高壓發(fā)電機(jī)組在大型民用建筑群的應(yīng)用探討

金 超

(云南省設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，昆明 651000)

0 引言

相對(duì)于輸出電壓為0.4kV的低壓發(fā)電機(jī)而言，高壓發(fā)電機(jī)的輸出電壓多為6.3kV、10.5kV、15kV，民用建筑中使用的高壓發(fā)電機(jī)一般指輸出電壓為10kV的發(fā)電機(jī)。高壓發(fā)電機(jī)組在高度超過300m的超高層建筑中已有較多使用，但在建筑高度沒有突破低壓供電距離極限的建筑或建筑群中，目前使用較多的依然是低壓發(fā)電機(jī)組。由于低壓發(fā)電機(jī)組在機(jī)組容量、回路電流、供電距離等方面都存在局限性，在大型民用建筑群這一類項(xiàng)目中，由高壓發(fā)電機(jī)組構(gòu)建的集中備電系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)越發(fā)凸顯。

1 高低壓機(jī)組自身性能的差異

對(duì)于高壓機(jī)組和低壓機(jī)組來說，相同功率的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在油路系統(tǒng)的配置、燃油量、進(jìn)排風(fēng)系統(tǒng)等方面基本沒有差別，因此為機(jī)組提供冷卻的進(jìn)排風(fēng)系統(tǒng)配置要求也無差別。高壓發(fā)電機(jī)組與低壓發(fā)電機(jī)組在參數(shù)和性能上的差別主要體現(xiàn)在發(fā)電機(jī)部分和配電系統(tǒng)部分。

1.1 體積和重量的差異

高壓發(fā)電機(jī)組使用高壓發(fā)電機(jī)，電壓等級(jí)的提高使得其絕緣要求更高，相應(yīng)地，發(fā)電機(jī)部分的體積和重量比低壓機(jī)組大，故10kV發(fā)電機(jī)組整體機(jī)身的體積和重量比低壓機(jī)組略大。外觀上除發(fā)電機(jī)部分略有差別外，并無較大不同。高低壓發(fā)電機(jī)組體積及重量比對(duì)參見表1。

1.2 接地方式的差異

兩種發(fā)電機(jī)組的中性點(diǎn)接地方式不同。380V機(jī)組繞組為星形接線，一般低壓系統(tǒng)為中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)，故發(fā)電機(jī)的星形接線中性點(diǎn)設(shè)置為可抽出型，在需要使用的時(shí)候可直接接地。10kV系統(tǒng)為小電流接地系統(tǒng)，中性點(diǎn)一般不接地或經(jīng)過接地電阻接地。因此，10kV機(jī)組與低壓機(jī)組相比需增加電阻柜、接觸器柜等中性點(diǎn)配電設(shè)備。

高低壓發(fā)電機(jī)組體積及重量比對(duì) 表1

1.3 保護(hù)方式的差異

高壓發(fā)電機(jī)組一般要求裝設(shè)電流速斷保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、接地保護(hù)等。當(dāng)電流速斷保護(hù)的靈敏性不符合要求時(shí)，可裝設(shè)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)。高壓發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行中發(fā)生接地故障時(shí)，對(duì)人身和設(shè)備產(chǎn)生很大的安全隱患，因此需要設(shè)置接地故障保護(hù)。發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)通過電阻接地，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，可檢測(cè)到流經(jīng)中性點(diǎn)的故障電流，通過繼電保護(hù)實(shí)現(xiàn)跳閘或停機(jī)保護(hù)。與低壓機(jī)組相比，高壓發(fā)電機(jī)組需增加電阻柜、接觸器柜等中性點(diǎn)配電設(shè)備，必要時(shí)還需設(shè)置差動(dòng)保護(hù)。

1.4 機(jī)組控制系統(tǒng)的差異

低壓機(jī)組的機(jī)組控制系統(tǒng)一般都可以整合在機(jī)身上發(fā)電機(jī)部分一側(cè)，而高壓機(jī)組需要考慮信號(hào)干擾問題，一般需要獨(dú)立機(jī)組控制箱，與機(jī)組分開布置。

1.5 維護(hù)要求的差異

高壓發(fā)電機(jī)組在油路系統(tǒng)和進(jìn)排風(fēng)系統(tǒng)等各方面的維護(hù)要求與低壓機(jī)組相當(dāng)，但是機(jī)組配電為高壓系統(tǒng)，需要維護(hù)人員配備高壓上崗證。1 000kW 高低壓發(fā)電機(jī)組技術(shù)對(duì)比參見表2。

1 000kW高低壓發(fā)電機(jī)組技術(shù)對(duì)比 表2

2 案例概況及備用電源方案

案例項(xiàng)目為昆明某大型民用建筑群，占地面積14萬m2，總建筑面積126萬m2，地上建筑面積87.5萬m2，地下建筑面積38.7萬m2。建筑群包含1棟建筑高度330m的超高層辦公+酒店塔樓、1棟250m的超高層辦公塔樓、8棟建筑高度200m的超高層住宅以及地下4層地下室。

該項(xiàng)目估算用電負(fù)荷達(dá)76 200kVA，其中包含較多的一級(jí)消防和非消防負(fù)荷，需要由發(fā)電機(jī)提供備用電源。面對(duì)體量如此龐大且全部由超高層建筑組成的建筑群，備用電源系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性對(duì)電氣設(shè)計(jì)乃至整個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)都至關(guān)重要。

該項(xiàng)目自備備用電源采用柴油發(fā)電機(jī)組，方案一采用低壓發(fā)電機(jī)組分散設(shè)置，方案二采用高壓發(fā)電機(jī)組相對(duì)集中設(shè)置。

(1)方案一：低壓發(fā)電機(jī)組分散設(shè)置方案

本方案共設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)房7座，均裝設(shè)低壓發(fā)電機(jī)組。設(shè)置方案參見表3。

(2)方案二：高壓發(fā)電機(jī)組集中設(shè)置方案

本方案共設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)房3座，除酒店專用發(fā)電機(jī)房因管理公司要求獨(dú)立設(shè)置，且考慮檢修維護(hù)等因素而設(shè)置低壓發(fā)電機(jī)組外，其余2座均裝設(shè)高壓發(fā)電機(jī)組。設(shè)置方案參見表4。

3 兩種方案的對(duì)比

3.1 配電系統(tǒng)的對(duì)比

3.1.1 供電距離

低壓發(fā)電機(jī)組輸出電壓為0.4kV，供電距離≤200m，在本項(xiàng)目中，各棟建筑的高度均 >200m， 低壓供電距離已在垂直方向上被全部占用，留給水平方向的供電距離幾乎沒有，因此，若采用方案一，住宅每兩棟之間就必須設(shè)置一座發(fā)電機(jī)房，否則就不能保證低壓供電距離滿足要求，導(dǎo)致機(jī)房和機(jī)組數(shù)量較多。

低壓發(fā)電機(jī)組分散設(shè)置方案 表3

高壓發(fā)電機(jī)組集中設(shè)置方案 表4

高壓發(fā)電機(jī)組輸出電壓為10kV，供電距離可達(dá)十幾公里，一座發(fā)電機(jī)房完全可以覆蓋建筑群內(nèi)所有建筑。在本項(xiàng)目中，對(duì)于8棟住宅而言，由于不考慮同時(shí)有多棟建筑發(fā)生火災(zāi)且又遇到多回10kV市政電源同時(shí)故障的情況，在滿足供電距離時(shí)，只設(shè)置一座高壓發(fā)電機(jī)房；1#及2#辦公樓由于在用電性質(zhì)和管理方式上與住宅有較大差別，故單獨(dú)設(shè)置一座高壓發(fā)電機(jī)房；酒店專用發(fā)電機(jī)房因管理公司要求獨(dú)立設(shè)置，另外考慮檢修維護(hù)等因素而設(shè)置低壓發(fā)電機(jī)組。

3.1.2 供電電流

輸送相同的電能，電流與電壓成反比。相同容量的機(jī)組，10kV輸出電流僅約為0.4kV輸出電流的 1/26。對(duì)于供配電系統(tǒng)來說，電流減小，電纜截面顯著減小，可節(jié)約有色金屬、節(jié)約投資；可延緩老化，大幅度降低熱負(fù)荷損耗，使設(shè)備不易損壞；電流較小，斷路器滅弧能力較強(qiáng)，不易出現(xiàn)拉弧損壞；可減少電纜占用橋架及通道占用面積。

3.1.3 抗諧波能力

由于發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)工藝等方面原因，低壓發(fā)電機(jī)組抗諧波能力比高壓發(fā)電機(jī)要低。高壓發(fā)電機(jī)由于需要通過變壓器降壓供電，變壓器對(duì)諧波有部分消除作用，高壓發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)接地對(duì)系統(tǒng)諧波也有部分消除作用。總體來說，高壓發(fā)電機(jī)帶非線性負(fù)載的能力比低壓發(fā)電機(jī)強(qiáng)。

3.2 設(shè)備投資的對(duì)比

3.2.1 機(jī)組設(shè)備投資

相同容量的高壓發(fā)電機(jī)組的價(jià)格比低壓發(fā)電機(jī)組的價(jià)格約高10%。但由于機(jī)組數(shù)量較少，高壓機(jī)組的總價(jià)要比低壓機(jī)組節(jié)省不少。以某品牌進(jìn)口發(fā)電機(jī)價(jià)格為參考進(jìn)行比較，參見表5～6。

低壓發(fā)電機(jī)組分散設(shè)置方案設(shè)備投資 表5

高壓發(fā)電機(jī)組集中設(shè)置方案設(shè)備投資 表6

經(jīng)過比選，高壓發(fā)電機(jī)組集中設(shè)置方案比低壓發(fā)電機(jī)組分散設(shè)置方案節(jié)省約177萬元。

3.2.2 配電設(shè)備投資

高壓機(jī)組配電設(shè)備相比低壓機(jī)組配電設(shè)備而言，由于保護(hù)設(shè)備較多，還需要增加電阻柜、接觸器柜等中性點(diǎn)配電設(shè)備，同時(shí)由于電壓等級(jí)提高，設(shè)備的絕緣和耐壓水平也需要隨之提高，因此高壓機(jī)組配電設(shè)備的投資要比低壓機(jī)組略高。

是否需要為高壓發(fā)電機(jī)組設(shè)置單獨(dú)的變壓器，從而導(dǎo)致設(shè)備投資增加呢？在此，筆者將簡單介紹兩種高壓柴油發(fā)電機(jī)組的供配電系統(tǒng)。

如圖1所示，為高壓柴油發(fā)電機(jī)組的一種供配電系統(tǒng)方案，高壓柴油發(fā)電機(jī)組G采用專用的變壓器，與市電系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立、分開，滿足GB 50052-2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.0.9條的規(guī)定，系統(tǒng)較為簡單。但是如果柴油發(fā)電機(jī)組所帶的負(fù)荷平時(shí)不用，則該系統(tǒng)將可能由于長時(shí)間不通電造成受潮，影響到系統(tǒng)的可靠性。

圖1 高壓柴油發(fā)電機(jī)組供配電系統(tǒng)方案一示意圖

如圖2所示，為高壓柴油發(fā)電機(jī)組另一種供配電系統(tǒng)方案，該方案沒有采用專用的變壓器，高壓柴油發(fā)電機(jī)組與市電1共同應(yīng)急變壓器，保證系統(tǒng)平時(shí)通電，防止電氣期間、線纜受潮。但系統(tǒng)較為復(fù)雜，對(duì)電工要求較高。正常時(shí)，兩個(gè)市電同時(shí)工作，Q3斷開，Q5閉合，由市電1帶應(yīng)急變壓器；應(yīng)急情況下，市電1和2均斷電，柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)并投入運(yùn)行，Q4閉合，Q5斷開與市電脫離，由發(fā)電機(jī)組向應(yīng)急變壓器供電。

圖2 高壓柴油發(fā)電機(jī)組供配電系統(tǒng)方案二示意圖

兩個(gè)方案各有特點(diǎn)，方案一適合干燥地區(qū)，但應(yīng)加強(qiáng)平時(shí)維護(hù)；方案二雖然比較理想，但系統(tǒng)復(fù)雜，對(duì)繼電保護(hù)、控制要求較高。如果采用方案二，那么就不需要為高壓發(fā)電機(jī)設(shè)置專用變壓器，減少了投資成本。

3.2.3 電纜的投資

結(jié)合前文可知，若輸送相同的電能，0.4kV電流約是26倍的10kV電流，其電纜截面相應(yīng)也會(huì)增大許多倍，價(jià)格也會(huì)隨之驟增。如果電流大到需要使用母線的話，那投資就更高了。即便考慮10kV電纜價(jià)格比0.4kV電纜價(jià)格高和由于機(jī)組相對(duì)集中而導(dǎo)致的10kV電纜較長的因素，總體上來說，在電纜投資方面，高壓機(jī)組比低壓機(jī)組節(jié)省50%以上是可以實(shí)現(xiàn)的。

3.2.4 土建的投資

考慮到土建及機(jī)房排煙、進(jìn)風(fēng)、消防等方面的投資基本和機(jī)房數(shù)量成正比，高壓機(jī)組具有明顯優(yōu)勢(shì)。

3.3 綜合效益的對(duì)比

3.3.1 從建筑專業(yè)角度考慮

(1)設(shè)備房與車位面積的沖突：往往車位都比較緊張，但還要被設(shè)備房占去不少。以本項(xiàng)目為例，低壓發(fā)電機(jī)方案共設(shè)置7座，占用面積約930m2；高壓發(fā)電機(jī)方案共設(shè)置3座，占用面積約510m2，可節(jié)約420m2，按每個(gè)車位占用20m2預(yù)估，可增加車位約20個(gè)。

(2)發(fā)電機(jī)房的位置確定：由于發(fā)電機(jī)房既不能設(shè)置在用水房間和人員密集場所的下方，又需要出地面的風(fēng)井和排煙井，往往需要建筑、電氣、暖通三個(gè)專業(yè)協(xié)調(diào)。若發(fā)電機(jī)房的數(shù)量大幅減少，將便于三個(gè)專業(yè)間的協(xié)調(diào)。

(3)從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)：以昆明為例，其車位的售價(jià)在15萬元均價(jià)左右，增加20個(gè)車位也就是可以增加300萬銷售額。

3.3.2 從暖通專業(yè)角度考慮

同建筑專業(yè)一樣，發(fā)電機(jī)房的排風(fēng)、送風(fēng)、高溫?zé)煔饩廊绾纬龅降孛嬉彩桥▽I(yè)需要面對(duì)的問題，機(jī)房數(shù)量越少，這類問題越容易解決。另外，基于每個(gè)發(fā)電機(jī)房都需要設(shè)置機(jī)房送排風(fēng)系統(tǒng)、儲(chǔ)油間通風(fēng)系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)房數(shù)量的減少，無論從設(shè)備數(shù)量還是設(shè)計(jì)工作量來說都是利大于弊。

3.3.3 從結(jié)構(gòu)專業(yè)角度考慮

發(fā)電機(jī)房不能設(shè)置在地下室最底層，加之設(shè)備重量大，因此發(fā)電機(jī)房的樓板荷載比普通地下室要大得多，需要單獨(dú)計(jì)算配筋，如果遇到需要降板之類的情況問題將更加復(fù)雜，發(fā)電機(jī)房數(shù)量減少，可以在一定程度上為結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計(jì)人員減少工作量。

3.3.4 從建設(shè)單位角度考慮

在滿足使用功能和規(guī)范要求的前提下，建設(shè)單位希望得到的一定是各個(gè)專業(yè)綜合權(quán)衡比較后的最優(yōu)方案，并且希望最好付出最小的成本代價(jià)就可實(shí)現(xiàn)同樣的功能。綜合考慮幾個(gè)專業(yè)的情況，高壓發(fā)電機(jī)的方案應(yīng)該是建設(shè)單位最樂見的方案。

4 結(jié)束語