高压发电机组在大型民用建筑群的应用探讨

金 超

(云南省设计院集团有限公司，昆明 651000)

0 引言

相对于输出电压为0.4kV的低压发电机而言，高压发电机的输出电压多为6.3kV、10.5kV、15kV，民用建筑中使用的高压发电机一般指输出电压为10kV的发电机。高压发电机组在高度超过300m的超高层建筑中已有较多使用，但在建筑高度没有突破低压供电距离极限的建筑或建筑群中，目前使用较多的依然是低压发电机组。由于低压发电机组在机组容量、回路电流、供电距离等方面都存在局限性，在大型民用建筑群这一类项目中，由高压发电机组构建的集中备电系统的优势越发凸显。

1 高低压机组自身性能的差异

对于高压机组和低压机组来说，相同功率的柴油发动机在油路系统的配置、燃油量、进排风系统等方面基本没有差别，因此为机组提供冷却的进排风系统配置要求也无差别。高压发电机组与低压发电机组在参数和性能上的差别主要体现在发电机部分和配电系统部分。

1.1 体积和重量的差异

高压发电机组使用高压发电机，电压等级的提高使得其绝缘要求更高，相应地，发电机部分的体积和重量比低压机组大，故10kV发电机组整体机身的体积和重量比低压机组略大。外观上除发电机部分略有差别外，并无较大不同。高低压发电机组体积及重量比对参见表1。

1.2 接地方式的差异

两种发电机组的中性点接地方式不同。380V机组绕组为星形接线，一般低压系统为中性点直接接地系统，故发电机的星形接线中性点设置为可抽出型，在需要使用的时候可直接接地。10kV系统为小电流接地系统，中性点一般不接地或经过接地电阻接地。因此，10kV机组与低压机组相比需增加电阻柜、接触器柜等中性点配电设备。

高低压发电机组体积及重量比对 表1

1.3 保护方式的差异

高压发电机组一般要求装设电流速断保护、过负荷保护、接地保护等。当电流速断保护的灵敏性不符合要求时，可装设纵联差动保护。高压发电机组在运行中发生接地故障时，对人身和设备产生很大的安全隐患，因此需要设置接地故障保护。发电机中性点通过电阻接地，当发生单相接地故障时，可检测到流经中性点的故障电流，通过继电保护实现跳闸或停机保护。与低压机组相比，高压发电机组需增加电阻柜、接触器柜等中性点配电设备，必要时还需设置差动保护。

1.4 机组控制系统的差异

低压机组的机组控制系统一般都可以整合在机身上发电机部分一侧，而高压机组需要考虑信号干扰问题，一般需要独立机组控制箱，与机组分开布置。

1.5 维护要求的差异

高压发电机组在油路系统和进排风系统等各方面的维护要求与低压机组相当，但是机组配电为高压系统，需要维护人员配备高压上岗证。1 000kW 高低压发电机组技术对比参见表2。

1 000kW高低压发电机组技术对比 表2

2 案例概况及备用电源方案

案例项目为昆明某大型民用建筑群，占地面积14万m2，总建筑面积126万m2，地上建筑面积87.5万m2，地下建筑面积38.7万m2。建筑群包含1栋建筑高度330m的超高层办公+酒店塔楼、1栋250m的超高层办公塔楼、8栋建筑高度200m的超高层住宅以及地下4层地下室。

该项目估算用电负荷达76 200kVA，其中包含较多的一级消防和非消防负荷，需要由发电机提供备用电源。面对体量如此庞大且全部由超高层建筑组成的建筑群，备用电源系统的可靠性和经济性对电气设计乃至整个项目的设计都至关重要。

该项目自备备用电源采用柴油发电机组，方案一采用低压发电机组分散设置，方案二采用高压发电机组相对集中设置。

(1)方案一：低压发电机组分散设置方案

本方案共设置柴油发电机房7座，均装设低压发电机组。设置方案参见表3。

(2)方案二：高压发电机组集中设置方案

本方案共设置柴油发电机房3座，除酒店专用发电机房因管理公司要求独立设置，且考虑检修维护等因素而设置低压发电机组外，其余2座均装设高压发电机组。设置方案参见表4。

3 两种方案的对比

3.1 配电系统的对比

3.1.1 供电距离

低压发电机组输出电压为0.4kV，供电距离≤200m，在本项目中，各栋建筑的高度均 >200m， 低压供电距离已在垂直方向上被全部占用，留给水平方向的供电距离几乎没有，因此，若采用方案一，住宅每两栋之间就必须设置一座发电机房，否则就不能保证低压供电距离满足要求，导致机房和机组数量较多。

低压发电机组分散设置方案 表3

高压发电机组集中设置方案 表4

高压发电机组输出电压为10kV，供电距离可达十几公里，一座发电机房完全可以覆盖建筑群内所有建筑。在本项目中，对于8栋住宅而言，由于不考虑同时有多栋建筑发生火灾且又遇到多回10kV市政电源同时故障的情况，在满足供电距离时，只设置一座高压发电机房；1#及2#办公楼由于在用电性质和管理方式上与住宅有较大差别，故单独设置一座高压发电机房；酒店专用发电机房因管理公司要求独立设置，另外考虑检修维护等因素而设置低压发电机组。

3.1.2 供电电流

输送相同的电能，电流与电压成反比。相同容量的机组，10kV输出电流仅约为0.4kV输出电流的 1/26。对于供配电系统来说，电流减小，电缆截面显著减小，可节约有色金属、节约投资；可延缓老化，大幅度降低热负荷损耗，使设备不易损坏；电流较小，断路器灭弧能力较强，不易出现拉弧损坏；可减少电缆占用桥架及通道占用面积。

3.1.3 抗谐波能力

由于发电机设计结构工艺等方面原因，低压发电机组抗谐波能力比高压发电机要低。高压发电机由于需要通过变压器降压供电，变压器对谐波有部分消除作用，高压发电机的中性点接地对系统谐波也有部分消除作用。总体来说，高压发电机带非线性负载的能力比低压发电机强。

3.2 设备投资的对比

3.2.1 机组设备投资

相同容量的高压发电机组的价格比低压发电机组的价格约高10%。但由于机组数量较少，高压机组的总价要比低压机组节省不少。以某品牌进口发电机价格为参考进行比较，参见表5～6。

低压发电机组分散设置方案设备投资 表5

高压发电机组集中设置方案设备投资 表6

经过比选，高压发电机组集中设置方案比低压发电机组分散设置方案节省约177万元。

3.2.2 配电设备投资

高压机组配电设备相比低压机组配电设备而言，由于保护设备较多，还需要增加电阻柜、接触器柜等中性点配电设备，同时由于电压等级提高，设备的绝缘和耐压水平也需要随之提高，因此高压机组配电设备的投资要比低压机组略高。

是否需要为高压发电机组设置单独的变压器，从而导致设备投资增加呢？在此，笔者将简单介绍两种高压柴油发电机组的供配电系统。

如图1所示，为高压柴油发电机组的一种供配电系统方案，高压柴油发电机组G采用专用的变压器，与市电系统相对独立、分开，满足GB 50052-2009《供配电系统设计规范》第3.0.9条的规定，系统较为简单。但是如果柴油发电机组所带的负荷平时不用，则该系统将可能由于长时间不通电造成受潮，影响到系统的可靠性。

图1 高压柴油发电机组供配电系统方案一示意图

如图2所示，为高压柴油发电机组另一种供配电系统方案，该方案没有采用专用的变压器，高压柴油发电机组与市电1共同应急变压器，保证系统平时通电，防止电气期间、线缆受潮。但系统较为复杂，对电工要求较高。正常时，两个市电同时工作，Q3断开，Q5闭合，由市电1带应急变压器；应急情况下，市电1和2均断电，柴油发电机组启动并投入运行，Q4闭合，Q5断开与市电脱离，由发电机组向应急变压器供电。

图2 高压柴油发电机组供配电系统方案二示意图

两个方案各有特点，方案一适合干燥地区，但应加强平时维护；方案二虽然比较理想，但系统复杂，对继电保护、控制要求较高。如果采用方案二，那么就不需要为高压发电机设置专用变压器，减少了投资成本。

3.2.3 电缆的投资

结合前文可知，若输送相同的电能，0.4kV电流约是26倍的10kV电流，其电缆截面相应也会增大许多倍，价格也会随之骤增。如果电流大到需要使用母线的话，那投资就更高了。即便考虑10kV电缆价格比0.4kV电缆价格高和由于机组相对集中而导致的10kV电缆较长的因素，总体上来说，在电缆投资方面，高压机组比低压机组节省50%以上是可以实现的。

3.2.4 土建的投资

考虑到土建及机房排烟、进风、消防等方面的投资基本和机房数量成正比，高压机组具有明显优势。

3.3 综合效益的对比

3.3.1 从建筑专业角度考虑

(1)设备房与车位面积的冲突：往往车位都比较紧张，但还要被设备房占去不少。以本项目为例，低压发电机方案共设置7座，占用面积约930m2；高压发电机方案共设置3座，占用面积约510m2，可节约420m2，按每个车位占用20m2预估，可增加车位约20个。

(2)发电机房的位置确定：由于发电机房既不能设置在用水房间和人员密集场所的下方，又需要出地面的风井和排烟井，往往需要建筑、电气、暖通三个专业协调。若发电机房的数量大幅减少，将便于三个专业间的协调。

(3)从经济角度出发：以昆明为例，其车位的售价在15万元均价左右，增加20个车位也就是可以增加300万销售额。

3.3.2 从暖通专业角度考虑

同建筑专业一样，发电机房的排风、送风、高温烟气井道如何出到地面也是暖通专业需要面对的问题，机房数量越少，这类问题越容易解决。另外，基于每个发电机房都需要设置机房送排风系统、储油间通风系统，发电机房数量的减少，无论从设备数量还是设计工作量来说都是利大于弊。

3.3.3 从结构专业角度考虑

发电机房不能设置在地下室最底层，加之设备重量大，因此发电机房的楼板荷载比普通地下室要大得多，需要单独计算配筋，如果遇到需要降板之类的情况问题将更加复杂，发电机房数量减少，可以在一定程度上为结构专业设计人员减少工作量。

3.3.4 从建设单位角度考虑

在满足使用功能和规范要求的前提下，建设单位希望得到的一定是各个专业综合权衡比较后的最优方案，并且希望最好付出最小的成本代价就可实现同样的功能。综合考虑几个专业的情况，高压发电机的方案应该是建设单位最乐见的方案。

4 结束语