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        高度大于250m建筑柴油發電機組配電系統探討

        作者:中威網絡部 來源:本站 發表時間:2020-6-15 16:17:45 查看:
          2018年4月10日公安部(現應急管理部)下發了公消[2018]57號文,即“關于印發《建筑高度大于250米民用建筑防火設計加強性技術要求(試行)》的通知”,通知強調相關部門需要落實的兩項工作:一、強化屬地管理,對符合條件的超高層建設工程所采取的“更加嚴格的防火措施”,要由各消防總隊組織專家評審;二、嚴格專家評審,各消防總隊應在落實該《建筑高度大于250米民用建筑防火設計加強性技術要求(試行)》(以下簡稱“《加強性技術要求》”)的基礎上,結合當地滅火救援能力情況,對消防設計內容進行全方位技術審查,確保所采取的更加嚴格的防火措施能夠切實增強超高層建筑火災時的自防自救能力。
          大于250m的超高層建筑內,人員眾多、疏散困難,消防設備電源的可靠性至關重要,《加強性技術要求》第二十四條對消防設備的負荷分級和應急電源保障提出了更加嚴格的要求,即消防用電應按一級負荷中特別重要的負荷供電。應急電源應采用柴油發電機組,柴油發電機組的消防供電回路應采用專用線路連接至專用母線段,連續供電時間不應小于3.0h。
          大于250 m的民用建筑消防負荷供電措施分析
          民用建筑消防負荷采用專用線路、設置專用母線段的措施
          根據建筑性質、類別、規模不同,普通民用建筑中的消防負荷劃分為一、二、三級,其中,對一級負荷應采用雙重電源供電,對其余等級的負荷,電源要求相對降低。為了提高消防設備供電可靠性,GB 50016-2014《建筑防火設計規范》(2018年版)第10. 1. 6條、第10. 1. 8條,要求采用專用線路雙電源末端自動切換供電。
          GB 50016 - 2014(2018年版)第10. 1. 6條,消防用電設備應采用專用的供電回路,當建筑內的生產、生活用電被切斷時,應仍能保證消防用電。該條強調供電回路專用,主要目的是為了保證消防供電線路的可靠性。條文說明里給出了目前國內建筑電氣工程中常見的低壓配電系統主接線方案,根據消防、非消防負荷是否分組設計,將系統劃分為不分組設計和分組設計方案。其中,不分組設計方案的特點是系統簡單,但消防負荷受非消防負荷故障的影響較大;分組設計方案中,消防負荷相對獨立,主接線相對復雜,消防負荷受非消防負荷故障影響較小,分組設計方案接線見圖1、圖2。
          是從變壓器低壓側封閉母線處,通過設置單獨的主斷路器將消防電源分出,形成獨立系統(專用母線段)。圖2是利用低壓柴油發電機組作為消防設備的備用電源時,采用專用線路,并將消防負荷和一級負荷中特別重要的負荷設于同一專用母線段的接線方案。這兩種分組設計的接線方案,均具有供電可靠性較高的特點,即當設置于其他母線段的生產、生活用電(非消防負荷)被切斷時,仍能保證專用母線段上的負荷用電。
          民用建筑中一級負荷中特別重要的負荷供電措施
          一級負荷中特別重要的負荷供電在電源數量、供電措施上,較一級消防負荷更加嚴格。GB 50052 - 2009《供配電系統設計規范》第3. 0. 3條:“一級負荷中特別重要的負荷供電,應符合下列要求:1 除應由雙重電源供電外,尚應增設應急電源,并嚴禁將其他負荷接入應急供電系統。2 設備的供電電源的切換時間,應滿足設備允許中斷供電的要求。”第3. 0. 9條:“備用電源的負荷嚴禁接入應急供電系統。”
          由于特別重要負荷的容量、允許中斷供電的時間,以及要求的電源為直流或交流等不同,往往同時使用幾種應急電源,為了使各種應急電源設備密切配合,充分發揮作用,需要為特別重要負荷設置專用母線段 —— 特別重要負荷中心,GB 50052 - 2009的3. 0. 5條文說明給出的應急電源接線示例見圖3(以蓄電池、不間斷供電裝置、柴油發電機同時使用為例)。
          專用母線段(即特別重要負荷中心)上所供電的負荷包括了一級負荷中特別重要的負荷及安保動力、應急照明,和圖2的專用母線段的設置原則類同。基于提高供電可靠性的目的,一級負荷中特別重要的負荷與前述的消防負荷一樣,也需采用專用線路雙電源末端自動切換供電。
          民用建筑中設置的柴油發電機組在作為應急電源的同時還兼作備用電源
          當建筑中設置柴油發電機組作為消防負荷和一級負荷中特別重要負荷的應急電源時,為最大化利用柴油發電機組,大多數項目均利用柴油發電機組既作為應急電源又作為備用電源,在未發生火災、市電停電時,向保障型負荷供電,以支撐建筑的基本營運。民用建筑中柴油發電機組供電負荷類型如下:
          第一類:消防水泵、消防控制室、消防電梯、輔助疏散電梯及其排水泵、防煙及排煙設施、防火卷簾、門窗、閥門等消防用電、消防應急照明和疏散指示標志等。
          第二類:表1中的一級負荷中特別重要的負荷。
          第三類:維持大樓營運的保障型負荷,包括通道照明、值班照明、警衛照明、航空障礙照明用電,客梯用電,安防用電,智能化機房用電,排污泵、生活泵等。
          第四類:其他經營客戶的重要負荷,比如:酒店管理公司通常要求單獨設置柴油發電機保障的負荷。
          第五類:特殊設備,如柴油發電機組遠置式散熱系統用電,包括循環水泵、散熱器風機、冷卻塔、油泵電源等。
          第六類:超高層建筑中,特殊租戶重要用電(一般按租戶面積的10 ~ 20 VA / m2預留);金融交易樓層用電;應急空調用電;擦窗機吊籃用電等。
          上述負荷包括消防負荷、一級負荷中特別重要的負荷及非消防保障負荷。當利用柴油發電機組既作為應急電源又作為備用電源時,柴油發電機組容量按應急負荷、保障型負荷中較大者選取。
          并未體現出作為備用電源的發電機向非消防保障型負荷供電的接線關系,一般情況下,設計師需要為非消防保障型負荷設置單獨的保障負荷母線段,并由發電機專用線路供電。
          建筑高度大于250 m的民用建筑消防負荷供電措施
          《加強性技術要求》第二十四條要求:消防用電應按一級負荷中特別重要的負荷供電。應急電源應采用柴油發電機組,柴油發電機組的消防供電回路應采用專用線路連接至專用母線段,連續供電時間不應小于3.0h。
          該條文將高度大于250m的民用建筑消防負荷等級劃分為一級負荷中特別重要的負荷,實際是要求其消防負荷的供電措施,不僅要滿足GB 50016-2014(2018年版)對消防負荷的供電要求,而且要滿足GB 50052-2009對一級中特別重要的負荷的供電要求,還要滿足《加強性技術要求》的規定。
          GB 50052-2009規定,一級負荷中特別重要的負荷是指中斷供電將發生中毒、爆炸和火災等情況的負荷,以及特別重要場所的不允許中斷供電的負荷。高度大于250m的超高層建筑屬于特別重要場所,需要增加柴油發電機組作為消防用電的應急電源,并采用專用的母線段,以確保市政電網故障導致停電事故時,仍具有獨立的電源供電。
          筆者認為,除增加柴油發電機組作為消防負荷和非消防一級負荷中特別重要負荷的應急電源外,低壓配電系統主接線方案采用前述的分組設計方案,設置低壓專用母線段(特別重要負荷中心),向消防負荷和非消防一級負荷中特別重要的負荷供電,可以滿足相關規范和《加強性技術要求》的規定。
          應急 / 自備柴油發電機組的電壓選擇
          針對建筑高度大于250m的民用建筑,影響應急 / 自備柴油發電機組的電壓等級確定的因素包括用電負荷的電壓等級、機組容量、供電距離等,超高層建筑應急 / 自備柴油發電機組電壓等級的選擇一般原則為:供電距離在300m以內、只需要向低壓用電設備供電、機組不需并機運行或并機后總容量不大于3200kW時,采用低壓0.4kV機組;供電距離在250~400m時,需要進行經濟技術比較來確定采用低壓0. 4kV或中壓10kV柴油發電機組;當需要向高壓用電設備供電,或供電距離大于400m,或多臺大容量機組需要并機運行時,應采用10kV柴油發電機組。
          應急柴油發電機組的配電系統接線方案分析
          柴油發電機組作為應急電源或備用電源的應用比較普遍,無論是低壓柴油發電機組還是中壓柴油發電機組,配電系統接線方式都相對比較成熟,均滿足 GB 50016-2014(2018年版)及GB 50052-2009的相關規定,但哪種接線才最能滿足2018年4月試行的《加強性技術要求》第二十四條的規定呢?下面針對低壓、中壓配電系統接線方案進行分析。
          0.4kV低壓柴油發電機組的配電系統接線
          根據《加強性技術要求》第二十四條規定,在低壓配電系統設置消防專用母線段(特別重要負荷中心)和非消防保障母線段,由柴油發電機分別引出專用線路連接至上述母線段,參考GB 50016 - 2014(2018年版)的第10. 1. 6條條文解釋中“負荷分組設計方案”,低壓柴油發電機組的配電系統接線見圖4,圖中線路G-F為“專用線路”;“特別重要負荷母線”為專用母線段。
          10 kV中壓柴油發電機組的配電系統接線
          建筑內消防負荷(包括一級負荷中特別重要的負荷,下同)和非消防保障負荷一般為低壓用電設備,當采用中壓柴油發電機作為應急 / 備用電源時,需要通過專設變壓器降壓后再進行供電。專設變壓器的設置方式與低壓配電系統接線方案常見的有3種,方案1、2對應于消防負荷設置專用變壓器,方案3對應于消防負荷和非消防負荷共用變壓器。本文將對這3種方案進行分析:
          方案1:為消防負荷設置專用變壓器,該變壓器平時不通電。
          柴油發電機組、降壓變壓器與市電完全獨立,線路G-F為發電機引出的“專用線路”,“特別重要負荷母線”為專用母線段,由該母線段配出消防負荷備用電源,其低壓配電系統采用了前述的“負荷分組設計方案”,該接線方案完全滿足《加強性技術要求》及相關規范規定。該方案特點如下:
          優點:系統接線簡單;由于該專用變壓器不連接市電,不計入市電容量。
          缺點:專用變壓器及相應的電纜,均長期處于不使用(不通電)的狀態,如果日常維護、保養不到位,一旦應急使用,其故障的可能性會增大,應急電源的可靠性難于保障。
          專用變壓器在市電正常時由市電1供電,當市電停電時,由中壓切換開關切換為由柴油發電機組供電,線路G - F為發電機引出的“專用線路”;“特別重要負荷母線”為專用母線段,由該母線段配出消防負荷工作電源,其低壓配電系統采用了前述的“負荷分組設計方案”,該接線方案完全滿足《加強性技術要求》及相關規范規定。該方案特點如下:
          優點:與方案1相比較,專用變壓器平常帶電,可靠性較高。
          缺點:平常運行時變壓器接入市電,需要計入市電容量,從而增加高可靠費用的投入;由于平常消防設備容量較小,變壓器的負載率較低,設備利用率不高,經濟性較差。
          方案3:消防和非消防負荷設置共用變壓器。
          為中壓柴油發電機電源專設了降壓變壓器,在市電正常時由市電1供電,此時,既向消防負荷供電,也向非消防負荷供電;當市電停電時,由中壓切換開關切換為柴油發電機組供電,同時,由市電停電信號切除非消防負荷,此時,變壓器僅向消防負荷供電,發電機消防供電線路G-F為專用線路。
          當市電正常時,該方案的低壓配電系統與GB 50016-2014(2018年版)的第10. 1. 6條條文解釋中“負荷分組設計方案”完全一致,消防負荷的低壓配電始終為專用母線段。當市電停電由發電機供電時,從發電機配出的10 kV供電線路、降壓變壓器、低壓配電母線段,都完全滿足《加強性技術要求》及相關規范對于消防“專用”的規定。
          在設置10 kV中壓柴油發電機組的系統中,筆者推薦方案3的系統接線。消防和非消防負荷設置共用變壓器的做法,類似于客梯兼作消防電梯,普通風機兼作消防風機,既發揮了變壓器的正常供電功能,又能確保在消防時發揮可靠的應急作用。方案3兼有方案1和方案2的優點,在不增加市電裝機容量的情況下,還能保證消防負荷的可靠供電。
          柴油發電機電源與市電電源轉換開關設置位置選擇
          由柴油發電機供電的消防負荷變壓器、非消防保障負荷變壓器的系統接線中,10 kV柴油發電機電源與市電的電源轉換開關設置位置,均位于變壓器上端,即俗稱的“末端切換”。此時的柴油發電機備用電源均為冷備用,平時不帶電,電源轉換開關數量較多,投資較高。對于中壓柴油發電機組為多個變電所供電的配電系統,常用的另一種接線方式是:消防負荷變壓器采用“末端切換”,可以減小故障范圍,提高消防負荷供電的可靠性;非消防保障負荷變壓器采用“首端集中切換”的方式,可以減少電源轉換開關數量,系統簡潔,減少投資,當發生火災時,由消防信號直接切除發電機保障母線段電源,保障消防負荷變壓器供電。
          電源轉換開關電器是整個應急 / 備用供電系統的關鍵節點
          從上述配電系統接線方案可以看出,當采用柴油發電機組作為建筑的應急 / 備用電源時,無論柴油發電機組是采用低壓還是中壓,都存在與市電間的電源轉換,電源轉換開關電器成為整個應急 / 備用供電系統的關鍵節點,它一旦出現問題,將導致整個建筑的應急 / 備用電源系統無法提供電力供應,造成重大經濟損失和安全事故。
        此文關鍵字:柴油發電機組
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