郭懷遠(yuǎn)

（中國建筑上海設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200063）

近些年，“一帶一路”倡議受到越來越多國家的響應(yīng)，中國基建在海外承建甚至設(shè)計(jì)的項(xiàng)目逐漸增多，不可避免地會(huì)接觸大量按美國標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的工程項(xiàng)目。文章以筆者實(shí)際參與的美國某大型酒店項(xiàng)目為例，試對(duì)民用公共建筑中低壓配電系統(tǒng)特點(diǎn)進(jìn)行簡述分析。

美標(biāo)項(xiàng)目低壓配電主要遵循的規(guī)范為NFPA 70 National Electrical Code（簡稱NEC），與民用建筑電氣設(shè)計(jì)相關(guān)的規(guī)范還有NFPA 72（國家火災(zāi)報(bào)警與信號(hào)規(guī)范），NFPA 110（應(yīng)急和備用電源系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)）、NFPA 780（防雷系統(tǒng)安裝標(biāo)準(zhǔn)）等。

1 低壓電源電壓等級(jí)

美標(biāo)民用建筑中常見的低壓電源制式包括三相五線制480V/277V、三相五線制208V/120V、三相三線制240V、三相四線制240V/120V、單相兩線制240V、單相三線制240V/120V共6種，電源頻率均為60Hz。其中，單相兩線制240V、單相三線制240V/120V常見于美標(biāo)住宅項(xiàng)目，公共建筑中常見的低壓電源制式為三相五線制480V/277V和三相五線制208V/120V，兩種低壓電壓等級(jí)同時(shí)使用，設(shè)置兩級(jí)降壓變壓器。該項(xiàng)目中設(shè)置有13.8kV/0.48kV和480V/208V兩級(jí)降壓變壓器，其中13.8kV/0.48kV主變壓器設(shè)置于變電站內(nèi)，480V/208V設(shè)置于各樓層配電間中。

由于單相120V電源在發(fā)生接地故障時(shí)間接接觸電壓為60V，正常情況下不會(huì)造成人員電擊致死，因此除了大功率設(shè)備外，其他所有人員可直接接觸到的用電設(shè)備均采用120V供電，這些設(shè)備包括插座、地面燈具、低位墻面燈具等。480V/277V電壓較高，可以提供更大的電源容量，因此空調(diào)、風(fēng)機(jī)、照明、火警設(shè)備等大功率設(shè)備和一般人員不會(huì)接觸到的用電設(shè)備多數(shù)采用此電壓供電。其中，三相負(fù)荷采用480V，單相負(fù)荷采用277V。

但在酒店項(xiàng)目中，電源電壓的應(yīng)用會(huì)略微復(fù)雜一些。按照NEC中要求，在酒店客房中，除了客房插座外，客房照明燈具、照明開關(guān)以及小于1/4HP（184W）的電動(dòng)機(jī)負(fù)載，包括風(fēng)機(jī)盤管、通風(fēng)機(jī)、排風(fēng)扇等也需要采用單相120V電源供電，整個(gè)客房內(nèi)只有單相120V一個(gè)電壓等級(jí)。這樣的要求可以避免客房內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)不同電壓等級(jí)的配電箱，簡化了客房內(nèi)的配電設(shè)計(jì)，但也造成客房內(nèi)風(fēng)機(jī)盤管和照明燈具的電壓等級(jí)與公共區(qū)域不同，即客房內(nèi)風(fēng)機(jī)盤管和照明燈具與公共區(qū)域不能互換，建議設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)圖例加以區(qū)分，以免施工方采購時(shí)出錯(cuò)。

另外，在酒店廚房區(qū)域，美標(biāo)項(xiàng)目廚房中有大量240V用電設(shè)備。由于美標(biāo)住宅項(xiàng)目一般為兩相三線制240/120V，兩根不同相相線的相位角180°，在住宅中對(duì)240V設(shè)備采用兩根不同相位的120V相線供電；有些圖紙中在設(shè)計(jì)公建項(xiàng)目時(shí)習(xí)慣性采用兩根120V相線供電，然而在公建項(xiàng)目中兩根不同相120V相線的相位角是120°，相電壓實(shí)際為208V，并非240V，無法達(dá)到240V設(shè)備的用電要求，這種設(shè)計(jì)是錯(cuò)誤的。對(duì)大型酒店廚房可以設(shè)置專用的Y/D接線的480V/240V變壓器，為廚房設(shè)備引出專用的三相三線制240V電源；而如果廚房內(nèi)240V用電設(shè)備較少，則可以為每個(gè)設(shè)備單獨(dú)設(shè)置277V/240V單相降壓變壓器。該項(xiàng)目240V設(shè)備較少，采用為240V設(shè)備單設(shè)277V/240V單相降壓變壓器的方案。某美標(biāo)大型酒店項(xiàng)目總體低壓配電示意圖和末端配電箱典型配電示意圖如圖1、圖2所示。

圖1 某美標(biāo)酒店總體低壓配電示意圖

圖2 某美標(biāo)酒店末端配電箱典型配電示意圖

2 電源要求及配電形式

美標(biāo)中針對(duì)不同用電設(shè)備的重要性將設(shè)備供電分為重要電力系統(tǒng)和普通電力系統(tǒng)，重要電力系統(tǒng)需要兩個(gè)獨(dú)立電源，相當(dāng)于國標(biāo)的一級(jí)負(fù)荷和一級(jí)特別重要負(fù)荷；而普通電力系統(tǒng)則無特別要求，相當(dāng)于國標(biāo)三級(jí)負(fù)荷。美標(biāo)中沒有對(duì)應(yīng)國標(biāo)二級(jí)負(fù)荷供電要求的電力系統(tǒng)。該項(xiàng)目位于島嶼上，且酒店定位高端，因此整個(gè)酒店所有用電設(shè)備均接入重要電力系統(tǒng)。根據(jù)當(dāng)?shù)仉娫辞闆r設(shè)置與市政電壓等級(jí)相同的13.8kV高壓柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源，柴發(fā)容量滿足100%用電設(shè)備負(fù)荷，每臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)對(duì)應(yīng)一臺(tái)變壓器。同時(shí)，針對(duì)重要的火警、應(yīng)急照明、安防、電梯、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等再設(shè)置專用UPS作為第三電源，UPS從變電站兩臺(tái)不同的變壓器低壓配電柜分別引來一路電源，兩路電源互為備用，在UPS內(nèi)自動(dòng)切換，另預(yù)留一路旁路電源在UPS檢修維護(hù)時(shí)保證相關(guān)設(shè)備的正常供電。

美標(biāo)項(xiàng)目低壓配電形式與國標(biāo)無太大差別，均可采用樹干式或放射式或兩者結(jié)合的方式配電。該項(xiàng)目除酒店塔樓普通用電采用母線槽樹干式配電外，其他負(fù)荷均采用放射式配電形式。該項(xiàng)目消防泵采用柴油泵，其他消防設(shè)備在美標(biāo)中沒有雙電源末端切換的要求，且該項(xiàng)目柴發(fā)和市電均在前端高壓側(cè)已完成切換，消防設(shè)備電源也從變電站或UPS機(jī)房放射式單回路供給至末端消防設(shè)備配電箱和火警控制盤。

3 低壓電器選擇及保護(hù)設(shè)置

美標(biāo)低壓斷路器整定值與國標(biāo)或IEC不同，常用斷路器整定值從15A起，均為5的倍數(shù)。所有美標(biāo)電氣設(shè)備均需具備UL認(rèn)證。

美標(biāo)配電箱結(jié)構(gòu)為魚骨式，配電箱內(nèi)母排豎向中置，出線斷路器分設(shè)兩側(cè)，整個(gè)配電箱為長條形，而國標(biāo)配電箱通常為方形或矩形。美標(biāo)配電箱防護(hù)等級(jí)為NEMA防護(hù)等級(jí)，與國標(biāo)IP防護(hù)等級(jí)相比增加了防爆等級(jí)要求，就該項(xiàng)目而言，室內(nèi)配電箱防護(hù)等級(jí)為NEMA 1，室外配電箱防護(hù)等級(jí)為NEMA 3R，而水泵房及室內(nèi)潮濕場所的配電箱防護(hù)等級(jí)為NEMA 4X。常見NEMA與IP防護(hù)等級(jí)對(duì)照表如表1所示，更多關(guān)于NEMA防護(hù)等級(jí)的內(nèi)容可參閱相關(guān)資料。

表1 NEMA與IP防護(hù)等級(jí)對(duì)照表

美標(biāo)項(xiàng)目在接地故障防護(hù)上與國標(biāo)有所不同。在插座配電方面，由于220V單相電源在發(fā)生接地故障時(shí)故障電壓110V，人體接觸此電壓時(shí)存在觸電傷人風(fēng)險(xiǎn)，因此國標(biāo)JGJ16、GB50054等規(guī)范均要求除重要設(shè)備外所有人員可觸及的末端插座回路必須設(shè)置30mA RCD。美標(biāo)中針對(duì)末端120V、15A或20A的插座設(shè)置的保護(hù)裝置稱為接地故障回路保護(hù)器（Ground-Fault Circuit Interrupter,GFCI），一般很少設(shè)置在插座配電回路中，而是直接采用自帶GFCI保護(hù)的成品插座，GFCI的漏電電流動(dòng)作值設(shè)定為6mA。對(duì)固定設(shè)備供電插座，無論這些插座是否安裝在人員可觸及的高度，美標(biāo)規(guī)范均不要求設(shè)置GFCI。同時(shí)為了確保供電連續(xù)性，火警設(shè)備和防盜報(bào)警設(shè)備的供電回路也不允許設(shè)置GFCI。而對(duì)廚房、浴室、天臺(tái)、戶外、地下車庫及其他室內(nèi)潮濕場所的末端插座回路均要求設(shè)置GFCI保護(hù)。該項(xiàng)目即針對(duì)末端需要設(shè)置接地故障保護(hù)的插座設(shè)計(jì)為GFCI插座，所有插座的配電回路均采用20A 1P微型斷路器。

由于GFCI保護(hù)設(shè)置在末端插座，配電箱內(nèi)出線斷路器可全部采用1P斷路器，因此與通常國內(nèi)項(xiàng)目相比，相同插座回路時(shí)美標(biāo)項(xiàng)目中末端出線斷路器所占用的模數(shù)空間大幅降低。但需注意的是，無論是美標(biāo)插座還是國標(biāo)插座，末端插座可接入的電線截面并無太大差別，即國標(biāo)和美標(biāo)在末端插座回路的出線斷路器整定電流值是一致的。由于美標(biāo)插座回路的電壓僅為國標(biāo)的一半，相應(yīng)美標(biāo)每個(gè)插座回路所能提供的用電容量也僅為國標(biāo)的一半，因此每個(gè)回路所帶插座數(shù)量相較于國標(biāo)要求也減半。同時(shí)，考慮到NEC其他章節(jié)對(duì)單個(gè)回路最大插座數(shù)量的約束性規(guī)定，每個(gè)回路最終供電的插座數(shù)量遠(yuǎn)少于國標(biāo)。該項(xiàng)目普通插座回路出線采用20A/1P斷路器，每個(gè)插座回路僅帶3個(gè)插座。由此可見，末端插座配電箱內(nèi)雖然省去了RCD的空間，但出線斷路器個(gè)數(shù)則比國內(nèi)一般項(xiàng)目要多1～2倍，為相同數(shù)量插座配電時(shí)美標(biāo)配電箱尺寸并不會(huì)比國標(biāo)配電箱有所減少。由于美標(biāo)配電箱結(jié)構(gòu)限制了配電箱內(nèi)的最大斷路器數(shù)量，且美標(biāo)項(xiàng)目配電間內(nèi)一般還需要額外增加480V/208V降壓變壓器，因此美標(biāo)酒店項(xiàng)目的樓層配電間面積要比國內(nèi)類似項(xiàng)目的配電間面積大40%～60%。

GFCI針對(duì)的是120V的末端插座，變電站低壓柜出線處480V主回路則需要設(shè)置接地故障設(shè)備保護(hù)器（Ground-Fault Protection of Equipment）。美標(biāo)對(duì)150～600V、大于等于1000A的出線斷路器強(qiáng)制要求設(shè)置GFEP，GFEP設(shè)置目的類似國標(biāo)電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，都是通過監(jiān)測剩余電流防止接地故障引發(fā)電氣火災(zāi)。該項(xiàng)目出于電氣火災(zāi)防護(hù)的考慮，對(duì)除專用消防設(shè)備配電回路外的所有變電站出線回路均設(shè)置300mA GFEP。

為了防止電氣火災(zāi)，美標(biāo)規(guī)范中還對(duì)電弧故障保護(hù)器（Arc-Fault Circuit Interrupter,AFCI，對(duì)應(yīng)國標(biāo)的AFDD）提出了明確的設(shè)置要求。電弧故障保護(hù)器主要用于通過持續(xù)檢測線路絕緣老化破損產(chǎn)生的電弧并在線路起火前切斷電源以避免火災(zāi)發(fā)生。國標(biāo)對(duì)故障電弧的防護(hù)思路與美標(biāo)不同，AFDD在國內(nèi)項(xiàng)目中使用相對(duì)有限。在GB/T 16895.2—2017中針對(duì)故障電弧防護(hù)更強(qiáng)調(diào)采用耐弧材料遮蔽或保證足夠的安裝間距，JGJ16、GB50054等民用建筑電氣核心規(guī)范中也并未對(duì)AFDD提出明確設(shè)置要求。美標(biāo)則強(qiáng)調(diào)采用AFCI進(jìn)行故障電弧防護(hù)，NEC中要求居住建筑和宿舍的所有120V單相15A或20A配電回路均應(yīng)設(shè)置AFCI，而對(duì)設(shè)有廚房電器的酒店套房和客房也要求按照居住建筑的要求設(shè)置AFCI。該項(xiàng)目酒店標(biāo)準(zhǔn)客房和一般套房中沒有廚電設(shè)備，因此無需設(shè)置AFCI；總統(tǒng)套房由于設(shè)置了廚電設(shè)備，按美標(biāo)規(guī)范需按照居住建筑要求在套房內(nèi)配電箱的所有出線回路增設(shè)AFCI。

過電流保護(hù)方面，對(duì)一般配電回路，其回路通常為連續(xù)負(fù)載（如照明）或同時(shí)包含連續(xù)負(fù)載和非連續(xù)負(fù)載（如普通插座），按照NEC要求，其過電流保護(hù)裝置的整定值大于等于本回路所有非連續(xù)負(fù)載計(jì)算電流與本回路所有連續(xù)負(fù)載計(jì)算電流的1.25倍之和，配電回路線纜校正后載流量應(yīng)不低于過電流保護(hù)裝置的整定值。如果配電回路是包含有一臺(tái)超過1/8HP（92W）電動(dòng)機(jī)和其他非電動(dòng)機(jī)負(fù)載的混合負(fù)載回路，在計(jì)算時(shí)還需將最大一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算負(fù)載乘以1.25倍在與其他負(fù)載的計(jì)算結(jié)果相加。對(duì)電梯、空調(diào)箱、冷凍機(jī)組、電動(dòng)機(jī)等專用用電設(shè)備的配電，NEC均給出專門章節(jié)進(jìn)行規(guī)定，在遇到相應(yīng)設(shè)備時(shí)可以對(duì)應(yīng)查閱。與國標(biāo)要求類似，美標(biāo)對(duì)消防泵或其他斷電會(huì)造成重大危險(xiǎn)的設(shè)備的配電回路也要求只設(shè)置短路保護(hù)不設(shè)置過電流保護(hù)。

4 低壓配電線路

美標(biāo)項(xiàng)目低壓配電采用電纜或母線槽配電，其配電形式與國標(biāo)項(xiàng)目沒有差異，主要差異在電纜規(guī)格上，美標(biāo)電纜截面不采用平方毫米表示，而采用AWG線標(biāo)和千圓密爾（kcmil）來表示（截面較小時(shí)采用AWG線標(biāo)，截面較大時(shí)采用kcmil）NEC 2017版中的Table 310.15（B）（16）～Table 310.15（B）（21）給出了不同敷設(shè)條件下典型電纜或?qū)w的載流量表，相應(yīng)的載流量矯正系數(shù)也在第310章中給出。

在低壓配電線路的敷設(shè)方式上，美標(biāo)項(xiàng)目與國標(biāo)基本一致，可采用橋架、穿管等敷設(shè)方式。美標(biāo)項(xiàng)目在室內(nèi)電纜敷設(shè)時(shí)額外存在一種采用MC鋼鎧電纜空氣中明敷，類似國內(nèi)BTTZ型礦物絕緣電纜空氣中明敷的做法。MC電纜是在聚乙烯絕緣電纜的護(hù)套外增加一層鋼制護(hù)套，用以代替金屬電線管，施工時(shí)直接彎曲，省去穿管的工序。MC電纜并非專用的為消防電源供電的電纜，美標(biāo)項(xiàng)目采用MC電纜更多是為了便于施工，國內(nèi)選用BTTZ則更多的是出于耐火需求，而非出于施工方面的考慮。與國標(biāo)GB/T 50169-2016中要求一樣，美標(biāo)中同樣不允許利用MC電纜的鋼制護(hù)套作為接地導(dǎo)體。

在國標(biāo)項(xiàng)目尤其是大型公共建筑項(xiàng)目中，電纜通常有低煙無鹵的要求，為消防設(shè)備供電的電纜同時(shí)還需要有耐火要求或者要求采用防火電纜。NEC中對(duì)低煙無鹵電纜沒有特別的要求，也沒有對(duì)消防設(shè)備供電的電纜規(guī)定額外的措施。在NEC中，防火主要依靠隔離來滿足，如果采用的是非MC電纜，則要求穿金屬電線管或敷設(shè)于槽式金屬橋架中；如采用非金屬電線管，就必須暗敷于墻體、地面、樓板或吊頂內(nèi)，且相應(yīng)的屏障應(yīng)滿足不少于15min耐火要求，非金屬電線管不得明敷。如果需要采用非封閉式橋架敷設(shè)，那么需要采用MC鋼鎧電纜敷設(shè)。

5 結(jié)束語

文章對(duì)美國標(biāo)準(zhǔn)的低壓配電系統(tǒng)的一些特點(diǎn)進(jìn)行簡述，并對(duì)美標(biāo)酒店項(xiàng)目相關(guān)特殊要求進(jìn)行一定說明。由于美標(biāo)規(guī)范體系及配電設(shè)計(jì)思路與國標(biāo)和IEC標(biāo)準(zhǔn)存在較大差異，且美標(biāo)規(guī)范更新頻繁，因此需要根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范具體分析。希望本文可以為參與美標(biāo)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)師提供一定的參考。