再論民用建筑?中供配電系統(tǒng)若干問題的思考
再論民用建筑中供配電系統(tǒng)若干問題的思考
李炳華 中建國際設(shè)計(jì)顧問有限公司
（北京 100013）
摘要 本文著重分析和討論了民用建筑電氣中20kV供電電壓等級、單臺變壓器容量、備用電源和應(yīng)急電源、自啟動柴油發(fā)電機(jī)組的啟動信號、低壓斷路器與母聯(lián)斷路器的聯(lián)鎖控制、低壓斷路器電子脫扣器的使用、突然斷電比過負(fù)荷造成的損失更大的線路過負(fù)荷保護(hù)等問題，并給出了這些問題的建議性答案，供建筑電氣從業(yè)人員討論和研究。
關(guān)鍵詞 供配電系統(tǒng) 20kV 變壓器容量 備用電源 應(yīng)急電源 電子脫扣器 過負(fù)荷保護(hù) 聯(lián)鎖
2008年，《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》JGJ 16-2008（簡稱“民規(guī)”）頒布執(zhí)行了，全國各地掀起宣貫熱潮。2009年，住房及城鄉(xiāng)建設(shè)部頒布了《全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施——電氣》2009版（簡稱“措施”）。在執(zhí)行、應(yīng)用“民規(guī)”和“措施”的過程，有些問題值得大家思考。去年筆者發(fā)表了“民用建筑中供配電系統(tǒng)若干問題的思考”[1]的論文，頗受行業(yè)同仁關(guān)注，本文將結(jié)合工程實(shí)際，再對民用建筑電氣中供配電系統(tǒng)若干問題進(jìn)行分析，供大家批判和思考。
1關(guān)于20kV供電電壓等級
我們經(jīng)常會用到10kV、35kV供電電壓等級，配套產(chǎn)品十分豐富，設(shè)計(jì)規(guī)范和設(shè)計(jì)方法比較成熟。但是近年來，20kV供電電壓得到應(yīng)用，許多新問題需要解決，尤其產(chǎn)品配套、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)成為制約的主要因素。其實(shí)國家電網(wǎng)公司早在2007年就下達(dá)了“關(guān)于推廣20kV電壓等級的通知”，國家標(biāo)準(zhǔn)《標(biāo)準(zhǔn)電壓》GB 156-2007也已經(jīng)將20kV列入國家標(biāo)準(zhǔn)的電壓等級。江蘇省、浙江省等地制定了相關(guān)20kV標(biāo)準(zhǔn)，對規(guī)范、促進(jìn)20kV電壓等級的應(yīng)用提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。目前，CCDI正在設(shè)計(jì)的杭州體育場、網(wǎng)球場等項(xiàng)目已經(jīng)成功的采用20kV電壓等級的系統(tǒng)。
供電電壓等級應(yīng)根據(jù)用電最大需量、用電設(shè)備容量或變壓器總?cè)萘?、?dāng)?shù)仉娋W(wǎng)條件等確定，并征得當(dāng)?shù)毓╇娭鞴懿块T的同意。除有特殊需要，供電電壓等級可參照表1確定。
表1 供電電壓等級的確定
|
供電電壓等級（kV） |
變壓器總?cè)萘浚?/span>kVA） |
備注 |
|
10 |
100~8000 |
每路10kV電源最大不宜大于12000kVA |
|
20 |
200~16000 |
每路20kV電源最大不宜大于24000kVA |
|
35 |
5000~40000 |
|
|
110 |
20000~100000 |
2關(guān)于單臺變壓器容量
“民規(guī)”第 4.3.6條規(guī)定，“變壓器低壓側(cè)電壓為0.4kV時，單臺變壓器容量不宜大于1250kVA”。目前，民用建筑規(guī)模越來越大，用電量不斷增加，CCDI近年來完成的工程，多半變壓器單臺容量大于1250kVA。其他設(shè)計(jì)院也有類似的情況?；跀?shù)十年工程應(yīng)用的成功經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)為，變壓器低壓側(cè)電壓為0.4kV時，單臺變壓器容量不宜大于2000kVA。
“措施”第2.4.2條第7款規(guī)定，“超高層建筑，除在地下層或首層設(shè)置主變配電室外，宜根據(jù)負(fù)荷分布情況，在頂層或中間層設(shè)置分變配電室，此分變配電室的單臺變壓器容量宜為500kVA及以下，以便運(yùn)輸和安裝。”超高層建筑的避難層或設(shè)備層不僅有電氣設(shè)備，還有空調(diào)設(shè)備、各種水泵、電梯等設(shè)備，有些設(shè)備用電量較大，500kVA的變壓器時常不滿足需要。結(jié)合運(yùn)輸問題，建議將安裝于超高層建筑避難層或頂層的變壓器單臺容量改為不宜大于1000kVA。表2為三款1000kVA變壓器的主要參數(shù)，SGB10-1000kVA、10kV的變壓器重量不足3噸，其重量只有SCB10同規(guī)格的80%。寬度只有1.35米，采用3噸的貨梯即可解決垂直運(yùn)輸問題。
表2 變壓器的體積和重量
|
型號 |
Uk（%） |
Po（W） |
Pk（W） |
LPA（dB） |
絕緣等級 |
L×B×H（mm） |
重量（kg） |
|
|
SCB10-1000/10 |
6 |
1650 |
7090 |
50 |
F |
2000×1400×1915 |
3395 |
A |
|
SGB10-1000/10 |
6 |
1720 |
9545 |
51 |
H |
1900×1350×1655 |
2730 |
80.4% A |
|
SCB10-1000/35 |
6 |
2587 |
10877 |
53 |
F |
2690×1700×2350 |
4330 |
|
3關(guān)于備用電源和應(yīng)急電源
備用電源和應(yīng)急電源容易混淆，如應(yīng)用不當(dāng)會導(dǎo)致嚴(yán)重后果。《電工術(shù)語電氣裝置》GB/T2900.71-2008/IEC 60050-826:2004對備用電源做如下定義，當(dāng)正常電源斷電時，由于非安全原因用來維持電氣裝置或其某些部分所需的電源叫做備用電源。因此，備用電源是在正常電源斷電時為了生產(chǎn)、經(jīng)營等非安全因素繼續(xù)為某些設(shè)備供電的電源。北京奧運(yùn)會期間，各奧運(yùn)場館都采用了柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源為比賽工藝負(fù)荷、媒體轉(zhuǎn)播負(fù)荷供電。備用電源在數(shù)據(jù)中心也得到廣泛應(yīng)用，數(shù)據(jù)機(jī)房中采用柴油發(fā)電機(jī)組不是為了人員疏散、逃生等安全因素而設(shè)立的，而是為了防止數(shù)據(jù)丟失、維持?jǐn)?shù)據(jù)中心繼續(xù)運(yùn)行而設(shè)立的，因此數(shù)據(jù)中心采用的柴油發(fā)電機(jī)組是典型的備用電源。
民用工程中經(jīng)常采用柴油發(fā)電機(jī)組為消防負(fù)荷供電，即為了人員安全疏散、安全逃生而設(shè)立的，這種情況下的柴油發(fā)電機(jī)組就是應(yīng)急電源，其英文名稱為electric source for safety services，從英文術(shù)語足以看出應(yīng)急電源是為安全而設(shè)置的電源?！峨姽ばg(shù)語電氣裝置》GB/T2900.71-2008/IEC 60050-826:2004給出了應(yīng)急電源的定義，即用作應(yīng)急供電系統(tǒng)組成部分的電源。如當(dāng)正常電源斷電后，為了供消防類負(fù)荷連續(xù)工作的電源是典型的應(yīng)急電源。
因此，通過前面分析，我們可以比較一下備用電源與應(yīng)急電源的異同點(diǎn)，見表3。
表3 備用電源與應(yīng)急電源的比較
|
電源類型 |
備用電源 |
應(yīng)急電源 |
備注 |
|
正常電源狀態(tài) |
停電 |
停電 |
兩者都是在正常電源停電時才投入使用 |
|
供電時間 |
可能很長，如T4級數(shù)據(jù)機(jī)房柴油發(fā)電機(jī)組的用油量達(dá)96h |
滿足人員疏散、救災(zāi)即可 |
|
|
轉(zhuǎn)換時間 |
可以長，也可以短 |
短 |
|
|
設(shè)置目的 |
非安全因素，如營業(yè)、生產(chǎn) |
安全原因，如疏散 |
|
|
作為電源的設(shè)備 |
獨(dú)立市電、發(fā)電機(jī)等 |
柴油發(fā)電機(jī)、蓄電池等 |
|
|
容量 |
按備用負(fù)荷計(jì)算 |
按應(yīng)急負(fù)荷計(jì)算確定 |
新版的《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定備用系統(tǒng)要與應(yīng)急系統(tǒng)分開設(shè)置，凸顯兩類系統(tǒng)性質(zhì)不同，應(yīng)區(qū)別對待。但是當(dāng)備用電源能滿足應(yīng)急電源條件時，備用電源可以兼做為應(yīng)急電源，避免重復(fù)設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組等應(yīng)急電源。
4關(guān)于自啟動柴油發(fā)電機(jī)組的啟動信號
當(dāng)市電停電后，要自動啟動柴油發(fā)電機(jī)組，其啟動信號有多種取法，有取自高壓側(cè)，也有取自低壓側(cè)，其特點(diǎn)見表4所示。
表4 自啟動信號拾取點(diǎn)分析
|
序號 |
信號拾取點(diǎn) |
特點(diǎn) |
|
1 |
高壓的進(jìn)線PT |
反映電源的狀態(tài) |
|
2 |
高壓進(jìn)線斷路器輔助觸點(diǎn) |
反映進(jìn)線斷路器的狀態(tài)，斷路器的狀態(tài)與失壓、維護(hù)、保護(hù)動作等因素有關(guān)。 |
|
3 |
低壓進(jìn)線電壓 |
反映低壓側(cè)電源的狀態(tài)，但高壓的檢修、變壓器的故障也影響拾取信號。 |
|
4 |
低壓進(jìn)線斷路器輔助觸點(diǎn) |
反映低壓進(jìn)線斷路器的狀態(tài)，斷路器的狀態(tài)與失壓、維護(hù)、保護(hù)動作等因素有關(guān)，即圖1中1QF、2QF的狀態(tài)。 |
|
5 |
市電/發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換用ATSE的市電側(cè) |
即圖1所示4QF下端，反映ATSE市電側(cè)的狀態(tài)，不管什么原因，ASTE市電側(cè)沒有電了，柴油發(fā)電機(jī)組才具備啟動條件。 |
這幾種方式均可行，筆者更偏愛采用失壓信號，其取自市電/發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換用ATSE的市電側(cè)，即判斷應(yīng)急母線段（III段母線）是否有電，正是因?yàn)橹匾?fù)荷接到了應(yīng)急母線段上，當(dāng)應(yīng)急母線段上沒有電時，才可以啟動柴油發(fā)電機(jī)并在規(guī)定的時間內(nèi)向負(fù)荷供電。當(dāng)實(shí)際電壓低于50%Ue時，可以認(rèn)為失壓。
啟動柴油發(fā)電機(jī)組還應(yīng)有適當(dāng)?shù)难訒r，延時的目的是要讓多路市電有充足的轉(zhuǎn)換時間，如圖1中，一路失電后，母聯(lián)3QF閉合，由另一路電源供電，等第二路電源再斷電后，才可自動啟動發(fā)電機(jī)。避免機(jī)組頻繁誤啟動。
當(dāng)故障時，造成1QF、2QF動作，反映到拾取點(diǎn)4QF下端電壓為零，此時應(yīng)具有故障閉鎖功能，不應(yīng)自動啟動發(fā)動機(jī)。
總之，應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的自啟動信號應(yīng)取自相關(guān)市電的失電信號，具有一定的延時，延時時間應(yīng)能躲過多路市電之間的轉(zhuǎn)換，并具有故障閉鎖功能。
圖1 柴油發(fā)電機(jī)組啟動信號的拾取
5關(guān)于低壓斷路器與母聯(lián)斷路器的聯(lián)鎖控制
當(dāng)?shù)蛪号潆娤到y(tǒng)為兩路電源采用單母線分段、中間設(shè)母聯(lián)斷路器時，兩個進(jìn)線斷路器與母聯(lián)斷路器在任何時候最多只能有兩個斷路器閉合，其自投控制的進(jìn)線斷路器宜采用失壓脫扣，當(dāng)失壓脫扣不能滿足要求時，也可采用分勵脫扣。
如圖1所示，進(jìn)線斷路器1QF、2QF和母聯(lián)斷路器3QF有表5所示的邏輯關(guān)系，進(jìn)線斷路器的狀態(tài)決定母聯(lián)斷路器的狀態(tài)。
表5 進(jìn)線斷路器1QF、2QF和母聯(lián)斷路器3QF的邏輯關(guān)系
|
1QF |
2QF |
3QF |
說明 |
|
1 |
1 |
0 |
兩路市電均有電，母聯(lián)斷開 |
|
1 |
0 |
1 |
市電1有電，市電2斷開，母聯(lián)閉合 |
|
0 |
1 |
1 |
市電2有電，市電1斷開，母聯(lián)閉合 |
|
0 |
0 |
- |
兩路市電均沒電，母聯(lián)閉合、斷開不重要 |
注：1——斷路器閉合；2——斷路器斷開。
北京奧運(yùn)會期間，實(shí)現(xiàn)進(jìn)線斷路器和母聯(lián)斷路器的自投關(guān)系采用的是分勵脫扣，為的是有一定延時，達(dá)到可靠動作的目的。但是，分勵脫扣方式是間接判斷電源是否失電，環(huán)節(jié)較多，可靠性有所降低。而失壓脫扣最直接的采集電壓信號，可靠性大大提高。圖2以MT框架斷路器的P型控制單元、配以M2C觸點(diǎn)和Zelio logic（微型PLC）為例，說明失壓脫扣的原理，圖中U1和U2分別取自兩路電源，采集信號直接、簡單，無需互感器，電壓可100V~380V可調(diào)，延時可達(dá)5秒。
圖2 MT斷路器失壓脫扣方案
6關(guān)于低壓斷路器電子脫扣器的使用
|
|
2008年北京奧運(yùn)會開幕前，國家體育場、國際會議中心IBC等場館發(fā)生多起電子脫扣器誤動作現(xiàn)象，造成用戶的投訴，影響很壞。所發(fā)現(xiàn)的問題都是出現(xiàn)在大容量的電子脫扣器工作在小電流時，工作電流均小于額定電流的20%以下。根據(jù)所發(fā)現(xiàn)的問題，北京市2008奧運(yùn)場館指揮部辦公室組織專家會審，并提出解決方案和措施。圖3所示這類電子脫扣器的原理框圖，電子脫扣器只有一個空心電流互感器，為電子脫扣器的保護(hù)、測量功能提供信號和電源，在大電流情況下，空心CT線性度好，精度高。但是在小電流時，誤差較大，效果不甚理想，出現(xiàn)誤動作在所難免。
圖4所示為雙CT電子脫扣器原理示意圖，空心CT負(fù)責(zé)信號采樣，在大電流情況下誤差很小，精度高。鐵芯CT為保護(hù)單元提供電源，測量單元的電源直接取自電壓信號，這樣就解決了圖3所示的一個空心CT在小電流時不能提供足夠電能和測量誤差大的弊病，可靠性得到提高。
采用直流供電也是提高電子脫扣器可靠性的有效措施之一，圖4中的鐵芯CT改為直流電源，由直流電源為保護(hù)單元提供電源。
因此，當(dāng)?shù)蛪簲嗦菲鞑捎秒娮用摽燮鲿r，應(yīng)符合下列規(guī)定：
第一，400A及以上的電子脫扣器其實(shí)際工作電流不宜小于脫扣器額定電流的20%，且不應(yīng)大于脫扣器的額定電流。
第二，400A及以上規(guī)格的電子脫扣器應(yīng)選用雙電流互感器的產(chǎn)品，或電子脫扣器有可靠電源保障措施，或采用其它防止誤動作措施，并應(yīng)在設(shè)計(jì)圖紙上說明。
第三，電子脫扣器應(yīng)滿足EMC及環(huán)境要求。
7關(guān)于突然斷電比過負(fù)荷造成的損失更大的線路過負(fù)荷保護(hù)
“民規(guī)”JGJ 16-2008第7.6.4條第4款規(guī)定“突然斷電比過負(fù)荷造成的損失更大的線路，其過負(fù)荷保護(hù)應(yīng)作用于信號而不應(yīng)切斷電路。”這一條是強(qiáng)制性條文，必須嚴(yán)格執(zhí)行。該規(guī)范第9.2.3條第5款第3）項(xiàng)又規(guī)定，“突然斷電將導(dǎo)致比過負(fù)荷損失更大的電動機(jī)，不宜裝設(shè)過負(fù)荷保護(hù)。如裝設(shè)過負(fù)荷保護(hù)，可使過負(fù)荷保護(hù)作用于報(bào)警信號。”這兩條規(guī)定需要設(shè)計(jì)人做出評估，即斷電造成的損失大還是過負(fù)荷造成的損失大。民用建筑中消火栓水泵、噴灑泵、防排煙風(fēng)機(jī)等，如果裝設(shè)過負(fù)荷保護(hù)器，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，過負(fù)荷保護(hù)器誤動作，消防類設(shè)備不能正常運(yùn)行，耽誤滅火時機(jī)，損失可能更慘重。如裝設(shè)過負(fù)荷保護(hù)，可使過負(fù)荷保護(hù)作用于報(bào)警信號，提醒值班人員檢查、排除故障點(diǎn)。
圖5 配電線路過負(fù)荷只報(bào)警電路圖
據(jù)了解，目前各地對這兩條規(guī)定執(zhí)行的力度不一樣，理解的程度也有所不同。對于7.6.4條應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行，沒有商量的余地，如何實(shí)現(xiàn)其規(guī)定呢？可以采取以下措施：
措施1，采用瞬動保護(hù)的斷路器與熱繼電器組合，斷路器用于短路保護(hù)，熱繼電器用于過負(fù)荷報(bào)警，可采用圖5所示的電路圖，實(shí)現(xiàn)第7.6.4條的規(guī)定。當(dāng)過負(fù)荷時，熱繼電器KH動作，中間繼電器KA1線圈帶電，KA1動合觸點(diǎn)接通聲光報(bào)警信號HY和HA。
措施2，采用瞬動保護(hù)的斷路器與智能儀表組合，由智能儀表干接點(diǎn)提供輸出信號用于報(bào)警。例如PD194Z系列多功能電力儀表有開關(guān)量輸出，容量為AC 5A/250V，DC 5A/30V；PZ系列可編程智能電測表輸出報(bào)警繼電器容量為AC 1A/220V或DC 1A/30V，也可采用開關(guān)量輸出觸點(diǎn)。用智能儀表中的干接點(diǎn)代替圖5中的KH動合觸點(diǎn)就可實(shí)現(xiàn)過負(fù)荷報(bào)警功能，設(shè)計(jì)者應(yīng)在圖紙中標(biāo)明干接點(diǎn)輸出的條件，訂貨時應(yīng)按此要求訂貨。配電線路所采用的保護(hù)電器不同，智能儀表的干接點(diǎn)輸出條件也有所不同，參見表6。建議輸出條件是大于保護(hù)電器的整定值而又小于保護(hù)電器的約定脫扣電流I2；當(dāng)過負(fù)荷電流大于I2時，保護(hù)電器應(yīng)動作，切斷故障回路。
表6 智能儀表的干接點(diǎn)輸出條件
|
標(biāo)準(zhǔn) |
名稱 |
約定不脫扣電流 I1 |
約定脫扣電流 I2 |
約定時間（h） |
智能儀表干接點(diǎn)輸出條件 |
|
GB 14048.2-2008/IEC 60947-2:2006 |
低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第2部分：斷路器 |
1.05In |
1.3In |
2 （當(dāng)In>63A時） 1 （當(dāng)In≤63A時） |
1.00~1.3In |
|
GB 10963.1-2005/ IEC 60898-1：2002 |
家用及類似電器裝置用過電流保護(hù)斷路器 第1部分：交流操作的斷路器 |
1.13In |
1.45In |
2 （當(dāng)In>63A時） 1 （當(dāng)In≤63A時） |
1.00~1.45In |
|
GB 13539.1-2008/IEC 60269-1:2006 |
低壓熔斷器第1部分：基本要求 |
1.25In |
1.6In[注] |
1 （當(dāng)In>63A時） 2（當(dāng)63<In≤160A時） 3（當(dāng)160<In≤400A時） 4 （當(dāng)In>400A時） |
1.00~1.6In |
注：熔斷器要進(jìn)行保護(hù)電纜過載驗(yàn)證試驗(yàn)，當(dāng)1.45Iz大于約定熔斷電流時，可不做此試驗(yàn)。
上述若干問題僅為工作中所遇到的部分問題，由于水平有限，有些觀點(diǎn)不一定準(zhǔn)確，希望大家提出寶貴意見，也需要大家共同思考、共同研究和討論，促進(jìn)建筑電氣設(shè)計(jì)水平的提高。
參考文獻(xiàn)：
1 “民用建筑中供配電系統(tǒng)若干問題的思考”，李炳華，《智能建筑電氣技術(shù)》2009.5
2 “超高層建筑中柴油發(fā)電組若干問題的思考”，李炳華，《智能建筑電氣技術(shù)》2009.6