住宅电气设计研究

作者；张毅

住宅电气设计不当将给国家建设投资造成巨大浪费。尤应引起重视的是住宅没有专业电气人员维护管理，居民又大多是缺乏电气安全常识的老百姓，电气设计中稍有不慎很易在日后用电中留下电气安全隐患，给社会安定带来不良影响。笔者上世纪80年代从事过国外万套住宅卫星城的投标和设计工作。做过一些调查研究，也查阅过不少国外住宅电气设计资料，了解一些信息。愿就理解和记忆所及陈述一些信息和拙见，供同行参考和指正。

1  住宅配电变压器应取较大的负载率

  有一种电气节能的理论，认为电力变压器的铜损等于铁损时变压器的效率最高，最节能。此时变压器的负载率只稍大于40 %，因此住宅变压器的负载率应按不大于50%来选取。这一理论似是而非。按IEC的节能原则，所谓节能应是包括用户和地区电网在内的全系统全面的节能，而非某一电气设备局部的节能。变压器的低负载率运行，在我国被称作“大马拉小车”，在相同有功功率输出条件下，，由于变压器的欠载，功率因数低，它将大大增加地区电网的无功负载。而电网中无功电流的增大将增加电网的有功功率损耗和电压损失。电网电能的损耗是体现在供电部门的电度表上而非用户的电度表上的，但供电部门是不会为用户支付不当电网损耗的电费的。  “羊毛出在羊身上”，为弥补这一损失，供电部门每月要征收用户配电变压器按变压器千伏安安装容量计算的巨额基本电费，并对用户“大马拉小车”导致的过低功率因数处以罚款。这样一来用户的配电变压器局部是节能了，但付出的电费却显著增加了，其结果是得不偿失。

从上述可知，电气节能应是全系统全面的节能而非某一电气设备局部的节能，这是IEC对节能的一个重要原则要求。就用户配电变压器而言其容量的选用不宜过宽，即其负载率应取大一些的值，避免“大马拉小车”。我国JGJ 242 - 2011《住宅建筑电气设计规范》（以下简称《住电规》）对住宅配电变压器的负载率规定为不宜大于85%是比较合适的。

2应充分利用变压器的过载能力以节约变压器投资和电费支出

  有的同行担心住宅变压器负载率取值过大，在住宅尖峰负载时可能因变压器过载而缩短变压器使用寿命。这一担心是不必要的。大家知道住宅负载不是一天24h内稳定不变的平稳负载，而是变化不已的周期性变化负载。它可能出现短时间的尖峰负载，变压器短时间内过载，但这并不影响变压器的使用寿命。

  从根本上讲影响变压器寿命的一个主要原因不是变压器的电流超过额定值（过载），而是变压器绕组绝缘温度超过限值。绕组绝缘过早劣化才缩短变压器正常寿命。以常用的油浸式变压器为例，变压器绕组绝缘的温度限值为98℃，与其相对应变压器的油面温度限值为80℃。只要不超过这一温度限值，仅是变压器电流超过额定值是不会影响变压器寿命的。还要说明，变压器绕组绝缘温度的上升是滞后于变压器负载电流的增大的。如图1所示，一变压器在一短时间t1~ t2内出现了尖峰负载电流Ip，其值超过变压器额定电流In。在此时间内变压器电流过载了，但变压器绕组绝缘和绝缘油温度的上升有一加热而逐渐上升的过程，即它有一个时间的滞后。因t1~t2时间不长，未等绕组绝缘温度T B上升到超过温度限值T n时变压器负载电流已从尖峰电流Ip回落到正常电流IB，绕组绝缘温度不再上升而是随之下降。它终未能超过绝缘温度限值T n导致缩短变压器寿命的不良后果。所以不必担心变压器的短时过载而是应充分利用变压器允许的短时过载能力来减小变压器容量以节约变压器投资和每月巨额基本电费的支出。按我国一些运行规范的规定，我国油浸式和干式变压器的允许过载时间如表1、表2所示。

  比较表1和表2可知油浸式变压器允许的过载时间比干式变压器长许多。这是因为油浸式变压器内有大量的绝缘油，热容量大许多，变压器过载时绕组绝缘升温的时间要长许多的缘故。这是油浸式变压器的一个优点。

3  住宅用杆上配电变压器宜为Y，yn0结线

  D，yn11绕组变压器用于低压配电具有许多优点。众所周知，不用多论。但具体到住宅的配电则恐需视具体情况慎重斟酌。我国农村和小城镇住宅很多采用杆上变压器降压配电。在高压侧装用三个单极跌落保险（熔断器）作过电流防护和隔离开关。这种杆上变压器配电占地少，经济节约。但它有一个缺点，如果一个跌落保险因故熔断开路，变压器高压侧将缺相运行。这时三角绕组内两个绕组内电流偏小。其结果是相应低压侧这两相电压偏低，而另一相则电压偏高，其偏差较大，从而导致住宅内单相用电设备易因过欠电压而烧损，这种三相电压不平衡人们往往不易觉察而延误修理时间。

  如果采用Y，yn0绕组的变压器，当变压器高压侧缺相运行时，与断开的一相相对应的低压侧一相的输出电压为零伏而停电，另两相电压稍低一些，偏差不大。停电的一相所供住宅无电可用，住户会赶紧召唤电工来修理高压侧的跌落保险以恢复供电。在此短时间过程中不会发生烧坏单相用电设备事故。

  综上所述，可知我国农村和小城镇大量使用的杆上变压器的绕组结线宜为Y，yn0而非D，yn11。换言之，Y，yn0绕组结线变压器对住宅配电仍有其广阔应用空间，  《住电规》第4.3.1条不加区分推荐住宅采用D，yn11结线变压器恐不全面而有失严谨。

4住宅配电线路截面积选用宜宽不宜紧

  与住宅配电变压器选用宜紧不宜宽相反，住宅配电回路截面积的选用宜宽不宜紧。理由很简单，配电回路截面积适当选大些，留些裕量，在长时间使用期间可以降低电能损耗，少付电费，还可减少电压损失，提高电能质量，有利而无弊。还有一个重要问题需要考虑。住宅使用寿命一般可达40年，而线路绝缘寿命一般为30年，这样在使用中途可能有换电线的麻烦问题。大家知道线路绝缘寿命决定于其工作温度。通常认为电线电缆绝缘工作温度超过其额定温度每80 K．寿命将减短一半。反之亦然。所以线路截面积选宽些，可延长线路使用寿命，往往可避免中途换电线的麻烦。当然其间须按规定用摇表（兆欧表）对线路进行几年一次的周期性检验，俗称“摇绝缘”，以确保线路的绝缘水平合格。在发达国家这种检验是很平常的，有专业的公司为用户进行各项电气安全（包括线路绝缘）的检验。

  对住宅配电线路的选用适当放宽必须遵循技术经济合理的原则。线路截面积该大则大，该小则小。住宅配电线路截面积选用宜宽不宜紧的原则对于照明回路是个例外。在这方面现时我国住宅有令人遗憾的巨大浪费。上世纪90年代末《住电规》的前身《住宅设计规范》（1999年版，已作废）电气部分的审查会上讨论到电气线路选用的6.5.2条“分支回路截面不应小于2.5 mm2”时，有与会同行提出照明分支回路负载电流非常小，可予例外。建议照明分支回路截面积应减小为1.5 mm2。笔者认为这一建议合理有利于节能，可是却未被采纳。笔者会后查美国NEC标准。美国住宅照明电压为110 V，照度比我国高，住宅面积比我国大，其照明线路也不过1.5 mm2。显然我国住宅照明线路取为2.5 mm2太浪费了。但令人遗憾的是《住电规》第6.4.6条仍然规定建筑面积大于60 m2的住户“照明和插座回路支线不应小于2.5 mm2。”

  住宅照明线路量大面广。这些年来由于这一不妥规定在全国住宅内造成的照明线路的巨大浪费令人痛心。有些同行常说IEC标准（国际电工标准）要求高，浪费大，不符合我国国情，不能照搬。其实与发达国家标准相比，IEC标准是满足安全和功能要求的最低标准。许多事例证明，造成浪费的不是IEC标准，而恰恰是我国电气设计规范内的一些不妥规定。

5  lEC电气火灾剩余电流动作报警值的错误引用

  《住电规》第6. 3.1条有设置电气火灾剩余电流动作报警器(RCM)的规定。对于电气火灾频发的我国这一规定是十分必要的。但这一规定的条文说明内要求这- RCM的动作值为0.3 A或0.5 A却给电气设计同行造成很大困惑。试验证明大于0.3 A的电弧的能量才能烤燃邻近可燃物起火。IEC标准是根据具体情况区别对待的。它只要求在诸如木材厂、纸厂、麦秸稻草堆积处等有起火危险的BE2场所内才安装不大于0.3 A（早先为0.5 A）动作电流的RCM。我国住宅楼内众多住宅有大量家用电器。住宅楼电源总进线处正常泄漏电流往往大大超过0.3 A而使RCM误报警，而住宅楼并非BE2火灾危险场所，其防火RCM的报警动作电流I△n可为1A以上。  《住电规》规定此I△n为0.3 A岂非张冠李戴自找麻烦。这一规定的始作俑者其实是1995年版《低压配电设计规范》。该规范第4.4.21条按IEC标准规定防火RCM的动作值不应超过0.5 A，但却遗漏写入IEC标准规定的RCM的0.5 A动作电流只是对BE2有起火危险场所而言的。这一张冠李戴不当引用IEC标准的错误条文其他规范也依样画葫芦，造成现时我国防火RCM应用中的困惑和混乱，设计不知如何确定RCM动作值，令人遗憾。

6  发达国家住宅的配电、接地和等电位联结

  笔者在国外做住宅电气设计时做过一些调研。发现发达国家一些做法值得我们借鉴，例如下文将探讨的“断零”危害问题在发达国家住宅内几乎不存在。这是因为在发达国家住宅配电的高压线路、变压器、低压线路全为单相的，根本不可能出现低压三相四线系统内的“断零”招致的种种危害。

  他们对住宅的配电较少采用TN -C-S系统。现以一般住宅为例（如图2所示），作一简介。图中供电公司掌管的带锁的电度表箱装设于住宅户外。内装一电度表和一熔断器。此熔断器主要有两个用途：一是限制用户的用电电流和作进线段的过电流防护：二是用以对用户中止供电。笔者所在的工作组曾一次早起发现所居住宅停电。透过电度表箱玻璃窗发现箱内熔断器的熔体管被拔掉了，才弄清原来是房东逾期未付电费被供电公司中止供电。房东赶紧交付电费后才恢复供电。

  从图2可知TN -C-S系统的PE线在电度表前已分支自PEN线引出。它首先接向户内作总等电位联结的接地母排，再接至用户配电箱内PE母排。

  配电箱内进线总开关应为具有隔离作用的两极断路器，以保证住宅内电气检修安全。

进线上还装有作剩余电流火灾报警RCM的电流互感器，以防范最常见多发的全住宅楼内的接地故障火灾。配电箱分支出线断路器可为单极的，也可为双极的。插座回路出线断路器须具有I△n≤30 m A的RCD功能。

  在住宅配电箱近旁设置一加锁的作总等电位联结的接地母排盒，PE线及住宅内各种金属结构管道等电气装置外导电部分都与它连接。需要说明总等电位联结对住宅电气装置是非常重要的。它既可有效降低住宅内接地故障引起的间接接触电击的接触电压，也可完全杜绝我国各地出现过的住宅外转移故障电压导致的危险“电楼”现象的发生。我国电气设计规范大多只规定设置等电位联结的要求，却不说明它作何用途。知其然不知其所以然，大大影响了等电位联结这一重要电气安全性和功能性措施在我国的有效应用。

  《住电规》第10.3.1条规定，住宅内各电气系统宜共用接地网。此条严格用语为“宜”而非“应”。这一字之差关系人身安全和其他电气安全，非同小可，需慎加斟酌。按IEC接地标准（我国翻译转化的国标为GB 16895.3- 2004）第542.1.2条规定，如一建筑物内的多个不同电气系统（包括防雷系统和信息系统）各有自己专用的接地极，应将该等接地极都各用接地线连接至作总等电位联结的接地母排上。也即各电气系统的接地极通过互相连通而形成一个共用的接地装置。简而言之，各电气系统应共用一个接地。如果各电气系统不共用接地，则不同电气系统之间可能出现电位差而引发种种电气事故，这是IEC标准不允许的。《住电规》第10.3.1条严格用语用“宜”不用“应”，易令人误解为还保留有不共用接地的灵活性，事关电气安全，显然不妥。

  10.3.1条还对接地网规定有最小接地电阻值的要求。可是如图2所示，发达国家对住宅根本不设置人工接地极或接地网，更不提接地电阻值的要求。道理很简单，做总等电位联结后，已使住宅楼成为一等电位的准法拉第笼，楼内电位差比做接地大大减少，且住宅楼内总等电位联结的众多地下金属结构管道已起到低接地阻抗、长寿命、免维护的自然接地极的作

用。正因为此发达国家的供电公司，也包括我国香港的供电公司，对用户只规定作总等电位联结的要求，不规定作接地的要求，更不过问接地电阻为多少。  

我国有些同行似乎有一根深蒂固的陈旧观念，即认为电气装置必须要在土壤内打接地极或做接地网才算接了地。岂不知这种人工接地不但浪费人力物力，接地阻抗大，而且因土壤的腐蚀作用寿命也不长。我国一些住宅电气设计中未按IEC标准充分利用总等电位联结的自然接地体或其他自然接地体作接地极，造成的浪费也是十分惊人的。

7对住宅内安装过欠电压防护电器的质疑

  《住电规》第6.3.2条规定住宅内应设置自恢复式过欠电压保护电器，其原由是为防范住宅楼三相供电干线“断零”导致的过欠电压烧坏单相用电设备。《住电规》还认定高达270 V电压不会烧坏220 V用电设备将过电压动作值整定为280 V。笔者曾在2013年第12期《建筑电气》上献丑一篇文章探讨过“断零”问题，对过欠电压防护提出了质疑，但未得任何回应。拙作还说明“断零”除烧坏单相用电设备外，还可能引发人身电击、爬电起火以及击穿防雷用的电涌保护器( SPD)等事故。它还可能使我国广泛装用的不够可靠的电子式RCD因欠压而拒动失效，不起防电击作用。  “断零”的危害如此严重，但IEC标准从未规定为防“断零”危害而装设过欠电压防护电器。一些能研发RCD、SPD以及智能型断路器、电弧断路器等复杂电器的诸技术先进的发达国家也无一为防“断零”危害而开发和装用过欠电压防护电器。原因也很简单，因为它是理论上不成立和实践中无效的，只是白白浪费投资使住户用电复杂化而已。IEC标准认为“断零”危害是不能用过欠电压之类的开关电器切断电源来防范的。对“断零”危害只能靠提高电气设计和电气安装水平，尽量防止“断零”的发生，从根本上最大限度地减少“断零”的发生和危害。

  《住电规》这一不当规定也令一些在华外商叫苦 不迭。为了竞争中国的市场，他们不得不入乡随俗违 心地在我国生产的名牌断路器上增加了过欠电压防护功能，但在国际建筑电气界我国这一过欠电压防护却被嗤之以鼻，引为笑谈。与国外专家交谈中每为这一中国独创的“新技术”受到对方委婉的讽嘲，笔者无言以对。

8  结语

  如本文开始所叙，住宅建设遍布全国，量大面广．对我国建设投资和社会安定影响极大。我国一些有关住宅电气设计规范的颁布执行对住宅电气设计水平的提高起到了一定的推动作用。但毋庸讳言，如本文所陈，确也存在一些不安全和不应有的浪费等不足。给住宅建设带来危险的电气隐患和令人痛心的资金浪费。这无疑是应予纠正的。

千里之行，始于足下。笔者衷心希望有关规范编制组，也包括规范审批单位，在已有成绩基础上戒骄戒躁，从善如流，勇于纠正错误。以对社会高度认真负责精神，正确领会和执行IEC标准，以提高我国住宅电气设计水平和增进社会福祉为己任，也为我国的建筑电气在国际建筑电气界扬眉吐气，争取荣誉作贡献。

9摘  要：结合国外住宅电气设计体会和我国具体情况，陈述对住宅电气设计的一些观点和看法。例如住宅配电变压器的选用，配电导线截面积的确定，接地和等电位联结的设置，剩余电流火灾报警值的整定以及对设置过欠电压防护的质疑等。