浅谈建筑电气新技术的应用

浅谈建筑电气新技术的应用

李炳华（中建国际设计顾问有限公司，北京市 100013）

摘要：本文着重分析和讨论了民用建筑电气中ZSI技术应用、ATSE保护电器、级联技术、空调器插座回路保护、配电线路过负荷保护、配电线路、UPS接地等问题，并给出了解决这些问题的建议性措施，供建筑电气从业人员参考和讨论。

关键词：民用建筑电气 ZSI 级联过负荷保护 ATSE 空调器插座 UPS接地

改革开放以来，我国建筑电气技术水平得以快速发展，新技术、新系统层出不穷，新产品不断推出。另一方面，由于制定周期、经费等原因，我国的设计规范相对滞后。为了提高建筑电气的技术水平，设计出安全可靠、技术先进、维护方便、经济合理的建筑电气各系统，有必要对新技术的应用加以研究，以免造成不必要的错误和损失。以下是笔者的点滴体会，以飨读者。

1 关于低压配电

1.1 ZSI技术的应用

《民用建筑电气设计规范》第7.6.1条第2款规定“配电线路采用的上下级保护电器，其动作应具有选择性，各级之间应能协调配合。但对于非重要负荷的保护电器，可采用无选择性切断”。ZSI是实现上下级保护具有选择性的措施之一。ZSI是区域联锁选择性保护的英文缩写（Zone Selection Interlock），是最近新研发的一项技术，其核心有两点：当发生短路故障时，第一，保护电器接收到下级保护发来的故障信号后启动短延时保护；第二，保护电器没有收到下级保护电器发来的故障信号，立即瞬时脱扣，快速切断故障回路。

图1所示，QF1和QF2为主进断路器，QF3为母联断路器，QF4和QF5为出线回路保护电器（仅示意两个回路），QF6和QF7分别对应QF4和QF5的下级断路器。用屏蔽双绞线将这些断路器连接起来，构成ZSI保护体系。假设ATSE3的下端某点发生短路故障，最靠近短路点的断路器QF6或QF7启动瞬时保护，并发出信号启动其上级断路器QF4和QF5的短延时保护，当然，QF1~QF3的短延时保护也被启动。各级保护的时限整定值建议如表1所示。由于QF6或QF7已经瞬时动作，上级各断路器的短延时保护也就返回到正常状态，保证了保护的选择性。

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图1 低压配电系统中ZSI应用示例

表1 ZSI短延时保护设置要求

在采用ZSI区域选择性联锁保护时应注意以下几个问题：

a 如果低压配电系统采用ZSI技术，建议全系统的采用，不宜局部采用。即主进断路器、母联断路器、出线断路器及其下级断路器全部设置ZSI。图1中只是在重要负荷的回路装设ZSI，一旦没装ZSI的断路器非选择性动作造成越级跳闸，势必会影响到装有ZSI的回路供电，扩大了事故面，ZSI没有起到应有的作用。

b 所使用的断路器应具有ZSI功能，包括ACB、MCCB。目前主流的厂家许多能满足此功能，如施耐德的MT系列框架断路器和NSX系列的塑壳断路器、ABB的E系列框架断路器和T系列塑壳断路器、西门子公司的3WL框架断路器和3VL塑壳断路器等。

c 时限设置应按“上级保护时限长、下级保护时限短”的原则设置，表1给出了建议性的整定值。且保护的动作时限不宜低于100ms，因为断路器的分闸时间约为70ms，短路短延时的动作时间应长于断路器最大分闸时间。

d当采用具有ZSI功能的断路器时，只需增加控制线的费用，所增加的投资非常少，而带来非常可靠的完全选择性。控制线应采用屏蔽双绞线，穿金属管或金属线槽并接地，以避免干扰。

1.2 自动转换开关电器之前的保护电器

《民用建筑电气设计规范》JGJ 16-2008第7.5.3条第2款明确规定“TN-C-S、TN-S系统中的电源转换开关，应采用切断相导体和中性导体的四极开关” ^[1]，这条规定来自IEC 60364-4-46（如图2所示）。以图1系统中的ATSE3为例，若ATSE3采用四极，其上级各断路器(图中QF4、QF6、QF5、QF7)是否要采用四极？

笔者认为，TN-C-S或TN-S系统中，当末端双电源切换箱采用四极ATSE，且ATSE两个N极不相连时，ATSE之前的配电线路保护电器可采用三极保护电器。电源转换由ATSE完成，它可切断所有的相导体和中性导体，满足规范的要求。图1中的ATSE3采用四极，且其两个N端子不相连，此时保护电器QF4、5、6、7可采用三极。ATSE3实现电源转换，四极ATSE可以将两个电源系统严格分开，不至于形成环流。

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图2 低压配电系统中电源转换采用四极开关

1.3 配电线路的过负荷保护

《低压配电设计规范》和《民用建筑电气设计规范》有相似的规定，“突然断电比过负荷造成的损失更大的线路，其过负荷保护应作用于信号而不应切断电路” ^[1]，这是一条针对低压配电回路过负荷保护的强制性条文，由于产品所限，过去这条规定执行的不甚理想。笔者曾给出两个解决方案^[3]，下面再介绍一种专门针对这条规定、更为有效的解决方案，希望能引起大家高度重视。

只有瞬动保护的断路器与专用的过负荷保护装置组合，过负荷保护装置只报警。如图3所示，配电主回路的断路器只有短路保护，而过负荷保护装置ACM2专门用于过负荷报警，ACM2通过电流互感器TA采集回路电流信号，以此判断是否过负荷。ACM2设有两段报警，当过负荷电流较小时，ACM2接通中间继电器KA1→KA1线圈带电→KA1动合触点闭合，这样I段报警发出灯光信号，信号灯PGR被点亮，提醒工作人员；当过负荷电流较大时，ACM2接通中间继电器KA2→KA2线圈带电→KA2动合触点闭合，这样启动II段报警，不仅信号灯PGR亮，而且蜂鸣器PG发出声响报警。当工作人员收到声光报警信号后，可以通过控制按钮SF解除声音信号，但光信号只有等过负荷故障排除后才能解除。

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图3 配电线路过负荷只报警电路图

两段报警的阀值和动作时限建议采用图中所列数值^[2]，配电线路中多采用塑壳断路器，当ACM2与塑壳断路器配合时，I段报警整定值为1.05I_n，瞬时动作，此值对应于IEC 60947-2对塑壳断路器约定不脱扣电流I₁，就是说，当发生轻微（1.05I_n）过载时，塑壳断路器是不会动作的，而ACM2发生第一次报警，提醒工作人员进行线路检查。II段整定值为1.3I_n，5s动作，此值对应于IEC 60947-2对塑壳断路器的约定脱扣电流I₂，这时的报警可谓声光大作，表明过负荷较严重，工作人员应立即检查。因此，ACM2的整定值是与断路器的过负荷保护特性相一致，只不过规范要求过负荷报警的任务落到了ACM2而不是断路器。

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1.4 级联技术

图4 级联示例

级联是利用断路器的限流技术，在给定点允许安装低分断能力的下级断路器。级联需要满足下列几个条件：

a 上级断路器具有限流作用；

b 上级断路器的分断能力应不低于安装处的预期短路电流；

c 通过上级断路器的能量（I²t）应小于下级断路器及被保护电缆所能承受的能量。

这样，上下级断路器相互配合，下级断路器可以用低分断能力的断路器，下级断路器的分断能力低到什么程度呢？只能通过实验给出正确的答案。

图4所示为级联的典型示例，尽管有些元件已经陈旧，但是还能够说明由于级联技术，第一级断路器（A）对第二级（B）和第三级（C）断路器分断能力的提升。按照常理，B级断路器的分断能力只有25kA，不能有效的分断该处50kA的短路电流；同样，C级断路器10kA的分断能力也远低于该处预期的24kA短路电流。但是级联技术改变了常理。通过A级断路器150kA分断能力及限流作用，B级断路器的分断能力在A+B共同作用下提升到150kA，远高于50kA的预期短路电流；C级断路器的分断能力在A+C的共同作用下提升到30kA，也满足要求，大于24kA的预期短路电流。可见级联技术作用非常大，如表2所示。

表2 级联应用示例分析

然而，我国工程建设的现状让级联技术的应用存在巨大风险。通常设备的招投标很难满足级联技术的要求，往往配变电所的低压配电装置与二级、三级配电装置（俗称“三箱”）分不同的标段，生活泵、制冷机组等控制屏又是产品配套而来，这样一来，如何保证级联能满足要求呢！一旦不满足要求，将出现灾难性的后果。

因此，低压配电系统中短路保护电器的分断能力不应小于保护电器安装处的预期短路电流，严禁采用级联技术来降低短路保护电器的分断能力。

1.5 空调器插座

《住宅设计规范》GB 50096第6.5.2条第4款规定“除空调电源插座外，其它电源插座电路应设置漏电保护装置”，就是说，其它插座电路一定要用剩余电流动作保护装置，空调电源插座电路可用、也可不用，条文中没有规定空调电源插座不用剩余电流动作保护装置。

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图5 TN－S或TN－C－S接地型式空调器回路单相接地故障

图5为TN－S或TN－C－S接地系统，假设空调器A回路用断路器保护，其它家用电器B回路设剩余电流动作保护。当空调器A绝缘水平降低而发生单相不完全接地故障时，由于故障电流较小，不足以使断路器切除故障回路，致使空调器A外壳上带有故障电压U_a。通过PE线，故障电压被引到其它非故障家用电器B，导致设备B外壳带电，危及人身安全。家用电器B包括本回路上的所有家用电器以及本接地系统中外壳连接到PE线上的所有家用电器，因此，事故面将大大的被扩大。尽管家用电器B回路设有剩余电流动作保护，剩余电流动作保护器也不会起到保护作用。因此，如果空调器不设剩余电流动作保护，存在故障空调器不能及时切除的风险，这样会会殃及到其它非故障设备。

另一种情形如图6所示，接地系统为TT型式。空调器A采用断路器保护，当它发生单相碰壳故障，由于TT接地系统故障电流较小，不能使其保护电器（断路器）动作，空调器A外壳带有危险电压U_a，其值按下式计算。

U_a＝U_o.R_a/（R＋R_a） （1）

式中：R——电源侧接地电阻阻值，单位：Ω，设R＝4Ω；

R_a——负荷侧接地电阻阻值，单位：Ω，设R_a＝10Ω；

U_o——相对地电压，U_o＝220V。

将上述数值代入式（1），得：U_a＝220×10/（4＋10）＝157V

空调器外壳上带有这么高电压，足以将人电死。同时由于故障电压不能及时消除， U_a 将通过PE线被引到其它非故障回路或同回路其它非故障用电设备B上，使用电设备B外壳上也带有危险电压。

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图6 TT接地型式空调器回路单相接地故障

TT接地系统中，如果空调器回路不设剩余电流动作保护，将很难满足TT接地系统的条件，即I_a.R_A≤50V，这是规范所不允许的。

综上所述，空调电源插座电路、空调室外机电路应设置剩余电流动作保护装置。

2 关于配电线路

最近，一种新型的铜包铝线缆面市了，它具有较强的经济性而博得部分用户的青睐。但是铜包铝线缆在应用中出现了不少问题，究其主要原因是国家没有产品标准，因此，质量上无法保证，各家产品指标差异性较大。而另一种新型的合金铝电缆却推广艰难，根据即将颁布的《住宅建筑电气设计规范》，住宅小区的主干线及分支主干线可采用合金铝电缆，而住宅套内应采用铜芯电线。

因此，民用建筑中严禁采用铜包铝电缆和电线。

3 关于UPS接地

UPS接地问题一直争议颇多，观点不一。对于设计人员，遵循规范是基本要求，在此基础上进行细化。《建筑电气工程施工质量验收规范》GB50303-2002第9.1.4条是强条，即“不间断电源输出端的中性线(N极)，必须与由接地装置直接引来的接地干线相连接，做重复接地。”过去该条规定执行的不好，存在不少问题。UPS输出端中性线到底该不该接地？如果要接地该如何接地？设计人员存在不少疑问。

3.1 UPS内设有输出隔离变压器

当UPS设有输出隔离变压器，且隔离变压器负载侧采用TN-S或TT接地形式时，隔离变压器的中性点应接地。UPS输出端的内置隔离变压器（如图7所示）有利于电源隔离、中性点接地、减小用电负荷侧的零地电位差。2009版的《电子信息系统机房设计规范》对零地电压有不超过2V的规定。

图7所示，建筑物低压配电系统为TN-S系统，而这种UPS通常被称为工频机，图中的隔离变压器主要起到升压的作用，即将190V的交流升压到380V，同时这个变压器也起到隔离的作用。如果UPS输出端隔离变压器中性点不接地，对于三相不平衡负荷，尤其IT系统存在大量的单相负荷，存在较大的隐患，中性点会严重漂移，导致负载最轻的一相电压升高，连接于该相的IT设备将承受过高电压，更有甚者造成IT设备击穿，进而引起另两相严重过电压，导致连接于另两相上的IT设备击穿。

图7 UPS输出变压器时输出端中性线不接地时的零地电压过高

3.2 UPS输出端没设隔离变压器

当UPS采用高频逆变器时，其输出端往往不设隔离变压器，这种UPS通常被称为高频机。当UPS输出端没有设置隔离变压器时，可采用下列措施之一：

1）在UPS输出端外设隔离变压器，隔离变压器负荷侧宜采用TN-S或TT接地形式，且隔离变压器的中性点应接地。

2）在UPS输入端设置两个独立的变压器，其中性线应接地。

第一种措施实际上为UPS外置一个隔离变压器，其原理同图7。隔离变压器宜靠近负荷配电柜，这样有利于减小用电负荷侧的零地电压。

第二种措施参见图8，主电路和备用电路均设隔离变压器，隔离变压器中性点接地，这样减小了零地电压。同时，隔离变压器将建筑物的低压系统与UPS为电源的配电系统从电气上分开。再者，隔离变压器中性点接地有利于单相负荷供电，消除中性点漂移带来的危害。

图8 UPS输入端设置隔离变压器

4 结束语

通过上面的分析和论述，可以归纳为以下几点结论：

a当低压配电系统采用ZSI技术时，建议全系统的采用，不宜局部采用。即主进断路器、母联断路器、出线断路器及其下级断路器全部设置ZSI。

b 低压配电系统中严禁采用级联技术来降低短路保护电器的分断能力。

c TN-C-S或TN-S系统中，当末端双电源切换箱采用四极ATSE，且ATSE两个N极不相连时，ATSE之前的配电线路保护电器可采用三极保护电器。

d 配电线路过负荷保护优选方案：瞬动保护的断路器与专用的过负荷保护装置组合，过负荷保护装置只报警。

e TN、TT系统中的空调器电源插座电路、空调室外机电路应设置剩余电流动作保护装置。

f 民用建筑中严禁采用铜包铝电缆和电线。

g 当UPS设有输出隔离变压器，且隔离变压器负载侧采用TN-S或TT接地形式时，隔离变压器的中性点应接地。

当UPS输出端没有设置隔离变压器时，可采用在UPS输出端外设隔离变压器或在UPS输入端设置两个独立的变压器，且隔离变压器中性点应接地。

参考文献：

1 《民用建筑电气设计规范实施指南》，中国建筑学会建筑电气分会编著，中国电力出版社2008年5月第1版，2008年10月第2次印刷

2 “民用建筑中供配电系统若干问题的思考”，李炳华，《智能建筑电气技术》2009.5

3 “再论民用建筑电气供配电系统若干问题的思考”，李炳华，《建筑电气》2010.12

4 “断路器区域选择性联锁（ZSI）实验报告”，李炳华，《智能建筑电气技术精选》，中国电力出版社2005年5月第1版.第1次印刷