超高層建筑應(yīng)急電源系統(tǒng)主接線型式相關(guān)問題探討

曹 磊

(中國建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100044)

0 引言

近年來，全國各地超高層建筑、超大規(guī)模的綜合體建筑層出不窮，此類建筑對(duì)供電系統(tǒng)的安全性、可靠性提出了更高的要求。為確保其中重要負(fù)荷供電的可靠性，通常會(huì)設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組作為后備電源。

民用建筑中，常用的有10kV中壓柴油發(fā)電機(jī)組和0.4kV低壓柴油發(fā)電機(jī)組。10kV機(jī)組系統(tǒng)特點(diǎn)是傳輸距離長，節(jié)能、節(jié)省空間，可解決因容量大需多臺(tái)發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的問題，但是輔助設(shè)備多、系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜、運(yùn)行成本高，運(yùn)行人員需持高壓操作證；0.4kV機(jī)組系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單、運(yùn)行成本低，低壓側(cè)切換電源，可靠性高，機(jī)組發(fā)生故障時(shí)，可通過臨時(shí)發(fā)電車解決供電問題，但是傳輸距離受限，低壓出線配出回路多、截面大、管井空間大。

柴油發(fā)電機(jī)房選址問題、主干傳輸距離問題和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性問題對(duì)應(yīng)急電源系統(tǒng)具有重要的影響。本文針對(duì)上述問題進(jìn)行分析，所得結(jié)論僅為本文觀點(diǎn)，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)，還需結(jié)合實(shí)際情況具體分析。

1 機(jī)房選址問題

在確定柴油發(fā)電機(jī)房位置時(shí)，需在滿足相關(guān)規(guī)范要求的前提下，兼顧建筑布局及業(yè)主需求。GB 50016-2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》第5.4.13條及 JGJ 16-2008《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.1.1條第2款規(guī)定了柴油發(fā)電機(jī)房選址的基本原則。

對(duì)于大面積超高層綜合體建筑，在機(jī)房選址時(shí)需考慮建筑形式布局及商業(yè)價(jià)值影響，故常采用地下室集中設(shè)置的方式。其優(yōu)點(diǎn)是避免占用商業(yè)價(jià)值較高的區(qū)域，便于消防運(yùn)營管理，形成相對(duì)獨(dú)立的“污染區(qū)域”，利于通風(fēng)、排煙、減震、降噪、供油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

對(duì)于將柴油機(jī)房置于屋頂或塔樓設(shè)備層的方案，筆者認(rèn)為，在實(shí)施前未得到相關(guān)消防部門認(rèn)可的情況下，應(yīng)避免采用此方案，因?yàn)槠涫菄曳阑鹨?guī)范的空白點(diǎn)，沒有明確的規(guī)定，各地消防建審部門掌握的尺度也不同。如果此方案得到相關(guān)部門認(rèn)可，在實(shí)施時(shí)還需注意油路問題，建筑、結(jié)構(gòu)方面的防火設(shè)計(jì)問題以及機(jī)組運(yùn)輸、降噪、減震問題。

2 傳輸距離問題

當(dāng)前低壓系統(tǒng)技術(shù)相對(duì)成熟，供電可靠性較高、運(yùn)營成本低，因此在確定應(yīng)急電源系統(tǒng)時(shí)，優(yōu)先考慮低壓系統(tǒng)。但是受電壓降的影響，低壓系統(tǒng)主干傳輸距離有一定的局限性，本文通過電壓降計(jì)算，對(duì)主干傳輸距離進(jìn)行分析。

圖1所示為應(yīng)急電源系統(tǒng)示意圖，《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》(第四版)第6.2.4條規(guī)定：當(dāng)缺乏地區(qū)電網(wǎng)電壓偏差詳細(xì)資料時(shí)，從配電變壓器二次側(cè)母線算起的低壓線路允許電壓降為5%，電壓降計(jì)算公式如式1所示。

(1)

式中，Δu為電壓降百分?jǐn)?shù)，%；p為負(fù)荷有功功率，kW；l為線路長度，km；R,X為三相線路單位長度的電阻和電抗，Ω/km；Un為系統(tǒng)標(biāo)稱電壓，kV。

圖1 供電系統(tǒng)示意圖

三種典型方案優(yōu)缺點(diǎn)比較 表1

(1)支線電壓降計(jì)算

設(shè)電纜截面35mm2，Pe=30kW，l1=15m，則可計(jì)算電壓降Δu1=0.2%。

(2)支干線電壓降計(jì)算

設(shè)支干線長度為l2，支干線電壓偏差為Δu2。

通常，配電總箱容量控制在150kW以內(nèi)，配電箱容量通常為50kW以內(nèi)，則計(jì)算時(shí)以150kW、50kW為例。電纜截面70mm2，l2=50m，則可計(jì)算電壓降Δu2=0.65%。

(3)二次配電干線電壓降計(jì)算

二次配電干線計(jì)算：設(shè)二次配電干線長度為l3，電壓偏差為Δu3。

二次配電進(jìn)線電纜規(guī)格控制在240mm2，容量約為150kW，l3=50m，則可計(jì)算電壓降Δu3=0.54%。

綜合以上計(jì)算得，Δu1+Δu2+Δu3<2%，即主干線電壓偏差應(yīng)不超過3%。

(4)主干線電壓降計(jì)算

設(shè)主干線長度為l4，主干線電壓偏差為Δu4。

擬高區(qū)應(yīng)急母線負(fù)荷為500kW，擬采用1 250A封閉母線，且Δu4<3%， 則可計(jì)算主干線長度l4≤130m，l1+l2+l3+l4≤245m；如加大一級(jí)母線，可得l4≤160m，l1+l2+l3+l4≤275m；如采用載流量為1 250A的電纜，可得l4≤270m，l1+l2+l3+l4≤385m；如加大一級(jí)電纜，可得l4≤290m，l1+l2+l3+l4≤400m；實(shí)際設(shè)計(jì)中，需考慮外界因素帶來的電阻變化，故需預(yù)留15%的裕量。

因此，通過電壓降計(jì)算可知，主干線采用封閉母線時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)供電半徑 <250m，主干線采用多拼電纜時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)供電半徑<350m。

3 系統(tǒng)方案及經(jīng)濟(jì)性問題

根據(jù)電壓降計(jì)算結(jié)果，供電半徑在300～400m之間時(shí)，高區(qū)即可采用0.4kV主干傳輸系統(tǒng)，也可采用10kV主干傳輸系統(tǒng)，需進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，確定系統(tǒng)方案。下面以350m高建筑為模型，對(duì)幾種典型方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。

擬設(shè)主配電室設(shè)置在B1層，柴油發(fā)電機(jī)房位于B1層塔樓下方，可忽略平層主干傳輸距離，分別在150m、250m、300m處設(shè)置分變配電室，每段應(yīng)急母線負(fù)荷為500kW。如圖2～4所示，為幾種典型供電方案示意圖。

圖2 方案一供電方案示意圖

除上述三種方案，還有設(shè)置專用升/降壓變壓器的方案，此方案需增加專用變壓器，維護(hù)要求高，增加機(jī)房面積，故本文不做贅述。

上述三種典型方案優(yōu)缺點(diǎn)比較參見表1。

當(dāng)供電半徑為350m時(shí)，三種典型方案經(jīng)濟(jì)性對(duì)比如圖5所示。

圖3 方案二供電方案示意圖

圖4 方案三供電方案示意圖

圖5 典型方案經(jīng)濟(jì)性對(duì)比圖

通過圖5可知，供電半徑為350m時(shí)，方案三(低區(qū)與高區(qū)均采用10kV機(jī)組)利用市電10kV配電網(wǎng)絡(luò)配出電源，具有最好的經(jīng)濟(jì)性。但其缺點(diǎn)是供電可靠性低，系統(tǒng)維護(hù)要求高。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮。

當(dāng)供電半徑在300m以下時(shí)，其經(jīng)濟(jì)性對(duì)比仍為方案三>方案二>方案一，但其間的差距會(huì)明顯縮小。綜合考慮電壓降計(jì)算結(jié)果和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，得出如下結(jié)論。

(1)供電半徑≤300m時(shí)，各方案初期投資差別不大。但0.4kV系統(tǒng)技術(shù)相對(duì)成熟，供電可靠性高，運(yùn)營維護(hù)要求低，宜選擇“低區(qū)0.4kV系統(tǒng)+高區(qū)0.4kV系統(tǒng)”的方案。

(2)供電半徑在300～400m時(shí)，各方案初期投資有一定差別，且不同項(xiàng)目業(yè)主考慮問題角度不同。但綜合考慮供電可靠性、維護(hù)成本等因素，建議選擇“低區(qū)0.4kV系統(tǒng)+高區(qū)0.4kV系統(tǒng)”的方案。

(3)供電半徑≥400m時(shí)，受線路電壓降影響，高區(qū)應(yīng)選擇10kV系統(tǒng)。“低區(qū)0.4kV+高區(qū)10kV系統(tǒng)”和“低區(qū)10kV+高區(qū)10kV系統(tǒng)”均可行，需根據(jù)實(shí)際情況，綜合各方面因素考慮。

通過以上分析，超高層建筑應(yīng)急電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則可歸納為：低壓系統(tǒng)優(yōu)先，不能滿足要求時(shí)，宜分區(qū)分段考慮，低區(qū)低壓，高區(qū)高壓。

4 機(jī)組運(yùn)行方式問題

柴油發(fā)電機(jī)有并機(jī)運(yùn)行和不并機(jī)運(yùn)行兩種運(yùn)行方式。對(duì)于10kV機(jī)組，并機(jī)運(yùn)行具有資源共享、調(diào)配靈活、冗余配置的優(yōu)點(diǎn)，不受容量和短路電流限制，可解決多臺(tái)機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的問題；但是會(huì)增加相應(yīng)設(shè)備，系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，運(yùn)行成本高。但是考慮到10kV機(jī)組常用于容量較大的大型建筑中，筆者建議10kV機(jī)組采用并機(jī)運(yùn)行的方式。

對(duì)于0.4kV機(jī)組，確定其運(yùn)行方式時(shí)需考慮容量和短路電流的影響。由于目前國內(nèi)的0.4kV低壓配電柜沒有6 300A以上的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并聯(lián)運(yùn)行的多臺(tái)發(fā)電機(jī)的總?cè)萘坎灰^3 200kW(0.4kV)。表2為常用機(jī)組短路電流。

常用機(jī)組短路電流 表2

因此，筆者建議0.4kV 機(jī)組不采用并機(jī)運(yùn)行的方式。可設(shè)置聯(lián)絡(luò)開關(guān)(QF)，如圖6所示，QF開關(guān)僅用于單臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)檢修時(shí)手動(dòng)操作，提高故障情況下的供電可靠性。

圖6 0.4kV柴油機(jī)組運(yùn)行方式示意圖

5 結(jié)束語

本文對(duì)超高層建筑應(yīng)急電源系統(tǒng)相關(guān)問題進(jìn)行探討，從機(jī)房選址、傳輸距離、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性及機(jī)組運(yùn)行方式等方面進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

(1)在機(jī)房選址時(shí)宜采用地下室集中設(shè)置的方式。

(2)主干線采用封閉母線時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)供電半徑小于250m，主干線采用多拼電纜時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)供電半徑小于350m。

(3)確定技術(shù)方案時(shí)：低壓系統(tǒng)優(yōu)先，不能滿足要求時(shí)，宜分區(qū)分段考慮，低區(qū)低壓系統(tǒng)，高區(qū)高壓系統(tǒng)。