三级以上生物实验室的配电系统设计

中国中元国际工程公司 刘 尧

实验室生物安全涉及的绝不仅是安全实验室工作人员的个人健康，一旦发生事故，极有可能会给人群、动物或植物带来不可预计的危害。因此，生物安全实验室的设计和建设应以标准化为方向，充分考虑安全性和可靠性。

自1983年世卫组织出版发表第一版《实验室生物安全手册》以来，截止到2004年，已经出版了第三版的手册。手册根据对操作生物因子采取的防护措施等级，将实验室安全防护水平划分为一级、二级、三级和四级。一级防护水平最低，四级防护水平最高。一级、二级实验室的电气设计较为常见，设计施工均有较为成熟的规范和方法，这里不再赘述。本文以实际设计为例，谈谈三级以上实验室的电气设计。

国标GB19489-2008《实验室生物安全通用要求》中已经大体对三级以上生物实验室的电力供应系统提出了要求：

（1）电力供应满足实验室的所有用电需求，并应有冗余；

（2）生物安全柜、送风机和排风机、照明、自控系统、监视和报警系统应配备不间断备用电源，电力供应应至少维持30min；

（3）应在安全的位置设置专用配电箱；

（4）应设不少于30min的应急照明系统。

下面，笔者以中国农业科学研究院兰州兽医研究所56#楼（下简称56#楼）为例，结合规范要求，逐一阐述三级以上生物实验室的供电方案。

1 容量冗余设计

56#楼为兰州兽医研究所国家口蹄疫参考实验室的生物安全实验楼，建筑面积约为5 900m2,生物安全防护等级介于三级与四级之间。在此类实验室，单位负荷密度较高，经测算本楼的单位负荷率高达359VA/m2，主要有以下几个因素：

1）科研人员进去后需穿特制的防护服，有时需多穿几层，散热不便。为了让实验人员体感舒适，实验室配备舒适性空调，环境温度设置得较低；

2）空调系统形式：E、F、C 区的空调系统均为全新风直流净化系统；D区空调为33%新风的全空气双风机空调系统；

3）实验室电气照明照度值要求较高，主实验室照度不低于500lx；

4）实验室内的生物安全实验设备数量多、单台功率大，如生物安全柜、空气压缩机、高压灭菌器、超低温保存柜，生命维持系统、活毒废水处理装置等用电量都很大。因此，在配电设计中，应考虑上述因素，并在容量中考虑适量的冗余。同样，在回路设计中，插座回路的工作电流不宜超过插座额定电流的60%，当实际工作电流超过5A时，插座前宜设开关，或选用带开关的插座。E、F、C区实验室内所有插座设漏电蜂鸣报警，当线路发生漏电时只作用于声光报警，不切断电源。由于实验内容多变，所以配电分支线路宜留有20%～30%余量。

2 负荷分级

三级以上生物实验室的负荷一般均为一级为主，同样的，56#楼也不例外。因此由研究所内已有的10kV配变电站高压配电屏引出双路10kV电源，采用10kV电力电缆沿电缆沟敷设（部分穿管敷设）引至生物安全实验楼内的终端变配电站。因其电源均取自同一开闭站，且上级电源也取自同一高压变电站，故其只能保证二级负荷的要求。但从设计上要求其每一路都能保证在一路电源检修时，另一路100%承担所有二级（含二级以上）负荷的要求；这样可以降低对柴油发电机（保证一级负荷供电要求）的使用的依赖，在一定程度上降低运营成本。

在此项目中，其负荷分级如下：

一级负荷包括：生物安全实验楼（56#）内E、F、C实验区所有负荷、火灾报警及联动控制设备、保安监控系统、应急照明、疏散照明及重要的计算机系统、热力站、空气站、生命维持系统、活毒废水处理设备、空调送风及排风机、水泵房、电梯及冷源系统（包括冷水机组、水泵、冷却塔），以上负荷中除冷源系统外其他同时由柴油发电机组提供电源。

一级负荷中特别重要负荷如下：生物安全柜、隔离器排风、离心机、空调送风机及排风机（E、F、C区不包括加热段）、所有照明（E、F、C区）、火灾报警及联动控制设备、生物安全实验室自控系统、气密门控制及重要的计算机系统、应急照明及柴油发电机控制柜电源。

因此楼内一级负荷中特别重要负荷偏多，从技术经济角度考虑，在设计中考虑采用UPS集中供电。

三级负荷包括：一般照明。

系统简图如图2所示。

10kV系统2路电源投且要求如表1所示

表1 10kV系统2路电源投切要求

2）2路10kV电源同时工作，互为备用，每一路均能承担100%二级以上负荷；

3）柴油机运行条件：两路市电均故障时启动；平时运行时，当ATS检测到市电不符合要求时，ATS发出启动信号启动柴油发电机。

3 配电系统设计

除常规的如配电系统采用放射式与树干式相结合的配电方式，对于单台容量较大的负荷和重要负荷采用放射式配电；对于照明及一般负荷采用树干式配电方式；实验室内重要空调设备、火灾报警及联动控制设备、保安监控系统、应急照明、疏散照明及重要的计算机系统等重要负荷除采用双电源切换配电方式等外，需要特别指出的几点是：

1）UPS配电柜采用两电源进线，其中一路应引自柴油发电机组应急段，UPS配出柜采用放射式单回路引至各电源配电箱；

2）各区（A、B、C、E、F区）设专用配电箱，所有配电箱应设置于清洁区内。因此，实验室均按实验对象和工艺要求进行了污染区、半污染区和清洁区的划分。根据污染控制和物理隔离的原则，考虑到实验室严禁无关人员进入及电气维修人员的安全，配电箱应布置于清洁区；

3）实验室内的电源设置漏电检测报警装置。因实验工艺要求，要求电源连续供电，故其漏电故障电流保护不应直接自动切断电源，应发出声光报警信号；

4）A、B、C、E、F区末端配线采用矿物绝缘电缆，配电管采用金属管。为保证核心区实验室房间的密闭性，防止压力的泄露，要求进入核心区的各配电管线均应采用专用的穿墙密闭装置。这也是有别于一般实验室只要求做封堵措施的做法；因此实验室的消防设计原则是“燃尽为止”，在发生火灾时实验室内一些必要的防护设施应能连续供电，故采用矿物绝缘电缆便成了一个必要的选择；

5）实验室及走廊应设不少于30min应急照明系统，具体功能应满足三个方面的要求：为考虑继续工作设置的备用照明；偶遇火灾时为安全撤离设置的疏散照明；为防止突然断电确保处于潜在危险的实验室工作人员的安全设置的安全照明。安全通道和紧急出口均有疏散指示标志，标志应是发光的；

6）为了保证在任何情况下实验室内均保持负压，三级和四级生物实验室必须设置排风机。本设计中生物安全实验室的排风机组均为一用一备，一旦常用排风机出现故障时，备用排风机能自动投入运行。室内除压力梯度控制和显示装置外，设置了排风设备正常运转的信号装置，如有意外发生，可发出声光报警信号通知相关人员，迅速采取应对措施，并启动备用设备自动投入；同时有报警信号送出，告知备用设备已处于运转状态，应立即维修故障排风系统。因排风系统是生物安全实验室的核心，必须能连续运行，确保实验室内的负压。备用设备作为最后且唯一的在线运行设备，其电动机的过载保护应慎重考虑，必须有别于传统的电动机保护，如仅为保护电动机而简单地突然断电，将导致更大损失。所以，在本次设计中装设的电动机过载保护，仅作用于报警信号，不可断开电动机供电回路。

7）应安装风机启动自动连锁装置，确保实验室启动时先开排风机后开送风机，关闭时先开送风机后关排风机。

4 结语

以上是笔者在实际工作中针对三级以上生物安全实验室的配电设计的一点初浅认识，有不当或不足之处，还请同行批评指正。

[1]中国建筑科学研究院.生物安全实验室建筑技术规范GB50055-93[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[2]中国合格评定国家认可中心.实验室生物安全通用要求GB19489-2008[S].北京：中国标准出版社，2009.

[3]中国机械工业联合会.供配电系统设计规范GB50052-2009[S].北京：中国计划出版社，2010.