智能大厦弱电系统配电模式初探
摘要：文章针对智能大厦内各弱电子系统设计安装时缺乏统一性造成的线路拥挤、信号互相干扰、运行可靠性差等问题进行了分析，着重讨论了电源及交直流隔离、接地和信号线防扰等问题，进而提出弱电机房综合化配电设计参考模式及其组合式可移动防扰，机柜的设计构想。关键词：智能大厦 楼宇 控制自动化 综合化 配电模式 防扰机柜 模数化 电源 插座
近年来，建筑智能化技术发展很快，尤其是网络通讯技术发展突飞猛进。现在很多高层建筑竞相引进各种弱电集成系统以提高大厦智能化管理水平，实现建筑设备管理自动化（BA），通讯自动化（CA），办公自动化（0A）。这是现代高层建筑发展的趋势，但在目前的操作实现过程中，还存在许多问题有待于完善和解决。比如：现在许多高层建筑中，各弱电子系统的核心一机房配电及布线的设计和施工就存在许多问题：最新国标图集《智能建筑弱电工程设计施工图集》（图集号97X700）和《建筑电气安装工程图集》（第4集）等，除了对消防、保安监控、电话站房、电子设备间等的配电和布线作了较详细的标准做法阐述外，对其它诸如计算机机房、楼控设备机房和闭路电视机房等的配电和布线标准做法阐述不尽详细和全面，部分做法描述过于模糊。近几年出版的一些智能建筑设计技术手册（如华东建筑设计研究院，东北建筑设计研究院等编写的）和建筑弱电设计工程技术手册（如刘国林、梁华、陈一才等编著的）等也均未对这一问题作详细和深入的探讨。
现行的《民用建筑电气设计规范》（JGJ/T16一92）对这一问题的规定也不够详细和明确。所以，现在大多数建筑设计院、专业弱电设计安装公司对弱电机房的设计都较为粗略，出图大多类似原理模式图而不是施工图。目前具备强、弱电各系统安装技术水平和能力的施工安装公司非常少，而且由一家电气安装公司承接智能大厦的所有强、弱电设备系统安装是不可能也不现实的。即便是弱电系统集成也不可能由任何一家安装公司单独完成，因为弱电设备种类很多，各产品安装公司都有各自的产品优势和技术优势，智能大厦建设方在综合考虑质量、价格和售后服务等因素后必然将弱电系统集成工程按系统功能划分，分成若干弱电子系统项目：大的弱电安装公司可承包整个楼宇控制自动化系统工程项目，如：美国Honeywell（霍尼威尔）Johnson（江森），英国Satchwell（萨切维尔）等在中国的代理安装公司；小的弱电安装公司可承包到闭路电视监控，电子防盗等项目，这样的安装公司举不胜举。这样就造成了在实际智能大厦弱电系统集成过程中，强电安装公司、各弱电子系统安装公司各行其责，相对独立地进行设备和管线安装的现状，而各设备系统之间因缺乏技术安全规范约束，相互配合、协调做得不好（有关建管监督部门因此管理不力）。所以笔者参观和调研的一些智能大厦的弱电设备机房几乎无一例外地存在着：不同电压等级、频率的信号线在机房内交叉排布和在设备背面接口处相互穿绕，电源配置不合理，电气火灾、漏电和信号相互干扰等隐患；系统运行可靠性差，机房设备维护和管理不便等问题。
为此，笔者提出了智能大厦弱电机房的综合化配电和布线模式问题。智能大厦弱电机房按性质和功能大致可分为：计算机机房、楼控设备管理机房、程控交换机房、消防报警和控制机房、闭路电视机房和保安监控机房等。考虑到上述各弱电机房基本上都有计算机设备，本文着重对有计算机设备的机房进行探讨，以供同行及专家参考。
1、电源
弱电机房设备属于一级负荷，应采用两条专用干线寻|进两路独立电源在末端互技。对用电容量较小的可就近从一级照明负荷干线弓|进电源，当电源故障率高时，可考虑在机房附近设置自备发电机或增加蓄电池容量。计算机设备对电源要求质量较高，不仅要求采用不间断供电系统，而且要求电源电压波动在±10%以内才能正常工作。一些网络数据传输设备甚至要求电源电压波动在±5%以内。而智能大厦弱电系统集成过程一般处于大厦竣工精装修阶段，各类建筑设备使用频繁，电源电压很难满足上述要求。智能大厦技人使用后，在上下班时间段内，供电系统电源电压也经常超出土10%波动范围。大量实测资料可以说明这一点。所以，在设计选取不间断供电电源（UPS）时：
（1）应使其输出功率大于用电设备额定功率之和的1.3～1.5倍，额定放电时间应为10～30分钟。
（2）应满足抗电压波动指标，否则应在UPS电源前设置电源稳压器。
（3）用电设备中整流器负荷较大时，在UPS电源前配电回路上设置谐波吸收器来吸收高次谐波，使输出电压，总波形的失真度不超过5%（单相输出允许10％），电网质量较差的地区应在UPS电源装置前设置频率偏差保护器。
（4）根据用电设备对供电可靠性和连续性的要求，选取UPS电源工作方式：单一式、并联式、冗余式和并联冗余式。其旁路电源应满足负荷容量和特性要求。旁路上设置滤波器，自备发电机不作旁路电源直供负荷。
设计单位和施工安装公司必须像设计安装配电房时充分了解掌握供电对象和环境资料一样充分搜集弱电机房设备和系统资料才能做好电源设计和布置，从而合理满足弱电机房用电需要。弱电机房应设单独电源管理间，用防火墙与弱电设备隔离，避免电源管理间噪声、蓄电池酸碱液渗漏和电气火灾等事故传播到弱电设备机房内。弱电设备机房与电源管理间设单扇朝电源管理间方向开启的连通门，可考虑在弱电设备机房与电源管理间之间设置玻璃观察视窗。电源管理间应做水泥地面，为防潮防湿可砌0.3～0.5m高水泥平台搁置UPS电源。对于发送和接收数据信号任务繁重，网络服务器较多的计算机机房和楼控设备管理机房，应考虑选取智能UPS电源，要求其将因主电源故障、自身充电故障或其它原因等使其蓄电能力不足，不能正常供电这一情况发送给上述机房系统监控主机，系统监控主机应具备相应硬件接口和电源监控处理软件，对系统内各数据处理机和服务器等进行顺序设置，强制存储各自当前数据信息、备份文件、进入睡眠状态和执行关机操作等，避免数据传送紊乱和计算机控制系统误操作等。智能UPS电源故障排除、恢复供电后，应发送信号给系统监控主机，使其重新启动，由它激活和重启系统各数据处理机和服务器等动态实时工作设备。
2、接地
弱电机房电气接地有三种：（1）直流地（包括逻辑量及模拟量信号系统的接地）（2）交流工作地（3）安全保护地。以上三种接地的接地电阻值均要求不大于4Ω对于智能大厦，可靠而又经济可行的接地方法是采用共同接地方式，和防雷接地共用一组接地装置，采用TN一S接地系统。交流工作地和安全保护地分别取自电源供电线上的N线和PE线。智能大厦统一接地体的电阻一般都小于1Ω，笔者考察和调研过北京、上海、重庆、深圳和海南的一些高层建筑项目，它们的统一接地电阻大都为0.2～0.5Ω，某些高层建筑个别测试点接地电阻值最大不过0.8Ω。当然，统一接地电阻不应大于1Ω的要求是一个最低限值，在具体工程中应越小越好，如达不到要求应增加接地体数量或采取人工降阻措施来满足实测要求（宜选用高效率且对接地体无较大腐蚀的降阻剂）。这里略作强调的是：引进弱电机房UPS电源管理间的两路电源时，主电源采用三相五芯（3L+N+PE）绝缘防火电缆，备用电源采用兰相四芯（3L+N）绝缘防火电缆。用主电源电缆PE线在电源管理问互投切换箱内作辅助等电位接地端子排。需要做直流地的弱电机房（如程控交换机房和计算机网络设备机房等）应邻设于计算机机房，电源交流工作地和安全保护地取自计算机机房电源管理间，单独从大厦变配电房总等电位接地母排寻|上两根截面积不小于16mm2的绝缘防火电缆（如：单芯16mm2、三芯6mm2和四芯4mm2等），在有直流接地的弱电机房设专用金属接线箱汇接它们，做直流接地端子排供直流地设备端接使用。大厦变配电房总等电位接地母排应设避雷器、放电间隙或浪涌电压抑止器等保护装置，以防雷击时接地装置电位升高，通过接地线反击电气设备，引起直流地电位较大波动而导致电子设备工作失常。
弱电机房内防静电活动地板距地面0.3m高。沿机房四边墙线用20x4mm扁钢或中6mm钢筋将活动地板金属支撑管脚做多点重复接地焊接，在近电源管理间一侧用6mm2以上的铜芯绝缘线穿钢管或PVC管接人电源管理间内的辅助等电位接地母排，使弱电机房地板面既成为安全可靠的等电位平面，又屏蔽保护了地板下各种信号线路免受电磁干扰，还隔离了地板上、下不同电压和频率信号线路间的相互干扰。
3、配电和布线
弱电机房电源管理间电源进线注意采取防雷击措施，不宜使用铠装电缆，否则将电缆的金属外皮与接地装置连接。从大厦外引入的铠装信号电缆和屏蔽信号线进入弱电机房前应注意采取防雷击措施，避免沿建筑外墙或靠近防雷引下线敷设，以免遭受雷击，以及避免在雷击建筑物时，受到防雷装置引来的高频电磁干扰。上述线缆进入弱电机房后，应设金属接线箱（盒）在其内将线缆金属（屏蔽）外皮接连避雷器或浪涌电压抑止器，然后与弱电机房辅助等电位接地母排用截面积不小于6mm2铜芯绝缘线连通，穿钢管保护敷设。这样做还可以抑制上述线缆在传输路途上接收到的其它邻近干扰源产生的高频电磁干扰信号，从而有效可靠地保证信号传输的质量。从弱电机房弓|出的信号线路应用金属线槽沿墙并在吊顶内敷设，避免与其它电气管路平行紧贴敷设。尽量避开空调、消防、暖气和给排水等管道，与它们的间距大于0.3m.
弱电机房UPS电源出线接设金属配电箱，底边距地1.4m暗装，若有困难亦可挂墙明装，根据弱电机房内设备负荷容量和分布情况分设单、三相回路，用小型真空断路器如C45N、DZ47等线路保护开关，箱内设置辅助等电位接地母排。对于兰相输出的负荷不平衡度，最大一相和最小一相负载的基波均方根电流之差，不应超过UPS电源额定电流的25%，而且最大线电流不超过额定值。弱电机房照明负荷和空调负荷不由UPS电源供电，应由电源、管理间互投切换箱设置照明供电回路和额定功率，总和小于2kW的风机盘管或分体空调机配电回路供电。在机房出入口附近墙面方便位置暗装照明开关箱或开关面板，空调插座设置在机房活动吊顶内墙面上或距地1.8m的墙面上，额定功率总和大于2kW的空调负荷应由弱电机房所在楼层附近的动力或照明配电箱配电，照明负荷和空调负荷线路均沿吊顶内或墙面敷设，避免在弱电机房内活动地板下穿越。另由该互技切换箱配置电源管理间内的单相检修电源回路，在电源管理间各墙面距地0.3m设置检修电源插座，禁止使用2kW以上大功率电感性电动工具，确需使用这类工具以及三相检修设备，应使用施工移动式配电盘从弱电机房所在楼层附近的动力或照明配电箱接取电源。弱电机房设备桌、机柜和配线架三种方式布置。
这里以电源管理间在机房右侧为例，其它情况可类似处理。如图2所示，从UPS电源配电箱寻|出的配电线路穿薄皮钢管或阻燃PVC管从弱电机房活动地板下敷设至各排设备桌、机柜和配线架的背面，从带穿线孔的活动地板（可选购或定制这类活动地板，穿线孔一般为φ20～φ32mm）引上穿管保护接进金属导轨式插座线槽、机柜或配线架。金属导轨式插座线槽用螺栓固定安装在设备桌背面距活动地板0.1～0.3m为宜。一般电源插接件设备自带电源线为1.0～2.0m，而设备桌高度一般在1.0m以下，完全可满足电源插接距离要求，这里需作说明的是设备桌上设备一般为单相负荷J若有三相设备应为落地摆放，设专线回路用地面插座盒（接线盒）配电。金属导轨式插座线槽内卡装模数化电源插座，未卡装插座部位用金属盖板（每块0.2m长为宜）卡扣，起到安全保护和电磁屏蔽的作用。模数化电源插座分端接件和中联件两种。
这种插座的插座孔（如图3所示，正面）对二、三极外接设备插头兼容通用，根据需要还可作附带开关或防护罩，可方便扩展和拆装，卡装在金属导轨式插座线槽内牢固、可靠和安全，并按设备桌上设备位置和数量分组配置模数化电源插座，组间用与供电电源线同型号的线连接，尽量使设备桌上的设备电源插头线垂直跨越桌边接进模数化电源插座，使设备桌背面电源接线整齐、安全、美观且便于检修。
信号线缆在活动地板下从机柜、配线架至各设备应用金属线槽沿设备桌或机房主平面内纵横敷设，从设备桌背面的活动地板穿线孔弓l上接进设备（注意不得与电源线路共用活动地板穿线孔，且间距大于0.1m）。信号线缆避免沿机房墙边敷设以防与强电线管交叉等。桌上设备之间的信号连线是短线的（长度小于3m）沿设备背部桌面明敷，但不得悬吊在设备桌背侧空中；是长线的（长度大于3m）应从活动地板穿线孔翻下（上）穿薄皮钢管在活动地板下敷设。
上述做法较科学地保证了弱电机房供电的可靠和安全，各种不同电压和频率的信号线缆敷设安全、相互隔离度好、整齐、美观并方便维护管理。
4、防扰机柜的设计构想
弱电机房的机柜、单侧有源配线架（单面设接线排，柜内上部设搁板放置有源设备如路由器和集线器等）合理布线才能保证电气安全、相互隔离度好和维护检修方便。目前大多数成品机柜和单侧有源配线架存在电气隐患：强、弱电线路在机柜背面交叉严重，机柜内配电没有统一规范标准。目前做法大多是利用机柜背面、底部或上部空余地方任意摆放保护开关和电源插线板，有的甚至把电源插线板悬吊在空中（有时对机柜进行操作管理时也会无意地造成这种情况），这样很容易导致接触不良或漏电使设备发生掉电故障，甚至寻|起电气火灾。为此，笔者进行了防扰机柜设计构想（即改造目前具有上述问题的成品机柜和配线架）：首先从外形上，应设计机柜宽度大于0.5m，使机柜能横跨活动地板的两根支撑横担（活动地板块一般为0.4x0.4m2和0.5x0.5m2正方形板），从而保证支撑牢靠，下进出线穿越活动地板方便。机柜高度不大于2m，以便于操作和维护。进深宽度可按最大内置设备进深宽度+0.3m设计。机柜底部支撑脚采用滑轮使机柜成为可移动式的，这样便于安装调整和检修，面门设计为单扇拉开式，门面为有机玻璃镶嵌金属边框以便于观察和监护。其次，在机柜内顶部或侧面安装1~4个嵌入式冷却排气扇（功率在100W以下），从而保证机柜内温升符合电气使用标准，使内置设备不受电热影响保持正常工作。第三，按内置设备数量和大小设计分层搁板，按进出线对数量和种类设计接线端子排、过线架和分线器等。一般设计机柜上部摆放有源设备，下部做配线架和进出线缆接口。在机柜上部有源设备的背侧安装金属隔板，由机柜顶部至最下层有源设备，金属隔板将机柜分为前后两部分，在有源设备的电源接口处开孔（孔径以φ40～φ60为宜），弱电信号线缆、线对、各类跳线及设备间的信号连线在金属隔板前敷设。有源设备电源线穿孔后在金属隔板后面敷设。在金属隔板后侧壁上安装金属导轨式插座线槽和模数化电源插座供单相设备（包括柜内冷却风扇）插接。线槽未卡装插座部位用金属盖板卡扣好。在金属隔板后侧壁上安装三相五极（兼容插接四极）插座或三相保护开关供三相设备插接或端接，机柜背门采用单扇外开式金属门。对机柜外壳及金属构件进行喷漆处理，以防脱漆和生锈。
5、结束语
随着智能大厦的迅速发展，弱电系统多元化及其集成技术均给现有的电气系统和技术模式带来了许多新的问题和课题。本文根据当前智能建筑设计和安装中存在的一些问题，提出弱电机房综合化配电模式以及防扰机柜的设计构想。力求解决电源配置、交直流隔离、接地和信号线防扰等问题，从而优化弱电机房的布置和配线，保障供电可靠、用电安全和各种信号线传输质量，消除失电、漏电、交扰及火灾隐患等。
参考文献：
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