某境外重要办公建筑电气设计浅析

张 强

(中国能源建设集团 江苏省电力设计院有限公司, 江苏 南京 211100)

0 引 言

作为国际交往的重要场所和外交人员的办公地点,外交机构建筑对供配电可靠性的要求不言而喻。境外建筑可能建设在世界上任何一个国家或者地区,应适应当地不同的环境气候特征,比如海拔、温度、湿度、地震烈度等情况,也必须调查当地的电力、通信等基础设施的规格制式与之匹配。本文结合境外重要办公建筑设计中的实际情况,结合当地气候和基础设施条件,分析总结了几个设计特点,以期为今后的工程项目提供设计思路的参考。

1 工程概况

该工程位于埃塞俄比亚首都亚的斯亚贝巴,该市平均海拔2 450 m,月平均最高温度为24～27 ℃,月平均最低温度为7～10 ℃。极端最高温度为34 ℃,极端最低温度为0 ℃(山顶),相对湿度不大于95%(日平均)。

本工程总建筑面积为26 000 m2。主要建筑单体经济指标如表1所示。

表1 主要建筑单体经济指标

项目按照中国规范进行设计,并考虑当地供电及用电的特点。

2 高可靠性的供配电系统

本工程馆员住宅楼为一类高层民用建筑,办公楼为二类高层民用建筑[1]。另外结合业主需求,确定负荷分级如下:(1) 特级负荷:办公楼专用机房用电;(2) 一级负荷:消防设备(消防水泵、风机、应急照明及火灾自动报警系统等),会议厅照明,安保系统,计算机系统,航空障碍灯,住宅楼客梯,排水泵,走道照明等;(3) 二级负荷:办公楼普通客梯,生活水泵,厨房用电,多功能厅用电等;(4) 三级负荷:不属于一二级的负荷。

该市市政供电电压中压为15 kV,低压为0.4/0.23 kV,频率为50 Hz。该市电力设施水平落后,日平均停电频率可达3～5次,一般重要办公及商业场所都自备柴油发电机。本项目业主提出全部用电负荷都需要自备电源保障。

根据业主提供的项目可行性研究报告中的供电方案,两路电源采取冗余设计,即其中一路故障时,另一路可以带全部负荷。根据以上条件及分析,提出本项目的供电方案。

由市政电网上级变配电站引来两路15 kV电源(目前该市已建成两个发电厂,两路电源可以引自不同电厂形成双重电源),一路正常主供可带全部负荷,一路作备用也可以带全部负荷。两路进线通过两个负荷开关组成中压TSE,手动投切,电气联锁,任何情况下只能接通其中的1个开关。

设置两台15/0.4 kV变压器,容量采取冗余设计,即一台变压器检修时,另一台可以带全部负荷。变压器低压侧采取单母线分段加手动联络方式,电气加机械联锁,平时分列运行,日常负载率不大于50%。

设置两台柴油发电机组并机运行,作为两路市电的第三电源,并机容量可以带全部负荷。当两台变压器主开关同时失电时,15～30 s内自动起动柴油发电机。供配电系统架构示意图如图1所示。图1中,断路器①～⑤采取手动操作,但需通过PLC连锁避免不正确的分合闸操作。电源供电情况及连锁开关状态表如表2所示。

图1 供配电架构示意图

表2 电源供电情况及连锁开关状态表

柴油发电机启动信号来自于变压器与发电机联络的ATSE的辅助干接点。柴油发电机起动逻辑如表3所示。

表3 柴油发电机起动逻辑

3 高海拔降容设计

高压电器、开关设备及导体正常使用环境海拔不应超过1 000 m,当超过时应选用相应海拔适应能力级别的产品。高海拔对高压电器和开关设备的影响是多方面的,主要包括电晕、温升和外绝缘的问题[2]。以本项目变压器容量的选取和柴油发电机容量的选取为例,分析一下高原降容问题。

3.1 变压器高原降容

变压器容量估算在方案阶段采用单位面积指标法,施工图阶段采用需要系数法,本文将单位面积指标法的计算分析过程列出,主要突出高原降容部分的设计要点。

项目建筑总面积S=26 000 m2,变压器装机容量指标拟取90 VA/m2,负载率考虑取85%,则计算负荷为

Pjs=26 000×0.09×0.85=1 989 kVA

初步选取2×2 000 kVA变压器(容量冗余设计),则单独运行带全部负荷时负载率为99.5%;平时分列运行时单台负载率为49.75%,满足要求。但是应注意到一般设计的变压器是在海拔1 000 m处运行,当海拔超过1 000 m时,每100 m为一级,干式变压器的温升限值按下列数值相应降低[3]:自冷式变压器下降0.5%;风冷式变压器下降1%。

该项目选用风冷式干式变压器,温升修正系数K为

1台变压器在某一冷却方式及所规定的容量下运行时,能保证温升不超过规定的限制,在最大冷却能力下的相应容量便是变压器的额定容量。那么高海拔使用变压器时,利用温升修正系数修正额定容量,便可以确定变压器实际容量了。以上分析可知,2 000 kVA变压器经高海拔修正后容量明显小于计算负荷,变压器过载无法持续运行,现计算2 500 kVA变压是否满足要求。2 500 kVA经高海拔修正后容量为2 137.5 kVA,则单台独立带全部负载时负载率为93%,平时分列运行时单台负载率为46.5%,满足要求。最终确定该项目采用2×2 500 kVA容量配置的变压器组。

3.2 柴油发电机高原降容分析

随着海拔高度升高,空气密度相应降低,氧气含量减少,柴油机燃烧效率下降,因而会降低输出功率。随着环境温度的升高,空气密度相应降低,对柴油发电机的输出功率也有同样的影响[4]。GB 51348—2019《民用建筑电气设计标准》(简称《民标》)[5]条文说明第6.1.3条中的表2～表5给出了大气温度及海拔对柴油发电机功率的修正方法。结合本项目,当地分旱雨两季,旱季相对湿度为40%～60%,雨季相对湿度为65%～85%,最高达95%;另外本项目中的柴油发电机选用增压型机组,可以利用GB 51348—2019《民用建筑电气设计标准》中的表4 相对湿度60%增压柴油机功率修正系数C。下面仅选取表格中临近本项目情况的部分予以分析,海拔高度取2 450 m,大气温度取34 ℃,使用两次插值法可取得修正系数。相对湿度60%增压柴油机功率修正系数C计算(插值法)如表4所示。

表4 相对湿度60%增压柴油机功率修正系数C计算(插值法)

表5 变电所至门卫区最远一处插座电压损失计算

根据计算,海拔2 450 m处,大气温度34 ℃,相对湿度60%的条件下,增压型柴油发电机功率修正系数C为0.71。

规范中给出的计算方法是一种通用方法,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。康明斯常用功率1 500 kW柴油发电机高原功率折损曲线如图2所示。

图2 康明斯常用功率1 500 kW柴油发电机高原功率折损曲线

图2给出了环境温度分别为25 ℃、40 ℃、50 ℃、55 ℃时的曲线。分析该曲线可知,海拔高度2 450 m,环境温度40 ℃时,康明斯常用功率1 500 kW的柴油发电机功率折损系数约为18%,则功率修正系数C=1-18%=0.82。

《民标》中的功率修正方法降低偏大,可能导致发电机功率选型偏大。本项目采用厂家修正曲线计算,两台常用功率1 500 kW发电机,并机折算系数考虑0.95。则并机输出功率为2 337 kW,计算负荷考虑补偿后功率因数为0.95,则计算有功功率为1 889.6 kW,则发电机负载率为80.9%。

样本中给出的常用功率的定义是:在变负荷工况下,每年运行时间不受限制,24 h运行周期内平均输出功率不超过标定功率的70%,过载能力是每12 h允许1 h超载10%。考虑到本项目运营的特性,24 h内并非持续运行,而且当地供电恢复时间一般不超过1天,故以上选型可以满足需求。

选用常用功率1 200 kW的康明斯发电机。康明斯常用功率1 200 kW柴油发电机高原功率折损曲线如图3所示。

图3 康明斯常用功率1 200 kW柴油发电机高原功率折损曲线

由图3的曲线可知,海拔高度为2 450 m,环境温度为40 ℃时,康明斯常用功率1 200 kW的柴油发电机功率折损系数约为24%,则功率修正系数C为0.76。

两台常用功率1 200 kW发电机并机输出功率为1 732.8 kW,负载率为1.09%,不满足要求。

因此,两台常用功率1 500 kW柴油发电机并机使用,可满足本项目停电时全部负荷的使用需求。

4 合理规划主机房

项目建筑电气设计方案总平面图如图4所示。由图可知,主要用电负荷集中在住宅楼和办公楼,按照深入负荷中心的原则,主机房设置在馆员住宅楼比较合理。但是使用方提出以下要求:① 当地市政检修人员不应进入内部活动区域(即办公与生活区域),故需要与重要单体建筑完全分开;② 因为经常停电,柴油发电机频繁起动运行,为避免噪声污染也须避开办公及生活区域。考虑到柴油发电机房宜靠近变电所,可减少母线长度降低造价。综合以上因素,最终选定多功能球场地下室划出设备用房区,设置变电所及柴油发电机房;宿舍楼、办公楼和接待楼设置低压总配电间。

图4 项目建筑电气设计方案总平面图

该方案主机房偏居一隅,线路电压损失及接地故障电流较小断路器无法脱扣的问题比较突出,下面举出其中一例计算过程做出分析。

4.1 电压损失计算

变电所至门卫区最远一处插座电压损失计算如表5所示。表5给出了从变电所低压柜馈线断路器出口,到门卫区最远一处分配电箱配出的最远末端插座的完整配电回路的电压降计算,该回路是本工程最远配电回路之一。

表5中,序号1和2线缆采用1 kV交联聚乙烯绝缘电力电缆,三相380 V配电,电压损失系数由《工业与民用供配电设计手册(第四版)》表9.4-19中查得;序号3线缆采用聚氯乙烯绝缘铜芯电线,单相220 V配电,电压损失系数由《建筑电气常用数据》19DX101-1表3.24中查得。

变电所至门卫区最远一处插座的总体电压损失为

Δu%=Δu1%+Δu2%+Δu3%=4.63%。

计算结果小于5%,满足规范要求。观察各个区段的电压损失值也可以看出,序号1这段敷设长度为320 m的电缆上的电压损失为主要部分,该段电缆并未按照载流量为主要因素选型,而是为了降低电压损失做了截面放大的设计。

4.2 接地故障保护计算分析

表5中序号1回路计算电流为126.6 A,可选用脱扣器额定电流为160 A的断路器,下面以施耐德NSX塑壳断路器为例分析选型过程。

如果选用热磁脱扣单元TM,查询样本发现额定电流160 A的短路保护(磁保护)不可调,脱扣电流为1 250 A,查询19DX101-1表4.31 220/380 V TN系统内用断路器作故障保护时铜芯电缆最大允许长度。动作电流1 250 A和导体截面120 mm2的条件下,最大允许长度为169 m,结果低于设计敷设长度320 m,故两段式保护(热磁脱扣器)断路器无法保护该回路,需考虑短延时保护作为故障防护。

如果选用电子脱扣单元Micrologic 5,查询样本短路短延时可以0.5倍Ir为步长进行微调。最小接地故障电流为

(1)

式中:U0——相对地标称电压,取220 V;

S——相导体截面积,取120 mm2;

k1——电缆电抗校正系数,取0.96;

k2——多根相导体并联使用的校正系数,本例为单根电缆,取值为1;

ρ——20 ℃时的导体电阻率,取1/54 Ω·mm2/m;

m——材料相同的每相导体总截面积与PE导体截面积之比,本例为95/50。

其中,0.8～1为电源侧阻抗系数,本例中故障点远离配电变压器、变压器容量较大,拟取较高值0.95。

将以上数据代入后计算结果如下:

0.96×1=739.4 A

如采用三级电子脱扣器,尚需考虑动作误差系数krel=1.1,及断路器动作系数kop=1.2。

短延时整定电流取值如下:

额定电流160 A塑壳断路器电子脱扣单元短延时应按3.5lr(3.5×160=560)整定。

5 结 语

境外建筑项目的供配电设计须根据当地环境气象、市政配套设施等条件,结合业主使用需求综合考虑。市政供电设施不稳定时,自备电源是保障供电可靠性的重要手段。高海拔区域需选用相应海拔适应能力级别的电气设备,特别要注意高海拔条件对温升、外绝缘等特性的影响。低压配电需注意控制供电半径,供电距离较长时应注意校验电压损失、接地故障灵敏度等设计条件。