建筑電氣供配電系統(tǒng)可靠性芻議

余黎忠

摘要：社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，隨著人們生活水平的逐漸提高，對(duì)于建筑工程質(zhì)量提出了更高的要求。電氣設(shè)備在人們?nèi)粘Ｉ钪械氖褂寐逝c日遞增，給建筑電氣供配電系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)。計(jì)算機(jī)數(shù)字化信息技術(shù)的普及，使建筑電氣供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)上更多地投入使用了信息技術(shù)的自動(dòng)化電氣設(shè)備，以提高供電系統(tǒng)在運(yùn)營(yíng)中的可靠性。本論文從電氣設(shè)計(jì)實(shí)踐出發(fā)，針對(duì)建筑電氣供配電系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：建筑電氣；供配電系統(tǒng)；可靠性

建筑供配電系統(tǒng)的可靠性對(duì)于建筑物中所安裝的各種電氣設(shè)備的安全運(yùn)行具有直接的影響力。作為電力系統(tǒng)為建筑物用戶(hù)提供電能的重要環(huán)節(jié)，其是與用戶(hù)的電氣設(shè)備直接連接的，主要處于電力系統(tǒng)的末端，其運(yùn)行的可靠性除了來(lái)自于供配電系統(tǒng)本身之外，還與外接電源存在著直接的關(guān)聯(lián)。因此，要確保建筑電氣供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行，對(duì)于相關(guān)的特征量要多重角度考慮，實(shí)現(xiàn)電氣供配電系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)營(yíng)。

一、建筑電氣供配電系統(tǒng)的可靠性

在電氣設(shè)計(jì)中，供配電系統(tǒng)的可靠性是確保系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。其是對(duì)于建筑物中的配電模式進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)評(píng)估指數(shù)以及運(yùn)行中的常用供電模式來(lái)檢測(cè)運(yùn)行中所存在的問(wèn)題，并按照供電運(yùn)行的需求提出新的設(shè)計(jì)方案。對(duì)于供電可靠性的要求，可以根據(jù)建筑供電需要將電力負(fù)荷分別為三個(gè)級(jí)別，即一級(jí)負(fù)荷、二級(jí)負(fù)荷和三級(jí)負(fù)荷。建筑消防設(shè)備一般會(huì)采用一級(jí)負(fù)荷，比如建筑物中的消防控制室、自動(dòng)報(bào)警裝置以及應(yīng)急照明系統(tǒng)，包括消防電梯和消防水泵等等，都要采用一級(jí)負(fù)荷。在建筑電氣供配電系統(tǒng)中所采用的一級(jí)負(fù)荷是非常重要的負(fù)荷，其主要用于建筑物中的各種安全設(shè)施。比如送風(fēng)機(jī)和排風(fēng)機(jī)以及污水泵等等，都要采用一級(jí)負(fù)荷，在電源的設(shè)置上，還要增設(shè)應(yīng)急電源。通常情況下，應(yīng)急供電系統(tǒng)屬于是重要的負(fù)荷供電，在設(shè)計(jì)中往往會(huì)采用柴油發(fā)電機(jī)組供電或者使用緊急電力供給（Emergency Power Supply，簡(jiǎn)稱(chēng)“EPS”）

二、建筑電氣供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

（一）供電電源

在一些建筑物中，有大量的一級(jí)負(fù)荷、二級(jí)負(fù)荷存在，其作用都是為了提高建筑物的安全使用率。以高層建筑物為例，為了能夠維持建筑物持續(xù)用電，往往會(huì)安裝兩臺(tái)以上的變壓器，還有一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組。在發(fā)電啟動(dòng)要求上，當(dāng)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的進(jìn)線(xiàn)回路都無(wú)法供電的時(shí)候，就要啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)以為建筑物提供應(yīng)急電源。當(dāng)兩臺(tái)變壓器和一臺(tái)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)處于不并列運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)候，為了提高用電設(shè)備的使用率，兩個(gè)電源采用統(tǒng)同級(jí)電壓供電，相互備用。但是，由于各地區(qū)的用電需求不同，所以適當(dāng)?shù)卣{(diào)整電壓供電。這兩種電源可以是各自獨(dú)立供電，但是多數(shù)情況下都是搭配供電的。這就決定了電網(wǎng)的電源進(jìn)線(xiàn)也都是非獨(dú)立的。當(dāng)二級(jí)負(fù)荷容量較大的時(shí)候，就需要由兩回線(xiàn)路持續(xù)供電。這種發(fā)電機(jī)組合也存在著運(yùn)行上的弊端。為了提高建筑供配電系統(tǒng)的供電可靠率，可以在建筑施工中，就對(duì)于該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)加以完善，以實(shí)現(xiàn)供配電優(yōu)化。

（二）供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

按照民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范，為了使供電系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足一級(jí)負(fù)荷供電要求或者二級(jí)負(fù)荷供電要求，通常情況下要求采用兩路同時(shí)供電的方式，即當(dāng)其中的一路供電因故障終端之后，就需要其他的線(xiàn)路滿(mǎn)足繼續(xù)供電要求。如果是10千伏供配電系統(tǒng)，最好是選取放射式接線(xiàn)方式，配電的級(jí)數(shù)不可以超過(guò)兩級(jí)當(dāng)然根據(jù)地理環(huán)境以及特殊需要，也可以選擇使用環(huán)式或者是樹(shù)干式的配電系統(tǒng)接線(xiàn)設(shè)計(jì)?；芈贩派涫街鹘泳€(xiàn)見(jiàn)圖1。

回路放射式供配電系統(tǒng)由專(zhuān)用的三級(jí)負(fù)荷設(shè)備配電，當(dāng)由于故障而中斷供電的時(shí)候，會(huì)很長(zhǎng)之間以?xún)?nèi)都無(wú)法供電。如果此時(shí)備用電源也無(wú)法正常工作，可以選擇采用二級(jí)負(fù)荷供電，其優(yōu)點(diǎn)在于，斷電時(shí)間由備用電源的切換時(shí)間來(lái)確定。如果電源是獨(dú)立使用的，最宜采用一級(jí)負(fù)荷供電方式，供電的中斷時(shí)間由獨(dú)立備用電源的切換時(shí)間來(lái)確定。

三、電氣供配電系統(tǒng)的可靠性計(jì)算方法

確定供配電負(fù)荷等級(jí)，用電負(fù)荷的可靠性是非常重要的因素。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范針對(duì)不同的用電負(fù)荷需要采用不同的設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行可靠性計(jì)算。

在可靠性計(jì)算中，年平均故障時(shí)間為年故障率與年平均修復(fù)時(shí)間的乘積，用公式表示為：

成功運(yùn)行概率與每年的平均故障時(shí)間相對(duì)應(yīng)，因此，固有可用度可以通過(guò)以下的公式直接反應(yīng)出來(lái)，即：

供配電系統(tǒng)元件組合包括串聯(lián)和并聯(lián)兩種，在對(duì)供配電系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，元件的故障率被設(shè)定為常數(shù)，即其不可以隨著時(shí)間的變化而有所改變。故障發(fā)生后，并不會(huì)影響到其他的元件正常工作，所修復(fù)的時(shí)間呈現(xiàn)出指數(shù)分布的趨勢(shì)，而且元件的運(yùn)行時(shí)間要長(zhǎng)于因故障而停止工作的時(shí)間。

元件的串聯(lián)見(jiàn)圖2。

元件選擇使用串聯(lián)接的方式，會(huì)提高供配電系統(tǒng)的故障率，年平均故障時(shí)間也會(huì)相對(duì)延長(zhǎng)，從而使系統(tǒng)的可靠性降低。

元件的并聯(lián)見(jiàn)圖3。

相比較于元件的串聯(lián)而言，并聯(lián)元件的供配電系統(tǒng)可靠性相對(duì)較高，其不但可以降低故障率，而且縮短了每年所發(fā)生故障的時(shí)間，

計(jì)算使用的可靠性數(shù)據(jù)見(jiàn)下表。

四、建筑供配電系統(tǒng)可靠性分析實(shí)例

（一）備用發(fā)電機(jī)低壓母線(xiàn)處切換的供配電系統(tǒng)

圖 5 低壓母線(xiàn)處切換計(jì)算模型

變壓器器供電并聯(lián)于發(fā)電機(jī)供電，在單回路電源的進(jìn)線(xiàn)供電以及備用發(fā)電機(jī)的運(yùn)行可靠性并不是很穩(wěn)定，但是實(shí)施兩個(gè)電源的切換，大大地提高了可靠性，使年平均故障率下降了0.00356小時(shí)。大于600安培的低壓雙電源切換為0.051123小時(shí)，低壓母線(xiàn)雙電源切換為0.037954小時(shí)，包括電纜和接頭在內(nèi)的配電線(xiàn)路電源切換為0.006232小時(shí)。

（二）在用電負(fù)荷末端切換的變壓器和備用發(fā)電機(jī)構(gòu)成的供配電系統(tǒng)

通常而言，處于供配電系統(tǒng)末端的雙電源切換電流小于600安培。本實(shí)例為變壓器供電與發(fā)電機(jī)供電并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了年平均故障率下降，故障時(shí)間也相應(yīng)地縮短很多，從原有的2.668854小時(shí)下降到0.004544小時(shí)。所縮短的故障時(shí)間已經(jīng)大大地低于雙電源切換的年平均故障時(shí)間。供配電系系統(tǒng)的年平均故障時(shí)間也有所下降，從2.669673小時(shí)下降到0.497023小時(shí)?？梢?jiàn)，建筑電氣供配電系統(tǒng)末端的可靠性有所提高。

對(duì)于電力系統(tǒng)的某個(gè)線(xiàn)路連接采用并聯(lián)冗余的方式，可以使用低壓雙電源切換開(kāi)關(guān)，冗余后即便年平均故障為0，在計(jì)入低壓雙電源切換開(kāi)關(guān)的同時(shí)，也要將低壓雙電源切換開(kāi)關(guān)的年平均故障時(shí)間降到低于冗余前的時(shí)間，以提高系統(tǒng)的可用度。

值得一提的是，在國(guó)外的一些建筑電氣供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，一般不會(huì)選擇使用對(duì)電纜以及斷路器的并聯(lián)冗余以實(shí)現(xiàn)供配電系統(tǒng)的末端切換，因?yàn)榘凑沼嘘P(guān)參考數(shù)據(jù)，并實(shí)施技術(shù)評(píng)估方法進(jìn)行計(jì)算，實(shí)施這種末端切換的方式并無(wú)法有效地提高供配電系統(tǒng)的可靠性。

結(jié)語(yǔ)：

綜上所述，電氣設(shè)計(jì)的目的是要滿(mǎn)足供配電系統(tǒng)的安全可靠性。為了使建筑電氣符合滿(mǎn)足建筑用電需求，就要根據(jù)實(shí)際需求開(kāi)展供配電電路設(shè)計(jì)工作，以提高電氣設(shè)備的技術(shù)可靠性。

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