關于民用建筑中供配電系統若干問題的思考

北京市建筑設計研究院有限公司 解 帥

1 供電電壓等級與容量

在進行供配電系統設計時，用戶單位的供電電壓應根據用電負荷計算容量、設備特征、供電距離、當地公共電網及其發展規劃等因素綜合考慮供配電系統。高壓配電電壓有35kV、20kV、10kV、6kV 這四種選擇。如果變壓器容量在6000kVA 或8000kVA 及以上時，可選擇使用30kV 供電;用電設備總容量在300kW 及以上或變壓器容量在250kVA 及以上時，宜采用20（10、6）kV 供電。

以上幾種供電電壓均擁有較為豐富的配套產品，無論是設計規范還是應用方案都已成熟，所以是目前民用建筑中常用的供電電壓等級。在具體民用建筑項目設計中，供電局提供以及批復的供電方案多以10kV 電源為主。實際應用時可參考表1的供電電壓等級使用標準，根據當地實際用電需求進行調整即可。

表1 供電電壓等級使用標準

以《民用建筑電氣設計標準》GB51348-2019（下稱標準）規定，在民用建筑應用中，如變壓器的低壓側電壓為0.4kV，需要保證單臺變壓器容量控制在1250kVA 以內[1]。我國城市發展迅速，為容納更多城市居民生活、工作，民用建筑規模也在不斷提升，實際用電量也有逐漸上升的趨勢。以北京為例，近些年建設的民用建筑絕大多數的變壓器，單臺容量已經超過1250kVA，其他省份也有這種單臺電壓器容量提升的趨勢。結合實際工程需求，在考慮變壓器供電范圍和供電半徑情況下，結合繼電保護、低壓斷路器等內容，可將單臺變壓器的使用最大容量調整到2000kVA。

《全國民用建筑工程設計技術措施電氣（2009）》中規定，超高層建筑除必須在地下層或建筑的首層設置主變配電室，建議以建筑物中負荷分布情況，在建筑的頂層或中間層設置分變配電室，保證建筑物的電力正常供應[2]。同時，分變配電室使用的單臺變壓器，建議選擇小于等于500kVA 的容量，方便運輸到頂層或者中間層，提高安裝便利性。而在實際民用超高層建筑建設中，在其避難層、設備層等擁有許多維持建筑物正常運行的電氣設備，還有如空調、電梯等重要電氣設備，整個建筑物對于電力需求較大，所以常規的500kVA 容量變壓器會出現無法滿足實際用電需求。

在充分考慮到變壓器運輸問題后，建議如果安裝在超高層建筑的避難層或頂層位置的變壓器，可選擇單臺容量上限為1000kVA 的變壓器，維持建筑物正常電力供應。比如常見的SCB10-1000kVA、10kV 變壓器，實際重量低于3t、寬度不足1.4m，可選擇承重為3t 的貨梯就可實現將變壓器運輸到避難層或頂層，進行后續的安裝作業。

2 備用電源與應急電源

對于備用電源與應急電源，常見的設備有獨立于正常電源的專用饋電線路、柴油發電機組、蓄電池組。雖然兩者都是作為民用建筑一般電源的輔助電源，但存在一定的差異，使用不當極易造成嚴重影響。根據《電工術語電氣裝置》（GB/T2900.71-2008）對于備用電源定義，在一般電源發生斷電情況時，用于維持建筑物電氣裝置正常運行，或一些必要設施運行使用的電源，就是備用電源。可理解備用電源是預防一般電源在斷電等突發狀況時，保證建筑物內重要設備正常運轉而提供的電源。比如2008年北京奧運會，所有奧運場館都將柴油發電機組作為備用電源使用，保障媒體轉播、比賽場地等設備的正常運行。

備用電源在數據中心也有較高的應用頻率。因為數據中心擁有許多重要數據，一旦出現一般電源斷電，將會導致數據丟失，會造成巨大影響。數據中心一般采用UPS 不間斷電源作為備用電源，可保證中斷電源的時間控制在毫秒級，保證數據的安全存儲，降低數據丟失概率。應急電源的應用目的則是保證建筑物中所有人員的安全，實現人員的疏散逃生。例如在一般電源發生斷電后，確保消防類設備正常運行的電源就是應急電源。消防水泵、防排煙風機、消防卷簾等動力類設備一般采用柴油發電機組作為應急電源，應急照明和疏散指示則是采用EPS 蓄電池的形式。

正因為備用電源和應急電源存在應用方面的區別，且根據相關規范要求，備用電源的負荷嚴禁接入應急電源供電系統，所以在民用建筑的供配電系統設計中應特別注意，避免將兩者混用、誤用。如按備用電源和應急電源分別獨立設置柴油發電機組，則易造成設備投資過大及供配電系統的復雜化。在實際工程應用中，可采用設置一套柴油發電機組，通過設置備用母線段與應急母線段，將備用負荷與應急負荷完全分開的形式，滿足不同工況下的供電需求。且兩種負荷不會同時運行，根據負荷較大者確定柴油發電機組的額定容量，避免柴油發電機組的規格選擇過大。

3 自啟動柴油發電機組

相較于遇到緊急情況，需要用到應急電源，備用電源是在一般電源斷電時，維持民用建筑各類設備正常運行，所以使用頻率較高，柴油發電機組研究更具有參考價值。現對最常用的自啟動柴油發電機組做詳細分析，方便供配電系統的安全使用。一般電源是與市電連接，由市電供給民用建筑的正常運行。此時柴油發電機組是保持待機狀態，不參與到一般電源的電力供應中。一般發生市電斷電的情況下，處于自啟動狀態的柴油發電機應在30s 內進入供電狀態，代替一般電源，保證電力的正常供應民用建筑各類設備運行。啟動柴油發電機組信號擁有多種選擇（圖1）。

圖1 柴油發電機組啟動信號選擇

比如選擇低壓進線斷路器輔助觸點，其是反映低壓進線斷路器此刻狀態，受到失壓、維護等因素影響，反映在圖1中就是1QA、2QA 的運行狀態檢測；或是選擇市電/發電機轉換用ATSE 的市電側，其在圖1位于4QA 的下方位置，反映ATSE 市電側當前運行狀態。即便是受到任何因素影響，導致ASTE 市電側無法向民用建筑提供電力資源，柴油發電機組都可擁有立即啟動的運行條件。雖然在實際運行中擁有多種方式可選擇，但在實際應用中更傾向于失壓信號[3]。

這種方法是自市電/發電機轉換用ATSE 的市電側為準，亦即通過判斷Ш 段母線，即應急母線段中是否存在電力，選擇啟動柴油發電機組。因為應急母線段和民用建筑的重要負荷相連接，如果應急母線段無電力供應，重要負荷會同時停止運行，這個時候的柴油發電機可實現自啟動，并在較短時間內恢復重要負荷的電力供應。如果實際供應電壓小于50%，就可認為當前供配電系統處于失壓狀態。而柴油發電機組啟動也需要預留一定的延時（通常為0～10s），目的讓多路市電獲得足夠時間進行轉換。

例如圖1，如果一路電源進入失電狀態，母聯3QA 會自行閉合，此時可通過另一路的電源維持民用建筑運行。如果第二路電源也發生斷電，這時才可啟動柴油發電機，從而規避柴油發電機組出現頻繁的誤啟動，影響其使用壽命。如果供配電系統出現故障時，導致1QA、2QA 產生動作，拾取點4QA的下方電壓則會檢測為零。這時應通過預先設置故障閉鎖功能，避免出現柴油發動機組自行啟動[4]。

4 低壓斷路器與母聯斷路器的聯鎖控制

如果民用建筑的低壓配電系統性質為兩路電源，并通過單母線進行分段，在中間區域設置母聯斷路器時，會讓兩個進線斷路器和母聯斷路器在實際應用中最多僅有兩個斷路器進行閉合，所以進行自投控制的進線斷路器建議選擇失壓脫扣模式。如果當失壓脫扣模式無法滿足建筑物的電力供應需求，也可應用分勵脫扣模式[5]。

如圖1所示，對于進線斷路器1QA、2QA，是與母聯斷路器3QA 存在如表2所示的邏輯關系，由進線斷路器運行狀態，對于母聯斷路器的運行狀態產生直接影響。母聯斷路器3QA 應具備“自投自復”、“自投手復”、“自投停用”等功能，且發生自投時應有一定的延時，當主電源斷路器1QA、2QA因手動、過載、短路故障，導致出現分閘故障時，母聯斷路器3QA 不得自動合閘。其中，1代表斷路器處于閉合狀態，0代表斷路器處于斷開狀態。

表2 進線斷路器與母聯斷路器的運行邏輯

例如2022年北京冬季奧運會，在各個奧運場館應用的低壓配電系統中，對于進線斷路器與母聯斷路器進行聯鎖就是利用分勵脫扣模式。通過動作的延時效果，保證動作運行可靠性。可是分勵脫扣設置需要多個環節相互影響，會對整個系統運行可靠性造成影響。也可考慮應用失壓脫扣的直接收集電壓信號模式，保證系統運行可靠性。

5 突然斷電會造成比過負荷更大損失的線路過負荷保護

在《標準》中明確規定，對于突然斷電比過負荷造成損失更大的線路，不應設置過負荷保護。這種規定是在民用建筑供配電系統建設中強制落實的內容，必須做到嚴格執行。同時《標準》也作出相應的補充說明，對于民用建筑，主要針對消防動力設備如消防水泵、防排煙風機等消防設備配電線路，此類設備平時不運行，如發生電動機軸封銹蝕造成啟動時間過長、啟動電流過大，斷路器的過負荷保護可能跳閘，火災時不能正常啟動，對民用建筑造成更大的損失。

對于消防電機類負荷不建議安裝過負荷保護。如果已安裝了過負荷保護，可將過負荷保護應用在報警信號上，則不會影響設備的正常啟動，也可對值班人員產生醒目警示，提醒其對疑似故障位置進行檢查，對于安全故障及時排除。

對于實現《標準》中規定可選擇以下方式落實：應用單磁斷路器和熱繼電器的組合模式。斷路器應用在短路保護上，而過負荷報警則由熱繼電器負責管控。在供配電系統發生過負荷時，首先熱繼電器產生影響動作，而中間繼電器的線圈也會帶電，繼電器在閉合觸點后，會接通聲光報警信號，通知值班人員處理問題；應用單磁斷路器和智能儀表的組合模式。對于智能儀表干接點，其負責向供配電系統輸出信號，負責報警提示。比如PD194Z系列的電力儀表，就擁有開關量輸出，儀表容量為AC 5A/250V、DC 5A/30V。通過智能儀表聚寶源的干接點，取代動合觸點，讓供配電系統具有過負荷報警能力。所以要求設計人員在設計期間就在設計圖紙上進行標明，寫清楚干接點輸出應具備哪些條件，采集人員也需以設計標準進行配件采購。配電線路使用的保護電器如果存在差異，智能儀表干接點的輸出條件同樣會受到影響。建議若輸出條件為超過保護電器的預設值、但卻低于與E 保護電器的約定脫扣電流時，只要供配電系統中的負荷電流超過脫扣電流保護電器就應開始動作，對存在問題的故障回路及時切斷，避免影響其他區域。