市政电源可靠性低区域高等级用电负荷的供配电系统总结

姜青海

(北京市建筑设计研究院有限公司，北京 100045)

0 引言

近几年随着各地区经济强劲发展，越来越多三、四线城市开始兴建地标商业综合体、一类高层建筑、高等级数据中心、乙级体育场馆、四星级以上酒店、二三级综合医院、市民活动中心及中小型剧场等公共建筑。 以上建筑内都会有一定比例的用电负荷应划分为一级或二级负荷。

根据用电负荷对供电可靠性的不同要求，项目需要采取不同的市政电源接入及自备电源的方案，以便满足用电负荷的供电要求，降低中断供电所造成的损失和影响程度。

通过了解多个三、四线城市现阶段市政供电电网实际情况，供电部门无法为重要项目提供双重电源。 有些地区甚至无法提供双回线路电源供电，仅能提供单回路电源供电。

另外，部分地区供电部门对一级用电用户提出应配置自备电源作为一级用电负荷的备用电源供电保障的要求，例如福建省、海南省、浙江部分城市。 在承接援外和海外项目过程中发现，非洲及中亚地区普遍存在市政电源不可靠的情况，均需自备电源为一、二级用电负荷供电，有些项目自备电源还需要为三级负荷供电。

1 建筑物用电负荷分级

根据《民用建筑电气设计标准》GB 51348—2019(以下简称《民标》)中规定，用电负荷应根据对供电可靠性的要求及中断供电所造成的损失或影响程度确定，对于设计方和审查方来说，建筑物用电负荷分级划定是否准确也会被列入强制条文审查记录。 在实际设计过程中，用电负荷分级是负荷分类计算、供电电源要求、变压器设置方案及是否配置自备电源等重要设计内容的首要基础依据。

以一些常见民用建筑为例，结合《民标》附录A内容和其他对应专业建筑及电气设计规范中主要用电负荷分级要求，整理出一、二级用电负荷名称。

(1)会展建筑、博展建筑中二级负荷:大型及中型会展建筑的展厅照明、主要展览、 排污泵、 生活水泵、 通风机、 闸口机用电；中型会展建筑的客梯用电；小型会展建筑的主要展览、 客梯、 排污泵、生活水泵用电；丙等展厅备用照明及展览用电。

(2)体育建筑中二级负荷:乙级及丙级体育建筑(含相同级别的学校风雨操场)的主席台、贵宾室及其接待室、新闻发布厅等照明用电(其他详见标准)。

(3)商业建筑中二级负荷:大中型百货商店、商场、超市营业厅、门厅公共楼梯及主要通道的照明及乘客电梯、 自动扶梯及空调用电。

(4)旅游饭店

一级负荷:四星级及以上旅游饭店的宴会厅、餐厅、 厨房、 康乐设施用房、 门厅及高级客房、 主要通道等场所的照明用电；厨房、 排污泵、 生活水泵、 主要客梯用电；计算机、 电话、 电声和录像设备、 新闻摄影用电。

二级负荷:三星级旅游饭店的宴会厅、 餐厅、厨房、 康乐设施用房、 门厅及高级客房、 主要通道等场所的照明用电；厨房、 排污泵、 生活水泵、 主要客梯用电；计算机、 电话、 电声和录像设备、 新闻摄影用电。

(5)教育建筑中二级负荷:学校教学楼、 学生宿舍等主要通道照明用电；学校食堂冷库及厨房主要设备用电以及主要操作间、 备餐间照明用电。

(6)三级、二级医院

一级负荷:急诊抢救室、 血液病房的净化室、产房、 烧伤病房、 重症监护室、 早产儿室、 血液透析室、 手术室、 术前准备室、 术后复苏室、 麻醉室、心血管造影检查室等场所中除一级负荷中特别重要负荷外的其他用电(其他详见标准)。

二级负荷:电子显微镜、 影像科诊断设备用电；肢体伤残康复病房照明用电；中心(消毒)供应室、空气净化机组用电；贵重药品冷库、 太平柜用电；客梯、 生活水泵、 采暖锅炉及换热站等的用电。

(7)二类高层民用建筑中二级负荷:消防用电；主要通道及楼梯间照明用电；客梯用电；排水泵、 生活水泵用电。

(8)剧场中二级负荷:中小戏剧场消防用电。

(9)大型汽车库中一级负荷:照明用电、消防用电。

2 市政电源

2.1 市政电源定义

本文均以常见的10kV 市政供电电源为例。《民标》和《供配电系统设计规范》GB 50052—2009中要求:“一级负荷应由双重电源供电，当一个电源发生故障时，另一个电源不应同时受到损坏。”“一级负荷中的特别重要负荷，除双重电源供电外，尚应增设应急电源供电；”“二级负荷的外部电源进线宜由35kV、 20kV 或10kV 双回线路供电；当负荷较小或地区供电条件困难时，二级负荷可由一回35kV、 20kV 或10kV 专用的架空线路供电；”“三级负荷可采用单电源单回路供电。”

2.2 市政电源需求注意事项

在协助业主向供电部门申请双重电源为一级负荷供电时，应需特别确认市政电源是否可以满足双重电源的要求，尽量落实到正式文件上，作为供配电系统设计的重要依据。 如市政提供不了双重电源，应坚定设置自备电源作为第二个电源。 若前期未和当地供电部门清晰确定双重电源的方案，当外审单位提出两路电源不满足双重电源的安全性时，再对供电方案进行修改。 对相关专业及整体投资都会有较大影响。

对于含有大量二级用电负荷的项目，从项目设计管理的角度，设计团队应提早做电源经济性比较分析，与业主充分沟通，经得当地供电部门咨询意见后，再全面开展供配电系统设计工作。

此外，市政10kV 电源的供电能力也要重视，普遍每路10kV 电源所带变压器装机容量为8 000kVA～10 000kVA。在有的地区由于市政现状容量受限，每路10kV 电源仅能提供5 000kVA 变压器容量。

3 自备电源

3.1 设置自备电源的条件

(1)一级负荷中含有特别重要负荷；(2)设置自备电源比从市政电力系统取得第二电源更经济合理；(3)双路电源不是双重电源，不能满足一级负荷供电的要求；(4)当双重电源中的一路为冷备用，且不能满足用电负荷允许中断供电时间的要求；(5)运营方或供电管理部门要求设置自备电源为一级负荷供电；(6)在不满足供电条件的困难地区，无法从市政取得第二回路电源。

3.2 自备电源的配置

以下电源可作为应急电源或备用电源:(1)供电网络中独立于正常电源的专用馈电线路；(2)独立于正常电源的发电机组；(3)蓄电池组。

由于每种备用电源的供电转换时间与用电负荷允许中断供电的时间不同，往往在一个项目中需要配置多个备用电源组合，才能满足系统的供电要求。 根据规范整理出常见的用电负荷供电电源转换时间和供电时间要求详见表1，根据多年的项目经验及规范要求，针对建筑内不同用电负荷种类及等级匹配不同备用电源的组合，详见表2。

表1 用电负荷供电电源转换时间和供电时间要求

表2 建筑内不同用电负荷种类及等级匹配不同备用电源的组合

建筑内一般会同时有应急照明、消防风机/水泵、智能化系统等一级或二级负荷，在仅有一路市政电源的情况下，配置柴油发电机作为第二电源是比较常见的选择。 同时考虑到发电机启动时间无法满足应急照明、报警系统和智能化系统的转换时间，需要分别为疏散照明配置集中电源、备用照明配置EPS、智能化系统配置UPS，作为发电机正式供电前的转换电源。 待发电机启动后，可作为第二路电源长时间供电，满足各种设备供电时长要求。

4 供配电系统

4.1 高压系统

10kV 双重电源或双路电源采用单母线分段运行，两段母线间多设置联络开关；单路电源只采用单母线运行。 高压配电级数过多，不仅管理不便、操作繁复，继电保护整定时限也有限制，降低了供电系统的可靠性。 因此10kV 配电级数不宜多于两级。

园区有多个变配电室时，建议重要建筑变配电室的10kV 阻线电缆采用放射式独立回路，其他变配电室可采用树干式供电。

低电阻接地的高压系统保护设置:(1)进线断路器装设三相定时限过电流保护、电流速断保护、零序保护；(2)变压器出线装设三相定时限过电流保护、电流速断保护、零序保护、变压器高温报警、变压器超高温跳闸；(3)高压系统采用数字综合继电保护系统。 如果有分变配电室，其内的变压器高温报警、超高温跳闸保护均可利用线缆引至高压总配电室出线继保。

4.2 低压系统

从提高变配电系统可靠性的角度考虑，为一、二级负荷供电的变压器建议设置为两台一组。 每组变压器0.4kV 低压侧采用单母线分段的接线方式。 低压主进断路器设置延时欠压脱扣。 低压母联断路器采用设有自投自复、自投不自复、停用、手动四种状态的位置选择开关。 母联断路器平时运行时选用自投自复，自投时应设有一定的延时，当变压器低压侧总开关因过负荷或短路故障而分闸时，母联断路器不得自动合闸；电源主断路器与母联断路器之间设置电气联锁。

(1)低压系统保护设置

低压主进断路器采用过载长延时、短路短延时保护，其中过载长延时保护的动作时间为15 s，短路短延时保护的动作时间为0.4 s；为了能有效避开电网电压瞬间波动引起的频繁动作，只有当断电或持续低电压时欠压脱扣器才动作，跳开低压主进断路器，动作次数大幅度降低。 参考供电公司数据，延时整定时间在3 s 左右。

母联断路器采用过载长延时、短路短延时保护，其中过载长延时保护的动作时间为15 s，短路短延时保护的动作时间为0.2 s。

馈出线断路器采用过载长延时、短路瞬动保护，其中过载长延时保护的动作时间为15 s。

在低压出线的非消防回路上加设分励脱扣器，用于在火灾时切断非消防电源。

有的项目采用某品牌ATMT 两进线一母联的自动电源转换系统方案。 此系统没有增加过多额外的投资，且具备电源状态的自动判断、执行断路器的自动操作，同时配备电气连锁可以保证不会使两路电源并联。 系统可以根据实际运行负载情况，在母联延时2 秒合闸前，计算总的用电负荷量，然后根据变压器断路器整定值来选择是否脱扣三级用电负荷。 这样可以在单台变压器供电能力允许的情况下，减少三级负荷的停电次数和时长。

另外如有重要项目在正常检修倒闸时，不允许出现负荷停电的情况，可以选用手动转换“并联”模式。 “并联”指电源转换过程中，先判断两路电源是否满足并联条件，如满足( 设置固定12 s 延时用以等待满足并联条件)，主进断路器和母联断路器按照“先合后分”的形式操作保证转换过程中不断电；如不满足，主进断路器和母联断路器不动作，控制器锁定断路器状态并发出报警。

5 案例分析介绍

5.1 项目概况

本项目为政府机构办公建筑，根据负荷分级，有大量一、二级用电负荷，同时有少量一级负荷中特别重要负荷；设置两台1 600kVA 变压器；市政提供一路10kV 电源；要求自备发电机为全部负荷供电，持续供电时间为12 h。

5.2 变配电系统

高压配电室和变配电室合并设置，内设高压柜、变压器和低压柜。 高压采用单母线运行，配置数字综合继电保护系统。

两台变压器为一组，低压侧0.4kV 采用单母线分段的接线方式。 两个低压主进和母联采用ATMT自动电源转换系统(带手动并联模式)。 每路低压主进和发电机电源设置ATSE 作为转换装置。 发电机房内设置三台额定常载功率(PRP)800kW 室内柴油发电机组。

5.2.1 变配电系统主接线示意图

项目实施采用三台发电机并机的方式，具体主接线如图1 所示。

图1 三台发电机并机的方式接线图

5.2.2 发电机运行方案比选

在方案阶段讨论发电机配置时，考虑过设置两台1 200kW 发电机，每台分别对应1 台变压器，组成一组主备电源。 具体主接线图如图2 所示。

图2 两台发电机分别对应不同变压器接线图

在市电停电时，两台发电机同时启动，分别对应为每台变压器的母线段供电。 不用并机控制柜，控制程序较简便，但是缺少发电机组之间的备份。一般项目正常运行时负载率会较低，可以不用两台发电机都工作，但如果仅通过低压母联合闸来解决开启单台发电机供电的方案，在负荷增加时会有比较麻烦的操作，给电力运维带来繁琐和难度。

通过项目实际运行负载率的可能性与单台发电机故障等因素综合判断，三台发电机并机的方案更合理、经济、灵活。

5.2.3 断路器分合闸状态

不同的分合闸状态对应情况详见图3。

图3 断路器分合闸状态

市电有电，一台变压器故障时(发电机不启动):故障变压器主进断路器S1 或S2 通过延时欠压脱扣器脱扣，ATMT 系统控制器分励脱扣全部三级负荷，母联断路器S3 延时合闸，由另一台变压器带起全部的一级负荷中特别重要负荷以及一、二级负荷。

市电停电(两路低压主进均欠压脱扣，低压母联不动作):变压器主进断路器S1 和S2 通过延时欠压脱扣器脱扣，母联断路器S3 保持断开状态。 发电机并机正式供电后，控制柜控制断路器F1～F2 合闸，主进处ATSE(互投模式)检测到发电机电缆有电后，延时1 s 转换至柴油发电机侧，柴油发电机组为全部用电负荷供电。

5.2.4 柴油发电机控制

每台发电机自带控制启动柜，另外设置一台并机控制柜，分别控制三台发电机启动柜和汇流配电柜内断路器分合闸。 并机控制柜接收高压进线主开关QF1 的辅助接点作为柴油发电机组的启动信号，延时1～2 s 后，同时启动三台柴油发电机组；启动柜依据电网标准参数设置的值，进行自动高速计算对机组的额定转速、电压、频率、相位角自动进行调整并达到同步要求，发送信号使汇流柜进线断路器E1～E3 陆续合闸，当并机控制柜检测到进线断路器E1～E3 均合闸后，控制汇流柜出线断路器F1～F2 合闸，发电机启动并额定供电时间不超过15 s。

当检测市电恢复供电后，并机控制柜控制汇流柜出线断路器F1～F2 分闸后，机组经冷却延时后自动停机。 根据低压运行情况，在市电来电时，柴油发电机组可继续供电，并机控制柜不输出停机信号。

三台柴油发电机组同时为用电负荷平稳供电，并机控制柜检测汇流柜母线稳定负载电流，可以调整运行供电台数。 当稳定负载大于65%时，三台均供电；大于30%小于65%时，两台供电；小于30%时一台供电。 当少于三台发电机供电，有较大用电负荷投入时，需要根据投入的负荷量，陆续启动其他发电机，待新启动发电机稳定供电后，方可把新投入的负荷开启运行。

为了让每台发电机均能有效使用和运行，需要对发电机组进行寿命运行管理具体措施:当小于3台柴油发电机组运行时，拟采取每运行12 小时，轮换柴油发电机组，使每台柴油发电机组每月均有启动运行机会。

(5)其他备用电源

疏散照明配置集中电源、备用照明配置EPS 作为发电机正式供电前的转换电源。 一级负荷中特别重要负荷(如智能化系统)需配置UPS 同时作为转换电源和应急电源。 提醒在高海拔地区在选择UPS、EPS 和发电机时需要根据海拔高度选择降容系数，不同发电机厂家对应设计功率和海拔会有不同的型号发电机。 对于一级负荷、二级负荷的配电干线形式严格按照规范执行，这里不再赘述。

6 结束语

本文对有大量一、二级用电负荷，同时市政无法提供满足匹配电源项目，分别从变压器配置、备用电源组合、低压断路器整定、发电机运行等方面整理出较为清晰的选型及配置说明，为其他类似项目在方案阶段提供主接线及发电机配置参考，在初步设计阶段提供各断路器分合闸逻辑关系参考。