高端酒店柴發(fā)電壓偏差的合理控制措施

陳棟

（上海一建安裝工程有限公司，上海200437）

現(xiàn)在國家加快城市化建設(shè)，城市規(guī)模發(fā)展迅速。特大城市和大城市的建成，對城市設(shè)施的配備提出更高的要求，眾多開發(fā)商根據(jù)市場需求加大投資建設(shè)高端星級酒店。

然而高端酒店相比常規(guī)民用項目的用電設(shè)備對供電要求更高，所以將更多的用電負(fù)荷設(shè)為一級或者特別重要負(fù)荷，配備應(yīng)急電源增加供電的持續(xù)穩(wěn)定性，同時也要保障電能質(zhì)量符合規(guī)范要求。提高電能質(zhì)量必然需要增加工程造價，如何在滿足機(jī)電規(guī)范要求的情況下節(jié)省成本，這成為了項目建設(shè)者最為關(guān)心的課題，也就是我們機(jī)電工程師需要解決的問題。

恰當(dāng)?shù)脑O(shè)備選型以及配備合適規(guī)格的供電導(dǎo)體將對供配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量起到?jīng)Q定性的因素。然而電能質(zhì)量主要是指電壓質(zhì)量，其中電壓偏差是尤其重要的一項?，F(xiàn)行高端酒店應(yīng)用獨(dú)立于正常電源的柴油發(fā)電機(jī)組是解決自備應(yīng)急電源最常用的方案，柴油發(fā)電機(jī)組的參數(shù)設(shè)置以及電線電纜的選擇對末端用電設(shè)備的電壓偏差影響明顯，本文以此為案例作為主要探討的內(nèi)容。

1 設(shè)計規(guī)范中電壓偏差的允許值

參照 JGJ16-2008 《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》 、GB50052-2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》以及《全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施》等標(biāo)準(zhǔn)中都規(guī)定，在正常運(yùn)行情況下，各類用電設(shè)備端子處的電壓偏差允許值（以標(biāo)稱系統(tǒng)電壓的百分?jǐn)?shù)表示），宜符合下列限值要求：

1.1 一般用途電動機(jī)為±5%；

1.2 照明在室內(nèi)場所為±5%；對于遠(yuǎn)離變電所的小面積一般工作場所，難以滿足上述要求時，可為+5%、-10 %；應(yīng)急照明、景觀照明、道路照明和警衛(wèi)照明為+5%、-10 %；

1.3 電梯電動機(jī)為±7%；

1.4 其它用電設(shè)備，當(dāng)無特殊規(guī)定時為±5%。

電壓偏差的基本概念是供配電系統(tǒng)在正常運(yùn)行方式下（即系統(tǒng)中所有元件都按預(yù)定工況運(yùn)行）系統(tǒng)各點(diǎn)的運(yùn)行電壓對系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的偏差相對值。末端設(shè)備組成復(fù)雜多樣，按規(guī)范中最小電壓偏差允許值±5%為限值，電壓損失以此為標(biāo)準(zhǔn)來復(fù)核末端設(shè)備運(yùn)行電壓是否滿足要求。

2 項目概況

上海佘山世茂深坑酒店是一家五星級酒店，總建筑面積6萬平方米，有300 多間客房；由于深坑酒店的主體部分是建在廢棄采石坑的巖壁上，所以建筑結(jié)構(gòu)特殊，地坑上基巖建筑僅有2層，而坑內(nèi)地下部分共16 層；坑底做景觀水池灌水，其中水下部分建筑2 層，水上建筑14 層。在坑外地下一層設(shè)置10kV/0.4kV用戶變電所，配備2 臺1600kVA 和2 臺2000kVA 的變壓器，另在變電所旁設(shè)置柴發(fā)機(jī)房，配備2 臺1250kVA 柴油發(fā)電機(jī)組。酒店用電設(shè)備供電距離最遠(yuǎn)且設(shè)備功率最大的末端設(shè)備位于坑內(nèi)地下16 層的消防排水泵，遠(yuǎn)距離的輸電線路有顯著電壓損失，考慮到負(fù)荷功率較大采用多拼單芯電纜，計算電纜電壓降，分析數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，選擇恰當(dāng)?shù)牟癜l(fā)電機(jī)出口電壓以及適合的電纜規(guī)格，提出最優(yōu)設(shè)計方案。

3 配電系統(tǒng)方案分析

目前大部分廠商提供400V 柴油發(fā)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)配置出口電壓均可手動調(diào)整，調(diào)整范圍一般為360～440V，且柴油機(jī)與發(fā)電機(jī)的功率系數(shù)一般為cosφ=0.8?？油獾叵乱粚硬裼桶l(fā)電機(jī)房至坑外地下一層變電所的供電距離為30 米，坑外地下一層變電所至坑內(nèi)地下16 層消防排水泵的控制箱供電距離為195 米，供電系統(tǒng)的標(biāo)稱電壓為380V，地下16 層消防排水泵功率為343kW，根據(jù)這些技術(shù)參數(shù)來計算電壓降，復(fù)核是否滿足規(guī)范要求電壓偏差允許值±5%。

在工程計算中，電壓偏差公式（1）：

以上公式中Δu——電壓偏差百分?jǐn)?shù)，%；

U——運(yùn)行電壓，V；

Un——系統(tǒng)標(biāo)稱電壓，V；

供配電系統(tǒng)中的電流在不斷地變化，在阻抗元件上的電壓降也在不斷地變化。電壓偏差主要是系統(tǒng)中電流變化導(dǎo)致的。

電壓降通常用系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的百分?jǐn)?shù)表示。三相系統(tǒng)中以線電壓為基準(zhǔn)的電壓降百分?jǐn)?shù)按計算公式（2）：

以上公式中Δu——電壓降百分?jǐn)?shù)，%；

Un——系統(tǒng)標(biāo)稱電壓，kV；

I——負(fù)荷電流，A；

cosφ——負(fù)荷的功率因素；

l——線路長度，km；

3.1 初始供電方案計算分析：（方案一）

坑外地下一層柴油發(fā)電機(jī)房至坑外地下一層變電所的供電線路長度l=30m，應(yīng)急負(fù)荷功率1216kW，柴發(fā)出口電壓380V，故Un系統(tǒng)標(biāo)稱電壓380V，功率因素cosφ=0.8，需要系數(shù)0.75，計算所得負(fù)荷電流I=1732A，所以選用載流量為2000A 的銅母線槽可以滿足正常應(yīng)急負(fù)荷供電的的要求，按照2000A 銅母線槽計算電降壓，查2000A 銅母線槽樣本R'=0.034 (/km)、X' =0.017 (/km)，將所有數(shù)據(jù)代入公式（2），計算Δu1-1。

坑外地下一層變電所至坑內(nèi)地下16 層消防排水泵的控制箱的供電長度l=195m，地下16 層消防排水泵功率為343kW，消防排水泵控制箱由2 路單芯500mm2礦物絕緣電纜供電，連接末端ATS 雙電源切換開關(guān)，Un系統(tǒng)標(biāo)稱電壓380V，功率因素cosφ=0.8，計算所得負(fù)荷電流I=651A，查單芯500 mm2礦物絕緣電纜樣本R'=0.056 (/km)、X' = 0.137 (/km)，將所有數(shù)據(jù)代入公式（2），計算Δu1-2。

將Δu1-1、Δu1-2累加，得出∑Δu

∑Δu= Δu1-1+Δu1-2= 0.89+7.35= 8.24%

從發(fā)電機(jī)至消防排水泵控制箱的電壓損失共31.31V，電壓偏差-8.24%，與國家規(guī)范規(guī)定的電壓偏差允許值±5%偏差嚴(yán)重，此供電方案不符合國家規(guī)范要求，方案一不可用。

3.2 減小阻抗供電方案計算分析：（方案二）

從供電方案一的計算中可以發(fā)現(xiàn)，柴油發(fā)電機(jī)組至變電所的母線槽段電壓降很小，所以變電所至消防排水泵控制箱電纜段是主要產(chǎn)生電壓降的區(qū)域。

合理減小配電系統(tǒng)阻抗是改善電壓偏差的主要措施之一。導(dǎo)體的阻抗與線路長度成正比，與截面積成反比，在線路長度無法改變時，加大電纜截面選用雙拼單芯300 mm2礦物絕緣電纜，減小阻抗，再按照雙拼單芯300 mm2礦物絕緣電纜復(fù)核電降壓，查單芯300 mm2礦物絕緣電纜樣本R'=0.08 (/km)、X' =0.138 (/km)，其余參數(shù)與方案一相同，將所有數(shù)據(jù)代入公式（2），計算Δu2-2。

Δu2-1與Δu1-1相同，即Δu2-1=0.89%，將Δu2-1、Δu2-2累加，得出∑Δu

從發(fā)電機(jī)至消防排水泵控制箱的電壓損失共19.5V，電壓偏差為-5.14%，超過了規(guī)范規(guī)定的電壓偏差允許值±5%，此供電方案仍然不符合國家規(guī)范要求，方案二不可用。

3.3 提高系統(tǒng)電壓供電方案計算分析：（方案三）

加大礦物絕緣電纜截面后的電壓損失仍不符合國家規(guī)范要求，采用調(diào)高柴油發(fā)電機(jī)出口電壓為400V，故Un系統(tǒng)標(biāo)稱電壓為400V，其余參數(shù)不變，將所有數(shù)據(jù)代入公式（2），計算Δu3-1、Δu3-2。

將Δu3-1、Δu3-2累加，得出∑Δu

∑Δu= Δu3-1+Δu3-2= 0.84+4.03= 4.87%

計算所得電壓偏差為-4.87%是在系統(tǒng)標(biāo)稱電壓為400V 的情況下的數(shù)據(jù)，設(shè)計規(guī)范規(guī)定電壓偏差的允許值是以用電設(shè)備的額定電壓為基礎(chǔ)的，即為380V，所以轉(zhuǎn)換Un系統(tǒng)標(biāo)稱電壓為380V 來和設(shè)計規(guī)范進(jìn)行比較。計算得出電壓偏差值等于Un×∑Δu= 400*0.0487=19.48V，代入公式（1），計算Δu3-3。

單芯500mm2礦物絕緣電纜加大截面至雙拼300 mm2，并且將柴油發(fā)電機(jī)的出口電壓設(shè)置為400V，應(yīng)急負(fù)荷在高負(fù)載的情況下滿足國家規(guī)范要求，電壓偏差小于±5%。

然而在實(shí)際運(yùn)行時，用電負(fù)荷是在最大負(fù)荷和最小負(fù)荷之間變動的，供電系統(tǒng)末端的電壓偏差最大值與最小值會成為電壓偏差范圍，所以還需計算低負(fù)載率時的電壓偏差是否滿足設(shè)計規(guī)范。在低負(fù)載運(yùn)行時（客梯、廚房等設(shè)備停止運(yùn)行，僅消防等少量設(shè)備運(yùn)行），負(fù)載率很低，按高負(fù)載的20%來計算，低負(fù)載率應(yīng)急負(fù)荷功率為1216*20%=243.2kW，計算負(fù)荷電流I=462A，其余參數(shù)按方案三上述數(shù)據(jù)代入公式（2），計算Δu3-4。

將Δu3-2、Δu3-4累加，得出∑Δu

∑Δu= Δu3-2+Δu3-4= 0.22+4.03= 4.25%

同理轉(zhuǎn)換Un系統(tǒng)標(biāo)稱電壓為380V，計算得出電壓偏差值等于Un×∑Δu= 400*0.0425= 17V，代入公式（1），計算Δu3-5。

高負(fù)載及低負(fù)載時電壓偏差允許值均小于±5%。柴油發(fā)電機(jī)組400V 出口電壓并使用雙拼單芯300 mm2礦物絕緣電纜供電方案符合國家規(guī)范要求，方案三可行。

3.4 經(jīng)濟(jì)優(yōu)化供電方案計算分析：（方案四）

提高柴油發(fā)電機(jī)組出口電壓以及加大礦物絕緣電纜截面可以滿足國家規(guī)范要求，但是從降低造價、合理優(yōu)化的角度出發(fā)，僅提高柴油發(fā)電機(jī)組出口電壓，變電所至消防排水泵控制箱的電纜保持單芯500mm2礦物絕緣電纜不變，將所有數(shù)據(jù)代入公式（2），計算Δu4-2。

Δu4-1與Δu3-1相同，即Δu4-1=0.84%，將Δu4-1、Δu4-2累加，得出∑Δu

∑Δu= Δu4-1+Δu4-2= 0.84+6.98= 7.82%

同理轉(zhuǎn)換Un系統(tǒng)標(biāo)稱電壓為380V，計算得出電壓偏差值等于Un×∑Δu= 400*0.0782= 31.28V，代入公式（1），計算Δu4-3。

低負(fù)載率時的電壓偏差計算，Δu4-4與Δu3-4相同，即0.22%，Δu4-2不變，即6.98%，將Δu4-2、Δu4-4累加，得出∑Δu。

∑Δu= Δu4-2+Δu4-4= 0.22+6.98= 7.2%

同理轉(zhuǎn)換Un系統(tǒng)標(biāo)稱電壓為380V，計算得出電壓偏差值等于Un×∑Δu= 400*0.072= 28.8V，代入公式（1），計算Δu4-5。

高負(fù)載及低負(fù)載時電壓偏差允許值均小于±5%。柴油發(fā)電機(jī)組400V 出口電壓并使用單芯500mm2礦物絕緣電纜供電方案亦符合國家規(guī)范要求，方案四可行。

4 方案對比分析

四種供電方案比較：

序號 方案一 方案二 方案三 方案四 發(fā)電機(jī)出口電壓U V V V V 供電電纜 單芯 礦物絕緣電纜 單芯 礦物絕緣電纜 電壓損失 V V V V 供電電壓偏差 設(shè)備末端電壓 V V V V 國家規(guī)范要求 不滿足規(guī)范要求 不滿足規(guī)范要求 滿足規(guī)范要求 滿足規(guī)范要求 雙拼單芯礦物絕緣電纜 雙拼單芯礦物絕緣電纜

根據(jù)以上四個方案的最后計算結(jié)果，方案三和方案四均滿足規(guī)范要求，但方案四在滿足規(guī)范的同時更為經(jīng)濟(jì)合理。

5 改善電壓偏差的主要措施

在上述方案中主要運(yùn)用到兩個改善電壓偏差的措施：

5.1 正確選擇變壓器的變比和電壓分接頭，應(yīng)急電源時則正確選取柴油發(fā)電機(jī)組的出口電壓。

民用建筑項目10kV 配電變壓器選用無載調(diào)壓型，應(yīng)急電源常用柴油發(fā)電機(jī)組。根據(jù)項目現(xiàn)場實(shí)際配備的設(shè)備負(fù)荷復(fù)核計算，合理選擇電壓分接頭，改變變壓器的變比，同時設(shè)置好柴油發(fā)電機(jī)組的出口電壓，使出現(xiàn)最大負(fù)荷時的電壓負(fù)偏差與出現(xiàn)最小負(fù)荷時的電壓正偏差得到調(diào)整，使電壓偏差保持在正常合理的范圍內(nèi)。

5.2 降低系統(tǒng)阻抗

不僅項目設(shè)備負(fù)荷時常會有調(diào)整，供電導(dǎo)體的敷設(shè)線路也常有變化，所以需要根據(jù)實(shí)際情況更精準(zhǔn)的選用電纜等導(dǎo)體。盡量縮短線路長度，加大電纜等導(dǎo)體的截面，這是常規(guī)項目在施工階段改善電壓偏差可行性最強(qiáng)的措施。

結(jié)束語

現(xiàn)在高端酒店的建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，再配合精裝二次機(jī)電，綜合管線重新規(guī)劃敷設(shè)線路，管線路由需重新測量；同時酒店機(jī)電系統(tǒng)多樣、設(shè)備繁雜，設(shè)備選型參數(shù)調(diào)整都會影響設(shè)備功率；并且業(yè)主在項目不同階段需求時常發(fā)生變化，猶如泳池?zé)岜?、影音視聽系統(tǒng)、廚房配套設(shè)備等都是后期深化的重點(diǎn)區(qū)域；在施工過程中面對各類型的眾多調(diào)整，邊設(shè)計邊施工是復(fù)雜項目常態(tài)。深化設(shè)計在施工階段常駐項目，能夠及時掌握現(xiàn)場實(shí)際情況，并快速作出相應(yīng)的解決方案，將各類有調(diào)整的用電負(fù)荷進(jìn)行具體、詳盡的統(tǒng)計和計算，復(fù)核電壓偏差，考慮多種方案措施進(jìn)行對比分析，提出滿足規(guī)范、經(jīng)濟(jì)可行的方案。