高海拔项目电源设备的选择

彭 岩[同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司, 上海 200092]

高海拔项目电源设备的选择

彭 岩
[同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司, 上海 200092]

高海拔地区电气设备的温升和绝缘特性会因海拔因素产生变化。分析了非盟会议中心高海拔项目中中压柜、变压器、柴油发电机、不间断电源及应急电源等电源设备的选用,并依据规范进行了电源设备参数校正,以提供有效的解决方案,降低前期投入和后期运营维护成本。

电源设备; 高海拔; 外绝缘间隙; 耐受电压; 功率修正

0 引 言

非盟会议中心是援外交钥匙工程的大型国际会议中心,位于北非高原。对于成套设备的选择,需要考虑多方面因素:政策上需要考虑国家援外政策中对咨询行业的引领要求,带动我国先进产品和技术的出口,将民族品牌推向世界;技术上,需考量所在国的经济技术水平,对先进技术的接受能力。

电气系统是支撑建筑运行的核心系统,在设备选型和参数选择上要进行严格的考虑,不仅能避免运行故障,减少事故,还可以降低前期投入和后期运营维护成本。

1 当地气候及电力系统

该项目位于埃塞俄比亚首都亚的斯亚贝巴市,平均海拔为2 450 m,年最高温度32 ℃,没有明显的四季分布。旱季相对湿度为40%～60%,雨季相对湿度为65%～85%,最高为95%,日照丰富,紫外线强烈。

当地经济较为落后,城市供电全部依赖水力发电。市区电力系统有230、132、66、45、32、15 kV及0.4/0.23 kV 7个电压等级,民用建筑供电电压为15 kV及0.4/0.23 kV,频率为50 Hz。因当地电力设施和水力设施建设的落后,随机停电频率为每天3～5次,因此所有重要的办公和商业场所都要自备柴油发电机。

2 高原地区的影响因素

常规型电气设备的电气参数及设备数据是按正常使用环境制造的,一般均标注海拔不超过2 000 m,周围空气温度上限为40 ℃,下限为-5 ℃。在高原地区使用时,需考虑高海拔地区的空气密度、温度、空气湿度及以及紫外线辐照对设备绝缘特性、温升等影响。

3 项目电源

非盟国际会议中心供电负荷为一级,其中会议场所用电、通信、安防用电为一级负荷中特别重要负荷。当地市政仅提供一路15 kV电源,所以设置柴油发电机作为备用电源,在市电停电后15 s内起动。对于特别重要负荷,采用在线不间断电源(Uninterruptible Power Supply,UPS)供电,供电时间为15 min。对于重要区域照明、消防诱导、应急照明,采用集中应急电源(Emergency Power Supply,EPS)供电,供电时间为30 min。中压柜、变压器、柴油发电机及UPS、EPS都是保证项目可靠运行的电源设备,在参数选择上需符合当地的环境和使用要求。

4 设备参数的选择

当地用户级采用15 kV电压等级,而国内没有15 kV设备,故设计采用20 kV电压等级中压柜(24 kV)和变压器,并对其参数进行校验。

4.1 中压柜的选用

根据GB/T 20635—2006《特殊环境条件高原用高压电器的技术要求》中的修正公式,对高压柜进行校验:

U=KHU0
KH=em0(H-1 000/8 150)

式中:U——使用于高海拔地区的高压电器设备在海拔1 000 m以下地区试验时的耐受电压;

KH——海拔修正系数;

U0——高压电器设备的额定耐受电压;

H——海拔;

m0——湿度信息。

不同海拔高度时KH值如表1所示。

表1 不同海拔高度时KH值

结合该项目的要求及气象局雨季湿度信息(m0=1),得出KH=1.18。

海拔高度为2 400 m时,24 kV中压柜额定短时工频耐受电压(有效值50 Hz,1 min)为50/1.18≈42.4 kA,额定雷电冲击耐受电压(峰值1.2/50 μs)为125/1.18≈106 kA。

根据IEC 62271-200:2000、IEC 60694:2002规定,15 kV中压柜额定短时工频耐受电压(有效值50 Hz,1 min)为42 kA,额定雷电冲击耐受电压(峰值1.2/50 μs)为95 kA。因此,24 kV中压柜设备参数满足环境和使用要求。

4.2 变压器的选用

变压器的选择,需考虑当地对变压器的维护能力。在非洲大部分地区,主要使用油浸变压器。油浸变压器的内绝缘采用矿物油,海拔升高导致温度降低,可以抵消空气稀薄对散热的影响,对内绝缘无需校正,需考虑对其外绝缘间隙和温升校正。

从实地考察情况来看,所驻国际组织的办公机构已采用环氧浇注式变压器,当地已具备干式变压器的维护能力。综合考虑,本项目采用环氧浇注变压器。

4.2.1 变压器温升的要求

影响变压器温升的因素是当地气温及海拔。

根据GB 1094.11—2007《电力变压器 干式变压器》第4.2.3条规定,实际温度超出规范要求的环境温度时,需作温升调整。规范要求环境温度与实际环境温度对比如表2所示。由表2可见,项目所在地的冷却空气条件满足规范要求,可不考虑气温造成的温升限值调整。

表2 规范要求环境温度与实际环境温度对比

对于海拔因素,国家标准有明确的校正方法。根据GB 1094.11—2007第11.1、11.2、11.3条规定,对于在超过1 000 m海拔处运行,并在正常海拔进行试验的变压器,其温升限值应相应递减,超过1 000 m海拔部分以第500 m为一级,按以下数据相应降低:自冷变压器2.5%,风冷变压器5%。根据GB 1094.11—2007,该项目选用的干式变压器温升限值校正为(2 600-1 000)/500×5%=16%、(2 600-1 000)/500×2.5%=8%。选用F级环氧树脂干式变压器,允许温升为100 K,因此设计值控制为80 K,气候等级为C1级。

4.2.2 变压器绝缘水平的要求

根据GB 1094.11—2007,变压器绝缘水平如表3所示。

表3 变压器绝缘水平 kV

当变压器被规定在海拔1 000～3 000 m之间运行,而其试验却在正常海拔处进行时,其额定短时外施耐受电压应根据安装地点的海拔超过1 000 m的部分,以每增加100 m增加1%的方式来提高。当变压器在海拔超过3 000 m处运行时,其绝缘水平应由供、需双方协商确定。

该项目额定短时外施耐受电压为38×[1+(2 600-1 000/100)×1%]=44 kV<50 kV。选择的20 kV电压等级的15 kV±2×2.5%/0.4-0.23 kV变压器满足使用要求。

变压器所需的外绝缘空气间隙,应根据安装地点的海拔超过1 000 m的部分,以每增加100 m增加1%来计算。

4.3 柴油发电机的选用

海拔升高会造成柴油发电机的降容,若柴油发电机容量放量过大,会与负载不匹配。柴油发动机在小负荷下长期工作,气缸磨损加剧,工作性能下降,经济性变差。综合各种因素,柴油机发电机组在60%以上额定负载下工作较有利。

4.3.1 环境温度的功率修正

当环境温度过高时,空气密度降低,氧气量减少,柴油机燃烧效率降低,因而会降低机械输出功率;同时发电机工作时需要冷空气对绕组进行冷却,当环境温度过高时,冷却效果降低,发电机绕组内部温度升高。为保证发电机的绕组温度,须在允许范围内降低发电机的输出功率。

各品牌柴油机和发电机的输出功率受环境温度影响的功率修正,由于设计的不同,修正参数也不一致;同一品牌,不同型号、调速系统,其修正参数也有区别。一般要以柴油机生产厂的修正参数为准,通常可按环境温度超过40 ℃时每升高5 ℃、输出功率下降3%～4%来进行功率损失计算。但不同厂商、不同机组输出功率所基于的环境温度是不同的。该项目所在地区日均温度为16 ℃,因此可以不计温度影响。

4.3.2 海拔高度的功率修正

当海拔高度升高时,降低的空气密度同样影响柴油机和发电机的输出功率。不同品牌的柴油发电机组要参考生产厂的功率修正曲线来计算降容后的实际功率,通常可按照海拔高度超过1 000 m时每升高500 m、输出功率下降4%～5%来进行功率损失的计算。但不同生产厂机组标称功率基于的海拔高度是不同的。该项目选用的康明斯1 200 kW(常用功率)与1 500 kW(常用功率)定义的海拔高度也不同。1 200 kW、1 500 kW降容曲线分别如图1、图2所示。

图1 1 200 kW降容曲线

图2 1 500 kW降容曲线

1 200 kW柴油发电机的折损因素有:

(1) 备用状态。定义功率在海拔915 m、环境温度40 ℃以下,或海拔200 m、环境温度50 ℃。超过这些条件,海拔每上升300 m,功率衰减4.6%;温度每上升10 ℃,功率衰减12%。

(2) 常用状态。定义功率在海拔915 m、环境温度40 ℃以下,或海拔200 m、环境温度50 ℃。超过这些条件,海拔每上升300 m,功率衰减4.6%;温度每上升10 ℃,功率衰减12%。

(3) 连续功率。定义功率在海拔500 m、环境温度40 ℃以下,或在海拔0、环境温度50 ℃时,功率会衰减5%。超过这些条件,海拔每上升300 m,功率衰减4.6%;温度每上升12 ℃,功率衰减12%。

1 500 kW柴油发电机折损因素有:

(1) 备用状态。定义功率在海拔1 000 m、环境温度40 ℃以下,或海拔305 m、环境温度50 ℃。超过这些条件,每上升305 m,功率衰减3.3%。在环境温度50 ℃、海拔高度3 000 m以下,海拔每上升305 m或温度每上升15 ℃,功率衰减3.3%进行叠加。

(2) 常用状态。定义功率在海拔1 000 m、环境温度40 ℃以下,或海拔305 m、环境温度50 ℃。超过这些条件,每上升305 m,功率衰减3.3%。在环境温度50 ℃、海拔高度3 000 m以下,海拔每上升305 m、温度每上升15 ℃,功率衰减3.3%进行叠加。

(3) 连续功率。定义功率在海拔800 m、环境温度40 ℃以下,或海拔0、环境温度50 ℃。超过这些条件,每上升305 m,功率会衰减3.3%。在环境温度50 ℃、海拔高度2 900 m以下,海拔每上升305 m,功率衰减3.3%;温度每上升10 ℃,功率衰减15%进行叠加。

4.4 UPS和EPS的选用和配置

4.4.1 影响因素

为满足安防、通信及会议系统保障的需要,该项目装设的UPS总容量达到1 400 kVA。在UPS的选择中应考虑下列因素:

(1) 对高原环境的适应性和维护的技术难度,成熟的工频UPS具有优势。工频UPS可以使用15～30年,而高频UPS一般使用5年。选择工频UPS,会降低业主后期的维护费用。

(2) 当地停电频繁,电压波动较大。工频UPS配置输入/输出变压器,可减少电压波动对设备的冲击,有利于延长产品寿命。虽然高频机有较高的输入电压范围,但市电和柴油发电机起动状况下的电压波动,选择±15%输入的工频UPS已能达到要求。

(3) UPS配备容量较大,需考虑UPS作为非线性负载对柴油发电机工况的影响。柴油发电机与UPS匹配关系如表4所示。参数表4中对于不同整流分式UPS与柴油发电机的匹配关系,本项目选择12脉冲整流。

表4 柴油发电机与UPS匹配关系

4.4.2 UPS海拔区域的降容考虑

通常UPS适用于海拔低于1 000 m的应用场合。当海拔超出1 000 m时,UPS的可靠性将降低。随着海拔的升高,UPS绝缘性能变差,且由于空气变得稀薄,采用风冷散热的效果变差。从设备的选取上,可以定制安装间隙较大的UPS产品,以避免电路内部闪络,或对常规产品的降容,以防止UPS过温保护。

UPS海拔折损因素如表5所示。

表5 UPS海拔折损因素

4.4.3 UPS与EPS集中配置与分散配置

该项目中,会议系统、扩声、通信及安防、会议显示等都需配置UPS电源。在常规设计中,这些UPS分散在各个控制室,从该项目实施运行的结果看,更倾向于EPS与UPS集中设置,再配至末端配电盘。

(1) 集中设置可减少配置容量。在末端设置时,EPS根据负荷的性质,照明负载时EPS容量为负载容量的1.3倍,UPS为信息末端容量的1.2倍。集中设置时,对于大体量的建筑,重要负荷需考虑同时系数,会降低UPS与EPS购置、配电和接地的成本。

(2) EPS、UPS在专门空间内集中放置,可节约配电空间,且蓄电池柜布置在较低楼层可减少结构的荷载。

(3) 减少UPS机房空调的投入及能耗。分散的UPS房间的传热系数有差异性,而且对于立面效果要求高的建筑,分散的UPS机房很难有理想的VRV室外机场所,冷媒管的距离不能控制在理想范围内。若UPS集中设置,减少的UPS配置容量和理想的室外机位置,都会减少对空调冷量的需求。

(4) 减少蓄电池维护成本。蓄电池在较低的温度下使用,会减少阀控式密封蓄电池的有效容量;在较高的温度下使用,会减少电池的使用寿命。当环境温度超过25 ℃时,每超过10 ℃,电池的寿命会减少一半。因为每个房间温度控制的差异性,随着时间推移,蓄电池充放电性能差异会加大,对于蓄电池的维护置换将会不可预计。UPS集中设置时,相同的环境会避免这种情况。

(5) 减少对室内环境的气体、噪声污染及故障危险。UPS集中设置时避免了分散设置时对值班人员和服务空间的噪声影响。免维护蓄电池散发少量的酸性气体,在没有理想通风条件的楼层配电间内,对所服务空间的环境就是一个污染和危险源。集中设置能及时发现故障,并获得相对理想的空调条件(集中排放废气)。

5 结 语

非盟会议中心设备技术参数达到要求,满足使用时的硬件要求,但还需结合当地使用设备的型式、使用习惯进行品牌选择。当地技术人员水平、经济条件,都限制着产品的智能化水平、维护操作复杂程度。从后期维护上,为降低成本和提高服务效率考虑,最好选择当地有供应商的品牌。

非盟会议中心已于2011年底成功移交,从使用反馈情况来看,目前运行情况良好。

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[5] GB/T 7260.3—2003 不间断电源设备(UPS) 确定性能的方法和试验要求[S].

[6] GB/T 20635—2006 特殊环境条件高原用高压电器的技术要求[S].

[7] GB/T 20645—2006 特殊环境条件高原用低压电器技术要求[S].

[8] GB/T 20626.1—2006 特殊环境条件高原电工电子产品 通用技术要求[S].

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[10] GB/T 1094.3—2003 电力变压器 变压器绝缘水平与外绝缘[S].

Power Equipment Selection of High Altitude Project

PENG Yan

[Architectural Design and Research Institute of Tongji University(Group)Co., Ltd., Shanghai 200092, China]

The temperature rise and insulating properties of electrical equipment will be changed due to altitude factors in high altitude area.The power equipment including medium voltage cabinet,transformer,diesel generator,uninterruptible power supply(UPS),and emergency power supply(EPS) etc. selections were analyzed in Au Conference Center(AUC) project,and the parameters of power equipments were adjusted according to the standard codes.It can provide effective solutions to reduce prior-period investment and costs of late operation and maintenance.

power equipment; high altitude; external insulation gap; withstand voltage; power correction

彭 岩(1980—),男,工程师,从事建筑电气设计方面工作。

TU 851

B

1674-8417(2015)05-0056-05

2015-01-30