三級以上生物實(shí)驗(yàn)室的配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中國中元國際工程公司 劉 堯

實(shí)驗(yàn)室生物安全涉及的絕不僅是安全實(shí)驗(yàn)室工作人員的個(gè)人健康，一旦發(fā)生事故，極有可能會給人群、動物或植物帶來不可預(yù)計(jì)的危害。因此，生物安全實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)和建設(shè)應(yīng)以標(biāo)準(zhǔn)化為方向，充分考慮安全性和可靠性。

自1983年世衛(wèi)組織出版發(fā)表第一版《實(shí)驗(yàn)室生物安全手冊》以來，截止到2004年，已經(jīng)出版了第三版的手冊。手冊根據(jù)對操作生物因子采取的防護(hù)措施等級，將實(shí)驗(yàn)室安全防護(hù)水平劃分為一級、二級、三級和四級。一級防護(hù)水平最低，四級防護(hù)水平最高。一級、二級實(shí)驗(yàn)室的電氣設(shè)計(jì)較為常見，設(shè)計(jì)施工均有較為成熟的規(guī)范和方法，這里不再贅述。本文以實(shí)際設(shè)計(jì)為例，談?wù)勅壱陨蠈?shí)驗(yàn)室的電氣設(shè)計(jì)。

國標(biāo)GB19489-2008《實(shí)驗(yàn)室生物安全通用要求》中已經(jīng)大體對三級以上生物實(shí)驗(yàn)室的電力供應(yīng)系統(tǒng)提出了要求：

（1）電力供應(yīng)滿足實(shí)驗(yàn)室的所有用電需求，并應(yīng)有冗余；

（2）生物安全柜、送風(fēng)機(jī)和排風(fēng)機(jī)、照明、自控系統(tǒng)、監(jiān)視和報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)配備不間斷備用電源，電力供應(yīng)應(yīng)至少維持30min；

（3）應(yīng)在安全的位置設(shè)置專用配電箱；

（4）應(yīng)設(shè)不少于30min的應(yīng)急照明系統(tǒng)。

下面，筆者以中國農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院蘭州獸醫(yī)研究所56#樓（下簡稱56#樓）為例，結(jié)合規(guī)范要求，逐一闡述三級以上生物實(shí)驗(yàn)室的供電方案。

1 容量冗余設(shè)計(jì)

56#樓為蘭州獸醫(yī)研究所國家口蹄疫參考實(shí)驗(yàn)室的生物安全實(shí)驗(yàn)樓，建筑面積約為5 900m2,生物安全防護(hù)等級介于三級與四級之間。在此類實(shí)驗(yàn)室，單位負(fù)荷密度較高，經(jīng)測算本樓的單位負(fù)荷率高達(dá)359VA/m2，主要有以下幾個(gè)因素：

1）科研人員進(jìn)去后需穿特制的防護(hù)服，有時(shí)需多穿幾層，散熱不便。為了讓實(shí)驗(yàn)人員體感舒適，實(shí)驗(yàn)室配備舒適性空調(diào)，環(huán)境溫度設(shè)置得較低；

2）空調(diào)系統(tǒng)形式：E、F、C 區(qū)的空調(diào)系統(tǒng)均為全新風(fēng)直流凈化系統(tǒng)；D區(qū)空調(diào)為33%新風(fēng)的全空氣雙風(fēng)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)；

3）實(shí)驗(yàn)室電氣照明照度值要求較高，主實(shí)驗(yàn)室照度不低于500lx；

4）實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的生物安全實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量多、單臺功率大，如生物安全柜、空氣壓縮機(jī)、高壓滅菌器、超低溫保存柜，生命維持系統(tǒng)、活毒廢水處理裝置等用電量都很大。因此，在配電設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮上述因素，并在容量中考慮適量的冗余。同樣，在回路設(shè)計(jì)中，插座回路的工作電流不宜超過插座額定電流的60%，當(dāng)實(shí)際工作電流超過5A時(shí)，插座前宜設(shè)開關(guān)，或選用帶開關(guān)的插座。E、F、C區(qū)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)所有插座設(shè)漏電蜂鳴報(bào)警，當(dāng)線路發(fā)生漏電時(shí)只作用于聲光報(bào)警，不切斷電源。由于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多變，所以配電分支線路宜留有20%～30%余量。

2 負(fù)荷分級

三級以上生物實(shí)驗(yàn)室的負(fù)荷一般均為一級為主，同樣的，56#樓也不例外。因此由研究所內(nèi)已有的10kV配變電站高壓配電屏引出雙路10kV電源，采用10kV電力電纜沿電纜溝敷設(shè)（部分穿管敷設(shè)）引至生物安全實(shí)驗(yàn)樓內(nèi)的終端變配電站。因其電源均取自同一開閉站，且上級電源也取自同一高壓變電站，故其只能保證二級負(fù)荷的要求。但從設(shè)計(jì)上要求其每一路都能保證在一路電源檢修時(shí)，另一路100%承擔(dān)所有二級（含二級以上）負(fù)荷的要求；這樣可以降低對柴油發(fā)電機(jī)（保證一級負(fù)荷供電要求）的使用的依賴，在一定程度上降低運(yùn)營成本。

在此項(xiàng)目中，其負(fù)荷分級如下：

一級負(fù)荷包括：生物安全實(shí)驗(yàn)樓（56#）內(nèi)E、F、C實(shí)驗(yàn)區(qū)所有負(fù)荷、火災(zāi)報(bào)警及聯(lián)動控制設(shè)備、保安監(jiān)控系統(tǒng)、應(yīng)急照明、疏散照明及重要的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、熱力站、空氣站、生命維持系統(tǒng)、活毒廢水處理設(shè)備、空調(diào)送風(fēng)及排風(fēng)機(jī)、水泵房、電梯及冷源系統(tǒng)（包括冷水機(jī)組、水泵、冷卻塔），以上負(fù)荷中除冷源系統(tǒng)外其他同時(shí)由柴油發(fā)電機(jī)組提供電源。

一級負(fù)荷中特別重要負(fù)荷如下：生物安全柜、隔離器排風(fēng)、離心機(jī)、空調(diào)送風(fēng)機(jī)及排風(fēng)機(jī)（E、F、C區(qū)不包括加熱段）、所有照明（E、F、C區(qū)）、火災(zāi)報(bào)警及聯(lián)動控制設(shè)備、生物安全實(shí)驗(yàn)室自控系統(tǒng)、氣密門控制及重要的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、應(yīng)急照明及柴油發(fā)電機(jī)控制柜電源。

因此樓內(nèi)一級負(fù)荷中特別重要負(fù)荷偏多，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度考慮，在設(shè)計(jì)中考慮采用UPS集中供電。

三級負(fù)荷包括：一般照明。

系統(tǒng)簡圖如圖2所示。

10kV系統(tǒng)2路電源投且要求如表1所示

表1 10kV系統(tǒng)2路電源投切要求

2）2路10kV電源同時(shí)工作，互為備用，每一路均能承擔(dān)100%二級以上負(fù)荷；

3）柴油機(jī)運(yùn)行條件：兩路市電均故障時(shí)啟動；平時(shí)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)ATS檢測到市電不符合要求時(shí)，ATS發(fā)出啟動信號啟動柴油發(fā)電機(jī)。

3 配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

除常規(guī)的如配電系統(tǒng)采用放射式與樹干式相結(jié)合的配電方式，對于單臺容量較大的負(fù)荷和重要負(fù)荷采用放射式配電；對于照明及一般負(fù)荷采用樹干式配電方式；實(shí)驗(yàn)室內(nèi)重要空調(diào)設(shè)備、火災(zāi)報(bào)警及聯(lián)動控制設(shè)備、保安監(jiān)控系統(tǒng)、應(yīng)急照明、疏散照明及重要的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等重要負(fù)荷除采用雙電源切換配電方式等外，需要特別指出的幾點(diǎn)是：

1）UPS配電柜采用兩電源進(jìn)線，其中一路應(yīng)引自柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)急段，UPS配出柜采用放射式單回路引至各電源配電箱；

2）各區(qū)（A、B、C、E、F區(qū)）設(shè)專用配電箱，所有配電箱應(yīng)設(shè)置于清潔區(qū)內(nèi)。因此，實(shí)驗(yàn)室均按實(shí)驗(yàn)對象和工藝要求進(jìn)行了污染區(qū)、半污染區(qū)和清潔區(qū)的劃分。根據(jù)污染控制和物理隔離的原則，考慮到實(shí)驗(yàn)室嚴(yán)禁無關(guān)人員進(jìn)入及電氣維修人員的安全，配電箱應(yīng)布置于清潔區(qū)；

3）實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的電源設(shè)置漏電檢測報(bào)警裝置。因?qū)嶒?yàn)工藝要求，要求電源連續(xù)供電，故其漏電故障電流保護(hù)不應(yīng)直接自動切斷電源，應(yīng)發(fā)出聲光報(bào)警信號；

4）A、B、C、E、F區(qū)末端配線采用礦物絕緣電纜，配電管采用金屬管。為保證核心區(qū)實(shí)驗(yàn)室房間的密閉性，防止壓力的泄露，要求進(jìn)入核心區(qū)的各配電管線均應(yīng)采用專用的穿墻密閉裝置。這也是有別于一般實(shí)驗(yàn)室只要求做封堵措施的做法；因此實(shí)驗(yàn)室的消防設(shè)計(jì)原則是“燃盡為止”，在發(fā)生火災(zāi)時(shí)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)一些必要的防護(hù)設(shè)施應(yīng)能連續(xù)供電，故采用礦物絕緣電纜便成了一個(gè)必要的選擇；

5）實(shí)驗(yàn)室及走廊應(yīng)設(shè)不少于30min應(yīng)急照明系統(tǒng)，具體功能應(yīng)滿足三個(gè)方面的要求：為考慮繼續(xù)工作設(shè)置的備用照明；偶遇火災(zāi)時(shí)為安全撤離設(shè)置的疏散照明；為防止突然斷電確保處于潛在危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)室工作人員的安全設(shè)置的安全照明。安全通道和緊急出口均有疏散指示標(biāo)志，標(biāo)志應(yīng)是發(fā)光的；

6）為了保證在任何情況下實(shí)驗(yàn)室內(nèi)均保持負(fù)壓，三級和四級生物實(shí)驗(yàn)室必須設(shè)置排風(fēng)機(jī)。本設(shè)計(jì)中生物安全實(shí)驗(yàn)室的排風(fēng)機(jī)組均為一用一備，一旦常用排風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，備用排風(fēng)機(jī)能自動投入運(yùn)行。室內(nèi)除壓力梯度控制和顯示裝置外，設(shè)置了排風(fēng)設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的信號裝置，如有意外發(fā)生，可發(fā)出聲光報(bào)警信號通知相關(guān)人員，迅速采取應(yīng)對措施，并啟動備用設(shè)備自動投入；同時(shí)有報(bào)警信號送出，告知備用設(shè)備已處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，應(yīng)立即維修故障排風(fēng)系統(tǒng)。因排風(fēng)系統(tǒng)是生物安全實(shí)驗(yàn)室的核心，必須能連續(xù)運(yùn)行，確保實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的負(fù)壓。備用設(shè)備作為最后且唯一的在線運(yùn)行設(shè)備，其電動機(jī)的過載保護(hù)應(yīng)慎重考慮，必須有別于傳統(tǒng)的電動機(jī)保護(hù)，如僅為保護(hù)電動機(jī)而簡單地突然斷電，將導(dǎo)致更大損失。所以，在本次設(shè)計(jì)中裝設(shè)的電動機(jī)過載保護(hù)，僅作用于報(bào)警信號，不可斷開電動機(jī)供電回路。

7）應(yīng)安裝風(fēng)機(jī)啟動自動連鎖裝置，確保實(shí)驗(yàn)室啟動時(shí)先開排風(fēng)機(jī)后開送風(fēng)機(jī)，關(guān)閉時(shí)先開送風(fēng)機(jī)后關(guān)排風(fēng)機(jī)。

4 結(jié)語

以上是筆者在實(shí)際工作中針對三級以上生物安全實(shí)驗(yàn)室的配電設(shè)計(jì)的一點(diǎn)初淺認(rèn)識，有不當(dāng)或不足之處，還請同行批評指正。

[1]中國建筑科學(xué)研究院.生物安全實(shí)驗(yàn)室建筑技術(shù)規(guī)范GB50055-93[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[2]中國合格評定國家認(rèn)可中心.實(shí)驗(yàn)室生物安全通用要求GB19489-2008[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[3]中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會.供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50052-2009[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2010.