北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 解 帥

1 供電電壓等級與容量

在進(jìn)行供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，用戶單位的供電電壓應(yīng)根據(jù)用電負(fù)荷計(jì)算容量、設(shè)備特征、供電距離、當(dāng)?shù)毓搽娋W(wǎng)及其發(fā)展規(guī)劃等因素綜合考慮供配電系統(tǒng)。高壓配電電壓有35kV、20kV、10kV、6kV 這四種選擇。如果變壓器容量在6000kVA 或8000kVA 及以上時，可選擇使用30kV 供電;用電設(shè)備總?cè)萘吭?00kW 及以上或變壓器容量在250kVA 及以上時，宜采用20（10、6）kV 供電。

以上幾種供電電壓均擁有較為豐富的配套產(chǎn)品，無論是設(shè)計(jì)規(guī)范還是應(yīng)用方案都已成熟，所以是目前民用建筑中常用的供電電壓等級。在具體民用建筑項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，供電局提供以及批復(fù)的供電方案多以10kV 電源為主。實(shí)際應(yīng)用時可參考表1的供電電壓等級使用標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際用電需求進(jìn)行調(diào)整即可。

表1 供電電壓等級使用標(biāo)準(zhǔn)

以《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB51348-2019（下稱標(biāo)準(zhǔn)）規(guī)定，在民用建筑應(yīng)用中，如變壓器的低壓側(cè)電壓為0.4kV，需要保證單臺變壓器容量控制在1250kVA 以內(nèi)[1]。我國城市發(fā)展迅速，為容納更多城市居民生活、工作，民用建筑規(guī)模也在不斷提升，實(shí)際用電量也有逐漸上升的趨勢。以北京為例，近些年建設(shè)的民用建筑絕大多數(shù)的變壓器，單臺容量已經(jīng)超過1250kVA，其他省份也有這種單臺電壓器容量提升的趨勢。結(jié)合實(shí)際工程需求，在考慮變壓器供電范圍和供電半徑情況下，結(jié)合繼電保護(hù)、低壓斷路器等內(nèi)容，可將單臺變壓器的使用最大容量調(diào)整到2000kVA。

《全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施電氣（2009）》中規(guī)定，超高層建筑除必須在地下層或建筑的首層設(shè)置主變配電室，建議以建筑物中負(fù)荷分布情況，在建筑的頂層或中間層設(shè)置分變配電室，保證建筑物的電力正常供應(yīng)[2]。同時，分變配電室使用的單臺變壓器，建議選擇小于等于500kVA 的容量，方便運(yùn)輸?shù)巾攲踊蛘咧虚g層，提高安裝便利性。而在實(shí)際民用超高層建筑建設(shè)中，在其避難層、設(shè)備層等擁有許多維持建筑物正常運(yùn)行的電氣設(shè)備，還有如空調(diào)、電梯等重要電氣設(shè)備，整個建筑物對于電力需求較大，所以常規(guī)的500kVA 容量變壓器會出現(xiàn)無法滿足實(shí)際用電需求。

在充分考慮到變壓器運(yùn)輸問題后，建議如果安裝在超高層建筑的避難層或頂層位置的變壓器，可選擇單臺容量上限為1000kVA 的變壓器，維持建筑物正常電力供應(yīng)。比如常見的SCB10-1000kVA、10kV 變壓器，實(shí)際重量低于3t、寬度不足1.4m，可選擇承重為3t 的貨梯就可實(shí)現(xiàn)將變壓器運(yùn)輸?shù)奖茈y層或頂層，進(jìn)行后續(xù)的安裝作業(yè)。

2 備用電源與應(yīng)急電源

對于備用電源與應(yīng)急電源，常見的設(shè)備有獨(dú)立于正常電源的專用饋電線路、柴油發(fā)電機(jī)組、蓄電池組。雖然兩者都是作為民用建筑一般電源的輔助電源，但存在一定的差異，使用不當(dāng)極易造成嚴(yán)重影響。根據(jù)《電工術(shù)語電氣裝置》（GB/T2900.71-2008）對于備用電源定義，在一般電源發(fā)生斷電情況時，用于維持建筑物電氣裝置正常運(yùn)行，或一些必要設(shè)施運(yùn)行使用的電源，就是備用電源?？衫斫鈧溆秒娫词穷A(yù)防一般電源在斷電等突發(fā)狀況時，保證建筑物內(nèi)重要設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)而提供的電源。比如2008年北京奧運(yùn)會，所有奧運(yùn)場館都將柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源使用，保障媒體轉(zhuǎn)播、比賽場地等設(shè)備的正常運(yùn)行。

備用電源在數(shù)據(jù)中心也有較高的應(yīng)用頻率。因?yàn)閿?shù)據(jù)中心擁有許多重要數(shù)據(jù)，一旦出現(xiàn)一般電源斷電，將會導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，會造成巨大影響。數(shù)據(jù)中心一般采用UPS 不間斷電源作為備用電源，可保證中斷電源的時間控制在毫秒級，保證數(shù)據(jù)的安全存儲，降低數(shù)據(jù)丟失概率。應(yīng)急電源的應(yīng)用目的則是保證建筑物中所有人員的安全，實(shí)現(xiàn)人員的疏散逃生。例如在一般電源發(fā)生斷電后，確保消防類設(shè)備正常運(yùn)行的電源就是應(yīng)急電源。消防水泵、防排煙風(fēng)機(jī)、消防卷簾等動力類設(shè)備一般采用柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急電源，應(yīng)急照明和疏散指示則是采用EPS 蓄電池的形式。

正因?yàn)閭溆秒娫春蛻?yīng)急電源存在應(yīng)用方面的區(qū)別，且根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，備用電源的負(fù)荷嚴(yán)禁接入應(yīng)急電源供電系統(tǒng)，所以在民用建筑的供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)特別注意，避免將兩者混用、誤用。如按備用電源和應(yīng)急電源分別獨(dú)立設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組，則易造成設(shè)備投資過大及供配電系統(tǒng)的復(fù)雜化。在實(shí)際工程應(yīng)用中，可采用設(shè)置一套柴油發(fā)電機(jī)組，通過設(shè)置備用母線段與應(yīng)急母線段，將備用負(fù)荷與應(yīng)急負(fù)荷完全分開的形式，滿足不同工況下的供電需求。且兩種負(fù)荷不會同時運(yùn)行，根據(jù)負(fù)荷較大者確定柴油發(fā)電機(jī)組的額定容量，避免柴油發(fā)電機(jī)組的規(guī)格選擇過大。

3 自啟動柴油發(fā)電機(jī)組

相較于遇到緊急情況，需要用到應(yīng)急電源，備用電源是在一般電源斷電時，維持民用建筑各類設(shè)備正常運(yùn)行，所以使用頻率較高，柴油發(fā)電機(jī)組研究更具有參考價(jià)值。現(xiàn)對最常用的自啟動柴油發(fā)電機(jī)組做詳細(xì)分析，方便供配電系統(tǒng)的安全使用。一般電源是與市電連接，由市電供給民用建筑的正常運(yùn)行。此時柴油發(fā)電機(jī)組是保持待機(jī)狀態(tài)，不參與到一般電源的電力供應(yīng)中。一般發(fā)生市電斷電的情況下，處于自啟動狀態(tài)的柴油發(fā)電機(jī)應(yīng)在30s 內(nèi)進(jìn)入供電狀態(tài)，代替一般電源，保證電力的正常供應(yīng)民用建筑各類設(shè)備運(yùn)行。啟動柴油發(fā)電機(jī)組信號擁有多種選擇（圖1）。

圖1 柴油發(fā)電機(jī)組啟動信號選擇

比如選擇低壓進(jìn)線斷路器輔助觸點(diǎn)，其是反映低壓進(jìn)線斷路器此刻狀態(tài)，受到失壓、維護(hù)等因素影響，反映在圖1中就是1QA、2QA 的運(yùn)行狀態(tài)檢測；或是選擇市電/發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換用ATSE 的市電側(cè)，其在圖1位于4QA 的下方位置，反映ATSE 市電側(cè)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。即便是受到任何因素影響，導(dǎo)致ASTE 市電側(cè)無法向民用建筑提供電力資源，柴油發(fā)電機(jī)組都可擁有立即啟動的運(yùn)行條件。雖然在實(shí)際運(yùn)行中擁有多種方式可選擇，但在實(shí)際應(yīng)用中更傾向于失壓信號[3]。

這種方法是自市電/發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換用ATSE 的市電側(cè)為準(zhǔn)，亦即通過判斷Ш 段母線，即應(yīng)急母線段中是否存在電力，選擇啟動柴油發(fā)電機(jī)組。因?yàn)閼?yīng)急母線段和民用建筑的重要負(fù)荷相連接，如果應(yīng)急母線段無電力供應(yīng)，重要負(fù)荷會同時停止運(yùn)行，這個時候的柴油發(fā)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)自啟動，并在較短時間內(nèi)恢復(fù)重要負(fù)荷的電力供應(yīng)。如果實(shí)際供應(yīng)電壓小于50%，就可認(rèn)為當(dāng)前供配電系統(tǒng)處于失壓狀態(tài)。而柴油發(fā)電機(jī)組啟動也需要預(yù)留一定的延時（通常為0～10s），目的讓多路市電獲得足夠時間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

例如圖1，如果一路電源進(jìn)入失電狀態(tài)，母聯(lián)3QA 會自行閉合，此時可通過另一路的電源維持民用建筑運(yùn)行。如果第二路電源也發(fā)生斷電，這時才可啟動柴油發(fā)電機(jī)，從而規(guī)避柴油發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)頻繁的誤啟動，影響其使用壽命。如果供配電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，導(dǎo)致1QA、2QA 產(chǎn)生動作，拾取點(diǎn)4QA的下方電壓則會檢測為零。這時應(yīng)通過預(yù)先設(shè)置故障閉鎖功能，避免出現(xiàn)柴油發(fā)動機(jī)組自行啟動[4]。

4 低壓斷路器與母聯(lián)斷路器的聯(lián)鎖控制

如果民用建筑的低壓配電系統(tǒng)性質(zhì)為兩路電源，并通過單母線進(jìn)行分段，在中間區(qū)域設(shè)置母聯(lián)斷路器時，會讓兩個進(jìn)線斷路器和母聯(lián)斷路器在實(shí)際應(yīng)用中最多僅有兩個斷路器進(jìn)行閉合，所以進(jìn)行自投控制的進(jìn)線斷路器建議選擇失壓脫扣模式。如果當(dāng)失壓脫扣模式無法滿足建筑物的電力供應(yīng)需求，也可應(yīng)用分勵脫扣模式[5]。

如圖1所示，對于進(jìn)線斷路器1QA、2QA，是與母聯(lián)斷路器3QA 存在如表2所示的邏輯關(guān)系，由進(jìn)線斷路器運(yùn)行狀態(tài)，對于母聯(lián)斷路器的運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生直接影響。母聯(lián)斷路器3QA 應(yīng)具備“自投自復(fù)”、“自投手復(fù)”、“自投停用”等功能，且發(fā)生自投時應(yīng)有一定的延時，當(dāng)主電源斷路器1QA、2QA因手動、過載、短路故障，導(dǎo)致出現(xiàn)分閘故障時，母聯(lián)斷路器3QA 不得自動合閘。其中，1代表斷路器處于閉合狀態(tài)，0代表斷路器處于斷開狀態(tài)。

表2 進(jìn)線斷路器與母聯(lián)斷路器的運(yùn)行邏輯

例如2022年北京冬季奧運(yùn)會，在各個奧運(yùn)場館應(yīng)用的低壓配電系統(tǒng)中，對于進(jìn)線斷路器與母聯(lián)斷路器進(jìn)行聯(lián)鎖就是利用分勵脫扣模式。通過動作的延時效果，保證動作運(yùn)行可靠性?？墒欠謩蠲摽墼O(shè)置需要多個環(huán)節(jié)相互影響，會對整個系統(tǒng)運(yùn)行可靠性造成影響。也可考慮應(yīng)用失壓脫扣的直接收集電壓信號模式，保證系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

5 突然斷電會造成比過負(fù)荷更大損失的線路過負(fù)荷保護(hù)

在《標(biāo)準(zhǔn)》中明確規(guī)定，對于突然斷電比過負(fù)荷造成損失更大的線路，不應(yīng)設(shè)置過負(fù)荷保護(hù)。這種規(guī)定是在民用建筑供配電系統(tǒng)建設(shè)中強(qiáng)制落實(shí)的內(nèi)容，必須做到嚴(yán)格執(zhí)行。同時《標(biāo)準(zhǔn)》也作出相應(yīng)的補(bǔ)充說明，對于民用建筑，主要針對消防動力設(shè)備如消防水泵、防排煙風(fēng)機(jī)等消防設(shè)備配電線路，此類設(shè)備平時不運(yùn)行，如發(fā)生電動機(jī)軸封銹蝕造成啟動時間過長、啟動電流過大，斷路器的過負(fù)荷保護(hù)可能跳閘，火災(zāi)時不能正常啟動，對民用建筑造成更大的損失。

對于消防電機(jī)類負(fù)荷不建議安裝過負(fù)荷保護(hù)。如果已安裝了過負(fù)荷保護(hù)，可將過負(fù)荷保護(hù)應(yīng)用在報(bào)警信號上，則不會影響設(shè)備的正常啟動，也可對值班人員產(chǎn)生醒目警示，提醒其對疑似故障位置進(jìn)行檢查，對于安全故障及時排除。

對于實(shí)現(xiàn)《標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定可選擇以下方式落實(shí)：應(yīng)用單磁斷路器和熱繼電器的組合模式。斷路器應(yīng)用在短路保護(hù)上，而過負(fù)荷報(bào)警則由熱繼電器負(fù)責(zé)管控。在供配電系統(tǒng)發(fā)生過負(fù)荷時，首先熱繼電器產(chǎn)生影響動作，而中間繼電器的線圈也會帶電，繼電器在閉合觸點(diǎn)后，會接通聲光報(bào)警信號，通知值班人員處理問題；應(yīng)用單磁斷路器和智能儀表的組合模式。對于智能儀表干接點(diǎn)，其負(fù)責(zé)向供配電系統(tǒng)輸出信號，負(fù)責(zé)報(bào)警提示。比如PD194Z系列的電力儀表，就擁有開關(guān)量輸出，儀表容量為AC 5A/250V、DC 5A/30V。通過智能儀表聚寶源的干接點(diǎn)，取代動合觸點(diǎn)，讓供配電系統(tǒng)具有過負(fù)荷報(bào)警能力。所以要求設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)期間就在設(shè)計(jì)圖紙上進(jìn)行標(biāo)明，寫清楚干接點(diǎn)輸出應(yīng)具備哪些條件，采集人員也需以設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行配件采購。配電線路使用的保護(hù)電器如果存在差異，智能儀表干接點(diǎn)的輸出條件同樣會受到影響。建議若輸出條件為超過保護(hù)電器的預(yù)設(shè)值、但卻低于與E 保護(hù)電器的約定脫扣電流時，只要供配電系統(tǒng)中的負(fù)荷電流超過脫扣電流保護(hù)電器就應(yīng)開始動作，對存在問題的故障回路及時切斷，避免影響其他區(qū)域。