淺談建筑電氣新技術(shù)的應(yīng)用

李炳華（中建國(guó)際設(shè)計(jì)顧問有限公司，北京市 100013）

摘要：本文著重分析和討論了民用建筑電氣中ZSI技術(shù)應(yīng)用、ATSE保護(hù)電器、級(jí)聯(lián)技術(shù)、空調(diào)器插座回路保護(hù)、配電線路過負(fù)荷保護(hù)、配電線路、UPS接地等問題，并給出了解決這些問題的建議性措施，供建筑電氣從業(yè)人員參考和討論。

關(guān)鍵詞：民用建筑電氣 ZSI 級(jí)聯(lián)過負(fù)荷保護(hù) ATSE 空調(diào)器插座 UPS接地

改革開放以來，我國(guó)建筑電氣技術(shù)水平得以快速發(fā)展，新技術(shù)、新系統(tǒng)層出不窮，新產(chǎn)品不斷推出。另一方面，由于制定周期、經(jīng)費(fèi)等原因，我國(guó)的設(shè)計(jì)規(guī)范相對(duì)滯后。為了提高建筑電氣的技術(shù)水平，設(shè)計(jì)出安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、維護(hù)方便、經(jīng)濟(jì)合理的建筑電氣各系統(tǒng)，有必要對(duì)新技術(shù)的應(yīng)用加以研究，以免造成不必要的錯(cuò)誤和損失。以下是筆者的點(diǎn)滴體會(huì)，以饗讀者。

1 關(guān)于低壓配電

1.1 ZSI技術(shù)的應(yīng)用

《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》第7.6.1條第2款規(guī)定“配電線路采用的上下級(jí)保護(hù)電器，其動(dòng)作應(yīng)具有選擇性，各級(jí)之間應(yīng)能協(xié)調(diào)配合。但對(duì)于非重要負(fù)荷的保護(hù)電器，可采用無選擇性切斷”。ZSI是實(shí)現(xiàn)上下級(jí)保護(hù)具有選擇性的措施之一。ZSI是區(qū)域聯(lián)鎖選擇性保護(hù)的英文縮寫（Zone Selection Interlock），是最近新研發(fā)的一項(xiàng)技術(shù)，其核心有兩點(diǎn)：當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，第一，保護(hù)電器接收到下級(jí)保護(hù)發(fā)來的故障信號(hào)后啟動(dòng)短延時(shí)保護(hù)；第二，保護(hù)電器沒有收到下級(jí)保護(hù)電器發(fā)來的故障信號(hào)，立即瞬時(shí)脫扣，快速切斷故障回路。

圖1所示，QF1和QF2為主進(jìn)斷路器，QF3為母聯(lián)斷路器，QF4和QF5為出線回路保護(hù)電器（僅示意兩個(gè)回路），QF6和QF7分別對(duì)應(yīng)QF4和QF5的下級(jí)斷路器。用屏蔽雙絞線將這些斷路器連接起來，構(gòu)成ZSI保護(hù)體系。假設(shè)ATSE3的下端某點(diǎn)發(fā)生短路故障，最靠近短路點(diǎn)的斷路器QF6或QF7啟動(dòng)瞬時(shí)保護(hù)，并發(fā)出信號(hào)啟動(dòng)其上級(jí)斷路器QF4和QF5的短延時(shí)保護(hù)，當(dāng)然，QF1~QF3的短延時(shí)保護(hù)也被啟動(dòng)。各級(jí)保護(hù)的時(shí)限整定值建議如表1所示。由于QF6或QF7已經(jīng)瞬時(shí)動(dòng)作，上級(jí)各斷路器的短延時(shí)保護(hù)也就返回到正常狀態(tài)，保證了保護(hù)的選擇性。

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圖1 低壓配電系統(tǒng)中ZSI應(yīng)用示例

表1 ZSI短延時(shí)保護(hù)設(shè)置要求

在采用ZSI區(qū)域選擇性聯(lián)鎖保護(hù)時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)問題：

a 如果低壓配電系統(tǒng)采用ZSI技術(shù)，建議全系統(tǒng)的采用，不宜局部采用。即主進(jìn)斷路器、母聯(lián)斷路器、出線斷路器及其下級(jí)斷路器全部設(shè)置ZSI。圖1中只是在重要負(fù)荷的回路裝設(shè)ZSI，一旦沒裝ZSI的斷路器非選擇性動(dòng)作造成越級(jí)跳閘，勢(shì)必會(huì)影響到裝有ZSI的回路供電，擴(kuò)大了事故面，ZSI沒有起到應(yīng)有的作用。

b 所使用的斷路器應(yīng)具有ZSI功能，包括ACB、MCCB。目前主流的廠家許多能滿足此功能，如施耐德的MT系列框架斷路器和NSX系列的塑殼斷路器、ABB的E系列框架斷路器和T系列塑殼斷路器、西門子公司的3WL框架斷路器和3VL塑殼斷路器等。

c 時(shí)限設(shè)置應(yīng)按“上級(jí)保護(hù)時(shí)限長(zhǎng)、下級(jí)保護(hù)時(shí)限短”的原則設(shè)置，表1給出了建議性的整定值。且保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限不宜低于100ms，因?yàn)閿嗦菲鞯姆珠l時(shí)間約為70ms，短路短延時(shí)的動(dòng)作時(shí)間應(yīng)長(zhǎng)于斷路器最大分閘時(shí)間。

d當(dāng)采用具有ZSI功能的斷路器時(shí)，只需增加控制線的費(fèi)用，所增加的投資非常少，而帶來非?？煽康耐耆x擇性?？刂凭€應(yīng)采用屏蔽雙絞線，穿金屬管或金屬線槽并接地，以避免干擾。

1.2 自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器之前的保護(hù)電器

《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》JGJ 16-2008第7.5.3條第2款明確規(guī)定“TN-C-S、TN-S系統(tǒng)中的電源轉(zhuǎn)換開關(guān)，應(yīng)采用切斷相導(dǎo)體和中性導(dǎo)體的四極開關(guān)” ^[1]，這條規(guī)定來自IEC 60364-4-46（如圖2所示）。以圖1系統(tǒng)中的ATSE3為例，若ATSE3采用四極，其上級(jí)各斷路器(圖中QF4、QF6、QF5、QF7)是否要采用四極？

筆者認(rèn)為，TN-C-S或TN-S系統(tǒng)中，當(dāng)末端雙電源切換箱采用四極ATSE，且ATSE兩個(gè)N極不相連時(shí)，ATSE之前的配電線路保護(hù)電器可采用三極保護(hù)電器。電源轉(zhuǎn)換由ATSE完成，它可切斷所有的相導(dǎo)體和中性導(dǎo)體，滿足規(guī)范的要求。圖1中的ATSE3采用四極，且其兩個(gè)N端子不相連，此時(shí)保護(hù)電器QF4、5、6、7可采用三極。ATSE3實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換，四極ATSE可以將兩個(gè)電源系統(tǒng)嚴(yán)格分開，不至于形成環(huán)流。

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圖2 低壓配電系統(tǒng)中電源轉(zhuǎn)換采用四極開關(guān)

1.3 配電線路的過負(fù)荷保護(hù)

《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》和《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》有相似的規(guī)定，“突然斷電比過負(fù)荷造成的損失更大的線路，其過負(fù)荷保護(hù)應(yīng)作用于信號(hào)而不應(yīng)切斷電路” ^[1]，這是一條針對(duì)低壓配電回路過負(fù)荷保護(hù)的強(qiáng)制性條文，由于產(chǎn)品所限，過去這條規(guī)定執(zhí)行的不甚理想。筆者曾給出兩個(gè)解決方案^[3]，下面再介紹一種專門針對(duì)這條規(guī)定、更為有效的解決方案，希望能引起大家高度重視。

只有瞬動(dòng)保護(hù)的斷路器與專用的過負(fù)荷保護(hù)裝置組合，過負(fù)荷保護(hù)裝置只報(bào)警。如圖3所示，配電主回路的斷路器只有短路保護(hù)，而過負(fù)荷保護(hù)裝置ACM2專門用于過負(fù)荷報(bào)警，ACM2通過電流互感器TA采集回路電流信號(hào)，以此判斷是否過負(fù)荷。ACM2設(shè)有兩段報(bào)警，當(dāng)過負(fù)荷電流較小時(shí)，ACM2接通中間繼電器KA1→KA1線圈帶電→KA1動(dòng)合觸點(diǎn)閉合，這樣I段報(bào)警發(fā)出燈光信號(hào)，信號(hào)燈PGR被點(diǎn)亮，提醒工作人員；當(dāng)過負(fù)荷電流較大時(shí)，ACM2接通中間繼電器KA2→KA2線圈帶電→KA2動(dòng)合觸點(diǎn)閉合，這樣啟動(dòng)II段報(bào)警，不僅信號(hào)燈PGR亮，而且蜂鳴器PG發(fā)出聲響報(bào)警。當(dāng)工作人員收到聲光報(bào)警信號(hào)后，可以通過控制按鈕SF解除聲音信號(hào)，但光信號(hào)只有等過負(fù)荷故障排除后才能解除。

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圖3 配電線路過負(fù)荷只報(bào)警電路圖

兩段報(bào)警的閥值和動(dòng)作時(shí)限建議采用圖中所列數(shù)值^[2]，配電線路中多采用塑殼斷路器，當(dāng)ACM2與塑殼斷路器配合時(shí)，I段報(bào)警整定值為1.05I_n，瞬時(shí)動(dòng)作，此值對(duì)應(yīng)于IEC 60947-2對(duì)塑殼斷路器約定不脫扣電流I₁，就是說，當(dāng)發(fā)生輕微（1.05I_n）過載時(shí)，塑殼斷路器是不會(huì)動(dòng)作的，而ACM2發(fā)生第一次報(bào)警，提醒工作人員進(jìn)行線路檢查。II段整定值為1.3I_n，5s動(dòng)作，此值對(duì)應(yīng)于IEC 60947-2對(duì)塑殼斷路器的約定脫扣電流I₂，這時(shí)的報(bào)警可謂聲光大作，表明過負(fù)荷較嚴(yán)重，工作人員應(yīng)立即檢查。因此，ACM2的整定值是與斷路器的過負(fù)荷保護(hù)特性相一致，只不過規(guī)范要求過負(fù)荷報(bào)警的任務(wù)落到了ACM2而不是斷路器。

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1.4 級(jí)聯(lián)技術(shù)

圖4 級(jí)聯(lián)示例

級(jí)聯(lián)是利用斷路器的限流技術(shù)，在給定點(diǎn)允許安裝低分?jǐn)嗄芰Φ南录?jí)斷路器。級(jí)聯(lián)需要滿足下列幾個(gè)條件：

a 上級(jí)斷路器具有限流作用；

b 上級(jí)斷路器的分?jǐn)嗄芰?yīng)不低于安裝處的預(yù)期短路電流；

c 通過上級(jí)斷路器的能量（I²t）應(yīng)小于下級(jí)斷路器及被保護(hù)電纜所能承受的能量。

這樣，上下級(jí)斷路器相互配合，下級(jí)斷路器可以用低分?jǐn)嗄芰Φ臄嗦菲?，下?jí)斷路器的分?jǐn)嗄芰Φ偷绞裁闯潭饶?？只能通過實(shí)驗(yàn)給出正確的答案。

圖4所示為級(jí)聯(lián)的典型示例，盡管有些元件已經(jīng)陳舊，但是還能夠說明由于級(jí)聯(lián)技術(shù)，第一級(jí)斷路器（A）對(duì)第二級(jí)（B）和第三級(jí)（C）斷路器分?jǐn)嗄芰Φ奶嵘?。按照常理?/span>B級(jí)斷路器的分?jǐn)嗄芰χ挥?/span>25kA，不能有效的分?jǐn)嘣撎?/span>50kA的短路電流；同樣，C級(jí)斷路器10kA的分?jǐn)嗄芰σ策h(yuǎn)低于該處預(yù)期的24kA短路電流。但是級(jí)聯(lián)技術(shù)改變了常理。通過A級(jí)斷路器150kA分?jǐn)嗄芰跋蘖髯饔茫?/span>B級(jí)斷路器的分?jǐn)嗄芰υ?/span>A+B共同作用下提升到150kA，遠(yuǎn)高于50kA的預(yù)期短路電流；C級(jí)斷路器的分?jǐn)嗄芰υ?/span>A+C的共同作用下提升到30kA，也滿足要求，大于24kA的預(yù)期短路電流?？梢娂?jí)聯(lián)技術(shù)作用非常大，如表2所示。

表2 級(jí)聯(lián)應(yīng)用示例分析

然而，我國(guó)工程建設(shè)的現(xiàn)狀讓級(jí)聯(lián)技術(shù)的應(yīng)用存在巨大風(fēng)險(xiǎn)。通常設(shè)備的招投標(biāo)很難滿足級(jí)聯(lián)技術(shù)的要求，往往配變電所的低壓配電裝置與二級(jí)、三級(jí)配電裝置（俗稱“三箱”）分不同的標(biāo)段，生活泵、制冷機(jī)組等控制屏又是產(chǎn)品配套而來，這樣一來，如何保證級(jí)聯(lián)能滿足要求呢！一旦不滿足要求，將出現(xiàn)災(zāi)難性的后果。

因此，低壓配電系統(tǒng)中短路保護(hù)電器的分?jǐn)嗄芰Σ粦?yīng)小于保護(hù)電器安裝處的預(yù)期短路電流，嚴(yán)禁采用級(jí)聯(lián)技術(shù)來降低短路保護(hù)電器的分?jǐn)嗄芰Α?/span>

1.5 空調(diào)器插座

《住宅設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50096第6.5.2條第4款規(guī)定“除空調(diào)電源插座外，其它電源插座電路應(yīng)設(shè)置漏電保護(hù)裝置”，就是說，其它插座電路一定要用剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置，空調(diào)電源插座電路可用、也可不用，條文中沒有規(guī)定空調(diào)電源插座不用剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置。

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圖5 TN－S或TN－C－S接地型式空調(diào)器回路單相接地故障

圖5為TN－S或TN－C－S接地系統(tǒng)，假設(shè)空調(diào)器A回路用斷路器保護(hù)，其它家用電器B回路設(shè)剩余電流動(dòng)作保護(hù)。當(dāng)空調(diào)器A絕緣水平降低而發(fā)生單相不完全接地故障時(shí)，由于故障電流較小，不足以使斷路器切除故障回路，致使空調(diào)器A外殼上帶有故障電壓U_a。通過PE線，故障電壓被引到其它非故障家用電器B，導(dǎo)致設(shè)備B外殼帶電，危及人身安全。家用電器B包括本回路上的所有家用電器以及本接地系統(tǒng)中外殼連接到PE線上的所有家用電器，因此，事故面將大大的被擴(kuò)大。盡管家用電器B回路設(shè)有剩余電流動(dòng)作保護(hù)，剩余電流動(dòng)作保護(hù)器也不會(huì)起到保護(hù)作用。因此，如果空調(diào)器不設(shè)剩余電流動(dòng)作保護(hù)，存在故障空調(diào)器不能及時(shí)切除的風(fēng)險(xiǎn)，這樣會(huì)會(huì)殃及到其它非故障設(shè)備。

另一種情形如圖6所示，接地系統(tǒng)為TT型式。空調(diào)器A采用斷路器保護(hù)，當(dāng)它發(fā)生單相碰殼故障，由于TT接地系統(tǒng)故障電流較小，不能使其保護(hù)電器（斷路器）動(dòng)作，空調(diào)器A外殼帶有危險(xiǎn)電壓U_a，其值按下式計(jì)算。

U_a＝U_o.R_a/（R＋R_a） （1）

式中：R——電源側(cè)接地電阻阻值，單位：Ω，設(shè)R＝4Ω；

R_a——負(fù)荷側(cè)接地電阻阻值，單位：Ω，設(shè)R_a＝10Ω；

U_o——相對(duì)地電壓，U_o＝220V。

將上述數(shù)值代入式（1），得：U_a＝220×10/（4＋10）＝157V

空調(diào)器外殼上帶有這么高電壓，足以將人電死。同時(shí)由于故障電壓不能及時(shí)消除， U_a 將通過PE線被引到其它非故障回路或同回路其它非故障用電設(shè)備B上，使用電設(shè)備B外殼上也帶有危險(xiǎn)電壓。

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圖6 TT接地型式空調(diào)器回路單相接地故障

TT接地系統(tǒng)中，如果空調(diào)器回路不設(shè)剩余電流動(dòng)作保護(hù)，將很難滿足TT接地系統(tǒng)的條件，即I_a.R_A≤50V，這是規(guī)范所不允許的。

綜上所述，空調(diào)電源插座電路、空調(diào)室外機(jī)電路應(yīng)設(shè)置剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置。

2 關(guān)于配電線路

最近，一種新型的銅包鋁線纜面市了，它具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性而博得部分用戶的青睞。但是銅包鋁線纜在應(yīng)用中出現(xiàn)了不少問題，究其主要原因是國(guó)家沒有產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，因此，質(zhì)量上無法保證，各家產(chǎn)品指標(biāo)差異性較大。而另一種新型的合金鋁電纜卻推廣艱難，根據(jù)即將頒布的《住宅建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》，住宅小區(qū)的主干線及分支主干線可采用合金鋁電纜，而住宅套內(nèi)應(yīng)采用銅芯電線。

因此，民用建筑中嚴(yán)禁采用銅包鋁電纜和電線。

3 關(guān)于UPS接地

UPS接地問題一直爭(zhēng)議頗多，觀點(diǎn)不一。對(duì)于設(shè)計(jì)人員，遵循規(guī)范是基本要求，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行細(xì)化。《建筑電氣工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》GB50303-2002第9.1.4條是強(qiáng)條，即“不間斷電源輸出端的中性線(N極)，必須與由接地裝置直接引來的接地干線相連接，做重復(fù)接地。”過去該條規(guī)定執(zhí)行的不好，存在不少問題。UPS輸出端中性線到底該不該接地？如果要接地該如何接地？設(shè)計(jì)人員存在不少疑問。

3.1 UPS內(nèi)設(shè)有輸出隔離變壓器

當(dāng)UPS設(shè)有輸出隔離變壓器，且隔離變壓器負(fù)載側(cè)采用TN-S或TT接地形式時(shí)，隔離變壓器的中性點(diǎn)應(yīng)接地。UPS輸出端的內(nèi)置隔離變壓器（如圖7所示）有利于電源隔離、中性點(diǎn)接地、減小用電負(fù)荷側(cè)的零地電位差。2009版的《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)零地電壓有不超過2V的規(guī)定。

圖7所示，建筑物低壓配電系統(tǒng)為TN-S系統(tǒng)，而這種UPS通常被稱為工頻機(jī)，圖中的隔離變壓器主要起到升壓的作用，即將190V的交流升壓到380V，同時(shí)這個(gè)變壓器也起到隔離的作用。如果UPS輸出端隔離變壓器中性點(diǎn)不接地，對(duì)于三相不平衡負(fù)荷，尤其IT系統(tǒng)存在大量的單相負(fù)荷，存在較大的隱患，中性點(diǎn)會(huì)嚴(yán)重漂移，導(dǎo)致負(fù)載最輕的一相電壓升高，連接于該相的IT設(shè)備將承受過高電壓，更有甚者造成IT設(shè)備擊穿，進(jìn)而引起另兩相嚴(yán)重過電壓，導(dǎo)致連接于另兩相上的IT設(shè)備擊穿。

圖7 UPS輸出變壓器時(shí)輸出端中性線不接地時(shí)的零地電壓過高

3.2 UPS輸出端沒設(shè)隔離變壓器

當(dāng)UPS采用高頻逆變器時(shí)，其輸出端往往不設(shè)隔離變壓器，這種UPS通常被稱為高頻機(jī)。當(dāng)UPS輸出端沒有設(shè)置隔離變壓器時(shí)，可采用下列措施之一：

1）在UPS輸出端外設(shè)隔離變壓器，隔離變壓器負(fù)荷側(cè)宜采用TN-S或TT接地形式，且隔離變壓器的中性點(diǎn)應(yīng)接地。

2）在UPS輸入端設(shè)置兩個(gè)獨(dú)立的變壓器，其中性線應(yīng)接地。

第一種措施實(shí)際上為UPS外置一個(gè)隔離變壓器，其原理同圖7。隔離變壓器宜靠近負(fù)荷配電柜，這樣有利于減小用電負(fù)荷側(cè)的零地電壓。

第二種措施參見圖8，主電路和備用電路均設(shè)隔離變壓器，隔離變壓器中性點(diǎn)接地，這樣減小了零地電壓。同時(shí)，隔離變壓器將建筑物的低壓系統(tǒng)與UPS為電源的配電系統(tǒng)從電氣上分開。再者，隔離變壓器中性點(diǎn)接地有利于單相負(fù)荷供電，消除中性點(diǎn)漂移帶來的危害。

圖8 UPS輸入端設(shè)置隔離變壓器

4 結(jié)束語(yǔ)

通過上面的分析和論述，可以歸納為以下幾點(diǎn)結(jié)論：

a當(dāng)?shù)蛪号潆娤到y(tǒng)采用ZSI技術(shù)時(shí)，建議全系統(tǒng)的采用，不宜局部采用。即主進(jìn)斷路器、母聯(lián)斷路器、出線斷路器及其下級(jí)斷路器全部設(shè)置ZSI。

b 低壓配電系統(tǒng)中嚴(yán)禁采用級(jí)聯(lián)技術(shù)來降低短路保護(hù)電器的分?jǐn)嗄芰Α?/span>

c TN-C-S或TN-S系統(tǒng)中，當(dāng)末端雙電源切換箱采用四極ATSE，且ATSE兩個(gè)N極不相連時(shí)，ATSE之前的配電線路保護(hù)電器可采用三極保護(hù)電器。

d 配電線路過負(fù)荷保護(hù)優(yōu)選方案：瞬動(dòng)保護(hù)的斷路器與專用的過負(fù)荷保護(hù)裝置組合，過負(fù)荷保護(hù)裝置只報(bào)警。

e TN、TT系統(tǒng)中的空調(diào)器電源插座電路、空調(diào)室外機(jī)電路應(yīng)設(shè)置剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置。

f 民用建筑中嚴(yán)禁采用銅包鋁電纜和電線。

g 當(dāng)UPS設(shè)有輸出隔離變壓器，且隔離變壓器負(fù)載側(cè)采用TN-S或TT接地形式時(shí)，隔離變壓器的中性點(diǎn)應(yīng)接地。

當(dāng)UPS輸出端沒有設(shè)置隔離變壓器時(shí)，可采用在UPS輸出端外設(shè)隔離變壓器或在UPS輸入端設(shè)置兩個(gè)獨(dú)立的變壓器，且隔離變壓器中性點(diǎn)應(yīng)接地。

參考文獻(xiàn)：

1 《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范實(shí)施指南》，中國(guó)建筑學(xué)會(huì)建筑電氣分會(huì)編著，中國(guó)電力出版社2008年5月第1版，2008年10月第2次印刷

2 “民用建筑中供配電系統(tǒng)若干問題的思考”，李炳華，《智能建筑電氣技術(shù)》2009.5

3 “再論民用建筑電氣供配電系統(tǒng)若干問題的思考”，李炳華，《建筑電氣》2010.12

4 “斷路器區(qū)域選擇性聯(lián)鎖（ZSI）實(shí)驗(yàn)報(bào)告”，李炳華，《智能建筑電氣技術(shù)精選》，中國(guó)電力出版社2005年5月第1版.第1次印刷