高層建筑電氣設計中低壓配電系統安全

摘 要：隨著城市化地加速和土地使用地限制，高層建筑逐漸成為都市的主要建筑形式。高層建筑因其復雜的結構和使用功能，對電氣系統的安全和穩定性要求更高。低壓配電系統作為建筑電氣系統的關鍵部分，其安全性關乎到人員的生命安全和財產安全。

關鍵詞：高層建筑；電氣設計；低壓配電系統文章編號：2095-4085（2024）09-0143-03

0 引言

高層建筑的電氣設計中低壓配電系統是其主要的構成部分，保證了建筑中所有設備能夠正常運行，而且低壓配電系統的安全程度也與高層建筑的整體安全性有著密不可分的關系。在其設計中，應重視低壓配電系統的安全性，切實保證高層建筑供電的穩定性與用電的安全性。本文主要闡述了中低壓配電系統的幾種形式，并分析了影響高層建筑電氣設計中，中低壓配電系統安全的影響因素，并針對出現的問題制定了有效的解決措施，以期促進高層建筑電氣設計工作的長遠發展。

1 高層建筑中常見的低壓配電系統模式

隨著城市化進程的加速，高層建筑逐漸成為現代都市的主要建筑形態。為滿足這些大型建筑對于電氣供電的需求，低壓配電系統扮演了非常重要的角色。下面對高層建筑中常見的低壓配電系統模式進行詳細探討。

1.1 TT低壓配電系統

TT系統的主要特點是變壓器的中性點與大地直接相連，同時用戶的中性點也與大地直接相連。TT系統簡單且在某些特定應用中，如農村和偏遠地區，具有經濟效益。對于瞬時過電壓的抑制能力較強。另外，由于TT系統的設備外殼接地，當瞬時過電壓出現時，它可以迅速地通過地線放電，從而降低設備所受的損害，因此特定場景中對于瞬時過電壓的抑制能力較強［1］。但在高層建筑中，由于布線距離較長，如果接地電阻不夠小，或者地線過長、阻抗過高，那么過電壓的抑制效果可能會受到影響，進而增加觸電風險（如圖1）。

1.2 IT低壓配電系統

IT系統中，變壓器的中性點不與大地直接相連，通常通過阻抗或電流傳感器進行連接，電源端所有的帶電部分應與大地隔離，或變壓器的中性點通過足夠高的阻抗進行接地。這種連接方式使得當單一絕緣故障發生時，系統不會立即跳閘。這種設計對于某些關鍵應用如醫院手術室或不允許突然斷電的生產線是理想的，因為它們需要在出現初次故障時繼續工作，直至找到并修復問題［2］。但是，如果第二次故障發生在沒有修復第一次故障的情況下，可能會造成嚴重的觸電危險或火災風險。從接地系統的兼容性考慮，同一高層建筑內的IT系統是可以與TN系統或TT系統兼容，只要IT系統與TN系統或TT系統不并聯運行。

1.3 TN低壓配電系統

TN系統中，變壓器中性點直接接地，而用戶電氣裝置的外露可導電部分，通過PEN導體或PE導體連接到變壓器中性點的接地點。TN-S接地是供電公司和用戶使用不同的接地方式，即分別有中性和保護導體。 TN-S接地是整個系統采用單獨的PE，但電氣裝置可另外增設接地。TN-C-S接地則是供電公司采用TN-C方式，但用戶采用TN-S方式［3］。TN-C-S接地是系統從電源開始由PEN導體充當系統中性線和保護功能。但在裝置受電點或進入建筑位置將PEN導體分為PE導體和N導體，分開后不能合并。

TN系統在故障時能夠快速切斷，從而極大地減少了觸電的風險。另外TN系統要求嚴格的接地和保護導體維護。若不當，則可能導致保護無效或導致大的接地回路電流。總之，選擇哪種低壓配電系統需要根據具體的應用場景、安全要求和經濟考慮。在高層建筑中，由于復雜的用電環境和較高的安全要求，通常會綜合考慮各種因素，進行系統地設計和優化。

2 加強建筑電氣系統中低壓配電系統安全

低壓配電系統作為電氣系統的核心部分，更是其安全性的關鍵，同時又是一項較為復雜的工作。因此，在整個高層建筑的質量監控中，電氣設計占據著舉足輕重的地位。

2.1 接地安全保護設計

良好的接地系統是確保人員和設備安全的第一道防線。接地可以消除設備上可能存在的有害電壓，并在發生故障時提供路徑導致的電流流動，從而觸發保護裝置。

2.1.1 TT系統接地

在TT配電系統中，變壓器的中性點和用戶電氣系統的中性點都直接接地，但它們是兩個獨立的接地點。這種雙獨立接地結構的主要特點是，當接地設備（如家用電器）出現單一故障時，由于其獨立的接地方式，會產生一個較小的接地電流流過。

TT配電系統中接地安全措施主要有過電流保護、接地電流監測和定期維護與檢查。首先，設置過電流保護。因為TT系統在單一故障時可能不會立即切斷電源，所以必須使用適當的過電流保護來檢測和隔離故障。其次，設置接地電流監測。實時監測接地電流的大小和方向，以確保其在正常范圍內。最后，定期維護與檢查。TT系統的接地裝置應定期進行檢查和維護，以確保其性能始終達到標準要求［4］。

應對特殊環境的策略在多樓層的高層建筑中，建議在每層或每幾層設置獨立的接地系統，以降低接地電阻并提供更快的保護響應。

2.1.2 IT系統接地

IT配電系統的特點在于其中性點沒有直接接地，或者是通過高阻抗進行接地，這意味著在第一次絕緣故障時，故障點并不形成短路。因此，IT系統在某些特殊應用中受到青睞，例如醫院、工業控制室等，因為這些地方不能承受因短路造成的電力中斷。

IT配電系統中接地安全措施包括設置絕緣警報、定期測試和故障電流限制。

（1）IT系統的絕緣警報是指絕緣監測設備能在檢測到絕緣水平下降到臨界值時發出警報，提醒工作人員采取行動。

（2）應定期對IT系統進行絕緣測試，確保系統的整體絕緣水平始終滿足安全要求。

（3）使用電流限制器或阻抗來限制可能的故障電流，以降低在第二次絕緣故障發生時的風險。

2.1.3 TN系統接地

TN系統是其中性點直接接地，并且電氣設備的保護導體（PE）與中性導體（N）在某個點或多個點連接的配電系統。基于PE和N的連接方式，TN系統可以進一步分類為TN-S、TN-C和TN-C-S系統。無論哪種方式，確保正確的接地都是至關重要的。

TN配電系統中接地安全措施包括過電流保護、避免中性斷開和定期維護與檢查。

（1）設置過電流保護裝置。由于TN系統的特點，過電流保護裝置在檢測到故障時應能迅速作出響應，斷開有問題的回路。

（2）保護中性連接。在TN系統中，如果中性導體意外斷開，可能會導致設備過電壓和損壞。因此，應采取措施保護中性連接，并確保它們不會意外斷開。

（3）應定期檢查TN系統的接地設備和連接，確保它們始終保持在良好狀態。

2.2 合理配置漏電斷路器

漏電斷路器（RCD，也稱為地漏電氣保護或GFCI）是用于監測系統中正常工作電流與返回電流之間差異的裝置。當這種差異超過預設值（表示可能有電流逸出并可能對人造成傷害）時，RCD會自動切斷電源。在高層建筑中，由于其復雜的電氣布局和高密度的使用情況，合理配置RCD顯得尤為重要。

合理配置漏電斷路器需要遵循以下設計原則：首先是選擇合適的額定值，RCD應根據預期的負載和可能的漏電風險選擇適當的額定操作電流。其次區分不同用途，例如濕潤區域（如浴室或廚房）和高風險設備（如電加熱器）可能需要更敏感的RCD。最后是考慮選擇性斷路，在多層配電系統中，應確保上游和下游RCD之間有適當的時間和電流選擇性，以確保故障時只有最接近故障點的RCD動作，而不影響整個建筑的供電［5］。

2.3 低壓配電系統優化

高層建筑中的低壓配電系統不僅要滿足日常使用的需求，還要確保安全、穩定和高效。針對這些需求，對低壓配電系統進行優化是至關重要的。

高層建筑中低壓配電系統的優化策略主要分為以下幾個方向。

（1）能效分析與改進。一方面使用更高效的變壓器、開關和其他電氣設備可以降低能耗和運行成本；另一方面采用智能電表和能源管理系統可以實時監控建筑的電氣使用情況，從而找出節能潛力所在。

（2）重新布局與調整。一方面定期進行短路電流分析，確保所有的防護設備如斷路器和繼電器都能在短路發生時快速斷開電路；另一方面則要確保三相系統中的各相負載平衡，這有助于降低不對稱負載所引起的額外損失。

（3）增強安全防護。一方面考慮到高層建筑容易受到雷擊，應裝備合適的雷電保護和浪涌保護設備，以保護電氣系統和電子設備；另一方面則是對系統的電線、連接和保護設備都應定期進行檢查，以便及時發現并修復潛在問題。

（4）設計中增加柔性與適應性。當建筑用途或負載需求發生變化時，模塊化的配電系統可以更容易地進行調整和擴展。考慮到高層建筑中可能發生的突發事件，如火災或其他緊急情況，應設計備用電源或應急發電機供電方案，以確保關鍵系統的持續運行。

2.4 保護裝置選擇性動作

在高層建筑的低壓配電系統中，選擇性動作的保護裝置是關鍵。這確保了當某一部分電路出現故障時，只有最靠近故障點的保護裝置會斷開電路，而其它部分繼續正常供電，從而最大程度地減少了電力中斷的影響。

選擇性動作的保護裝置設計策略：首先是時間選擇性，通過配置不同級別的保護裝置使其在不同的時間延遲后動作，可以確保只有最近的設備響應故障。其次是電流選擇性，通過為不同級別的保護裝置選擇不同的動作電流，可以確保只有當電流超出特定范圍時，對應級別的裝置才會動作。然后是智能保護裝置，現代的智能電氣保護裝置可以實時分析電路的狀態，自動調整其響應，從而實現更高的選擇性。最后是集成電氣管理系統的應用，通過將各保護裝置連接到集成的電氣管理系統，可以方便地從中央位置監控和調整每個裝置的設置，確保整體的選擇性動作。

3 高層建筑電氣設計中低壓配電系統總結

在高層建筑中，低壓配電系統扮演著關鍵的角色。TT、IT和TN三種系統模式在接地方式上存在差異，而合理的接地設計是確保系統安全的基礎。不同的系統模式需要采取相應的接地安全保護措施，以降低漏電和故障的風險。

漏電斷路器能夠及時檢測電流的不平衡，防止漏電電流過大導致的安全隱患。此外，低壓配電系統的優化設計也是確保系統安全性的關鍵一步，通過合理的布局和選材，可以提高系統的可靠性和穩定性。

保護裝置的選擇性動作是確保低壓配電系統安全運行的重要手段之一。在故障情況下，保護裝置的選擇性動作可以迅速隔離故障區域，保護系統的其他部分不受影響，從而最大限度地減少停電范圍，總之，本文這些措施旨在確保高層建筑的電氣系統在各種情況下都能穩定、安全地運行，從而為居民和使用者創造一個舒適、安全的生活和工作環境。

4 結語

綜上所述，高層建筑電氣設計中低壓配電系統的安全性至關重要。通過合理的接地設計、漏電斷路器的配置、系統優化設計以及保護裝置的選擇性動作，可以有效地降低漏電和故障風險，保障系統的穩定運行。在未來的設計中，應當繼續關注技術的創新和發展，不斷優化低壓配電系統的安全性，為高層建筑的可持續發展提供可靠的電氣支持。低壓配電系統是高層建筑的生命線，只有通過精心設計、合理優化和嚴格維護，才能確保其長期、穩定及安全地運行，為我們創造一個更加宜居的未來。

參考文獻：

［1］周中軍，林猛. 高層建筑電氣設計中低壓配電系統的安全性分析［J］. 住宅與房地產，2020（24）：91.

［2］趙貝榮.高層建筑電氣設計中低壓配電系統安全性研究［J］.山西建筑，2018，44（15）：111-112.

［3］沈明焱.高層建筑電氣設計中低壓配電系統的安全性分析［J］.住宅與房地產，2018（6）：68.

［4］蔡永濤.高層建筑電氣設計中低壓配電系統安全性探討［J］.科技創新與應用，2018（10）：83-84.

［5］賈志丹.淺談建筑低壓配電設計常見問題［J］.中國設備工程，2023（6）：87-89.