连接，并确保它们不会意外断开。

（3）应定期检查TN系统的接地设备和连接，确保它们始终保持在良好状态。

2.2 合理配置漏电断路器

漏电断路器（RCD，也称为地漏电气保护或GFCI）是用于监测系统中正常工作电流与返回电流之间差异的装置。当这种差异超过预设值（表示可能有电流逸出并可能对人造成伤害）时，RCD会自动切断电源。在高层建筑中，由于其复杂的电气布局和高密度的使用情况，合理配置RCD显得尤为重要。

合理配置漏电断路器需要遵循以下设计原则：首先是选择合适的额定值，RCD应根据预期的负载和可能的漏电风险选择适当的额定操作电流。其次区分不同用途，例如湿润区域（如浴室或厨房）和高风险设备（如电加热器）可能需要更敏感的RCD。最后是考虑选择性断路，在多层配电系统中，应确保上游和下游RCD之间有适当的时间和电流选择性，以确保故障时只有最接近故障点的RCD动作，而不影响整个建筑的供电［5］。

2.3 低压配电系统优化

高层建筑中的低压配电系统不仅要满足日常使用的需求，还要确保安全、稳定和高效。针对这些需求，对低压配电系统进行优化是至关重要的。

高层建筑中低压配电系统的优化策略主要分为以下几个方向。

（1）能效分析与改进。一方面使用更高效的变压器、开关和其他电气设备可以降低能耗和运行成本；另一方面采用智能电表和能源管理系统可以实时监控建筑的电气使用情况，从而找出节能潜力所在。

（2）重新布局与调整。一方面定期进行短路电流分析，确保所有的防护设备如断路器和继电器都能在短路发生时快速断开电路；另一方面则要确保三相系统中的各相负载平衡，这有助于降低不对称负载所引起的额外损失。

（3）增强安全防护。一方面考虑到高层建筑容易受到雷击，应装备合适的雷电保护和浪涌保护设备，以保护电气系统和电子设备；另一方面则是对系统的电线、连接和保护设备都应定期进行检查，以便及时发现并修复潜在问题。

（4）设计中增加柔性与适应性。当建筑用途或负载需求发生变化时，模块化的配电系统可以更容易地进行调整和扩展。考虑到高层建筑中可能发生的突发事件，如火灾或其他紧急情况，应设计备用电源或应急发电机供电方案，以确保关键系统的持续运行。

2.4 保护装置选择性动作

在高层建筑的低压配电系统中，选择性动作的保护装置是关键。这确保了当某一部分电路出现故障时，只有最靠近故障点的保护装置会断开电路，而其它部分继续正常供电，从而最大程度地减少了电力中断的影响。

选择性动作的保护装置设计策略：首先是时间选择性，通过配置不同级别的保护装置使其在不同的时间延迟后动作，可以确保只有最近的设备响应故障。其次是电流选择性，通过为不同级别的保护装置选择不同的动作电流，可以确保只有当电流超出特定范围时，对应级别的装置才会动作。然后是智能保护装置，现代的智能电气保护装置可以实时分析电路的状态，自动调整其响应，从而实现更高的选择性。最后是集成电气管理系统的应用，通过将各保护装置连接到集成的电气管理系统，可以方便地从中央位置监控和调整每个装置的设置，确保整体的选择性动作。

3 高层建筑电气设计中低压配电系统总结

在高层建筑中，低压配电系统扮演着关键的角色。TT、IT和TN三种系统模式在接地方式上存在差异，而合理的接地设计是确保系统安全的基础。不同的系统模式需要采取相应的接地安全保护措施，以降低漏电和故障的风险。

漏电断路器能够及时检测电流的不平衡，防止漏电电流过大导致的安全隐患。此外，低压配电系统的优化设计也是确保系统安全性的关键一步，通过合理的布局和选材，可以提高系统的可靠性和稳定性。

保护装置的选择性动作是确保低压配电系统安全运行的重要手段之一。在故障情况下，保护装置的选择性动作可以迅速隔离故障区域，保护系统的其他部分不受影响，从而最大限度地减少停电范围，总之，本文这些措施旨在确保高层建筑的电气系统在各种情况下都能稳定、安全地运行，从而为居民和使用者创造一个舒适、安全的生活和工作环境。

4 结语

综上所述，高层建筑电气设计中低压配电系统的安全性至关重要。通过合理的接地设计、漏电断路器的配置、系统优化设计以及保护装置的选择性动作，可以有效地降低漏电和故障风险，保障系统的稳定运行。在未来的设计中，应当继续关注技术的创新和发展，不断优化低压配电系统的安全性，为高层建筑的可持续发展提供可靠的电气支持。低压配电系统是高层建筑的生命线，只有通过精心设计、合理优化和严格维护，才能确保其长期、稳定及安全地运行，为我们创造一个更加宜居的未来。

参考文献：

［1］周中军，林猛. 高层建筑电气设计中低压配电系统的安全性分析［J］. 住宅与房地产，2020（24）：91.

［2］赵贝荣.高层建筑电气设计中低压配电系统安全性研究［J］.山西建筑，2018，44（15）：111-112.

［3］沈明焱.高层建筑电气设计中低压配电系统的安全性分析［J］.住宅与房地产，2018（6）：68.

［4］蔡永涛.高层建筑电气设计中低压配电系统安全性探讨［J］.科技创新与应用，2018（10）：83-84.

［5］贾志丹.浅谈建筑低压配电设计常见问题［J］.中国设备工程，2023（6）：87-89.