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浅议工业建筑的电气设计
摘 要：根据对工业建筑电气设计中遇到的一系列问题的思考，结合现行相关规范和标准图集，简要谈一下作者在工业建筑电气设计方面的一些看法。
关键词：照度 负荷等级 设备安装 设备选择 应急照明 动力负荷 防雷接地
1 前言
工业建筑的电气设计与民用建筑不同，工业建筑一般单层层高较高，单间面积大，动力负荷多，会接触到高压气体放电灯照明、明敷设线路、动力设备配电、电动机控制原理等等方面的设计。设计前首先要对设计对象有深入的了解，比如对该工业建筑的建筑分类、建筑规模、室外消防水量、工艺流程等等一系列问题要有个清楚的认识，这些问题清楚后才会知道怎么设计才能满足规范和工艺方面的要求。
2 相关的部分重要规范
电气设计以安全为主，而消防安全又是重中之重。一般工业建筑的消防电气设计应该严格遵循《建筑设计防火规范》GB50016-2006的各项要求。在《建筑设计防火规范》第1.0.2条和第1.0.3条的适用范围里有明确，一般工业建筑的电气消防设计要做什么、做多少，大部分依据的就是这本规范。当然当我们遇到一些无法明确的问题时还得征询当地消防部门的意见，各地区的消防部门对规范的理解、看法不太相同，因此要求也可能不相同。这里还得提到一本规范《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》GB50058-92，这本规范适用于在生产、加工、处理、转运或贮存过程中出现或可能出现爆炸和火灾危险环境的新建、扩建和改建工程的电力设计，但也有不适用的范围，大家可以细看一下规范的第1.0.2条的规定。
上述两本规范只是工业建筑消防电气设计中比较常用的两本规范。并不是说只要依据这两本规范就可以进行工业建筑的消防电气设计了，比如还有《人民防空工程设计防火规范》GB50098-98等等。工业建筑电气设计包含方方面面，涉及到的电气规范条文非常多，非常广，大家平时要多收集多看多记。另外注意，看规范时，千万不要仅仅局限于电气章节，一方面除了要注意规范规定的使用范围外，还要适当留意其它专业的内容，有时其它专业内容或规范中也有和电气有关的规定，比如《自动喷水灭火系统设计规范》的第11章对电气专业设计就作出了要求。
设计中火灾危险性分类以及室外消防水量可以向建筑和给排水专业索取，这是我们必须事先明确的两个重要指标。火灾危险性分类可以让我们确定在这个工程电气设备的防护等级，知道有没有电气方面的特殊要求，线路要做哪些特别处理，要安装哪些消防方面的设备等等；室外消防水量可以让我们知道这个工程消防用电设备按几级负荷供电，要不要设置柴油发电机或者其它备用电源等等。根据《建筑设计防火规范》第11.1.1条并结合给排水专业提供的建筑室外消防水量，我们就可以确定建筑消防用电设备的负荷等级了。《建筑设计防火规范》要求消防设备配电要采用专用的供电回路，当发生火灾切断生产、生活用电时，应能保证消防用电。这里我们还要留意《建筑设计防火规范》的第11.1.5条要求，对于无备用电源要求的配电系统，个人认为可以采用在建筑物第一级配电系统的母线段（尽量为不同母线段）配出双回路专用线路进行末端互投。
3 照明
1）灯具选择：工业厂房的照明可采用荧光灯光带（槽式灯）或气体放电灯具，一般是普通照明结合局部照明。有些厂房工艺设备上有专门的局部照明，我们设计时只要考虑普通照明就可以了。工艺设备用电属动力用电，另外单独引入电源并预留。在工业厂房中，照明灯具的悬挂高度在4米左右时，可以选择荧光灯，悬挂高度在5米左右及以上时，一般选择适用的高压气体放电灯。
工业建筑灯具安装状态按建筑层高划分一般划分为高顶棚、中顶棚、低顶棚三类。高顶棚类安装高度一般10米以上，采用250～1000W的高压气体放电灯，狭形房间要求高照度时灯具为狭照型配光，对于面积大的宽型房间灯具用中照型配光；中顶棚类安装高度一般5～10米，采用小功率高压气体放电灯，灯具为中照型配光；低顶棚类安装高度一般小于5米，这时主要采用荧光灯或白炽灯。高压气体放电灯主要有高压钠灯、金属卤化物灯、高压汞灯。高压钠灯光效高，金属卤化物灯显色性好，高压汞灯显色性差。光效高的灯具一般用于室外场地，显色性好的灯具一般用于显色性要求高的场所。
2）照度计算与节能：照明设计必然涉及到照度计算问题，我们首先要通过照明空间的照度要求计算出所需的灯具数量。照度计算主要分为利用系数法、逐点计算法和单位容量估算法（这种方法不适用于施工图阶段），在很多设计手册中都有详细讲解，内容较繁锁，大家可以看看相应的电气和照明设计手册。关于照度要求大家可以查找《建筑照明设计标准》GB50034-2004，里面说得很明确。要提醒大家，在确定灯具数量时要特别注意其中的节能要求，就是功率密度值的限制，这是强制性条例不能违反的。
照明的节能效果与灯具及灯源的选择密切相关，就拿荧光灯灯管的选择举个例，荧光灯28W 的T5灯管的光通量相当于36W 的T8标准型荧光灯管的光通量，而36W 的T8三基色荧光灯管的光通量接近36W 的T8标准型荧光灯管的光通量的1.4倍，因此我们在照明设计中采用荧光灯作为照明灯具时，可以通过选择荧光灯管类型而达到降低功率密度值的目的，这就是一种节能方式，同样道理我们可以用在其它灯具的选择上。根据《建筑照明设计标准》的第3.3.5条和第7.2.10条规定，照明灯具都应该采取节能措施（也就是单灯的无功功率补偿），功率因数一般不会低于0.9。
3）回路设定：首先对于不同用途灯具我们划分为不同回路，其次单个回路功率上的限制以及配电距离、控制区域、灯具位置等也是划分回路的依据。
在《建筑照明设计标准》中的第7.2.7规定每一照明单相分支回路的电流不宜超过16A，所接光源数不宜超过25个；连接建筑组合灯具时，回路电流不宜超过25 A，光源数不宜超过60个；连接高强度气体放电灯的单相分支回路的电流不应超过30A。请大家注意这一条与《民用建筑电气设计规范》的第11.8.11条的区别，民规中相应的第一句话说的是灯具数不超过25个，照明标准中说的是所接光源数不宜超过25个，也就是说单盏的双管荧光灯具按民规一回路可以接25盏，按新照明标准只能减半了。同样民规第11.8.11条还规定了回路插座数量不宜超过10个。但如果插座是接计算机等正常泄漏电流大的负荷，同一单相回路插座数量最多不宜超过5个为妥。
4）应急照明：应急照明包括疏散照明、安全照明、备用照明。关于疏散照明的设置要求《建筑设计防火规范》第十一章的第11.3节已经讲得很明确。备用照明是用于确保正常活动继续进行的照明，它的设置要看工业厂房生产工艺上有没有这方面的要求。疏散照明分为疏散应急照明，用来确保疏散照度，以及疏散指示标志（分为灯光疏散指示标志和蓄光疏散指示标志），用来指示疏散方向，灯光疏散指示标志需要电源，蓄光疏散指示标志是利用蓄光自发光材料的蓄光发光功能无需电源。疏散照明一般设置在内部环境复杂或者建筑内部人员对该建筑内部环境不是很了解的建筑疏散走道或疏散线路上，用来在事故时引导人员疏散用。
关于疏散指示标志的设置我们首先要清楚疏散走道或疏散线路是完全不同的两个概念，疏散线路的范畴应该比疏散走道广。大面积厂房内部或大面积人员密集的公共场所（比如商场内部）的疏散是通过疏散线路完成的，而疏散走道应该是和其它场所采用防火分隔措施分隔开的较为独立的空间场所。《建筑设计防火规范》的第11.3.4条对工业建筑的疏散走道的灯光疏散指示标志的设置有作出要求（注意是灯光疏散指示标志），而第11.3.5条对人员密集的公共场所的疏散走道或疏散线路的灯光疏散指示标志和蓄光疏散指示标志的设置作出要求。因此个人认为工业建筑疏散指示标志的设置场所应该是针对疏散走道而非更广义的疏散线路。目前很多工业建筑的设计中厂房内部大开间的疏散线路都设置灯光疏散指示标志，但个人认为应该酌情而定，中小规模的工厂内部工人经常在这个环境工作，对内部环境已经较为熟悉，在疏散时只要有一定照度，很容易找到出口，不一定要设置疏散指示灯，因此在一般情况下对于内部并不复杂的工业厂房只要设置一些在事故断电时能保证安全的照明就可以了，以避免内部工艺设备造成的人员危险，至于消防用的应急照明《建筑设计防火规范》只针对疏散走道有所规定。但要注意安全出口灯还是要设置的，这点条文有规定。对于内部环境较为复杂的大型车间内部，疏散线路还是设置疏散指示标志为妥。
大开间车间内部安全照明灯具尽量设置在内部疏散线路附近，作为电源故障时确保人员安全用，高度不高可以考虑吸顶安装，高大空间场所可以安装在1.8～2.2米左右的墙面或柱面上。墙面或柱面上的安全照明灯我们也可以预留专用电源插座。疏散指示标志的安装高度《建筑设计防火规范》的第11.3.4条有规定。灯具用于消防应急照明时在《建筑设计防火规范》中只要求应急时间不少于30分钟，现在一般应急照明灯具应急时间都能达到90分钟。要提醒大家注意《建筑设计防火规范》的第11.3.4条和11.3.6条有要求消防应急指示标志和灯具必须符合《消防安全标志》GB13495和《消防应急灯具》GB17945的有关规定，这一条我们最好写到设计总说明中，主要是为了杜绝施工单位为了省钱采用普通灯具配应急电池的做法。应急照明的照度要求《建筑照明设计标准》的第5.4.2条有明确规定。
如果应急照明设备总容量不大，我们也可以考虑在照明箱处直接采用应急电源EPS作为整体集中备用电源，这样维护方便，但采用EPS备用电源成本相对较高，特别是大面积备用情况。要注意EPS不像柴油发电机那样能提供持续备用电源，断电时间长时，EPS电能会耗尽，再充电时间也长，有可能出现断电时，EPS电源投入运行并耗尽，这时出现消防状态时就无法保障消防设备的用电了。有些地方消防部门也不允许采用EPS作为除火灾应急照明外消防设备的备用电源，这时EPS就相当于将单盏应急灯具配带的电池集中起来一样。EPS电源的选择可以参见相应产品技术资料，里面会说得很清楚，这里就不多说。
5）照明灯接地：照明灯具根据防触电保护方式可分为四类：0类，保护依赖基本绝缘（在易触及的部分及外壳和带电体的绝缘），使用在安全程度高的场合且灯具安装维护方便，如空气干燥、尘埃少、木地板等条件下的吊灯、吸顶灯；Ⅰ类，除基本绝缘外，易触及的部分及外壳有接地装置，一旦基本绝缘失效，不致有危险，用于金属外壳灯具，如投光灯、路灯、庭院灯等，提高安全程度；Ⅱ类，除基本绝缘外，还有补充绝缘，做成双重绝缘或加强绝缘，提高安全性，绝缘性好，安全程度高，适用于环境差、人经常触摸的灯具，如台灯、手提灯等；Ⅲ类，采用特低安全电压（交流有效值<50V），且灯内不会产生高于此值的电压，灯具安全程度最高，用于恶劣环境，如机床工作灯，儿童用灯。
0类灯是一种没有安全保护，无双层绝缘等保护形式的灯具，只要电线一漏线，基本保护就破损，容易产生危险。国外已经不生产零类灯具，我国零类灯也具将逐步退出市场，室内照明设计应该考虑使用I类灯具的可能性。根据《建筑照明设计标准》中第7.2.12条规定，当采用Ⅰ类灯具时，灯具的外露可导电部分应可靠接地，因此所有照明配电回路都要考虑PE线的敷设到位。
4 火灾报警系统的设置
关于丙类厂房设不设置火灾报警控制系统的问题，在设计领域目前存在争议，究竟是依据《建筑设计防火规范》来判定设不设置，还是依据《火灾自动报警系统设计规范》来判定设不设置。按常理《建筑设计防火规范》是用来明确要不要设置火灾报警控制系统，而《火灾自动报警系统设计规范》是用来明确如何设置火灾报警控制系统的，但是在《火灾自动报警系统设计规范》的条文说明3.1节中又强调《火灾自动报警系统设计规范》和《建筑设计防火规范》是相互协调、充实互补的关系，这自然造成设计人员在规范理解上的一些争议。
新版《建筑设计防火规范》第11.4节对火灾报警控制系统设置部位的要求与旧版规范相比较已经做了细化，对个别类别丙类厂房要不要设置火灾报警控制系统已经进行了明确，如果只从《建筑设计防火规范》上看除条文规定之外的丙类厂房可以不设置火灾报警控制系统。但是在《火灾自动报警系统设计规范》的3.1.1条中却很明确把工业建筑中丙类生产厂房列为二级保护对象（注意用的字眼是“宜”，且附录D也是仅作为建议性要求），因此消防部门在图纸送审时常常会依据这条规定要求设置火灾报警控制系统。
丙类厂房种类很多，大家可以看看《建筑设计防火规范》第3.1节中生产的火灾危险性分类举例。建筑平时对一些标准厂房或者工艺未明确的厂房常常归类为丙类厂房，这类厂房究竟设不设置火灾报警控制系统，应该依据最终的工艺以及厂房内堆放物品的类型定，我们可以在设计说明中先给予明确：火灾报警控制系统待工艺确定后再考虑是否设置。如果设置，对小面积二级保护对象可以采用区域报警系统，报警主机设置在有人值班的值班室或管理室就可以了，大面积的厂房可以视情况采用集中报警系统，这时要设置专用消防控制室。
5 线路敷设
工业建筑单层层高较高，有些是钢结构，厂房内电气线路以明敷设为主。线路较少的直接穿钢管明敷设，线路集中且多的地方可以采用金属线槽、金属桥架或在电缆沟内敷设。金属线槽主要用来敷设电线，金属桥架主要用来敷设电线电缆。要注意采用金属线槽或金属桥架敷设线路千万别忘了金属线槽或金属桥架及其支架都必须接地，且金属线槽桥架接地点不能少于两处，每隔一定距离还要考虑重复接地。金属线槽或金属桥架中敷设电线电缆的数量在相应规范中有明确条文。比如规定线槽内电线的总截面不超过线槽内截面的40%；桥架内电力电缆总截面不超过桥架内截面的40%，控制电缆为50%等等。
一般工业厂房中，照明线路可以考虑采用金属线槽方式走到厂房顶棚下灯具吊点高度左右转成穿钢管（或直接线槽）敷设到灯具位置。在灯具处钢管与电气设备、器具间的电线保护管宜采用金属软管或可挠金属电线保护管，但金属软管的长度不宜大于２ｍ。对于回路功能、设备种类、电压及负荷等级等等均类似的设备的配电回路我们可以考虑两个及两个以上回路的共管敷设，动力及照明电源进线可以引自厂区变配电房，如果照明负荷不大也可以直接引自厂房内的动力电源总箱。注意由变配电房直接引入的电源线路如果截面太小（如照明负荷）要进行短路时动热稳定的校验。电源进线电缆可采用交联电缆（YJV）直埋地敷设。一般室外直埋地敷设电缆我们都选铠装（YJV22），铠装电缆能承受机械外力作用。YJV22电缆在工艺制作和材料上与VV22电缆不同，同规格载流量比VV22电缆大很多，大家可以看看国家标准图集《建筑电气常用数据》04DX101-1。室外进线电缆穿的是水煤气管保护，穿水煤气管的规范依据可以见《低压配电设计规范》GB50054-95的第5.2.8条。
有些工业建筑内有建筑顶棚，比如有洁净或卫生要求的厂房。《低压配电设计规范》的第5.2.7条规定，在建筑物的顶棚内，必须采用金属管、金属线槽布线。这条存在争议已经很久了，争议的焦点就是阻燃或难燃的塑料管以及塑料线槽在顶棚内能不能使用的问题，个人认为应该是可以的，但规范毕竟是规范，目前还有效，不能违反。关于线路敷设还存在个问题，就是《低压配电设计规范》的第5.2.8条规定的钢管壁厚不小于1.5mm，大家可能用过KBG扣接钢管，它不需要跨焊的，施工时方便，但是它的壁厚就小于1.5mm，尽管厂方提供各类实验证明，但是规范规定无法更改，而且暗敷设时有出现过灌浆现象，因此建议不要在暗敷设时以及消防等比较重要的线路上使用，用在普通照明的明敷设线路上还是可以考虑的。关于配线还要注意，导线规格的选择除了与保护开关以及回路计算电流密切相关外还与照明线路允许的电压降有关。《建筑照明设计标准》的第7.1.3条对灯具的端电压做出了规定，因此对于较长的线路，我们要校验线路末端的电压降，特别是采用安全特低电压供电的线路。线路电压降的校验可以参见《工业与民用配电设计手册》（第三版）的相关内容。
浅议工业建筑的电气设计
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