超高层建筑应急电源系统主接线型式相关问题探讨

曹 磊

(中国建筑设计研究院有限公司，北京 100044)

0 引言

近年来，全国各地超高层建筑、超大规模的综合体建筑层出不穷，此类建筑对供电系统的安全性、可靠性提出了更高的要求。为确保其中重要负荷供电的可靠性，通常会设置柴油发电机组作为后备电源。

民用建筑中，常用的有10kV中压柴油发电机组和0.4kV低压柴油发电机组。10kV机组系统特点是传输距离长，节能、节省空间，可解决因容量大需多台发电机组并联运行的问题，但是辅助设备多、系统相对复杂、运行成本高，运行人员需持高压操作证；0.4kV机组系统相对简单、运行成本低，低压侧切换电源，可靠性高，机组发生故障时，可通过临时发电车解决供电问题，但是传输距离受限，低压出线配出回路多、截面大、管井空间大。

柴油发电机房选址问题、主干传输距离问题和系统经济性问题对应急电源系统具有重要的影响。本文针对上述问题进行分析，所得结论仅为本文观点，在实际工程设计时，还需结合实际情况具体分析。

1 机房选址问题

在确定柴油发电机房位置时，需在满足相关规范要求的前提下，兼顾建筑布局及业主需求。GB 50016-2014《建筑设计防火规范》第5.4.13条及 JGJ 16-2008《民用建筑电气设计规范》第6.1.1条第2款规定了柴油发电机房选址的基本原则。

对于大面积超高层综合体建筑，在机房选址时需考虑建筑形式布局及商业价值影响，故常采用地下室集中设置的方式。其优点是避免占用商业价值较高的区域，便于消防运营管理，形成相对独立的“污染区域”，利于通风、排烟、减震、降噪、供油系统的设计。

对于将柴油机房置于屋顶或塔楼设备层的方案，笔者认为，在实施前未得到相关消防部门认可的情况下，应避免采用此方案，因为其是国家防火规范的空白点，没有明确的规定，各地消防建审部门掌握的尺度也不同。如果此方案得到相关部门认可，在实施时还需注意油路问题，建筑、结构方面的防火设计问题以及机组运输、降噪、减震问题。

2 传输距离问题

当前低压系统技术相对成熟，供电可靠性较高、运营成本低，因此在确定应急电源系统时，优先考虑低压系统。但是受电压降的影响，低压系统主干传输距离有一定的局限性，本文通过电压降计算，对主干传输距离进行分析。

图1所示为应急电源系统示意图，《工业与民用供配电设计手册》(第四版)第6.2.4条规定：当缺乏地区电网电压偏差详细资料时，从配电变压器二次侧母线算起的低压线路允许电压降为5%，电压降计算公式如式1所示。

(1)

式中，Δu为电压降百分数，%；p为负荷有功功率，kW；l为线路长度，km；R,X为三相线路单位长度的电阻和电抗，Ω/km；Un为系统标称电压，kV。

图1 供电系统示意图

三种典型方案优缺点比较 表1

(1)支线电压降计算

设电缆截面35mm2，Pe=30kW，l1=15m，则可计算电压降Δu1=0.2%。

(2)支干线电压降计算

设支干线长度为l2，支干线电压偏差为Δu2。

通常，配电总箱容量控制在150kW以内，配电箱容量通常为50kW以内，则计算时以150kW、50kW为例。电缆截面70mm2，l2=50m，则可计算电压降Δu2=0.65%。

(3)二次配电干线电压降计算

二次配电干线计算：设二次配电干线长度为l3，电压偏差为Δu3。

二次配电进线电缆规格控制在240mm2，容量约为150kW，l3=50m，则可计算电压降Δu3=0.54%。

综合以上计算得，Δu1+Δu2+Δu3<2%，即主干线电压偏差应不超过3%。

(4)主干线电压降计算

设主干线长度为l4，主干线电压偏差为Δu4。

拟高区应急母线负荷为500kW，拟采用1 250A封闭母线，且Δu4<3%， 则可计算主干线长度l4≤130m，l1+l2+l3+l4≤245m；如加大一级母线，可得l4≤160m，l1+l2+l3+l4≤275m；如采用载流量为1 250A的电缆，可得l4≤270m，l1+l2+l3+l4≤385m；如加大一级电缆，可得l4≤290m，l1+l2+l3+l4≤400m；实际设计中，需考虑外界因素带来的电阻变化，故需预留15%的裕量。

因此，通过电压降计算可知，主干线采用封闭母线时，柴油发电机供电半径 <250m，主干线采用多拼电缆时，柴油发电机供电半径<350m。

3 系统方案及经济性问题

根据电压降计算结果，供电半径在300～400m之间时，高区即可采用0.4kV主干传输系统，也可采用10kV主干传输系统，需进行经济分析，确定系统方案。下面以350m高建筑为模型，对几种典型方案进行经济性分析。

拟设主配电室设置在B1层，柴油发电机房位于B1层塔楼下方，可忽略平层主干传输距离，分别在150m、250m、300m处设置分变配电室，每段应急母线负荷为500kW。如图2～4所示，为几种典型供电方案示意图。

图2 方案一供电方案示意图

除上述三种方案，还有设置专用升/降压变压器的方案，此方案需增加专用变压器，维护要求高，增加机房面积，故本文不做赘述。

上述三种典型方案优缺点比较参见表1。

当供电半径为350m时，三种典型方案经济性对比如图5所示。

图3 方案二供电方案示意图

图4 方案三供电方案示意图

图5 典型方案经济性对比图

通过图5可知，供电半径为350m时，方案三(低区与高区均采用10kV机组)利用市电10kV配电网络配出电源，具有最好的经济性。但其缺点是供电可靠性低，系统维护要求高。因此，在设计时需根据实际情况综合考虑。

当供电半径在300m以下时，其经济性对比仍为方案三>方案二>方案一，但其间的差距会明显缩小。综合考虑电压降计算结果和系统经济性，得出如下结论。

(1)供电半径≤300m时，各方案初期投资差别不大。但0.4kV系统技术相对成熟，供电可靠性高，运营维护要求低，宜选择“低区0.4kV系统+高区0.4kV系统”的方案。

(2)供电半径在300～400m时，各方案初期投资有一定差别，且不同项目业主考虑问题角度不同。但综合考虑供电可靠性、维护成本等因素，建议选择“低区0.4kV系统+高区0.4kV系统”的方案。

(3)供电半径≥400m时，受线路电压降影响，高区应选择10kV系统。“低区0.4kV+高区10kV系统”和“低区10kV+高区10kV系统”均可行，需根据实际情况，综合各方面因素考虑。

通过以上分析，超高层建筑应急电源系统设计原则可归纳为：低压系统优先，不能满足要求时，宜分区分段考虑，低区低压，高区高压。

4 机组运行方式问题

柴油发电机有并机运行和不并机运行两种运行方式。对于10kV机组，并机运行具有资源共享、调配灵活、冗余配置的优点，不受容量和短路电流限制，可解决多台机组并联运行的问题；但是会增加相应设备，系统相对复杂，运行成本高。但是考虑到10kV机组常用于容量较大的大型建筑中，笔者建议10kV机组采用并机运行的方式。

对于0.4kV机组，确定其运行方式时需考虑容量和短路电流的影响。由于目前国内的0.4kV低压配电柜没有6 300A以上的实验报告，并联运行的多台发电机的总容量不要超过3 200kW(0.4kV)。表2为常用机组短路电流。

常用机组短路电流 表2

因此，笔者建议0.4kV 机组不采用并机运行的方式。可设置联络开关(QF)，如图6所示，QF开关仅用于单台柴油发电机检修时手动操作，提高故障情况下的供电可靠性。

图6 0.4kV柴油机组运行方式示意图

5 结束语

本文对超高层建筑应急电源系统相关问题进行探讨，从机房选址、传输距离、系统经济性及机组运行方式等方面进行分析，得出以下结论。

(1)在机房选址时宜采用地下室集中设置的方式。

(2)主干线采用封闭母线时，柴油发电机供电半径小于250m，主干线采用多拼电缆时，柴油发电机供电半径小于350m。

(3)确定技术方案时：低压系统优先，不能满足要求时，宜分区分段考虑，低区低压系统，高区高压系统。