超高層建筑應急電源系統(tǒng)主接線型式相關問題探討

曹 磊

(中國建筑設計研究院有限公司，北京 100044)

0 引言

近年來，全國各地超高層建筑、超大規(guī)模的綜合體建筑層出不窮，此類建筑對供電系統(tǒng)的安全性、可靠性提出了更高的要求。為確保其中重要負荷供電的可靠性，通常會設置柴油發(fā)電機組作為后備電源。

民用建筑中，常用的有10kV中壓柴油發(fā)電機組和0.4kV低壓柴油發(fā)電機組。10kV機組系統(tǒng)特點是傳輸距離長，節(jié)能、節(jié)省空間，可解決因容量大需多臺發(fā)電機組并聯(lián)運行的問題，但是輔助設備多、系統(tǒng)相對復雜、運行成本高，運行人員需持高壓操作證；0.4kV機組系統(tǒng)相對簡單、運行成本低，低壓側(cè)切換電源，可靠性高，機組發(fā)生故障時，可通過臨時發(fā)電車解決供電問題，但是傳輸距離受限，低壓出線配出回路多、截面大、管井空間大。

柴油發(fā)電機房選址問題、主干傳輸距離問題和系統(tǒng)經(jīng)濟性問題對應急電源系統(tǒng)具有重要的影響。本文針對上述問題進行分析，所得結(jié)論僅為本文觀點，在實際工程設計時，還需結(jié)合實際情況具體分析。

1 機房選址問題

在確定柴油發(fā)電機房位置時，需在滿足相關規(guī)范要求的前提下，兼顧建筑布局及業(yè)主需求。GB 50016-2014《建筑設計防火規(guī)范》第5.4.13條及 JGJ 16-2008《民用建筑電氣設計規(guī)范》第6.1.1條第2款規(guī)定了柴油發(fā)電機房選址的基本原則。

對于大面積超高層綜合體建筑，在機房選址時需考慮建筑形式布局及商業(yè)價值影響，故常采用地下室集中設置的方式。其優(yōu)點是避免占用商業(yè)價值較高的區(qū)域，便于消防運營管理，形成相對獨立的“污染區(qū)域”，利于通風、排煙、減震、降噪、供油系統(tǒng)的設計。

對于將柴油機房置于屋頂或塔樓設備層的方案，筆者認為，在實施前未得到相關消防部門認可的情況下，應避免采用此方案，因為其是國家防火規(guī)范的空白點，沒有明確的規(guī)定，各地消防建審部門掌握的尺度也不同。如果此方案得到相關部門認可，在實施時還需注意油路問題，建筑、結(jié)構(gòu)方面的防火設計問題以及機組運輸、降噪、減震問題。

2 傳輸距離問題

當前低壓系統(tǒng)技術相對成熟，供電可靠性較高、運營成本低，因此在確定應急電源系統(tǒng)時，優(yōu)先考慮低壓系統(tǒng)。但是受電壓降的影響，低壓系統(tǒng)主干傳輸距離有一定的局限性，本文通過電壓降計算，對主干傳輸距離進行分析。

圖1所示為應急電源系統(tǒng)示意圖，《工業(yè)與民用供配電設計手冊》(第四版)第6.2.4條規(guī)定：當缺乏地區(qū)電網(wǎng)電壓偏差詳細資料時，從配電變壓器二次側(cè)母線算起的低壓線路允許電壓降為5%，電壓降計算公式如式1所示。

(1)

式中，Δu為電壓降百分數(shù)，%；p為負荷有功功率，kW；l為線路長度，km；R,X為三相線路單位長度的電阻和電抗，Ω/km；Un為系統(tǒng)標稱電壓，kV。

圖1 供電系統(tǒng)示意圖

三種典型方案優(yōu)缺點比較 表1

(1)支線電壓降計算

設電纜截面35mm2，Pe=30kW，l1=15m，則可計算電壓降Δu1=0.2%。

(2)支干線電壓降計算

設支干線長度為l2，支干線電壓偏差為Δu2。

通常，配電總箱容量控制在150kW以內(nèi)，配電箱容量通常為50kW以內(nèi)，則計算時以150kW、50kW為例。電纜截面70mm2，l2=50m，則可計算電壓降Δu2=0.65%。

(3)二次配電干線電壓降計算

二次配電干線計算：設二次配電干線長度為l3，電壓偏差為Δu3。

二次配電進線電纜規(guī)格控制在240mm2，容量約為150kW，l3=50m，則可計算電壓降Δu3=0.54%。

綜合以上計算得，Δu1+Δu2+Δu3<2%，即主干線電壓偏差應不超過3%。

(4)主干線電壓降計算

設主干線長度為l4，主干線電壓偏差為Δu4。

擬高區(qū)應急母線負荷為500kW，擬采用1 250A封閉母線，且Δu4<3%， 則可計算主干線長度l4≤130m，l1+l2+l3+l4≤245m；如加大一級母線，可得l4≤160m，l1+l2+l3+l4≤275m；如采用載流量為1 250A的電纜，可得l4≤270m，l1+l2+l3+l4≤385m；如加大一級電纜，可得l4≤290m，l1+l2+l3+l4≤400m；實際設計中，需考慮外界因素帶來的電阻變化，故需預留15%的裕量。

因此，通過電壓降計算可知，主干線采用封閉母線時，柴油發(fā)電機供電半徑 <250m，主干線采用多拼電纜時，柴油發(fā)電機供電半徑<350m。

3 系統(tǒng)方案及經(jīng)濟性問題

根據(jù)電壓降計算結(jié)果，供電半徑在300～400m之間時，高區(qū)即可采用0.4kV主干傳輸系統(tǒng)，也可采用10kV主干傳輸系統(tǒng)，需進行經(jīng)濟分析，確定系統(tǒng)方案。下面以350m高建筑為模型，對幾種典型方案進行經(jīng)濟性分析。

擬設主配電室設置在B1層，柴油發(fā)電機房位于B1層塔樓下方，可忽略平層主干傳輸距離，分別在150m、250m、300m處設置分變配電室，每段應急母線負荷為500kW。如圖2～4所示，為幾種典型供電方案示意圖。

圖2 方案一供電方案示意圖

除上述三種方案，還有設置專用升/降壓變壓器的方案，此方案需增加專用變壓器，維護要求高，增加機房面積，故本文不做贅述。

上述三種典型方案優(yōu)缺點比較參見表1。

當供電半徑為350m時，三種典型方案經(jīng)濟性對比如圖5所示。

圖3 方案二供電方案示意圖

圖4 方案三供電方案示意圖

圖5 典型方案經(jīng)濟性對比圖

通過圖5可知，供電半徑為350m時，方案三(低區(qū)與高區(qū)均采用10kV機組)利用市電10kV配電網(wǎng)絡配出電源，具有最好的經(jīng)濟性。但其缺點是供電可靠性低，系統(tǒng)維護要求高。因此，在設計時需根據(jù)實際情況綜合考慮。

當供電半徑在300m以下時，其經(jīng)濟性對比仍為方案三>方案二>方案一，但其間的差距會明顯縮小。綜合考慮電壓降計算結(jié)果和系統(tǒng)經(jīng)濟性，得出如下結(jié)論。

(1)供電半徑≤300m時，各方案初期投資差別不大。但0.4kV系統(tǒng)技術相對成熟，供電可靠性高，運營維護要求低，宜選擇“低區(qū)0.4kV系統(tǒng)+高區(qū)0.4kV系統(tǒng)”的方案。

(2)供電半徑在300～400m時，各方案初期投資有一定差別，且不同項目業(yè)主考慮問題角度不同。但綜合考慮供電可靠性、維護成本等因素，建議選擇“低區(qū)0.4kV系統(tǒng)+高區(qū)0.4kV系統(tǒng)”的方案。

(3)供電半徑≥400m時，受線路電壓降影響，高區(qū)應選擇10kV系統(tǒng)?！暗蛥^(qū)0.4kV+高區(qū)10kV系統(tǒng)”和“低區(qū)10kV+高區(qū)10kV系統(tǒng)”均可行，需根據(jù)實際情況，綜合各方面因素考慮。

通過以上分析，超高層建筑應急電源系統(tǒng)設計原則可歸納為：低壓系統(tǒng)優(yōu)先，不能滿足要求時，宜分區(qū)分段考慮，低區(qū)低壓，高區(qū)高壓。

4 機組運行方式問題

柴油發(fā)電機有并機運行和不并機運行兩種運行方式。對于10kV機組，并機運行具有資源共享、調(diào)配靈活、冗余配置的優(yōu)點，不受容量和短路電流限制，可解決多臺機組并聯(lián)運行的問題；但是會增加相應設備，系統(tǒng)相對復雜，運行成本高。但是考慮到10kV機組常用于容量較大的大型建筑中，筆者建議10kV機組采用并機運行的方式。

對于0.4kV機組，確定其運行方式時需考慮容量和短路電流的影響。由于目前國內(nèi)的0.4kV低壓配電柜沒有6 300A以上的實驗報告，并聯(lián)運行的多臺發(fā)電機的總?cè)萘坎灰^3 200kW(0.4kV)。表2為常用機組短路電流。

常用機組短路電流 表2

因此，筆者建議0.4kV 機組不采用并機運行的方式?？稍O置聯(lián)絡開關(QF)，如圖6所示，QF開關僅用于單臺柴油發(fā)電機檢修時手動操作，提高故障情況下的供電可靠性。

圖6 0.4kV柴油機組運行方式示意圖

5 結(jié)束語

本文對超高層建筑應急電源系統(tǒng)相關問題進行探討，從機房選址、傳輸距離、系統(tǒng)經(jīng)濟性及機組運行方式等方面進行分析，得出以下結(jié)論。

(1)在機房選址時宜采用地下室集中設置的方式。

(2)主干線采用封閉母線時，柴油發(fā)電機供電半徑小于250m，主干線采用多拼電纜時，柴油發(fā)電機供電半徑小于350m。

(3)確定技術方案時：低壓系統(tǒng)優(yōu)先，不能滿足要求時，宜分區(qū)分段考慮，低區(qū)低壓系統(tǒng)，高區(qū)高壓系統(tǒng)。