姜青海

(北京市建筑設(shè)計研究院有限公司，北京 100045)

0 引言

近幾年隨著各地區(qū)經(jīng)濟(jì)強(qiáng)勁發(fā)展，越來越多三、四線城市開始興建地標(biāo)商業(yè)綜合體、一類高層建筑、高等級數(shù)據(jù)中心、乙級體育場館、四星級以上酒店、二三級綜合醫(yī)院、市民活動中心及中小型劇場等公共建筑。 以上建筑內(nèi)都會有一定比例的用電負(fù)荷應(yīng)劃分為一級或二級負(fù)荷。

根據(jù)用電負(fù)荷對供電可靠性的不同要求，項目需要采取不同的市政電源接入及自備電源的方案，以便滿足用電負(fù)荷的供電要求，降低中斷供電所造成的損失和影響程度。

通過了解多個三、四線城市現(xiàn)階段市政供電電網(wǎng)實際情況，供電部門無法為重要項目提供雙重電源。 有些地區(qū)甚至無法提供雙回線路電源供電，僅能提供單回路電源供電。

另外，部分地區(qū)供電部門對一級用電用戶提出應(yīng)配置自備電源作為一級用電負(fù)荷的備用電源供電保障的要求，例如福建省、海南省、浙江部分城市。 在承接援外和海外項目過程中發(fā)現(xiàn)，非洲及中亞地區(qū)普遍存在市政電源不可靠的情況，均需自備電源為一、二級用電負(fù)荷供電，有些項目自備電源還需要為三級負(fù)荷供電。

1 建筑物用電負(fù)荷分級

根據(jù)《民用建筑電氣設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB 51348—2019(以下簡稱《民標(biāo)》)中規(guī)定，用電負(fù)荷應(yīng)根據(jù)對供電可靠性的要求及中斷供電所造成的損失或影響程度確定，對于設(shè)計方和審查方來說，建筑物用電負(fù)荷分級劃定是否準(zhǔn)確也會被列入強(qiáng)制條文審查記錄。 在實際設(shè)計過程中，用電負(fù)荷分級是負(fù)荷分類計算、供電電源要求、變壓器設(shè)置方案及是否配置自備電源等重要設(shè)計內(nèi)容的首要基礎(chǔ)依據(jù)。

以一些常見民用建筑為例，結(jié)合《民標(biāo)》附錄A內(nèi)容和其他對應(yīng)專業(yè)建筑及電氣設(shè)計規(guī)范中主要用電負(fù)荷分級要求，整理出一、二級用電負(fù)荷名稱。

(1)會展建筑、博展建筑中二級負(fù)荷:大型及中型會展建筑的展廳照明、主要展覽、 排污泵、 生活水泵、 通風(fēng)機(jī)、 閘口機(jī)用電；中型會展建筑的客梯用電；小型會展建筑的主要展覽、 客梯、 排污泵、生活水泵用電；丙等展廳備用照明及展覽用電。

(2)體育建筑中二級負(fù)荷:乙級及丙級體育建筑(含相同級別的學(xué)校風(fēng)雨操場)的主席臺、貴賓室及其接待室、新聞發(fā)布廳等照明用電(其他詳見標(biāo)準(zhǔn))。

(3)商業(yè)建筑中二級負(fù)荷:大中型百貨商店、商場、超市營業(yè)廳、門廳公共樓梯及主要通道的照明及乘客電梯、 自動扶梯及空調(diào)用電。

(4)旅游飯店

一級負(fù)荷:四星級及以上旅游飯店的宴會廳、餐廳、 廚房、 康樂設(shè)施用房、 門廳及高級客房、 主要通道等場所的照明用電；廚房、 排污泵、 生活水泵、 主要客梯用電；計算機(jī)、 電話、 電聲和錄像設(shè)備、 新聞攝影用電。

二級負(fù)荷:三星級旅游飯店的宴會廳、 餐廳、廚房、 康樂設(shè)施用房、 門廳及高級客房、 主要通道等場所的照明用電；廚房、 排污泵、 生活水泵、 主要客梯用電；計算機(jī)、 電話、 電聲和錄像設(shè)備、 新聞攝影用電。

(5)教育建筑中二級負(fù)荷:學(xué)校教學(xué)樓、 學(xué)生宿舍等主要通道照明用電；學(xué)校食堂冷庫及廚房主要設(shè)備用電以及主要操作間、 備餐間照明用電。

(6)三級、二級醫(yī)院

一級負(fù)荷:急診搶救室、 血液病房的凈化室、產(chǎn)房、 燒傷病房、 重癥監(jiān)護(hù)室、 早產(chǎn)兒室、 血液透析室、 手術(shù)室、 術(shù)前準(zhǔn)備室、 術(shù)后復(fù)蘇室、 麻醉室、心血管造影檢查室等場所中除一級負(fù)荷中特別重要負(fù)荷外的其他用電(其他詳見標(biāo)準(zhǔn))。

二級負(fù)荷:電子顯微鏡、 影像科診斷設(shè)備用電；肢體傷殘康復(fù)病房照明用電；中心(消毒)供應(yīng)室、空氣凈化機(jī)組用電；貴重藥品冷庫、 太平柜用電；客梯、 生活水泵、 采暖鍋爐及換熱站等的用電。

(7)二類高層民用建筑中二級負(fù)荷:消防用電；主要通道及樓梯間照明用電；客梯用電；排水泵、 生活水泵用電。

(8)劇場中二級負(fù)荷:中小戲劇場消防用電。

(9)大型汽車庫中一級負(fù)荷:照明用電、消防用電。

2 市政電源

2.1 市政電源定義

本文均以常見的10kV 市政供電電源為例?！睹駱?biāo)》和《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》GB 50052—2009中要求:“一級負(fù)荷應(yīng)由雙重電源供電，當(dāng)一個電源發(fā)生故障時，另一個電源不應(yīng)同時受到損壞?！薄耙患壺?fù)荷中的特別重要負(fù)荷，除雙重電源供電外，尚應(yīng)增設(shè)應(yīng)急電源供電；”“二級負(fù)荷的外部電源進(jìn)線宜由35kV、 20kV 或10kV 雙回線路供電；當(dāng)負(fù)荷較小或地區(qū)供電條件困難時，二級負(fù)荷可由一回35kV、 20kV 或10kV 專用的架空線路供電；”“三級負(fù)荷可采用單電源單回路供電?！?/p>

2.2 市政電源需求注意事項

在協(xié)助業(yè)主向供電部門申請雙重電源為一級負(fù)荷供電時，應(yīng)需特別確認(rèn)市政電源是否可以滿足雙重電源的要求，盡量落實到正式文件上，作為供配電系統(tǒng)設(shè)計的重要依據(jù)。 如市政提供不了雙重電源，應(yīng)堅定設(shè)置自備電源作為第二個電源。 若前期未和當(dāng)?shù)毓╇姴块T清晰確定雙重電源的方案，當(dāng)外審單位提出兩路電源不滿足雙重電源的安全性時，再對供電方案進(jìn)行修改。 對相關(guān)專業(yè)及整體投資都會有較大影響。

對于含有大量二級用電負(fù)荷的項目，從項目設(shè)計管理的角度，設(shè)計團(tuán)隊?wèi)?yīng)提早做電源經(jīng)濟(jì)性比較分析，與業(yè)主充分溝通，經(jīng)得當(dāng)?shù)毓╇姴块T咨詢意見后，再全面開展供配電系統(tǒng)設(shè)計工作。

此外，市政10kV 電源的供電能力也要重視，普遍每路10kV 電源所帶變壓器裝機(jī)容量為8 000kVA～10 000kVA。在有的地區(qū)由于市政現(xiàn)狀容量受限，每路10kV 電源僅能提供5 000kVA 變壓器容量。

3 自備電源

3.1 設(shè)置自備電源的條件

(1)一級負(fù)荷中含有特別重要負(fù)荷；(2)設(shè)置自備電源比從市政電力系統(tǒng)取得第二電源更經(jīng)濟(jì)合理；(3)雙路電源不是雙重電源，不能滿足一級負(fù)荷供電的要求；(4)當(dāng)雙重電源中的一路為冷備用，且不能滿足用電負(fù)荷允許中斷供電時間的要求；(5)運營方或供電管理部門要求設(shè)置自備電源為一級負(fù)荷供電；(6)在不滿足供電條件的困難地區(qū)，無法從市政取得第二回路電源。

3.2 自備電源的配置

以下電源可作為應(yīng)急電源或備用電源:(1)供電網(wǎng)絡(luò)中獨立于正常電源的專用饋電線路；(2)獨立于正常電源的發(fā)電機(jī)組；(3)蓄電池組。

由于每種備用電源的供電轉(zhuǎn)換時間與用電負(fù)荷允許中斷供電的時間不同，往往在一個項目中需要配置多個備用電源組合，才能滿足系統(tǒng)的供電要求。 根據(jù)規(guī)范整理出常見的用電負(fù)荷供電電源轉(zhuǎn)換時間和供電時間要求詳見表1，根據(jù)多年的項目經(jīng)驗及規(guī)范要求，針對建筑內(nèi)不同用電負(fù)荷種類及等級匹配不同備用電源的組合，詳見表2。

表1 用電負(fù)荷供電電源轉(zhuǎn)換時間和供電時間要求

表2 建筑內(nèi)不同用電負(fù)荷種類及等級匹配不同備用電源的組合

建筑內(nèi)一般會同時有應(yīng)急照明、消防風(fēng)機(jī)/水泵、智能化系統(tǒng)等一級或二級負(fù)荷，在僅有一路市政電源的情況下，配置柴油發(fā)電機(jī)作為第二電源是比較常見的選擇。 同時考慮到發(fā)電機(jī)啟動時間無法滿足應(yīng)急照明、報警系統(tǒng)和智能化系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換時間，需要分別為疏散照明配置集中電源、備用照明配置EPS、智能化系統(tǒng)配置UPS，作為發(fā)電機(jī)正式供電前的轉(zhuǎn)換電源。 待發(fā)電機(jī)啟動后，可作為第二路電源長時間供電，滿足各種設(shè)備供電時長要求。

4 供配電系統(tǒng)

4.1 高壓系統(tǒng)

10kV 雙重電源或雙路電源采用單母線分段運行，兩段母線間多設(shè)置聯(lián)絡(luò)開關(guān)；單路電源只采用單母線運行。 高壓配電級數(shù)過多，不僅管理不便、操作繁復(fù)，繼電保護(hù)整定時限也有限制，降低了供電系統(tǒng)的可靠性。 因此10kV 配電級數(shù)不宜多于兩級。

園區(qū)有多個變配電室時，建議重要建筑變配電室的10kV 阻線電纜采用放射式獨立回路，其他變配電室可采用樹干式供電。

低電阻接地的高壓系統(tǒng)保護(hù)設(shè)置:(1)進(jìn)線斷路器裝設(shè)三相定時限過電流保護(hù)、電流速斷保護(hù)、零序保護(hù)；(2)變壓器出線裝設(shè)三相定時限過電流保護(hù)、電流速斷保護(hù)、零序保護(hù)、變壓器高溫報警、變壓器超高溫跳閘；(3)高壓系統(tǒng)采用數(shù)字綜合繼電保護(hù)系統(tǒng)。 如果有分變配電室，其內(nèi)的變壓器高溫報警、超高溫跳閘保護(hù)均可利用線纜引至高壓總配電室出線繼保。

4.2 低壓系統(tǒng)

從提高變配電系統(tǒng)可靠性的角度考慮，為一、二級負(fù)荷供電的變壓器建議設(shè)置為兩臺一組。 每組變壓器0.4kV 低壓側(cè)采用單母線分段的接線方式。 低壓主進(jìn)斷路器設(shè)置延時欠壓脫扣。 低壓母聯(lián)斷路器采用設(shè)有自投自復(fù)、自投不自復(fù)、停用、手動四種狀態(tài)的位置選擇開關(guān)。 母聯(lián)斷路器平時運行時選用自投自復(fù)，自投時應(yīng)設(shè)有一定的延時，當(dāng)變壓器低壓側(cè)總開關(guān)因過負(fù)荷或短路故障而分閘時，母聯(lián)斷路器不得自動合閘；電源主斷路器與母聯(lián)斷路器之間設(shè)置電氣聯(lián)鎖。

(1)低壓系統(tǒng)保護(hù)設(shè)置

低壓主進(jìn)斷路器采用過載長延時、短路短延時保護(hù)，其中過載長延時保護(hù)的動作時間為15 s，短路短延時保護(hù)的動作時間為0.4 s；為了能有效避開電網(wǎng)電壓瞬間波動引起的頻繁動作，只有當(dāng)斷電或持續(xù)低電壓時欠壓脫扣器才動作，跳開低壓主進(jìn)斷路器，動作次數(shù)大幅度降低。 參考供電公司數(shù)據(jù)，延時整定時間在3 s 左右。

母聯(lián)斷路器采用過載長延時、短路短延時保護(hù)，其中過載長延時保護(hù)的動作時間為15 s，短路短延時保護(hù)的動作時間為0.2 s。

饋出線斷路器采用過載長延時、短路瞬動保護(hù)，其中過載長延時保護(hù)的動作時間為15 s。

在低壓出線的非消防回路上加設(shè)分勵脫扣器，用于在火災(zāi)時切斷非消防電源。

有的項目采用某品牌ATMT 兩進(jìn)線一母聯(lián)的自動電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)方案。 此系統(tǒng)沒有增加過多額外的投資，且具備電源狀態(tài)的自動判斷、執(zhí)行斷路器的自動操作，同時配備電氣連鎖可以保證不會使兩路電源并聯(lián)。 系統(tǒng)可以根據(jù)實際運行負(fù)載情況，在母聯(lián)延時2 秒合閘前，計算總的用電負(fù)荷量，然后根據(jù)變壓器斷路器整定值來選擇是否脫扣三級用電負(fù)荷。 這樣可以在單臺變壓器供電能力允許的情況下，減少三級負(fù)荷的停電次數(shù)和時長。

另外如有重要項目在正常檢修倒閘時，不允許出現(xiàn)負(fù)荷停電的情況，可以選用手動轉(zhuǎn)換“并聯(lián)”模式。 “并聯(lián)”指電源轉(zhuǎn)換過程中，先判斷兩路電源是否滿足并聯(lián)條件，如滿足( 設(shè)置固定12 s 延時用以等待滿足并聯(lián)條件)，主進(jìn)斷路器和母聯(lián)斷路器按照“先合后分”的形式操作保證轉(zhuǎn)換過程中不斷電；如不滿足，主進(jìn)斷路器和母聯(lián)斷路器不動作，控制器鎖定斷路器狀態(tài)并發(fā)出報警。

5 案例分析介紹

5.1 項目概況

本項目為政府機(jī)構(gòu)辦公建筑，根據(jù)負(fù)荷分級，有大量一、二級用電負(fù)荷，同時有少量一級負(fù)荷中特別重要負(fù)荷；設(shè)置兩臺1 600kVA 變壓器；市政提供一路10kV 電源；要求自備發(fā)電機(jī)為全部負(fù)荷供電，持續(xù)供電時間為12 h。

5.2 變配電系統(tǒng)

高壓配電室和變配電室合并設(shè)置，內(nèi)設(shè)高壓柜、變壓器和低壓柜。 高壓采用單母線運行，配置數(shù)字綜合繼電保護(hù)系統(tǒng)。

兩臺變壓器為一組，低壓側(cè)0.4kV 采用單母線分段的接線方式。 兩個低壓主進(jìn)和母聯(lián)采用ATMT自動電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(帶手動并聯(lián)模式)。 每路低壓主進(jìn)和發(fā)電機(jī)電源設(shè)置ATSE 作為轉(zhuǎn)換裝置。 發(fā)電機(jī)房內(nèi)設(shè)置三臺額定常載功率(PRP)800kW 室內(nèi)柴油發(fā)電機(jī)組。

5.2.1 變配電系統(tǒng)主接線示意圖

項目實施采用三臺發(fā)電機(jī)并機(jī)的方式，具體主接線如圖1 所示。

圖1 三臺發(fā)電機(jī)并機(jī)的方式接線圖

5.2.2 發(fā)電機(jī)運行方案比選

在方案階段討論發(fā)電機(jī)配置時，考慮過設(shè)置兩臺1 200kW 發(fā)電機(jī)，每臺分別對應(yīng)1 臺變壓器，組成一組主備電源。 具體主接線圖如圖2 所示。

圖2 兩臺發(fā)電機(jī)分別對應(yīng)不同變壓器接線圖

在市電停電時，兩臺發(fā)電機(jī)同時啟動，分別對應(yīng)為每臺變壓器的母線段供電。 不用并機(jī)控制柜，控制程序較簡便，但是缺少發(fā)電機(jī)組之間的備份。一般項目正常運行時負(fù)載率會較低，可以不用兩臺發(fā)電機(jī)都工作，但如果僅通過低壓母聯(lián)合閘來解決開啟單臺發(fā)電機(jī)供電的方案，在負(fù)荷增加時會有比較麻煩的操作，給電力運維帶來繁瑣和難度。

通過項目實際運行負(fù)載率的可能性與單臺發(fā)電機(jī)故障等因素綜合判斷，三臺發(fā)電機(jī)并機(jī)的方案更合理、經(jīng)濟(jì)、靈活。

5.2.3 斷路器分合閘狀態(tài)

不同的分合閘狀態(tài)對應(yīng)情況詳見圖3。

圖3 斷路器分合閘狀態(tài)

市電有電，一臺變壓器故障時(發(fā)電機(jī)不啟動):故障變壓器主進(jìn)斷路器S1 或S2 通過延時欠壓脫扣器脫扣，ATMT 系統(tǒng)控制器分勵脫扣全部三級負(fù)荷，母聯(lián)斷路器S3 延時合閘，由另一臺變壓器帶起全部的一級負(fù)荷中特別重要負(fù)荷以及一、二級負(fù)荷。

市電停電(兩路低壓主進(jìn)均欠壓脫扣，低壓母聯(lián)不動作):變壓器主進(jìn)斷路器S1 和S2 通過延時欠壓脫扣器脫扣，母聯(lián)斷路器S3 保持?jǐn)嚅_狀態(tài)。 發(fā)電機(jī)并機(jī)正式供電后，控制柜控制斷路器F1～F2 合閘，主進(jìn)處ATSE(互投模式)檢測到發(fā)電機(jī)電纜有電后，延時1 s 轉(zhuǎn)換至柴油發(fā)電機(jī)側(cè)，柴油發(fā)電機(jī)組為全部用電負(fù)荷供電。

5.2.4 柴油發(fā)電機(jī)控制

每臺發(fā)電機(jī)自帶控制啟動柜，另外設(shè)置一臺并機(jī)控制柜，分別控制三臺發(fā)電機(jī)啟動柜和匯流配電柜內(nèi)斷路器分合閘。 并機(jī)控制柜接收高壓進(jìn)線主開關(guān)QF1 的輔助接點作為柴油發(fā)電機(jī)組的啟動信號，延時1～2 s 后，同時啟動三臺柴油發(fā)電機(jī)組；啟動柜依據(jù)電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)設(shè)置的值，進(jìn)行自動高速計算對機(jī)組的額定轉(zhuǎn)速、電壓、頻率、相位角自動進(jìn)行調(diào)整并達(dá)到同步要求，發(fā)送信號使匯流柜進(jìn)線斷路器E1～E3 陸續(xù)合閘，當(dāng)并機(jī)控制柜檢測到進(jìn)線斷路器E1～E3 均合閘后，控制匯流柜出線斷路器F1～F2 合閘，發(fā)電機(jī)啟動并額定供電時間不超過15 s。

當(dāng)檢測市電恢復(fù)供電后，并機(jī)控制柜控制匯流柜出線斷路器F1～F2 分閘后，機(jī)組經(jīng)冷卻延時后自動停機(jī)。 根據(jù)低壓運行情況，在市電來電時，柴油發(fā)電機(jī)組可繼續(xù)供電，并機(jī)控制柜不輸出停機(jī)信號。

三臺柴油發(fā)電機(jī)組同時為用電負(fù)荷平穩(wěn)供電，并機(jī)控制柜檢測匯流柜母線穩(wěn)定負(fù)載電流，可以調(diào)整運行供電臺數(shù)。 當(dāng)穩(wěn)定負(fù)載大于65%時，三臺均供電；大于30%小于65%時，兩臺供電；小于30%時一臺供電。 當(dāng)少于三臺發(fā)電機(jī)供電，有較大用電負(fù)荷投入時，需要根據(jù)投入的負(fù)荷量，陸續(xù)啟動其他發(fā)電機(jī)，待新啟動發(fā)電機(jī)穩(wěn)定供電后，方可把新投入的負(fù)荷開啟運行。

為了讓每臺發(fā)電機(jī)均能有效使用和運行，需要對發(fā)電機(jī)組進(jìn)行壽命運行管理具體措施:當(dāng)小于3臺柴油發(fā)電機(jī)組運行時，擬采取每運行12 小時，輪換柴油發(fā)電機(jī)組，使每臺柴油發(fā)電機(jī)組每月均有啟動運行機(jī)會。

(5)其他備用電源

疏散照明配置集中電源、備用照明配置EPS 作為發(fā)電機(jī)正式供電前的轉(zhuǎn)換電源。 一級負(fù)荷中特別重要負(fù)荷(如智能化系統(tǒng))需配置UPS 同時作為轉(zhuǎn)換電源和應(yīng)急電源。 提醒在高海拔地區(qū)在選擇UPS、EPS 和發(fā)電機(jī)時需要根據(jù)海拔高度選擇降容系數(shù)，不同發(fā)電機(jī)廠家對應(yīng)設(shè)計功率和海拔會有不同的型號發(fā)電機(jī)。 對于一級負(fù)荷、二級負(fù)荷的配電干線形式嚴(yán)格按照規(guī)范執(zhí)行，這里不再贅述。

6 結(jié)束語

本文對有大量一、二級用電負(fù)荷，同時市政無法提供滿足匹配電源項目，分別從變壓器配置、備用電源組合、低壓斷路器整定、發(fā)電機(jī)運行等方面整理出較為清晰的選型及配置說明，為其他類似項目在方案階段提供主接線及發(fā)電機(jī)配置參考，在初步設(shè)計階段提供各斷路器分合閘邏輯關(guān)系參考。