超高層建筑中柴油發(fā)電機(jī)壓等級的選用

仇 成

(華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200002)

0 引言

目前民用超高層項(xiàng)目越來越多，由于超高層項(xiàng)目對供電穩(wěn)定性要求較高，為了提高供電可靠性，均設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源。由于超高層項(xiàng)目往往垂直供電距離較長，供配電過程中電壓降是不可忽視的一個(gè)因素。柴油發(fā)電機(jī)房由于其對于送排風(fēng)、油罐設(shè)置及爆炸防護(hù)的苛刻條件，往往只能設(shè)置在地下室。面對動(dòng)輒幾百米的垂直送電距離，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中為了減少電壓降損失，提高供電可靠性，往往采用高壓柴油發(fā)電機(jī)。在項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)中，由于電壓降的原因，250 m是低壓送電的臨界距離，對于高度200 m左右的超高層是否應(yīng)該選用高壓柴油發(fā)電機(jī)一直存在爭議。本文對高壓柴油發(fā)電機(jī)的適用性進(jìn)行了探討。

1 柴油發(fā)電機(jī)電壓等級的選用原則分析

1.1 從經(jīng)濟(jì)性的角度分析

柴油發(fā)電機(jī)的選用很大程度上受制于供電半徑的影響，在200 m左右的超高層建筑中往往采用高壓柴油發(fā)電機(jī)，以減少在垂直距離的電壓降損失，提高經(jīng)濟(jì)性，但這種選擇方法具有片面性。目前大部分城市其供電質(zhì)量較穩(wěn)定，基本不存在兩路電源同時(shí)失電的情況。許多項(xiàng)目建成后柴油發(fā)電機(jī)十幾年甚至幾十年都沒有實(shí)際使用過。因此，在這種使用頻率極低的情況下，考慮柴油發(fā)電機(jī)線路的節(jié)能毫無意義。在緊急情況下，柴油發(fā)電機(jī)也只是運(yùn)作6 h左右，待人員安全疏散、數(shù)據(jù)保存妥當(dāng)后斷電，不作為長時(shí)間供電的手段。綜合考慮經(jīng)濟(jì)性，高壓柴油發(fā)電機(jī)并不占優(yōu)勢。如前所述，高壓柴油發(fā)電機(jī)在電壓降方面的優(yōu)勢幾乎不會被用到。如果選用低壓柴油發(fā)電機(jī)，可以采取擴(kuò)大電纜截面等簡單手段規(guī)避電壓降過大的問題。相對于擴(kuò)大電纜截面對投資的影響，高壓柴油發(fā)電機(jī)需要設(shè)置專用的應(yīng)急變壓器，對投資的影響大。尤其在塔樓避難層中，原本可供使用的面積就不大，不但需要增加變電所的面積，還需增加結(jié)構(gòu)荷載，大大增加了投資成本。

高壓柴油發(fā)電機(jī)需要占用大面積的機(jī)房空間，因此在民用建筑中應(yīng)優(yōu)先考慮低壓柴油發(fā)電機(jī)。經(jīng)過調(diào)研，目前市場上的高壓柴油發(fā)電機(jī)多數(shù)用于工業(yè)建筑中，這是由于工業(yè)建筑中往往有需要柴油發(fā)電機(jī)供電的高壓設(shè)備，選用低壓柴油發(fā)電機(jī)無法滿足用電需求。工業(yè)建筑往往遠(yuǎn)離城市，其供電可靠性較低，而一旦停電又會造成巨大的損失，因此柴油發(fā)電機(jī)不僅僅是短時(shí)間供電的應(yīng)急設(shè)備，在線路修復(fù)前，柴油發(fā)電機(jī)可能進(jìn)行長時(shí)間的持續(xù)供電，因此在工業(yè)建筑中選用高壓柴油發(fā)電機(jī)經(jīng)濟(jì)、合理。民用建筑由于基本沒有需要柴油發(fā)電機(jī)供電的高壓設(shè)備，又無需柴油發(fā)電機(jī)作為常用電源持續(xù)供電，因此并不推薦將工業(yè)建筑中的經(jīng)驗(yàn)套用至民用建筑。民用建筑中使用高壓柴油發(fā)電機(jī)經(jīng)濟(jì)性不佳。

因此，從經(jīng)濟(jì)性的角度考慮，低壓柴油發(fā)電機(jī)的經(jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)優(yōu)于高壓柴油發(fā)電機(jī)，應(yīng)盡量采用低壓柴油發(fā)電機(jī)，優(yōu)劣比較如表1所示。

表1 低壓柴油發(fā)電機(jī)與高壓柴油發(fā)電機(jī)造價(jià)比較

1.2 從可靠性角度分析

目前，柴油發(fā)電機(jī)的巡檢制度僅針對柴油發(fā)電機(jī)本身，并不包括整套應(yīng)急系統(tǒng)。因此往往造成雖然柴油發(fā)電機(jī)每隔一段時(shí)間運(yùn)行一次，保證了機(jī)組的可靠性，但其配套的變壓器常年不用。在緊急情況下，這往往是致命的，將造成巨大的損失。柴油發(fā)電機(jī)所帶負(fù)荷往往是重要負(fù)荷，如果需要巡檢，則要對整棟樓的業(yè)主進(jìn)行通知。因此，即使要求物業(yè)管理公司對整套應(yīng)急系統(tǒng)進(jìn)行巡檢，其執(zhí)行力也存在疑問。變壓器長時(shí)間不運(yùn)作，其內(nèi)部由于受潮等原因發(fā)生故障的概率非常高。目前這一點(diǎn)尚未得到重視，因此通風(fēng)專業(yè)對變電所內(nèi)除濕往往做得并不到位。電氣專業(yè)在變電所設(shè)計(jì)中雖預(yù)留除濕機(jī)插座，但往往后期未安裝到位。對于已采用高壓柴油發(fā)電機(jī)的項(xiàng)目，應(yīng)對變電所內(nèi)濕度等引起重視，避免應(yīng)急變壓器損壞，并且增加巡檢制度，對整套應(yīng)急供電系統(tǒng)進(jìn)行巡檢。

低壓柴油發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)相對簡單，故障率較低，但主要的缺點(diǎn)是長距離供電時(shí)電壓降較大，當(dāng)電壓不足時(shí)末端設(shè)備無法正常運(yùn)作，因此必須仔細(xì)核算電壓降，使用合理的電纜截面。但擴(kuò)大電纜截面對電壓降效果有限，不宜用在過高的樓層。如在超高層等供電半徑較長的建筑中選用低壓柴油發(fā)電機(jī)，則必須在調(diào)試中重點(diǎn)關(guān)注末端機(jī)組是否正常運(yùn)行，以避免可能的風(fēng)險(xiǎn)。由于可以在調(diào)試階段中排查，因此在實(shí)際使用中發(fā)生末端設(shè)備電壓不足的概率非常小。

高壓柴油發(fā)電機(jī)的出線電纜由于電壓等級不同，往往敷設(shè)于單獨(dú)的管弄井，受其他因素的影響較小。低壓柴油發(fā)電機(jī)至避難層變電所的主干電纜往往與其他電纜敷設(shè)在同一梯架中，如果梯架中的電氣線路發(fā)生絕緣老化等故障，往往會導(dǎo)致低壓柴油發(fā)電機(jī)的主干線路處于火場中心。根據(jù)調(diào)查，建筑物火災(zāi)42%是由電氣故障引起的。由于主干線路一旦損毀就相當(dāng)于大部分應(yīng)急系統(tǒng)失效，因此必須選用耐火性能好的電纜，如礦物絕緣電纜等，以保證供電的可靠性。在條件允許的情況下，應(yīng)與其他電纜分別敷設(shè)于管井的兩側(cè)或設(shè)置獨(dú)立管井，以提高可靠性。

因此在超高層建筑中，對柴油發(fā)電機(jī)電壓等級的決定性因素最終受制于供電半徑，當(dāng)電壓降不足以影響設(shè)備運(yùn)作時(shí)，可以考慮選用低壓柴油發(fā)電機(jī)以降低投資，減少變電所面積。

2 柴油發(fā)電機(jī)電壓等級選用示例

為進(jìn)一步探討在超高層建筑中選用低壓柴油發(fā)電機(jī)的可能性，以西安永威時(shí)代中心為例，分析低壓柴油發(fā)電機(jī)可供電的最大半徑。

2.1 計(jì)算公式

線路電壓降計(jì)算公式為

式中:P——功率;

L——供電距離;

R、X——三相線路單位長度電阻、電抗。

將綠色環(huán)保設(shè)計(jì)理念應(yīng)用到建筑室內(nèi)裝飾裝修設(shè)計(jì)當(dāng)中，能夠滿足居民的個(gè)性化室內(nèi)裝飾裝修需求，打造良好的室內(nèi)裝飾裝修風(fēng)格。想要不斷減少有害物的排放量，營造一個(gè)更加健康的建筑室內(nèi)環(huán)境氛圍，設(shè)計(jì)人員要主動(dòng)運(yùn)用綠色環(huán)保設(shè)計(jì)理念進(jìn)行設(shè)計(jì)。可以安裝LED燈，節(jié)省大量的電力能源，減少有毒物質(zhì)的出現(xiàn)，保證建筑室內(nèi)裝修裝飾更為環(huán)保綠色。設(shè)計(jì)人員要樹立良好的綠色環(huán)保設(shè)計(jì)目標(biāo)，了解綠色環(huán)保設(shè)二級內(nèi)涵，科學(xué)利用自然光，有效滿足建筑室內(nèi)照明需求，保證節(jié)能燈具得到更好利用[3]。

無功功率計(jì)算公式為

2.2 項(xiàng)目概況

西安永威項(xiàng)目屬于一類超高層公共建筑，主要功能為辦公、商業(yè)綜合體。建筑面積約為126 365 m2(地上、地下之和);地下部分3層，包括1層夾層，地上47層，高度為 207 m，其中第6F、21F、36F 為避難層，裙房在5F。

其變電所的設(shè)置情況為:-1F設(shè)10/0.4 kV變電所2座，分別為1#變電所和3#變電所;36F避難層設(shè) 2#變電所;-1F 1#變電所，設(shè) 2臺1 600 kVA變壓器以及相關(guān)低壓配電柜，供大樓地下室 ～26F辦公區(qū)域全部負(fù)荷;設(shè) 2臺2 000 kVA變壓器以及相關(guān)低壓配電柜，供大樓地下室～5F商業(yè)區(qū)域全部負(fù)荷;36F 2#變電所，設(shè)4臺1 250 kVA變壓器以及相關(guān)低壓配電柜，供大樓27F～屋頂辦公區(qū)域全部負(fù)荷;-1F 3#變電所，設(shè)2臺1 000 kVA變壓器以及相關(guān)低壓配電柜，供大樓冷凍機(jī)房、熱交換機(jī)房全部負(fù)荷。

經(jīng)測算，最高供電樓層垂直高度約為200 m，其中36F變電所垂直高度為150 m。水平最遠(yuǎn)線路約為60 m(應(yīng)急照明)、30 m(消防風(fēng)機(jī))，柴油發(fā)電機(jī)房位于-1F，由變電所至管井的路程約為35 m，即該建筑電壓降最不利點(diǎn)距離為主干線路235 m，末端配出線路60 m。

2.3 低壓柴油發(fā)電機(jī)情況下的電壓降計(jì)算

(1)從末端供電(最末一級配電箱配至用電設(shè)備線路)進(jìn)行逆推算。

應(yīng)急照明部分:標(biāo)準(zhǔn)層中由管井內(nèi)沿橋架配出的最遠(yuǎn)的應(yīng)急照明燈距離為60 m，為28 W熒光燈，選用WDZCN-BYJ-2×2.5+E2.5電纜穿管敷設(shè)，電壓損失為0.07%。其中弱電間等配電與應(yīng)急照明類似，且距離更短，故不計(jì)算。

消防風(fēng)機(jī)部分:標(biāo)準(zhǔn)層中由管井內(nèi)沿橋架配出的最遠(yuǎn)的應(yīng)急照明燈距離為30 m，為18.5 kW消防風(fēng)機(jī)，選用BTTZ-4X16電纜直接敷設(shè)，電壓損失為0.92%。

因此，在整個(gè)供電系統(tǒng)中，照明線路由最末一級配電箱至末端設(shè)備的電壓損失非常小，故在計(jì)算供電半徑時(shí)可忽略不計(jì)。消防風(fēng)機(jī)等存在1%左右的電壓降，在屋頂面積大、設(shè)備布置分散時(shí)需校核其電壓降情況。

(2)推算第二級配電線路(由最近變電所配至末端配電箱)的電壓降。第二級配電線路為由36F變電所供電至最上層的供電距離為50 m。

應(yīng)急照明部分:用電容量55 kW，配電線路BTTZ-(1×50)，電壓降為1%。

生活水泵房:用電容量264 kW，配電線路WDZA-YJY-2(4×240+E120)，電壓降為0.63%。

消防風(fēng)機(jī)總箱:總用電容量74 kW，配電線路BTTZ-4X(1×95)，電壓損失為0.73%。

綜上，在第二級配電中，電壓損失均在1%左右。綜合末端電壓降，總的電壓降在2%左右，則一級配電的電壓降必須在3%以內(nèi)。由于變電所/柴油發(fā)電機(jī)房配電柜內(nèi)母排本身存在一定壓降，因此需將電壓降控制在2.0%～2.5%的范圍以內(nèi)。由于超高層建筑雖裙房各不相同，但塔樓標(biāo)準(zhǔn)層及配電方式往往高度相似，因此結(jié)論具有普適性。校驗(yàn)電壓降過程中，只要最高層變電所最遠(yuǎn)服務(wù)樓層在10F左右，末端電壓降都可以認(rèn)為在2%左右。僅需校驗(yàn)由柴油發(fā)電機(jī)機(jī)房至最高層變電所配電電纜的電壓降即可。

(3)一級配電線路(由柴油發(fā)電機(jī)柜至最近變電所):消防負(fù)荷580.5 kW，計(jì)算電流830 A，整定電流 1 000 A，BTTZ-3［4(1×300)+E(1×150)］電纜供電。由柴油發(fā)電機(jī)機(jī)房配至36F的距離為185 m，電壓降為2.14%，符合要求。

一級負(fù)荷654 kW，計(jì)算電流935 A，整定電流1 100 A，采用 WDZA-YJY-3［4(1×300)+E(1×150)］電纜供電，電壓降為2.4%，符合要求。

2.4 高壓柴油發(fā)電機(jī)情況下的電壓降計(jì)算

由柴油發(fā)電機(jī)高壓配電至36F變電所后經(jīng)10/0.4 kV變壓器后配至各設(shè)備，即之前一級配電電壓降被規(guī)避。第二級配電與末端配電計(jì)算與之前雷同，故不重復(fù)計(jì)算。可以認(rèn)為在高壓柴油發(fā)電機(jī)的情況下，電壓降為2%左右。

2.5 高壓及低壓柴油發(fā)電機(jī)方案對比

高壓、低壓柴油發(fā)電機(jī)方案對比如表2所示。

因此，在該項(xiàng)目中選用低壓柴油發(fā)電機(jī)完全合理，可節(jié)省成本。

表2 高壓、低壓柴油發(fā)電機(jī)方案對比

2.6 低壓柴油發(fā)電機(jī)實(shí)際操作中存在的問題

(1)母線槽電壓降，如第一級配電選用電纜轉(zhuǎn)母線槽的方式，可大大減少電壓降，增加供電的可靠性。在實(shí)際操作過程中，需增加2段母線，對垂直留洞提出了相當(dāng)高的要求。超高層的標(biāo)準(zhǔn)層往往面積不大，對核心筒的限制較多。因此為了盡可能增大使用面積，設(shè)計(jì)采用了3拼電纜的方式，但如果強(qiáng)電間面積寬?；蛴羞m合的管井可供走線，仍應(yīng)優(yōu)先選用母線槽供電的方式。

(2)低壓柴油發(fā)電機(jī)最終計(jì)算后末端電壓降勉強(qiáng)達(dá)到了5%的合格線，但在實(shí)際施工過程中可能由于絕緣損壞、施工方擅自增加接頭等增加電纜的電阻、感抗值，從而增加電壓降，很可能在實(shí)際施工結(jié)果中末端電壓降超過5%。因此在條件允許的情況下，可以增加一級配電線路的電纜截面，以保證電壓降達(dá)標(biāo)，并且為以后的改造預(yù)留足夠的容量。

(3)在擴(kuò)初階段無法準(zhǔn)確獲知末端容量，而低壓柴油發(fā)電機(jī)由于情況特殊，必須仔細(xì)校核電壓降后才可確定使用。因此，必須事先為選用高壓柴油發(fā)電機(jī)的情況預(yù)留空間，而兩個(gè)方案對面積的需求差別較大。在施工圖階段選用了低壓柴油發(fā)電機(jī)，變電所面積將有很大的富余。變電所往往位于不易使用的機(jī)房區(qū)，即使交由建筑專業(yè)重新設(shè)計(jì)，也只能作為備品間等無直接商業(yè)價(jià)值的房間使用，從而間接降低了面積的使用率。

3 結(jié)語

本文通過理論研究及實(shí)際項(xiàng)目計(jì)算對超高層建筑中應(yīng)用低壓柴油發(fā)電機(jī)的可能性及選擇原則進(jìn)行了探討，并著重對電壓降進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算與分析，提出了在超高層建筑中使用低壓柴油發(fā)電機(jī)的可行性。在實(shí)際操作過程中，必須通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算才能選用低壓柴油發(fā)電機(jī)，且必須嚴(yán)格把控施工質(zhì)量，避免發(fā)生不必要的意外。本文僅在末端配電的計(jì)算結(jié)果具有普適性，對第一級配電進(jìn)一步研究并提出具有普適性的結(jié)論是需要進(jìn)一步研究的課題。

［1］ 中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.工業(yè)和民用配電設(shè)計(jì)手冊［M］.3版.北京:中國電力出版社，2005.

［2］ JGJ 16—2008 民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］ GB 50052—2009 供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.