市政電源可靠性低區域高等級用電負荷的供配電系統總結

姜青海

(北京市建筑設計研究院有限公司，北京 100045)

0 引言

近幾年隨著各地區經濟強勁發展，越來越多三、四線城市開始興建地標商業綜合體、一類高層建筑、高等級數據中心、乙級體育場館、四星級以上酒店、二三級綜合醫院、市民活動中心及中小型劇場等公共建筑。 以上建筑內都會有一定比例的用電負荷應劃分為一級或二級負荷。

根據用電負荷對供電可靠性的不同要求，項目需要采取不同的市政電源接入及自備電源的方案，以便滿足用電負荷的供電要求，降低中斷供電所造成的損失和影響程度。

通過了解多個三、四線城市現階段市政供電電網實際情況，供電部門無法為重要項目提供雙重電源。 有些地區甚至無法提供雙回線路電源供電，僅能提供單回路電源供電。

另外，部分地區供電部門對一級用電用戶提出應配置自備電源作為一級用電負荷的備用電源供電保障的要求，例如福建省、海南省、浙江部分城市。 在承接援外和海外項目過程中發現，非洲及中亞地區普遍存在市政電源不可靠的情況，均需自備電源為一、二級用電負荷供電，有些項目自備電源還需要為三級負荷供電。

1 建筑物用電負荷分級

根據《民用建筑電氣設計標準》GB 51348—2019(以下簡稱《民標》)中規定，用電負荷應根據對供電可靠性的要求及中斷供電所造成的損失或影響程度確定，對于設計方和審查方來說，建筑物用電負荷分級劃定是否準確也會被列入強制條文審查記錄。 在實際設計過程中，用電負荷分級是負荷分類計算、供電電源要求、變壓器設置方案及是否配置自備電源等重要設計內容的首要基礎依據。

以一些常見民用建筑為例，結合《民標》附錄A內容和其他對應專業建筑及電氣設計規范中主要用電負荷分級要求，整理出一、二級用電負荷名稱。

(1)會展建筑、博展建筑中二級負荷:大型及中型會展建筑的展廳照明、主要展覽、 排污泵、 生活水泵、 通風機、 閘口機用電；中型會展建筑的客梯用電；小型會展建筑的主要展覽、 客梯、 排污泵、生活水泵用電；丙等展廳備用照明及展覽用電。

(2)體育建筑中二級負荷:乙級及丙級體育建筑(含相同級別的學校風雨操場)的主席臺、貴賓室及其接待室、新聞發布廳等照明用電(其他詳見標準)。

(3)商業建筑中二級負荷:大中型百貨商店、商場、超市營業廳、門廳公共樓梯及主要通道的照明及乘客電梯、 自動扶梯及空調用電。

(4)旅游飯店

一級負荷:四星級及以上旅游飯店的宴會廳、餐廳、 廚房、 康樂設施用房、 門廳及高級客房、 主要通道等場所的照明用電；廚房、 排污泵、 生活水泵、 主要客梯用電；計算機、 電話、 電聲和錄像設備、 新聞攝影用電。

二級負荷:三星級旅游飯店的宴會廳、 餐廳、廚房、 康樂設施用房、 門廳及高級客房、 主要通道等場所的照明用電；廚房、 排污泵、 生活水泵、 主要客梯用電；計算機、 電話、 電聲和錄像設備、 新聞攝影用電。

(5)教育建筑中二級負荷:學校教學樓、 學生宿舍等主要通道照明用電；學校食堂冷庫及廚房主要設備用電以及主要操作間、 備餐間照明用電。

(6)三級、二級醫院

一級負荷:急診搶救室、 血液病房的凈化室、產房、 燒傷病房、 重癥監護室、 早產兒室、 血液透析室、 手術室、 術前準備室、 術后復蘇室、 麻醉室、心血管造影檢查室等場所中除一級負荷中特別重要負荷外的其他用電(其他詳見標準)。

二級負荷:電子顯微鏡、 影像科診斷設備用電；肢體傷殘康復病房照明用電；中心(消毒)供應室、空氣凈化機組用電；貴重藥品冷庫、 太平柜用電；客梯、 生活水泵、 采暖鍋爐及換熱站等的用電。

(7)二類高層民用建筑中二級負荷:消防用電；主要通道及樓梯間照明用電；客梯用電；排水泵、 生活水泵用電。

(8)劇場中二級負荷:中小戲劇場消防用電。

(9)大型汽車庫中一級負荷:照明用電、消防用電。

2 市政電源

2.1 市政電源定義

本文均以常見的10kV 市政供電電源為例?！睹駱恕泛汀豆┡潆娤到y設計規范》GB 50052—2009中要求:“一級負荷應由雙重電源供電，當一個電源發生故障時，另一個電源不應同時受到損壞?！薄耙患壺摵芍械奶貏e重要負荷，除雙重電源供電外，尚應增設應急電源供電；”“二級負荷的外部電源進線宜由35kV、 20kV 或10kV 雙回線路供電；當負荷較小或地區供電條件困難時，二級負荷可由一回35kV、 20kV 或10kV 專用的架空線路供電；”“三級負荷可采用單電源單回路供電?！?/p>

2.2 市政電源需求注意事項

在協助業主向供電部門申請雙重電源為一級負荷供電時，應需特別確認市政電源是否可以滿足雙重電源的要求，盡量落實到正式文件上，作為供配電系統設計的重要依據。 如市政提供不了雙重電源，應堅定設置自備電源作為第二個電源。 若前期未和當地供電部門清晰確定雙重電源的方案，當外審單位提出兩路電源不滿足雙重電源的安全性時，再對供電方案進行修改。 對相關專業及整體投資都會有較大影響。

對于含有大量二級用電負荷的項目，從項目設計管理的角度，設計團隊應提早做電源經濟性比較分析，與業主充分溝通，經得當地供電部門咨詢意見后，再全面開展供配電系統設計工作。

此外，市政10kV 電源的供電能力也要重視，普遍每路10kV 電源所帶變壓器裝機容量為8 000kVA～10 000kVA。在有的地區由于市政現狀容量受限，每路10kV 電源僅能提供5 000kVA 變壓器容量。

3 自備電源

3.1 設置自備電源的條件

(1)一級負荷中含有特別重要負荷；(2)設置自備電源比從市政電力系統取得第二電源更經濟合理；(3)雙路電源不是雙重電源，不能滿足一級負荷供電的要求；(4)當雙重電源中的一路為冷備用，且不能滿足用電負荷允許中斷供電時間的要求；(5)運營方或供電管理部門要求設置自備電源為一級負荷供電；(6)在不滿足供電條件的困難地區，無法從市政取得第二回路電源。

3.2 自備電源的配置

以下電源可作為應急電源或備用電源:(1)供電網絡中獨立于正常電源的專用饋電線路；(2)獨立于正常電源的發電機組；(3)蓄電池組。

由于每種備用電源的供電轉換時間與用電負荷允許中斷供電的時間不同，往往在一個項目中需要配置多個備用電源組合，才能滿足系統的供電要求。 根據規范整理出常見的用電負荷供電電源轉換時間和供電時間要求詳見表1，根據多年的項目經驗及規范要求，針對建筑內不同用電負荷種類及等級匹配不同備用電源的組合，詳見表2。

表1 用電負荷供電電源轉換時間和供電時間要求

表2 建筑內不同用電負荷種類及等級匹配不同備用電源的組合

建筑內一般會同時有應急照明、消防風機/水泵、智能化系統等一級或二級負荷，在僅有一路市政電源的情況下，配置柴油發電機作為第二電源是比較常見的選擇。 同時考慮到發電機啟動時間無法滿足應急照明、報警系統和智能化系統的轉換時間，需要分別為疏散照明配置集中電源、備用照明配置EPS、智能化系統配置UPS，作為發電機正式供電前的轉換電源。 待發電機啟動后，可作為第二路電源長時間供電，滿足各種設備供電時長要求。

4 供配電系統

4.1 高壓系統

10kV 雙重電源或雙路電源采用單母線分段運行，兩段母線間多設置聯絡開關；單路電源只采用單母線運行。 高壓配電級數過多，不僅管理不便、操作繁復，繼電保護整定時限也有限制，降低了供電系統的可靠性。 因此10kV 配電級數不宜多于兩級。

園區有多個變配電室時，建議重要建筑變配電室的10kV 阻線電纜采用放射式獨立回路，其他變配電室可采用樹干式供電。

低電阻接地的高壓系統保護設置:(1)進線斷路器裝設三相定時限過電流保護、電流速斷保護、零序保護；(2)變壓器出線裝設三相定時限過電流保護、電流速斷保護、零序保護、變壓器高溫報警、變壓器超高溫跳閘；(3)高壓系統采用數字綜合繼電保護系統。 如果有分變配電室，其內的變壓器高溫報警、超高溫跳閘保護均可利用線纜引至高壓總配電室出線繼保。

4.2 低壓系統

從提高變配電系統可靠性的角度考慮，為一、二級負荷供電的變壓器建議設置為兩臺一組。 每組變壓器0.4kV 低壓側采用單母線分段的接線方式。 低壓主進斷路器設置延時欠壓脫扣。 低壓母聯斷路器采用設有自投自復、自投不自復、停用、手動四種狀態的位置選擇開關。 母聯斷路器平時運行時選用自投自復，自投時應設有一定的延時，當變壓器低壓側總開關因過負荷或短路故障而分閘時，母聯斷路器不得自動合閘；電源主斷路器與母聯斷路器之間設置電氣聯鎖。

(1)低壓系統保護設置

低壓主進斷路器采用過載長延時、短路短延時保護，其中過載長延時保護的動作時間為15 s，短路短延時保護的動作時間為0.4 s；為了能有效避開電網電壓瞬間波動引起的頻繁動作，只有當斷電或持續低電壓時欠壓脫扣器才動作，跳開低壓主進斷路器，動作次數大幅度降低。 參考供電公司數據，延時整定時間在3 s 左右。

母聯斷路器采用過載長延時、短路短延時保護，其中過載長延時保護的動作時間為15 s，短路短延時保護的動作時間為0.2 s。

饋出線斷路器采用過載長延時、短路瞬動保護，其中過載長延時保護的動作時間為15 s。

在低壓出線的非消防回路上加設分勵脫扣器，用于在火災時切斷非消防電源。

有的項目采用某品牌ATMT 兩進線一母聯的自動電源轉換系統方案。 此系統沒有增加過多額外的投資，且具備電源狀態的自動判斷、執行斷路器的自動操作，同時配備電氣連鎖可以保證不會使兩路電源并聯。 系統可以根據實際運行負載情況，在母聯延時2 秒合閘前，計算總的用電負荷量，然后根據變壓器斷路器整定值來選擇是否脫扣三級用電負荷。 這樣可以在單臺變壓器供電能力允許的情況下，減少三級負荷的停電次數和時長。

另外如有重要項目在正常檢修倒閘時，不允許出現負荷停電的情況，可以選用手動轉換“并聯”模式。 “并聯”指電源轉換過程中，先判斷兩路電源是否滿足并聯條件，如滿足( 設置固定12 s 延時用以等待滿足并聯條件)，主進斷路器和母聯斷路器按照“先合后分”的形式操作保證轉換過程中不斷電；如不滿足，主進斷路器和母聯斷路器不動作，控制器鎖定斷路器狀態并發出報警。

5 案例分析介紹

5.1 項目概況

本項目為政府機構辦公建筑，根據負荷分級，有大量一、二級用電負荷，同時有少量一級負荷中特別重要負荷；設置兩臺1 600kVA 變壓器；市政提供一路10kV 電源；要求自備發電機為全部負荷供電，持續供電時間為12 h。

5.2 變配電系統

高壓配電室和變配電室合并設置，內設高壓柜、變壓器和低壓柜。 高壓采用單母線運行，配置數字綜合繼電保護系統。

兩臺變壓器為一組，低壓側0.4kV 采用單母線分段的接線方式。 兩個低壓主進和母聯采用ATMT自動電源轉換系統(帶手動并聯模式)。 每路低壓主進和發電機電源設置ATSE 作為轉換裝置。 發電機房內設置三臺額定常載功率(PRP)800kW 室內柴油發電機組。

5.2.1 變配電系統主接線示意圖

項目實施采用三臺發電機并機的方式，具體主接線如圖1 所示。

圖1 三臺發電機并機的方式接線圖

5.2.2 發電機運行方案比選

在方案階段討論發電機配置時，考慮過設置兩臺1 200kW 發電機，每臺分別對應1 臺變壓器，組成一組主備電源。 具體主接線圖如圖2 所示。

圖2 兩臺發電機分別對應不同變壓器接線圖

在市電停電時，兩臺發電機同時啟動，分別對應為每臺變壓器的母線段供電。 不用并機控制柜，控制程序較簡便，但是缺少發電機組之間的備份。一般項目正常運行時負載率會較低，可以不用兩臺發電機都工作，但如果僅通過低壓母聯合閘來解決開啟單臺發電機供電的方案，在負荷增加時會有比較麻煩的操作，給電力運維帶來繁瑣和難度。

通過項目實際運行負載率的可能性與單臺發電機故障等因素綜合判斷，三臺發電機并機的方案更合理、經濟、靈活。

5.2.3 斷路器分合閘狀態

不同的分合閘狀態對應情況詳見圖3。

圖3 斷路器分合閘狀態

市電有電，一臺變壓器故障時(發電機不啟動):故障變壓器主進斷路器S1 或S2 通過延時欠壓脫扣器脫扣，ATMT 系統控制器分勵脫扣全部三級負荷，母聯斷路器S3 延時合閘，由另一臺變壓器帶起全部的一級負荷中特別重要負荷以及一、二級負荷。

市電停電(兩路低壓主進均欠壓脫扣，低壓母聯不動作):變壓器主進斷路器S1 和S2 通過延時欠壓脫扣器脫扣，母聯斷路器S3 保持斷開狀態。 發電機并機正式供電后，控制柜控制斷路器F1～F2 合閘，主進處ATSE(互投模式)檢測到發電機電纜有電后，延時1 s 轉換至柴油發電機側，柴油發電機組為全部用電負荷供電。

5.2.4 柴油發電機控制

每臺發電機自帶控制啟動柜，另外設置一臺并機控制柜，分別控制三臺發電機啟動柜和匯流配電柜內斷路器分合閘。 并機控制柜接收高壓進線主開關QF1 的輔助接點作為柴油發電機組的啟動信號，延時1～2 s 后，同時啟動三臺柴油發電機組；啟動柜依據電網標準參數設置的值，進行自動高速計算對機組的額定轉速、電壓、頻率、相位角自動進行調整并達到同步要求，發送信號使匯流柜進線斷路器E1～E3 陸續合閘，當并機控制柜檢測到進線斷路器E1～E3 均合閘后，控制匯流柜出線斷路器F1～F2 合閘，發電機啟動并額定供電時間不超過15 s。

當檢測市電恢復供電后，并機控制柜控制匯流柜出線斷路器F1～F2 分閘后，機組經冷卻延時后自動停機。 根據低壓運行情況，在市電來電時，柴油發電機組可繼續供電，并機控制柜不輸出停機信號。

三臺柴油發電機組同時為用電負荷平穩供電，并機控制柜檢測匯流柜母線穩定負載電流，可以調整運行供電臺數。 當穩定負載大于65%時，三臺均供電；大于30%小于65%時，兩臺供電；小于30%時一臺供電。 當少于三臺發電機供電，有較大用電負荷投入時，需要根據投入的負荷量，陸續啟動其他發電機，待新啟動發電機穩定供電后，方可把新投入的負荷開啟運行。

為了讓每臺發電機均能有效使用和運行，需要對發電機組進行壽命運行管理具體措施:當小于3臺柴油發電機組運行時，擬采取每運行12 小時，輪換柴油發電機組，使每臺柴油發電機組每月均有啟動運行機會。

(5)其他備用電源

疏散照明配置集中電源、備用照明配置EPS 作為發電機正式供電前的轉換電源。 一級負荷中特別重要負荷(如智能化系統)需配置UPS 同時作為轉換電源和應急電源。 提醒在高海拔地區在選擇UPS、EPS 和發電機時需要根據海拔高度選擇降容系數，不同發電機廠家對應設計功率和海拔會有不同的型號發電機。 對于一級負荷、二級負荷的配電干線形式嚴格按照規范執行，這里不再贅述。

6 結束語

本文對有大量一、二級用電負荷，同時市政無法提供滿足匹配電源項目，分別從變壓器配置、備用電源組合、低壓斷路器整定、發電機運行等方面整理出較為清晰的選型及配置說明，為其他類似項目在方案階段提供主接線及發電機配置參考，在初步設計階段提供各斷路器分合閘邏輯關系參考。