高层建筑电气设计中低压配电系统浅议
［摘要］我国高层建筑是我国建筑工程产业未来发展的形式之一，也是城市现代化建设的重要内容。低压配电系统是维持高层建筑功能实现的关键，但是同样也是产生安全风险的主要环节。如果设计不合理或者安全防护能力不足，极有可能发生安全风险，影响建筑居住使用的安全性。为此，本文针对低压配电系统设计的安全性进行研究，分析风险因素与接地设计，提出安全设计对策，为高层建筑电气设计提供技术参考。
［关键词］高层建筑；电气设备；低压配电系统；安全性
我国高层建筑的定义为十层或以上的建筑物，随着建筑楼层的增加，电气设备数量和用电住户数量会增多，而且不同用户的电气设备功率、数量存在较大的差异，如果建筑电气设计不合理，就会在正常使用过程中发生故障，影响建筑用电体验。所以在高层建筑设计中，电气系统的安全防护能力也是设计的重点。因此，高层建筑低压配电系统设计应以安全为基本原则，为建筑的正常运转提供稳定的电能供应，推动城市稳定发展。
1低压配电系统安全风险因素
1.1系统过载系统过载是低压配电系统常见的风险因素之一，在系统运行过程中，由于短路或者大功率用电设备的应用，导致配电系统运行过载。这种情况下，为了保护配电系统的安全性，断路器或者熔断保护装置就会及时发挥作用，切断配电系统的电能供应，从而避免引发电气设备损坏和电气火灾等安全风险[1]。但是，如果配电系统的熔断与短路保护装置设备不合理，或者不能及时发挥作用，就会导致电路安全故障的发生，影响配电系统的安全性。
1.2接地质量
电气接地是低压配电系统保护的重要措施，能够有效保护配电系统中电气设备与线路的安全。在配电系统发生漏电或者其他故障时，为了避免安全事故的发生，接地系统会发挥作用，提供良好的安全防护。如果电气接地质量存在问题，接地不可靠，那么就无法达到预期的保护效果，造成安全风险升高[2]。
1.3保护设备
保护设备包括低压配电系统运行过程中的所有保护装置，例如，接地保护、过流保护、断路保护等，这些保护装置的功能直接关系着整个配电系统运行的稳定性。保护装置如果选择不合理，就会导致系统运行不稳定。所以，在设计过程中需要科学合理地选择保护设备，避免此类问题发生[3]。
1.4越级跳闸
越级跳闸问题是当前高层建筑低压配电系统中存在最为普遍、影响最大的配电系统故障，不仅会造成经济损失，同时还会威胁配电系统运行的安全性。通常来讲，配电系统在发生故障时，如果下级配电系统故障，那么保护装置应该切断下级配电系统供电，实现对配电系统的保护。但是，越级跳闸情况表现为下级配电系统发生故障，上级配电系统无选择地进行跳闸切断，导致大范围的断电。这种情况严重威胁了城市的正常运转，必然会导致严重的经济损失，甚至可能造成严重风险事故，需要配电系统设计人员加以重视。
2高层建筑低压配电系统安全性分析
2.1供电线路安全性分析
高层建筑供配电系统设计过程中，为了提升其安全性，需要重点考虑建筑物的结构特点、材料、性质、环境以及电气配置，从而实现全面的安全风险分析，提高供配电线路的安全性。根据环境的不同，配电线路需要考虑自然腐蚀、外力破坏等众多因素，从而进行有效防护。例如，消防系统需要专门设计供电系统，配电线路能够一定程度上抵抗高温和火灾。当高层建筑发生火灾时，消防系统的配电系统需要能够稳定运行，为消防水泵的设备提供动力，实现对火灾的扑救和人员的疏散。
2.2配电方案安全性分析
配电方案的安全性主要体现在配电系统发生故障后，其故障排除效率与系统供电恢复速度。通常情况下，电力系统的配电方案为高层建筑配电系统配置两台变压器，并且设置一台应急柴油发电机。在一台变压器发生故障时，系统能够通过调节控制切换到另一台变压器，保障系统的正常电能供应。当同时发生故障，无法完成供电时，柴油发电机作业，提供配电系统基本设备的供电，保障最基本的安全照明等功能正常运行。
3高层建筑电气设计中低压配电系统的接地
3.1低压配电系统接地安全保护
在任何配电系统中，人身安全的防护永远处于第一位，因此在高层建筑低压配电系统设计中，为了保护建筑物内的居民人身安全和配电作业人员安全，需要在设计时选择可靠的配电系统接地保护方式。由于高层建筑楼层高，人员数量多，所以发生安全问题时需要争取更多的疏散时间。在配电系统发生故障时，接地保护能够迅速切断故障位置的供电，保护设备和人员不受伤害。在接地系统设计时，需要考虑地形因素和配电系统参数等，确保接地保护的可靠性。
3.2低压配电系统接地保护形式
3.2.1低压配电。TT系统TT接地系统的特点是将系统内的负载设备外露不与带电体相接的金属导电部分与大地直接连接，这种方式减少了系统的接线，接地方式简单，对配电系统也有保护效果。但每个电气设备均单独直接与大地连接，接地装置耗用钢材多，工程量大，对接地装置的接地电阻要求也难以满足，所以，TT系统并不适于在高层建筑中使用。3.2.2低压配电。IT系统IT系统有非常好的安全防护效果，当IT系统发生接地故障时，其对地电流一般很小，外露导电设备对地电压不高，不需要切断故障回路，供电连续性好，所以较多用于一般不允许停电的场所，如地下矿井、医院手术室等。但IT系统对电源系统的对地绝缘性能要求较高，同时，IT接地系统对包括中性导体在内的任何带电部分严禁直接接地，当系统发生接地故障时无法及时发现并排除，存在着安全隐患，所以并不大适用于一般的高层民用建筑。3.2.3低压配电。TN系统TN接地系统可分为TN-C、TN-S与TN-C-S三种形式。区别在于TN-C系统用工作零线兼作接零保护线，称作保护中性线（PEN线）；TN-S系统的工作零线N和专用保护线（PE线）严格分开；TN-C-S系统前部分采用保护中性线（PEN线），后部分现场总配电箱分出PE线。其共同点在于它们都有专用的PE或PEN线与系统内所有配电设备进行有效接地连接，当系统发生接地故障时，系统接地电流大，系统配电保护设备能快速察觉并断开故障回路，从而保障系统对接地故障安全性的保护要求。因TN-C与TN-C-S系统存在PE线与N线合用情况，可靠性没有N线和专用保护线（PE线）严格分开的TN-S系统高，所以，目前高层建筑的接地系统普遍采用TN-S接地形式。
4低压配电系统安全性设计对策
4.1科学选择漏电保护装置
低压配电系统发生故障时，漏电保护装置能够确保系统安全。在漏电保护装置的选择时，应注意以下几点：（1）漏电保护装置应能断开被保护回路的所有带电导体。（2）保护接地导体（PE线）不应穿过漏电保护装置的磁回路。（3）应确保回路正常运行时的自然泄漏电流不致引起漏电保护装置误动作。（4）上下级漏电保护装置之间应有选择性，并可通过额定动作电流值和动作时间的级差来保证。（5）用于电子信息设备、医疗电气设备的漏电保护装置应采用电磁式；另外，对不同的配电系统接地形式，漏电保护装置选择也有不同的要求。漏电保护装置可以用于TN系统和TN-C-S系统中，但严禁用于TN-C系统。需注意的是用于TN-C-S系统中时，保护装置的负荷侧不得再出现保护接地中性导体，应在漏电保护装置的电源侧将中性导体与保护接地导体分别引出。漏电保护装置用于TT系统或作为IT系统的附加防护时，需采用下式进行校验：R*IΔn≤50V式中：R――可同时触及的外露可导电部分和保护接地导体或外界可导电部分之间的电阻（Ω）；IΔn――漏电保护装置额定剩余动作电流）（A）。
4.2合理选择接触器
配电系统设计中，部分人往往只注重于断路器的选择而忽略了接触器的要求，接触器作为配电系统中的重要功能性开关电器之一，其选用应根据配电系统的实际复杂情况和使用场所确定。接触器用于低压电动机保护时，应保证接触器线圈的电压不低于释放电压，且接触器的限制短路电流不应小于安装处的预期短路电流。接触器主触头额定电流应大于等于电动机的额定电流或线路的计算电流，且应留有余量，并应考虑接触器所服务对象的工作制，当接触器用于长期工作制下应降容使用。接触器用于照明系统时，接触器的电流选择应不大于用电设备（线路）额定电流的90％。对于钨丝灯及有电容补偿的照明装置，应考虑其接通电流值。同时，处于不同温度、湿度、使用场所振动、尘埃、化学腐蚀等环境时，应按相应环境选用不同类型接触器。
4.3热继电器设计
高层建筑低压配电系统中设计热继电器，主要作用是为发电机提供过载保护，使电动机能够最大程度发挥性能，在短时间内实现过载和启动。在热继电器的设计时，需要考虑以下几个方面的因素：其一，热继电器类型的选择，通常高层建筑热继电器选择不带断相保护的设备，如果作为配电系统电动机过载保护使用，则选择具备断相保护的热继电器。其二，设备额定电流与型号选择。在设计选择时，需要考虑热继电器的整定电流应接近并不小于电动机的额定电流，并且能够在配电系统中稳定发挥功能作用。
4.4变压器设计
变压器的设计原则因素较多，从配电系统安全性的角度来看，主要集中在变压器的选用类型、变压器的容量和变压器的负载率几个方面。变压器按冷却方式可分为干式变压器和油浸式变压器。油浸式变压器性能优良、价格低廉，但油浸式变压器用硅油绝缘，其燃点为180℃，高燃点为360℃，发生匝间短路或过负荷可导致变压器内产生瓦斯气体，易发生火灾和爆炸。所以，目前高层民用建筑中已不再采用油浸式变压器。干式变压器无可燃油，也不会产生瓦斯爆炸，在民用建筑中，人员密集，使用干式变压器降低了火灾危险，安全性更好。另外，使用干式变压器的变电所占用面积小，防火要求也比油浸式变压器低，整体造价有优势。高层建筑的规模较于一般建筑更大，用电设备更多，如果选用大容量的变压器容量，其供电范围和供电半径可能偏大，对配电系统的继电保护和低压断路器等设备要求更高，当保护设备达不到要求或者故障时，更容易出现安全性风险，故结合实际需求，高层建筑中不建议选用大于1250kVA的单台变压器。变压器负载率应按单台变压器所接的用电设备的总计算负荷除以其容量进行计算，设计时应合理分配各变压器所连接的用电负载，使变压器的长期工作负载率保持在接近且不大于85％的最佳范围，避免变压器过载和低负载运行。
5结束语
综上所述，高层建筑低压配电系统设计的安全性，关键在于接地防护系统的设计、配电系统运行方案的设计、防护设备的配置、变压器的配置等方面。通过对以上内容的科学选择，能够保障高层建筑配电系统运行过程中有效防护安全风险，提升配电系统运行的稳定性，为建筑使用提供可靠的电力供应。
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）：97.
[2]王振国.高层建筑电气设计中低压配电系统安全性探讨[J].电工技术，2019（4）：244-245.
[3]王军海，刘金跃.高层建筑电气设计中低压配电系统安全性研究[J].商情，2019（7）：215.
黄文彪 广州建筑产业开发有限公司
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