高端酒店柴發(fā)電壓偏差的合理控制措施

陳棟

（上海一建安裝工程有限公司，上海200437）

現(xiàn)在國家加快城市化建設，城市規(guī)模發(fā)展迅速。特大城市和大城市的建成，對城市設施的配備提出更高的要求，眾多開發(fā)商根據(jù)市場需求加大投資建設高端星級酒店。

然而高端酒店相比常規(guī)民用項目的用電設備對供電要求更高，所以將更多的用電負荷設為一級或者特別重要負荷，配備應急電源增加供電的持續(xù)穩(wěn)定性，同時也要保障電能質量符合規(guī)范要求。提高電能質量必然需要增加工程造價，如何在滿足機電規(guī)范要求的情況下節(jié)省成本，這成為了項目建設者最為關心的課題，也就是我們機電工程師需要解決的問題。

恰當?shù)脑O備選型以及配備合適規(guī)格的供電導體將對供配電系統(tǒng)的電能質量起到?jīng)Q定性的因素。然而電能質量主要是指電壓質量，其中電壓偏差是尤其重要的一項。現(xiàn)行高端酒店應用獨立于正常電源的柴油發(fā)電機組是解決自備應急電源最常用的方案，柴油發(fā)電機組的參數(shù)設置以及電線電纜的選擇對末端用電設備的電壓偏差影響明顯，本文以此為案例作為主要探討的內容。

1 設計規(guī)范中電壓偏差的允許值

參照 JGJ16-2008 《民用建筑電氣設計規(guī)范》 、GB50052-2009《供配電系統(tǒng)設計規(guī)范》以及《全國民用建筑工程設計技術措施》等標準中都規(guī)定，在正常運行情況下，各類用電設備端子處的電壓偏差允許值（以標稱系統(tǒng)電壓的百分數(shù)表示），宜符合下列限值要求：

1.1 一般用途電動機為±5%；

1.2 照明在室內場所為±5%；對于遠離變電所的小面積一般工作場所，難以滿足上述要求時，可為+5%、-10 %；應急照明、景觀照明、道路照明和警衛(wèi)照明為+5%、-10 %；

1.3 電梯電動機為±7%；

1.4 其它用電設備，當無特殊規(guī)定時為±5%。

電壓偏差的基本概念是供配電系統(tǒng)在正常運行方式下（即系統(tǒng)中所有元件都按預定工況運行）系統(tǒng)各點的運行電壓對系統(tǒng)標稱電壓的偏差相對值。末端設備組成復雜多樣，按規(guī)范中最小電壓偏差允許值±5%為限值，電壓損失以此為標準來復核末端設備運行電壓是否滿足要求。

2 項目概況

上海佘山世茂深坑酒店是一家五星級酒店，總建筑面積6萬平方米，有300 多間客房；由于深坑酒店的主體部分是建在廢棄采石坑的巖壁上，所以建筑結構特殊，地坑上基巖建筑僅有2層，而坑內地下部分共16 層；坑底做景觀水池灌水，其中水下部分建筑2 層，水上建筑14 層。在坑外地下一層設置10kV/0.4kV用戶變電所，配備2 臺1600kVA 和2 臺2000kVA 的變壓器，另在變電所旁設置柴發(fā)機房，配備2 臺1250kVA 柴油發(fā)電機組。酒店用電設備供電距離最遠且設備功率最大的末端設備位于坑內地下16 層的消防排水泵，遠距離的輸電線路有顯著電壓損失，考慮到負荷功率較大采用多拼單芯電纜，計算電纜電壓降，分析數(shù)據(jù)進行比較，選擇恰當?shù)牟癜l(fā)電機出口電壓以及適合的電纜規(guī)格，提出最優(yōu)設計方案。

3 配電系統(tǒng)方案分析

目前大部分廠商提供400V 柴油發(fā)電機標準配置出口電壓均可手動調整，調整范圍一般為360～440V，且柴油機與發(fā)電機的功率系數(shù)一般為cosφ=0.8。坑外地下一層柴油發(fā)電機房至坑外地下一層變電所的供電距離為30 米，坑外地下一層變電所至坑內地下16 層消防排水泵的控制箱供電距離為195 米，供電系統(tǒng)的標稱電壓為380V，地下16 層消防排水泵功率為343kW，根據(jù)這些技術參數(shù)來計算電壓降，復核是否滿足規(guī)范要求電壓偏差允許值±5%。

在工程計算中，電壓偏差公式（1）：

以上公式中Δu——電壓偏差百分數(shù)，%；

U——運行電壓，V；

Un——系統(tǒng)標稱電壓，V；

供配電系統(tǒng)中的電流在不斷地變化，在阻抗元件上的電壓降也在不斷地變化。電壓偏差主要是系統(tǒng)中電流變化導致的。

電壓降通常用系統(tǒng)標稱電壓的百分數(shù)表示。三相系統(tǒng)中以線電壓為基準的電壓降百分數(shù)按計算公式（2）：

以上公式中Δu——電壓降百分數(shù)，%；

Un——系統(tǒng)標稱電壓，kV；

I——負荷電流，A；

cosφ——負荷的功率因素；

l——線路長度，km；

3.1 初始供電方案計算分析：（方案一）

坑外地下一層柴油發(fā)電機房至坑外地下一層變電所的供電線路長度l=30m，應急負荷功率1216kW，柴發(fā)出口電壓380V，故Un系統(tǒng)標稱電壓380V，功率因素cosφ=0.8，需要系數(shù)0.75，計算所得負荷電流I=1732A，所以選用載流量為2000A 的銅母線槽可以滿足正常應急負荷供電的的要求，按照2000A 銅母線槽計算電降壓，查2000A 銅母線槽樣本R'=0.034 (/km)、X' =0.017 (/km)，將所有數(shù)據(jù)代入公式（2），計算Δu1-1。

坑外地下一層變電所至坑內地下16 層消防排水泵的控制箱的供電長度l=195m，地下16 層消防排水泵功率為343kW，消防排水泵控制箱由2 路單芯500mm2礦物絕緣電纜供電，連接末端ATS 雙電源切換開關，Un系統(tǒng)標稱電壓380V，功率因素cosφ=0.8，計算所得負荷電流I=651A，查單芯500 mm2礦物絕緣電纜樣本R'=0.056 (/km)、X' = 0.137 (/km)，將所有數(shù)據(jù)代入公式（2），計算Δu1-2。

將Δu1-1、Δu1-2累加，得出∑Δu

∑Δu= Δu1-1+Δu1-2= 0.89+7.35= 8.24%

從發(fā)電機至消防排水泵控制箱的電壓損失共31.31V，電壓偏差-8.24%，與國家規(guī)范規(guī)定的電壓偏差允許值±5%偏差嚴重，此供電方案不符合國家規(guī)范要求，方案一不可用。

3.2 減小阻抗供電方案計算分析：（方案二）

從供電方案一的計算中可以發(fā)現(xiàn)，柴油發(fā)電機組至變電所的母線槽段電壓降很小，所以變電所至消防排水泵控制箱電纜段是主要產(chǎn)生電壓降的區(qū)域。

合理減小配電系統(tǒng)阻抗是改善電壓偏差的主要措施之一。導體的阻抗與線路長度成正比，與截面積成反比，在線路長度無法改變時，加大電纜截面選用雙拼單芯300 mm2礦物絕緣電纜，減小阻抗，再按照雙拼單芯300 mm2礦物絕緣電纜復核電降壓，查單芯300 mm2礦物絕緣電纜樣本R'=0.08 (/km)、X' =0.138 (/km)，其余參數(shù)與方案一相同，將所有數(shù)據(jù)代入公式（2），計算Δu2-2。

Δu2-1與Δu1-1相同，即Δu2-1=0.89%，將Δu2-1、Δu2-2累加，得出∑Δu

從發(fā)電機至消防排水泵控制箱的電壓損失共19.5V，電壓偏差為-5.14%，超過了規(guī)范規(guī)定的電壓偏差允許值±5%，此供電方案仍然不符合國家規(guī)范要求，方案二不可用。

3.3 提高系統(tǒng)電壓供電方案計算分析：（方案三）

加大礦物絕緣電纜截面后的電壓損失仍不符合國家規(guī)范要求，采用調高柴油發(fā)電機出口電壓為400V，故Un系統(tǒng)標稱電壓為400V，其余參數(shù)不變，將所有數(shù)據(jù)代入公式（2），計算Δu3-1、Δu3-2。

將Δu3-1、Δu3-2累加，得出∑Δu

∑Δu= Δu3-1+Δu3-2= 0.84+4.03= 4.87%

計算所得電壓偏差為-4.87%是在系統(tǒng)標稱電壓為400V 的情況下的數(shù)據(jù)，設計規(guī)范規(guī)定電壓偏差的允許值是以用電設備的額定電壓為基礎的，即為380V，所以轉換Un系統(tǒng)標稱電壓為380V 來和設計規(guī)范進行比較。計算得出電壓偏差值等于Un×∑Δu= 400*0.0487=19.48V，代入公式（1），計算Δu3-3。

單芯500mm2礦物絕緣電纜加大截面至雙拼300 mm2，并且將柴油發(fā)電機的出口電壓設置為400V，應急負荷在高負載的情況下滿足國家規(guī)范要求，電壓偏差小于±5%。

然而在實際運行時，用電負荷是在最大負荷和最小負荷之間變動的，供電系統(tǒng)末端的電壓偏差最大值與最小值會成為電壓偏差范圍，所以還需計算低負載率時的電壓偏差是否滿足設計規(guī)范。在低負載運行時（客梯、廚房等設備停止運行，僅消防等少量設備運行），負載率很低，按高負載的20%來計算，低負載率應急負荷功率為1216*20%=243.2kW，計算負荷電流I=462A，其余參數(shù)按方案三上述數(shù)據(jù)代入公式（2），計算Δu3-4。

將Δu3-2、Δu3-4累加，得出∑Δu

∑Δu= Δu3-2+Δu3-4= 0.22+4.03= 4.25%

同理轉換Un系統(tǒng)標稱電壓為380V，計算得出電壓偏差值等于Un×∑Δu= 400*0.0425= 17V，代入公式（1），計算Δu3-5。

高負載及低負載時電壓偏差允許值均小于±5%。柴油發(fā)電機組400V 出口電壓并使用雙拼單芯300 mm2礦物絕緣電纜供電方案符合國家規(guī)范要求，方案三可行。

3.4 經(jīng)濟優(yōu)化供電方案計算分析：（方案四）

提高柴油發(fā)電機組出口電壓以及加大礦物絕緣電纜截面可以滿足國家規(guī)范要求，但是從降低造價、合理優(yōu)化的角度出發(fā)，僅提高柴油發(fā)電機組出口電壓，變電所至消防排水泵控制箱的電纜保持單芯500mm2礦物絕緣電纜不變，將所有數(shù)據(jù)代入公式（2），計算Δu4-2。

Δu4-1與Δu3-1相同，即Δu4-1=0.84%，將Δu4-1、Δu4-2累加，得出∑Δu

∑Δu= Δu4-1+Δu4-2= 0.84+6.98= 7.82%

同理轉換Un系統(tǒng)標稱電壓為380V，計算得出電壓偏差值等于Un×∑Δu= 400*0.0782= 31.28V，代入公式（1），計算Δu4-3。

低負載率時的電壓偏差計算，Δu4-4與Δu3-4相同，即0.22%，Δu4-2不變，即6.98%，將Δu4-2、Δu4-4累加，得出∑Δu。

∑Δu= Δu4-2+Δu4-4= 0.22+6.98= 7.2%

同理轉換Un系統(tǒng)標稱電壓為380V，計算得出電壓偏差值等于Un×∑Δu= 400*0.072= 28.8V，代入公式（1），計算Δu4-5。

高負載及低負載時電壓偏差允許值均小于±5%。柴油發(fā)電機組400V 出口電壓并使用單芯500mm2礦物絕緣電纜供電方案亦符合國家規(guī)范要求，方案四可行。

4 方案對比分析

四種供電方案比較：

序號 方案一 方案二 方案三 方案四 發(fā)電機出口電壓U V V V V 供電電纜 單芯 礦物絕緣電纜 單芯 礦物絕緣電纜 電壓損失 V V V V 供電電壓偏差 設備末端電壓 V V V V 國家規(guī)范要求 不滿足規(guī)范要求 不滿足規(guī)范要求 滿足規(guī)范要求 滿足規(guī)范要求 雙拼單芯礦物絕緣電纜 雙拼單芯礦物絕緣電纜

根據(jù)以上四個方案的最后計算結果，方案三和方案四均滿足規(guī)范要求，但方案四在滿足規(guī)范的同時更為經(jīng)濟合理。

5 改善電壓偏差的主要措施

在上述方案中主要運用到兩個改善電壓偏差的措施：

5.1 正確選擇變壓器的變比和電壓分接頭，應急電源時則正確選取柴油發(fā)電機組的出口電壓。

民用建筑項目10kV 配電變壓器選用無載調壓型，應急電源常用柴油發(fā)電機組。根據(jù)項目現(xiàn)場實際配備的設備負荷復核計算，合理選擇電壓分接頭，改變變壓器的變比，同時設置好柴油發(fā)電機組的出口電壓，使出現(xiàn)最大負荷時的電壓負偏差與出現(xiàn)最小負荷時的電壓正偏差得到調整，使電壓偏差保持在正常合理的范圍內。

5.2 降低系統(tǒng)阻抗

不僅項目設備負荷時常會有調整，供電導體的敷設線路也常有變化，所以需要根據(jù)實際情況更精準的選用電纜等導體。盡量縮短線路長度，加大電纜等導體的截面，這是常規(guī)項目在施工階段改善電壓偏差可行性最強的措施。

結束語

現(xiàn)在高端酒店的建筑結構復雜，再配合精裝二次機電，綜合管線重新規(guī)劃敷設線路，管線路由需重新測量；同時酒店機電系統(tǒng)多樣、設備繁雜，設備選型參數(shù)調整都會影響設備功率；并且業(yè)主在項目不同階段需求時常發(fā)生變化，猶如泳池熱泵、影音視聽系統(tǒng)、廚房配套設備等都是后期深化的重點區(qū)域；在施工過程中面對各類型的眾多調整，邊設計邊施工是復雜項目常態(tài)。深化設計在施工階段常駐項目，能夠及時掌握現(xiàn)場實際情況，并快速作出相應的解決方案，將各類有調整的用電負荷進行具體、詳盡的統(tǒng)計和計算，復核電壓偏差，考慮多種方案措施進行對比分析，提出滿足規(guī)范、經(jīng)濟可行的方案。