某境外重要辦公建筑電氣設(shè)計淺析

張 強

(中國能源建設(shè)集團 江蘇省電力設(shè)計院有限公司, 江蘇 南京 211100)

0 引 言

作為國際交往的重要場所和外交人員的辦公地點,外交機構(gòu)建筑對供配電可靠性的要求不言而喻。境外建筑可能建設(shè)在世界上任何一個國家或者地區(qū),應(yīng)適應(yīng)當?shù)夭煌沫h(huán)境氣候特征,比如海拔、溫度、濕度、地震烈度等情況,也必須調(diào)查當?shù)氐碾娏?、通信等基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)格制式與之匹配。本文結(jié)合境外重要辦公建筑設(shè)計中的實際情況,結(jié)合當?shù)貧夂蚝突A(chǔ)設(shè)施條件,分析總結(jié)了幾個設(shè)計特點,以期為今后的工程項目提供設(shè)計思路的參考。

1 工程概況

該工程位于埃塞俄比亞首都亞的斯亞貝巴,該市平均海拔2 450 m,月平均最高溫度為24～27 ℃,月平均最低溫度為7～10 ℃。極端最高溫度為34 ℃,極端最低溫度為0 ℃(山頂),相對濕度不大于95%(日平均)。

本工程總建筑面積為26 000 m2。主要建筑單體經(jīng)濟指標如表1所示。

表1 主要建筑單體經(jīng)濟指標

項目按照中國規(guī)范進行設(shè)計,并考慮當?shù)毓╇娂坝秒姷奶攸c。

2 高可靠性的供配電系統(tǒng)

本工程館員住宅樓為一類高層民用建筑,辦公樓為二類高層民用建筑[1]。另外結(jié)合業(yè)主需求,確定負荷分級如下:(1) 特級負荷:辦公樓專用機房用電;(2) 一級負荷:消防設(shè)備(消防水泵、風機、應(yīng)急照明及火災(zāi)自動報警系統(tǒng)等),會議廳照明,安保系統(tǒng),計算機系統(tǒng),航空障礙燈,住宅樓客梯,排水泵,走道照明等;(3) 二級負荷:辦公樓普通客梯,生活水泵,廚房用電,多功能廳用電等;(4) 三級負荷:不屬于一二級的負荷。

該市市政供電電壓中壓為15 kV,低壓為0.4/0.23 kV,頻率為50 Hz。該市電力設(shè)施水平落后,日平均停電頻率可達3～5次,一般重要辦公及商業(yè)場所都自備柴油發(fā)電機。本項目業(yè)主提出全部用電負荷都需要自備電源保障。

根據(jù)業(yè)主提供的項目可行性研究報告中的供電方案,兩路電源采取冗余設(shè)計,即其中一路故障時,另一路可以帶全部負荷。根據(jù)以上條件及分析,提出本項目的供電方案。

由市政電網(wǎng)上級變配電站引來兩路15 kV電源(目前該市已建成兩個發(fā)電廠,兩路電源可以引自不同電廠形成雙重電源),一路正常主供可帶全部負荷,一路作備用也可以帶全部負荷。兩路進線通過兩個負荷開關(guān)組成中壓TSE,手動投切,電氣聯(lián)鎖,任何情況下只能接通其中的1個開關(guān)。

設(shè)置兩臺15/0.4 kV變壓器,容量采取冗余設(shè)計,即一臺變壓器檢修時,另一臺可以帶全部負荷。變壓器低壓側(cè)采取單母線分段加手動聯(lián)絡(luò)方式,電氣加機械聯(lián)鎖,平時分列運行,日常負載率不大于50%。

設(shè)置兩臺柴油發(fā)電機組并機運行,作為兩路市電的第三電源,并機容量可以帶全部負荷。當兩臺變壓器主開關(guān)同時失電時,15～30 s內(nèi)自動起動柴油發(fā)電機。供配電系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖1所示。圖1中,斷路器①～⑤采取手動操作,但需通過PLC連鎖避免不正確的分合閘操作。電源供電情況及連鎖開關(guān)狀態(tài)表如表2所示。

圖1 供配電架構(gòu)示意圖

表2 電源供電情況及連鎖開關(guān)狀態(tài)表

柴油發(fā)電機啟動信號來自于變壓器與發(fā)電機聯(lián)絡(luò)的ATSE的輔助干接點。柴油發(fā)電機起動邏輯如表3所示。

表3 柴油發(fā)電機起動邏輯

3 高海拔降容設(shè)計

高壓電器、開關(guān)設(shè)備及導(dǎo)體正常使用環(huán)境海拔不應(yīng)超過1 000 m,當超過時應(yīng)選用相應(yīng)海拔適應(yīng)能力級別的產(chǎn)品。高海拔對高壓電器和開關(guān)設(shè)備的影響是多方面的,主要包括電暈、溫升和外絕緣的問題[2]。以本項目變壓器容量的選取和柴油發(fā)電機容量的選取為例,分析一下高原降容問題。

3.1 變壓器高原降容

變壓器容量估算在方案階段采用單位面積指標法,施工圖階段采用需要系數(shù)法,本文將單位面積指標法的計算分析過程列出,主要突出高原降容部分的設(shè)計要點。

項目建筑總面積S=26 000 m2,變壓器裝機容量指標擬取90 VA/m2,負載率考慮取85%,則計算負荷為

Pjs=26 000×0.09×0.85=1 989 kVA

初步選取2×2 000 kVA變壓器(容量冗余設(shè)計),則單獨運行帶全部負荷時負載率為99.5%;平時分列運行時單臺負載率為49.75%,滿足要求。但是應(yīng)注意到一般設(shè)計的變壓器是在海拔1 000 m處運行,當海拔超過1 000 m時,每100 m為一級,干式變壓器的溫升限值按下列數(shù)值相應(yīng)降低[3]:自冷式變壓器下降0.5%;風冷式變壓器下降1%。

該項目選用風冷式干式變壓器,溫升修正系數(shù)K為

1臺變壓器在某一冷卻方式及所規(guī)定的容量下運行時,能保證溫升不超過規(guī)定的限制,在最大冷卻能力下的相應(yīng)容量便是變壓器的額定容量。那么高海拔使用變壓器時,利用溫升修正系數(shù)修正額定容量,便可以確定變壓器實際容量了。以上分析可知,2 000 kVA變壓器經(jīng)高海拔修正后容量明顯小于計算負荷,變壓器過載無法持續(xù)運行,現(xiàn)計算2 500 kVA變壓是否滿足要求。2 500 kVA經(jīng)高海拔修正后容量為2 137.5 kVA,則單臺獨立帶全部負載時負載率為93%,平時分列運行時單臺負載率為46.5%,滿足要求。最終確定該項目采用2×2 500 kVA容量配置的變壓器組。

3.2 柴油發(fā)電機高原降容分析

隨著海拔高度升高,空氣密度相應(yīng)降低,氧氣含量減少,柴油機燃燒效率下降,因而會降低輸出功率。隨著環(huán)境溫度的升高,空氣密度相應(yīng)降低,對柴油發(fā)電機的輸出功率也有同樣的影響[4]。GB 51348—2019《民用建筑電氣設(shè)計標準》(簡稱《民標》)[5]條文說明第6.1.3條中的表2～表5給出了大氣溫度及海拔對柴油發(fā)電機功率的修正方法。結(jié)合本項目,當?shù)胤趾涤陜杉?旱季相對濕度為40%～60%,雨季相對濕度為65%～85%,最高達95%;另外本項目中的柴油發(fā)電機選用增壓型機組,可以利用GB 51348—2019《民用建筑電氣設(shè)計標準》中的表4 相對濕度60%增壓柴油機功率修正系數(shù)C。下面僅選取表格中臨近本項目情況的部分予以分析,海拔高度取2 450 m,大氣溫度取34 ℃,使用兩次插值法可取得修正系數(shù)。相對濕度60%增壓柴油機功率修正系數(shù)C計算(插值法)如表4所示。

表4 相對濕度60%增壓柴油機功率修正系數(shù)C計算(插值法)

表5 變電所至門衛(wèi)區(qū)最遠一處插座電壓損失計算

根據(jù)計算,海拔2 450 m處,大氣溫度34 ℃,相對濕度60%的條件下,增壓型柴油發(fā)電機功率修正系數(shù)C為0.71。

規(guī)范中給出的計算方法是一種通用方法,不同品牌的柴油發(fā)電機組要參考生產(chǎn)廠的功率修正曲線來計算降容后的實際功率?？得魉钩Ｓ霉β? 500 kW柴油發(fā)電機高原功率折損曲線如圖2所示。

圖2 康明斯常用功率1 500 kW柴油發(fā)電機高原功率折損曲線

圖2給出了環(huán)境溫度分別為25 ℃、40 ℃、50 ℃、55 ℃時的曲線。分析該曲線可知,海拔高度2 450 m,環(huán)境溫度40 ℃時,康明斯常用功率1 500 kW的柴油發(fā)電機功率折損系數(shù)約為18%,則功率修正系數(shù)C=1-18%=0.82。

《民標》中的功率修正方法降低偏大,可能導(dǎo)致發(fā)電機功率選型偏大。本項目采用廠家修正曲線計算,兩臺常用功率1 500 kW發(fā)電機,并機折算系數(shù)考慮0.95。則并機輸出功率為2 337 kW,計算負荷考慮補償后功率因數(shù)為0.95,則計算有功功率為1 889.6 kW,則發(fā)電機負載率為80.9%。

樣本中給出的常用功率的定義是:在變負荷工況下,每年運行時間不受限制,24 h運行周期內(nèi)平均輸出功率不超過標定功率的70%,過載能力是每12 h允許1 h超載10%。考慮到本項目運營的特性,24 h內(nèi)并非持續(xù)運行,而且當?shù)毓╇娀謴?fù)時間一般不超過1天,故以上選型可以滿足需求。

選用常用功率1 200 kW的康明斯發(fā)電機。康明斯常用功率1 200 kW柴油發(fā)電機高原功率折損曲線如圖3所示。

圖3 康明斯常用功率1 200 kW柴油發(fā)電機高原功率折損曲線

由圖3的曲線可知,海拔高度為2 450 m,環(huán)境溫度為40 ℃時,康明斯常用功率1 200 kW的柴油發(fā)電機功率折損系數(shù)約為24%,則功率修正系數(shù)C為0.76。

兩臺常用功率1 200 kW發(fā)電機并機輸出功率為1 732.8 kW,負載率為1.09%,不滿足要求。

因此,兩臺常用功率1 500 kW柴油發(fā)電機并機使用,可滿足本項目停電時全部負荷的使用需求。

4 合理規(guī)劃主機房

項目建筑電氣設(shè)計方案總平面圖如圖4所示。由圖可知,主要用電負荷集中在住宅樓和辦公樓,按照深入負荷中心的原則,主機房設(shè)置在館員住宅樓比較合理。但是使用方提出以下要求:① 當?shù)厥姓z修人員不應(yīng)進入內(nèi)部活動區(qū)域(即辦公與生活區(qū)域),故需要與重要單體建筑完全分開;② 因為經(jīng)常停電,柴油發(fā)電機頻繁起動運行,為避免噪聲污染也須避開辦公及生活區(qū)域。考慮到柴油發(fā)電機房宜靠近變電所,可減少母線長度降低造價。綜合以上因素,最終選定多功能球場地下室劃出設(shè)備用房區(qū),設(shè)置變電所及柴油發(fā)電機房;宿舍樓、辦公樓和接待樓設(shè)置低壓總配電間。

圖4 項目建筑電氣設(shè)計方案總平面圖

該方案主機房偏居一隅,線路電壓損失及接地故障電流較小斷路器無法脫扣的問題比較突出,下面舉出其中一例計算過程做出分析。

4.1 電壓損失計算

變電所至門衛(wèi)區(qū)最遠一處插座電壓損失計算如表5所示。表5給出了從變電所低壓柜饋線斷路器出口,到門衛(wèi)區(qū)最遠一處分配電箱配出的最遠末端插座的完整配電回路的電壓降計算,該回路是本工程最遠配電回路之一。

表5中,序號1和2線纜采用1 kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜,三相380 V配電,電壓損失系數(shù)由《工業(yè)與民用供配電設(shè)計手冊(第四版)》表9.4-19中查得;序號3線纜采用聚氯乙烯絕緣銅芯電線,單相220 V配電,電壓損失系數(shù)由《建筑電氣常用數(shù)據(jù)》19DX101-1表3.24中查得。

變電所至門衛(wèi)區(qū)最遠一處插座的總體電壓損失為

Δu%=Δu1%+Δu2%+Δu3%=4.63%。

計算結(jié)果小于5%,滿足規(guī)范要求。觀察各個區(qū)段的電壓損失值也可以看出,序號1這段敷設(shè)長度為320 m的電纜上的電壓損失為主要部分,該段電纜并未按照載流量為主要因素選型,而是為了降低電壓損失做了截面放大的設(shè)計。

4.2 接地故障保護計算分析

表5中序號1回路計算電流為126.6 A,可選用脫扣器額定電流為160 A的斷路器,下面以施耐德NSX塑殼斷路器為例分析選型過程。

如果選用熱磁脫扣單元TM,查詢樣本發(fā)現(xiàn)額定電流160 A的短路保護(磁保護)不可調(diào),脫扣電流為1 250 A,查詢19DX101-1表4.31 220/380 V TN系統(tǒng)內(nèi)用斷路器作故障保護時銅芯電纜最大允許長度。動作電流1 250 A和導(dǎo)體截面120 mm2的條件下,最大允許長度為169 m,結(jié)果低于設(shè)計敷設(shè)長度320 m,故兩段式保護(熱磁脫扣器)斷路器無法保護該回路,需考慮短延時保護作為故障防護。

如果選用電子脫扣單元Micrologic 5,查詢樣本短路短延時可以0.5倍Ir為步長進行微調(diào)。最小接地故障電流為

(1)

式中:U0——相對地標稱電壓,取220 V;

S——相導(dǎo)體截面積,取120 mm2;

k1——電纜電抗校正系數(shù),取0.96;

k2——多根相導(dǎo)體并聯(lián)使用的校正系數(shù),本例為單根電纜,取值為1;

ρ——20 ℃時的導(dǎo)體電阻率,取1/54 Ω·mm2/m;

m——材料相同的每相導(dǎo)體總截面積與PE導(dǎo)體截面積之比,本例為95/50。

其中,0.8～1為電源側(cè)阻抗系數(shù),本例中故障點遠離配電變壓器、變壓器容量較大,擬取較高值0.95。

將以上數(shù)據(jù)代入后計算結(jié)果如下:

0.96×1=739.4 A

如采用三級電子脫扣器,尚需考慮動作誤差系數(shù)krel=1.1,及斷路器動作系數(shù)kop=1.2。

短延時整定電流取值如下:

額定電流160 A塑殼斷路器電子脫扣單元短延時應(yīng)按3.5lr(3.5×160=560)整定。

5 結(jié) 語

境外建筑項目的供配電設(shè)計須根據(jù)當?shù)丨h(huán)境氣象、市政配套設(shè)施等條件,結(jié)合業(yè)主使用需求綜合考慮。市政供電設(shè)施不穩(wěn)定時,自備電源是保障供電可靠性的重要手段。高海拔區(qū)域需選用相應(yīng)海拔適應(yīng)能力級別的電氣設(shè)備,特別要注意高海拔條件對溫升、外絕緣等特性的影響。低壓配電需注意控制供電半徑,供電距離較長時應(yīng)注意校驗電壓損失、接地故障靈敏度等設(shè)計條件。