漫谈海外项目低压电气装置设计要点

陈 校， 朱明硕

(1. 北京建院京诚建标工程咨询有限公司，北京 100076；2. 北京凯燕国际饭店管理有限公司，北京 100000)

0 前言

设计师在国际市场开展业务，首先需要了解掌握国际标准，无论是IEC标准还是NEC标准，电气设计对电气安全、可靠性和灵活性的追求是殊途同归的，这是低压电气装置设计的核心思想。第二步是要深入调研，了解掌握项目所在地的环境条件、安装及使用习惯。不同外界环境条件有不同性质和不同程度的电气危险，需采取不同的防范措施。第三步是掌握产品特点，注意认证问题。第四步是逐步适应海外工程的EPC管理模式。

1 深入调研捕捉技术要点

海外工程在搜资阶段，应格外重视气象及自然环境条件资料的搜集。在《工业与民用供配电设计手册》第四版中，详细介绍了电器设备、开关柜及导体的正常使用条件，当环境条件不满足时，应于设计中提出特殊要求。影响电气设计的常见因素有：在海拔较高地区，电器绝缘及电缆温升受到影响，应加以修正；在干热、湿热地区宜采用干热、湿热带专用电器产品，亚湿热带地区可采用普通型电器产品，但应根据当地运行经验加强防水、防潮、防霉、防锈等措施；在风速较大的地区，应对在屋顶上设置的光伏发电太阳能板提出结构加强措施；在风沙灰尘大的地区，应根据不同灰尘沉降量提出设备IP防护等级；在有盐雾腐蚀的地区，裸露设备外壳及桥架、电缆护套等可选用不锈钢、铝合金、PVC等材质，保护层可采取涂料、热镀锌、隔绝空气等方式；在有白蚁、鼠类等虫害的地区，电缆沟及入户管处应做好密封处理，并采取喷洒药水、预埋药物等措施，PVC管应选硬质管材，电缆应选用有铠装的外护套，必要时可选用防白蚁电缆；在膨胀土、湿陷土地区，外线电缆尽量采用铠装电缆直埋地敷设方式；在高土壤电阻率地区，应采取降低接地电阻的措施，如换土、降阻剂等；频繁受雷电灾害和地震的地区，可按我国相关规范进行设计。

2 基于规范适用及功能优先原则进行系统设计

2.1 过电流保护

2.1.1 过载保护

(1)过载保护的条件

过载保护为电气设计师所熟知，应用起来较为简单。GB 50054-2011《低压配电设计规范》 第6.3.3条[1]和IEC标准《低压电气装置》IEC 60364-4-43∶2008 第433.1条在过载保护方面要求一致。

值得注意的是，规范中的断路器整定电流In并不是脱扣动作电流。当负载电流达到In时，不论时间多长，过载防护电器都是不动作的。In是可长期通过保护电器而不会使电器的特性变劣的电流。

过载保护中“Iz=1.45I2”公式的意义在于其允许回路短时过载，以节约有色金属。该公式所述的跳闸动作电流应小于回路导体电流限值，即“约定时间的约定脱扣电流小于1.45倍导体载流量”，这才是必须校验的内容。与短时过载相反，IEC标准规定，第二个公式不适用于经常发生长时间持续少量过负载的回路，需注意工程中对于此种回路的导体截面应适当放大，详见IEC 60364-4-43：2008 第433.1条。

做海外工程时，所选用的产品可能来自不同区域的不同产品系列，“约定时间约定脱扣电流I2”应由制造商提供或按照产品标准命名和提供，因此须关注“Iz=1.45I2”。某些设计人员因为不理解从而忽视该公式显然是不妥的。

(2)根据谐波含量选择过载保护及中性线导体截面

根据IEC 60364-4-43：2008 第433.1条注2，IB是通过线路(相线)的设计电流或在三次谐波含量较高的情况下通过中性点的永久电流，因此过载保护选择校验需考虑线路的谐波含量。海外工程设计时应格外注重谐波含量较高回路的设计问题，或设置就地补偿，或依据谐波含量选择相线及中性线导体截面，详见GB50054-2011 表3.2.9(本文不在赘述)。

(3)关于经济电流密度

经济电流密度数据的确定，与铜/铝的价格、银行的利息、电能的费用等多种因素有密切关系。在海外工程中，项目后期运行维护的成本问题应纳入设计师考虑范围，可根据项目运行工况及电价、铜价的调研情况，适当推广TOC总费用法选择导体截面。笔者认为，在高电价地区或高电价用电单位的工作时间长、负荷稳定的线路上，应优先选用此方法进行电缆截面选择。

(4)过载保护其他问题

根据IEC 60364-4-43：2008 第433.3.3条，火灾风险及爆炸风险场所的过载保护设置需特殊考虑。在下列回路上不应装设过载保护电气来切断电源，仅需提供过载报警：消防设备的用电回路及安防设施的用电回路(如防盗报警、气体报警等)。与我国规范GB 50054-2011 第6.3.6条及其条文说明进行比对，我国规范对最后一项“安防设施的用电回路”未提出明确设计要求。因此，海外工程中此条款可选择执行IEC标准，其为“安防系统、气体报警、事故风机供电电源等负荷仅提供报警信号而不切断电源”的设计提供了明确的依据。事故风机可以参考消防负荷处理，仅报警不跳闸、火灾时不切电，但不属消防负荷性质，不应从消防专线内供电。

2.1.2 短路保护

(1)金属性短路的保护条件

根据GB 50054-2011 第6.2.2条及第6.2.3条[1]和IEC 60364-4-43：2008 第434.5条，短路保护电器应满足其额定分断能力不小于安装地点预期最大短路电流的要求。当短路保护电器的分断能力小于其安装处预期短路电流时，在该段线路的上一级应装设具有所需分断能力的短路保护电器；其上下两级的短路保护电器的动作特性应配合，使该段线路及其短路保护电器能承受通过的短路能量[7]。电缆和绝缘导体的热稳定，应按其截面积进行校验，确保被保护回路任何点发生短路时，防护电器都能在被保护回路导体绝缘达到允许极限温度前的时间内切断电源。

对于持续时间小于0.1s的短路电流来说，大幅值的非周期分量发热起到主要作用，因此对于短路保护装置来讲，设计人员选定的电缆，其k2s2应大于短路保护装置制造商所给出的允通能量(I2t)值。

对于持续时间大于0.1s且不超过5s的短路，其计算系数k，与导体电阻率、绝缘材质、温度系数和热容以及短路电流通过时的初始和最终温度有关。关于k值，我国规范GB 50054-2011 表A.0.7[1]和IEC 60364-4-43：2008 第434.5.2条表43A均有阐述。IEC标准较比我国规范更为全面，涵盖了聚氯乙烯绝缘初始温度为90℃的相关数据。

(2)短路保护需注意问题

变压器出线套管至低压配电柜总开关的一段母排，其无法装设短路保护电器，这段母排的短路防护由变压器高压侧的短路防护兼用。在设计中应校验高压侧继电保护对这段低压母线短路防护的灵敏度是否满足要求。在变电站布置中应使变压器尽量靠近低压配电柜以减小此段母排的阻抗，提高高压侧继电保护动作灵敏度。海外工程中，变配电室高压侧的电气设计有时被划分为外方负责；有时考虑维修便利性问题，变压器采用油变压器，单独设置变压器室；有时受变配电室面积所限，低压配电柜布置在远离变压器处等。上述这些情况都需要在设计时充分考虑，提出校验高压侧保护灵敏度的要求。

2.2 过电压防护

2.2.1 暂时工频过电压防护

低压系统暂时工频过电压防护问题，为《工业与民用供配电设计手册》第四版新增内容，其与IEC 60364-4-44∶2015的要求一致。

海外工程中，园区独立变配电所的设计较国内工程而言略为复杂，调研和设计时常考虑到各国标准电压等级、高压系统接地型式、高压系统接地故障电流IE等各因素。终端变电所高压侧发生接地故障时，会引起所供另一建筑物低压电器装置内持续时间以若干毫秒计的暂时工频对地过电压，根据不同低压系统的接地型式，有的可能引起人身电击事故，有的可能引起设备绝缘损坏导致电气火灾，该问题需引起设计师足够重视。我国设计师在承接国外项目时，有些电网侧高压系统的技术参数在调研考察时不能落实，设计师就参照国内通用做法或当地设计院做法进行设计，这就给用户留下了一些日后难以查明原因的电气事故隐患。图1以我国10/0.4kV终端变配电室为例，阐述暂时工频过电压的防护问题。

若变电站高压侧有接地故障，工频故障电压(Uf)以及工频应力电压(U1和U2)将影响低压系统运行。图1(摘自IEC 60364-4-44：2015第442.2条图44.A1)明确了变电所和低压装置可能对地的连接及故障时出现过电压的典型示意图，表1(摘自IEC 60364-4-44：2015第442.2条表44.A1)规定了不同类型过电压相关计算方法。

图1 变电站及低压装置可能对地的连接及故障时出现过电压的示意图

图1中，RB为低压系统中性点内接地装置的接地电阻，Ω；RE为高压系统保护接地的接地电阻，Ω；IE为高压系统接地故障电流，A；RA为低压电气设备外露可导电部分单独接地时的接地电阻，Ω；Uf为低压系统在故障持续期间内外露可导电部分与地之间的故障电压(工频故障电压)，V；U0为低压系统相线对中性点的标称电压，V；U1、U2为低压设备工频应力电压，V；Id为在低压系统第一次故障期间，流经低压装置外露导电部件接地装置的故障电流，A。

(1)10kV不接地系统接地故障引起的过电压

10/0.4kV变配电所内发生10kV单相接地故障时，IE值非常小。在低压系统中性点系统接地RB与变电站10kV保护接地RE共用时，高压侧单相接地故障会导致低压系统对地电位及PE线对地电位升高至故障电压Uf，实测表明，Uf数值一般可控制在接触电压限值50V以下，也就是说，当10kV电网为不接地系统时，变电站高压侧保护接地和低压侧的系统接地可共用同一接地装置，低压系统无需采取措施来防范可能出现的幅值不大的暂时过电压危害。

低压系统内的工频应力电压和工频故障电压 表1

注1：表44.A1 仅涉及有中性点的IT 系统。无中性点的IT 系统，公式宜相应地修正。
注2：低压系统接地不同类型(TN，TT，IT)详见IEC 60364-1。
注3：对U1 和U2 要求源出于低压设备耐暂时工频过电压的绝缘设计标准(可见表44.A2)。
注4：在中性点与变电所接地装置连接的系统内，此暂时工频过电压也出现在建筑物外的外壳不接地的设备绝缘上。
注5：在TT 和TN 系统中，所谓“连接”和“分隔”系指RE 和RB 之间是否连接；对于IT 系统，系指RE 和Z 之间和RE 和RA 之间是否连接。

(2)10kV经小电阻接地系统接地故障引起的过电压

在低压系统中性点系统接地RB与变电站10kV保护接地RE共用时，高压侧单相接地故障会导致低压系统对地电位及PE线对地电位升高至故障电压Uf，此上千伏的故障电压Uf将传导至低压系统在10kV侧切断故障前引起对地大幅值暂时过电压。

如低压系统采用TN系统，如图1所示，所供低压装置的外露可导电部分对地则有上千伏的故障电压Uf。当低压电气装置位于建筑物内时，由于等电位联结的存在，人体同时触及的导电部分不存在电位差。但低压电气装置位于建筑物外时，如户外安装的路灯、电动门、水泵以及其他电气设备，其外露可导部分带故障电压Uf，但户外地面却为0V地电位，则人身电击致死的危险甚大。而且，因为10kV侧接地故障电流大，继电保护切断电源后，故障电压也不可复现，所以一旦发生电击事故，事故原因很难查清。

如低压系统采用TT系统，高压侧接地故障时，TT系统内接地的设备外壳和线路之间的绝缘存在被击穿的风险，即工频应力电压不满足要求。

变电站设在建筑物内部的情况下，不存在暂时工频过电压引起电气事故的危险，但由此变电站给其他建筑物供电时，均存在上述危险。

(3)暂时工频过电压防护小结

海外工程终端变配电所设计时，应考虑防范暂时工频过电压，允许的工频应力电压不得超过表2(摘自IEC 60364-4-44∶2015第442.2.2条表44.A2)中给出的值，变电站内共用接地极时，需降低RE(RB)及IE值。通常低压系统的PEN导体为多点接地，总并联接地电阻降低，则Uf值可按下式计算：Uf=0.5REIE，且要求允许的工频故障电压不得超过图2(摘自IEC 60364-4-44∶2015第442.2.1条图44.A2)中给出的值。

允许的工频应力电压 表2

注:对于无钟形导体的系统,U0应是相对相的电压。
注1：表中第1行数值适用于接地故障切断时间较长的高压系统，例如中性点绝缘和谐振接地的高压系统；表中第2行数值适用于接地故障切断时间较短的高压系统，例如中性点低阻抗接地的高压系统。两行数值是低压设备对于暂时工频过电压绝缘的相关设计准则。(见IEC60664-1)。
注2：对于中性点与变电所接地装置连接的系统，此暂时工频过电压也出现在处于建筑物外的设备外壳不接地的绝缘上。

图2 变电所内高压侧发生接地故障时

在高压中性点有效接地、低压采用TN系统时，引出低压线路在总等电位联结作用范围外，允许接触电压值与接地故障保护电器动作时间对照图3(图44.A2)允许的故障电压值，以及表3(表44.A2)允许的工频应力电压，即可确定接地极电阻值。举例说明：如高压接地故障保护电器动作时间为0.4s，查图3(图44.A2)可知允许接触电压值为310V，在总等电位联结作用范围外，可认为允许接触电压值与接地故障电压值相近，当10kV系统中性点接地，接地故障电流IE限值为600A时，共用接地电阻值可为0.5Ω。

高压中性点不接地或非有效接地、低压TN系统时，接触电压限值≤50V，规范要求IE≤10A，则接地电阻RB值5Ω即可满足要求。

系统接地与保护接地的电阻值应按工频过电压限值和接触电压限值、低压系统接地故障自动切断电源要求及高、低压系统接地型式不同组合确定。在海外工程设计中，不论是不是我方进行高压系统设计，均应对项目所在国的电网基础条件落实格外重视，至少需明确项目所在地高压系统接地型式、接地故障电流IE值以及高压接地故障保护电器动作时间等主要技术参数。

当海外工程终端独立变电站基础条件不详时，笔者建议采取下列措施进一步完善：1)高压侧保护接地和低压侧的系统接地可分设两个接地极，免于复杂计算。2)TN系统建筑物内要完善总等电位联结措施。3)建筑物外的TN系统改为局部TT系统，切断故障电压传导的路径。

2.2.2 瞬态冲击过电压防护

防范瞬态冲击过电压有多种措施，一方面是防止在设备线路上产生这种危险过电压，另一方面是产生了这种过电压时能消除或减少其有害效应。前者可通过在电气装置中分流、等电位联结、屏蔽、接地和正确布线等方法缓解，后者可通过在线路中设置SPD来减少其有害效应。海外工程设计中，要重视多种手段的联合运用，尤其是现在数据中心等类似敏感设备集中的建筑越发多见，应力求在方案设计阶段优化建筑平面布置，抑制瞬态冲击过电压的能量。

关于低压系统中电气设备绝缘耐冲击电压额定值，我国规范GB 50057-2010《建筑物阶雷设计规范》表6.4.4内已经给出了380/220V的数值，但在海外工程中由于各国家标称电压等级多样，因此设备耐冲击电压额定值、SPD的有效电压保护水平值的选择也必然与国内工程有所差异。笔者摘录了IEC 60364-4-44：2015第443.6.2条表443.2(见表3)，供设计师们参考。

设备耐冲击电压额定值UW 表3

2.3 电气防火

2.3.1 短路引发火灾

GB 50116-2013《火灾自动报警系统设计规范》第9章，明确了电气火灾监控系统的设置要求，但在海外工程中该系统的使用会受到一些客观条件的限制，要考虑该系统的后期运维便利性，维修配件应能在所在国购入替换，且备有多语种的操作指南，使得工程交付时可以顺利提供技术培训，方便受过培训的电气人员能够在警报发生时及时处理报警信息，排除火灾隐患。

海外项目中，如果不采用装设电气火灾监控系统的方式预防电气火灾，也可参考IEC标准，在建筑物内设置多级RCD来达到同样目的。接地故障的短路，无论是金属性还是电弧性，均可用RCD来切断电源。IEC标准推荐在大型建筑物内，可装设二级到三级RCD，详见图3。

图3 建筑物内多级RCD

2.3.2 接触不良引发火灾

接触不良引发火灾主要是铝线连接不良和插头、插座连接不良两个主要诱因。实践中大量插头、插座火灾都发生在用户自己加接的接线板上，我国现阶段设计在墙上的固定插座数量安装过少，接线板的使用不可避免，所以接触不良引发火灾的事故屡禁不止。某些执行美标的国家根本不允许使用临时接线板，美国产品标准规定用电器具电源插头线的长度不得小于1.8 m，与此相适应，住宅电气装置标准规定，墙上两固定插座的间距不得大于3.6m，插座到门框的距离不得大于1.8m。这种设计规范及产品标准上的严密配合，使得当地使用临时接线板的几率大大减低，客观上对该类型的火灾实施了有效防护。

2.3.3 电气装置布置不当引发火灾

电气设备热效应产生的火灾不容忽视，我国规范和IEC标准都把这部分内容列为电气防火的重点条款，如GB 50016-2014(2018)《建筑设计防火规范》第10.2.4条、GB 50222-2017《建筑内部装修设计防火规范》第4.0.14条和第4.0.17条，工程设计时应对上述条款有所体现。

2.3.4 防电气火灾蔓延及封堵措施

防电气火灾沿线路蔓延，是防灾的一项重要措施。在设计过程中，应尽量避免线路多次跨越防火分区，增加火灾蔓延的隐患，前期应优化竖井布置，后期施工过程中，还应确保防火封堵措施有效落实。

3 基于使用和维护便利原则落实产品选型

在海外项目技术设备选型方面，一要充分考虑使用方在当地长期承担日常维护保养和定期大修的可行型、便利性，二要注意电气产品的强制性认证问题。因此在海外工程中尤其要慎重选择大型电气设备。笔者在设计某中东项目时发现，该市对干式变压器完全没有维修能力，其常用变压器类型为采用Midel 7131型绝缘液的油浸变压器。美国NFPA标准中变压器油绝缘分为普通油绝缘和难燃绝缘油两种。我国GB 50016-2014(2018)《建筑设计防火规范》对油浸变压器的应用做了明确规定、且为强制性条款，但其条文的正文却没对这两种绝缘油作区分，在条文说明中，又将“油浸”的定义缩小为“可燃油浸”，放松了规范正文的要求。柴油发动机常用的柴油闪点60～90℃、燃点220℃，该类油变所用的难燃绝缘油，其闪点、燃点都高于300℃，火灾危险性都是低于柴油的，因此，该类变压器可以参考柴油发电机，而不是参考油浸变压器相关条款，在《建筑防火设计规范中》相关条文指导下使用。海外工程在执行规范的层面，应准确理解规范制订的初衷并了解当地通用产品的特点，方可优化设计。

在遵循美标体系的国家，其产品标准主要以NEMA标准为主，其电气设备应根据电压、频率和接地型式来选择。笔者以NEMA常用插座样式为例，说明设计师必须掌握当地通用产品后方可开展设计，见图4。

图4 NEMA标准插座产品系列

4 全面咨询为项目顺利推进助力

工程建设全过程咨询主要涵盖设计、施工建设、运营和维护四个方面，国内项目由于分工细化，设计师对后三个阶段的了解相对较少。海外工程设计师应对电缆色号、常用电气设备安装、电价及其影响、招投标采购程序、不同厂家的产品特点等问题有所了解，还应对施工组织有简单概念，便于预估施工临时用电方案以及确保施工用电安全。

1)电缆色号问题：除三相四线制各国对应不同颜色外，美标国家还有120/240系统，单相三线系统所配导线为L1、L1'、N，即同相位还有“火线”、“副火线”之分，需区分L1、L1'的电缆颜色。2)美标插座安装：有人说国标是“左零右火”，美标是“左火右零”，这个安装细节对电气安全影响重大，应于设计说明中明确，正确方式见图5。3)RCD选用问题：RCD分为电子式及电磁式两类，电子式RCD借其所在回路处的故障残压提供的能量来使LCD动作，如果故障残压过低能量不足，RCD就有可能拒动。在120V美标系统内，应注意此问题。4)施工相关问题：在IEC标准内，建筑施工场地属于特殊场所，不具备等电位联结，电击风险大，应特殊处理。

图5 插座接线示意

5 结束语