某高层建筑物应急电源及配电所设计

1、电气工程及其自动化08-1班 乔莉沐 29号摘要随着社会主义经济的高度发展，改革开放的不断深入，城市用地日益紧张，综合性的高层建筑如雨后春笋不断涌出。但随着建筑物高度越来越高，要求供电的可靠性程度也日益增高，对防火、安全提出更高的要求，如何选用合适的应急电源就显得事关重要。«高层民用建筑设计防火规范»（以下简称“高规”），«民用建筑电气设计规范»（以下简称“民规”）规定：一类高层建筑应按一级负荷供电。一级负荷的供电电源应由二个电源供电，当一个电源发生故障时，另一电源不致同时损坏。根据工程情况，和当地供电部门协商，一般可采用二路高压10KV同时供电；一路高

2、压，另一路为低压电源，亦可采用应急发电机组。对于一级负荷中特别重要负荷，除上述二个电源外，还必须增设应急电源。1 工程概况1.1 工程概况 金城大厦为某市一栋高层单体商业办公建筑，工程概况如下: 建筑面积:37417(其中地下:3783.8 ，地上:33633.6 ，不包括技术夹层)。建筑层数:地下1层，地上5层。建筑高度：90.1m(女儿墙顶高度，不包括电梯机房、水箱间等)。 主要结构类型:框架，剪力墙结构。 建筑布局及功能:地下1层为设备用房、汽车库，1-4层为商场，技术夹层为转换层，5-19层为公寓式写字间，20-25层为标准写字间，顶层为设备房、电梯机房及水箱间。1-4层设有中央空调。

3、 消防设计:主体建筑为一类高层建筑，建筑耐火等级为一级。地下1层及地上1-4层为每层2个防火分区，夹层及5-25层为每层1个防火分区。1.2 负荷数据 金城大厦有220V单相用电设备（如照明负荷），也有380V三相用电设备(如电力负荷)；各类负荷中有平时需要运行的用电设备，也有在发生火灾时才需运行的消防用电设备。以上设备均由设于地下1层的10/0.38kV变电所采用低压 三相四线制系统放射式或树干式配电。供电部门提供的系统短路数据如下：（一）提供10kV专线电源A的110/10kV变电站距离本工程为3km，电源引人电缆型号初选为YJV228.7/103×120, 110/10kV变电

4、站10kV母线处三相短路电流有效值设计规划最大值为25kA，最小值为20kA。电缆首端过电流保护延时时间为0. 8s，真空断路器全开断时间为0.1s。（二）提供10kV环网电源B的环网柜(由35/10kV变电站供电)距离本工程为0.1km，电源引人电缆型号初选为YJV228.7/103×95，该环网柜处三相短路电流有效值设计规划最大值为8kA，最小值为6kA。电缆采用高分断熔断器保护。2 应急电源系统的设计2.1负荷等级及容量一级负荷：各层公共照明、乘客电梯、地下室排污泵、所有消防负荷包括应急照明、消防控制室用电、消防电梯、屋顶稳压泵、正压风机、送风机、排烟风机、喷淋泵、消火栓泵及泵

5、房、消防电梯井坑排污泵等。二级负荷：地下室及1-4层照明、商场自动扶梯、商场乘客电梯、生活泵等。三级负荷：顶层设备房照明、夹层及5-25层照明、屋顶节日照明、商场空调机组、商场空调水泵等。2.2供电电源的选择1. 符合下列情况之一时，用电单位宜设置自备电源：（1） 需要设置自备电源作为一级负荷中特别重要的应急电源时或第二电源不能满足一级负荷的条件时。（2） 设置自备电源较从电力系统取得第二电源经济合理时。（3） 有常年稳定余热、压差、废气可供发电，技术可靠、经济合理时。（4） 所在地区偏僻，远离电力系统，设置自备电源经济合理时。2. 应急电源与正常之间必须采取防止并列运行的措施。2.3供配电系

6、统设计原则1. 供配电系统的设计，除一级负荷中特别重要负荷外，不应按一个电源系统检修或故障的同时另一电源又发生故障进行设计。2. 需要两回电源线路和用电单位，宜采用同级电压供电。但根据各级负荷的不同需要及地区供电条件，亦可采用不同电压供电。3. 有一级负荷用电单位难以从地区电力网取得两个电源而有可能从邻近单位取得第二电源时，宜从该单位取得第二电源。4. 同时供电的两回及以上供配电线路中断供电时，其余线路应能满足全部一级负荷及二级负荷。5. 供电系统应简单可靠，同一电压供电系统的变配电级数不宜多于两级。6. 高压配电系统宜采用放射式。根据变压器的容量、分布及地理环境等情况，亦可采用树干式或环式。

7、7. 根据负荷的容量和分布，配变电所宜靠近负荷中心。当配电电压为35kV时亦可采用直降至220/380V配电电压。8. 在用电单位内部邻近的变电所之间宜设置低压联络线。9. 小负荷的用电单位宜接入地区低压电网。2.4应急电源系统的设计常用的应急电源可由以下几种：独立于正常电源的发电机组,供电网络中有效独立于正常电源的专门馈电线路和蓄电池。独立于正常电源的发电机组，它是目前大部分工程所采用的。由于柴油发电机的容量较大，可并机运行且连续供电时间长。独立运行,不与地区电网并列运行,不受电网电力故障的影响,可靠性较高。尤其对某些地区常用市电不是很可靠的情况下，把柴油发电机作为备用电源,既能起到应急电源

8、的作用,又能通过低压系统的合理优化,将一些平时比较重要的负荷在停电时使用,因此在工程中得到广泛的使用。但柴油发电机的推广也带来诸多问题：首先是占用的面积较大,除发电机间外,还需考虑控制,配电,油箱等附属设备间,对平面和空间要求较高,由于储油间本身是一个火灾隐患。所以还需对其进行防火处理。在城市用地日趋紧张的情况下,也应考虑其经济合理性。其次,柴油发电机组带来的噪音,振动,排炳,通风,防潮,防冻的问题也很严重,这和目前所倡导的环保理念也格格不入,尤其是对环保要求较高的医院,商业中心及高级商务楼更不合适。再次,柴油发电机组的运行必需柴油发电机与市电未同时失去的情况须是在市电同时失去的情况下才能启动

9、,严禁和市电并列运行.1. 工程设计中，对于其他专业提出的特别重要负荷，应仔细研究，并尽可能减少特别重要负荷的负荷量，但需要双重保安措施者除外。2. 为确保对特别重要负荷的电源的供电，严禁将其他负荷接入应急供电系统。3. 应急电源与正常电源之间必须采用可靠措施防止其并列运行，如电气联锁加机械联锁。目的在保证应急电源的专用性，更重要的是防止向系统反送电。4. 防灾或类似的重要用电设备的两回电源线路应在各自的最末一级配电箱处自动切换。大型企业及重要的民用建筑中往往同时使用几种应急电源，应使各种应急电源密切配合，充分发挥作用。应急电源系统接线示例如图所示。图1下表是应急电源EPS和UPS性能的一些比

10、较指标EPSUPS结构逆变器冗余量大逆变器冗余量小节电电网供电正常时处于睡眠状态，耗电不足0.1%电网供电正常时也工作，其效率仅8090%噪音电网供电正常时处于睡眠状态，静置无噪音 工作噪音一般为5565db价格约为同容量UPS的60%价格较昂贵寿命只有电网无电时才进行逆变工作，主机寿命相对较长，一般在20年以上只要开机就连续不间断工作，主机寿命相对较短，一般在8年以上目标负载电感、阻性负载计算机类电容性负载主要特征适应负载能力强适应负载单一工作目的确保应急供电万无一失确保供电不间断和稳压使用地点设置在建筑竖井或配电室 设置在计算机房或空调间 从上表可以看出，UPS适合计算机类负载，允许停电时

11、间为毫秒级， EPS特别适合作为消防设施用电的应急电源。 下表是EPS和柴油发电机组性能的比较：指标EPS柴油发电机组结论启动时间<0.10.2秒530秒快环保无排气排烟、无噪音、无振动、无公害有二氧化硫排放、排烟、噪音特大、有振动，油库需防火好维护维护简单，可无人值守自动操作需专人看管，需定期维护好供电状况供电电压稳定能力强、频率稳定、波形好、无干扰、效率高电压、频率不稳定，效率低好过载及保护过载能力强，保护功能完善过载能力弱，保护功能一般好造价及运行成本一次性投入基本无后续运行费用，电池可循环充放电300500次发电机组设备采购成本稍低，但辅助设施造价高，且后续运行费用多相近 因此，

12、在许多场合，用EPS取代柴油发电机组作为应急电源是可行的。 下面就EPS作为应急电源使用时可能会遇到的一些问题作一些探讨。1. EPS装置配电系统的方案 既可以采用类同于柴油发电机组的配电方案，也可对一些应急负荷要求较高的场所，在配电末端设置EPS，如图3所示： 图2无论L1，L2的正常停电或是L1，L2的线路故障，可通过蓄电池组直流储能放电，经过逆变环节提供交流电源至应急负荷，由于整流环节的存在因而蓄电池不会向工作电源进线侧反馈，因此不存在象柴油发电机组类似图1由于正常线路故障而不能启动的情况。2. EPS电源容量的选择 确定EPS电源容量，首先要使电源容量大于负荷功率，其次要根据不同的负载

13、类型，对大容量的电动机应考虑电压降对电动机启动的影响，或者是增加EPS的容量，或是对电动机负载采取降压启动等方式。3. 应急照明的设计对应急照明目前采用较多的是独立供电式系统，即每个应急照明灯自带蓄电池作为备用电源。建议采用集中供电式系统，在每层配电小室设专用的EPS装置，用于应急照明的供电，应急照明灯具本身不带蓄电池，正常照明电源故障时，由EPS集中供电。理由如下：普通应急灯内部装有稳压、充电、逆变、蓄电池等大量电子元器件，灯具使用时工作环境温度较高，由于价格、体积的原因，充放电回路的设计尽可能的简单，难以达到很好的技术指标。有时和不带蓄电池的灯具接在同一回路，在检修、使用、故障时电池均须充

14、放电，影响其使用寿命。另外，由于灯具数量多，分散在建筑物各处，平时由交流电源供电，备用电源部分的故障平时难以发现，维护工作量也较大。如果采用EPS集中供电式系统，灯具内部所有复杂的电子线路能够被省略掉，由于EPS电子部分对整个系统的价格和设备体积影响不大，可以充分设置各种电压、过电流、抗冲击等保护措施，选择较好的元器件，使用寿命较长，平时的维护成本也能降低很多。4. 电池的备用时间 电池容量选择多大才合适，涉及到价格、体积、维护等多种因素，因此不是备用时间越长越好，而是根据工程规模、性质、负荷的重要程度、相应消防设备火灾中的使用极限等情况来确定。 “高规”规定：商业楼、展览楼、综合楼、一类建筑

15、的财贸金融楼、图书馆、书库、重要的档案楼、科研楼、高级旅馆的火灾延续时间应按3小时计算，其他高层可按2小时计算，自动喷水灭火系统可按火灾延续时间1小时计算。排烟风机在280°C时能连续工作30min。耐火电缆在火灾连续工作时间为90min。因此建议：用于消防泵的EPS电池备用时间90min 用于喷淋泵的EPS电池备用时间60min 用于排烟风机的EPS电池备用时间30min 用于火灾疏散标志的EPS电池备用时间20min 用于火灾备用照明电池备用时间60min以上已考虑了市电全部失去同时又发生火灾的最不利情况3 变电所所址和型式的选择3.1变电所高压电气主接线设计1. 电气主接线形式

16、及运行方式本工程变电所的两路10kV外供电源可同时供电，并设有两台变压器。因此，高压侧电气主接线有两种方案供选。方案一：采用分段单母线形式，运行方式如下：正常运行时，由10kV电源A和电源B同时供电，母线联络断路器端开，两个电源各承担一半负荷。当电源B故障或检修时，闭合母联断路器，由电源A承担全部负荷；当电源A故障或检修时，母联断路器仍断开，由电源B承担一半负荷。此方案的供电可靠性高、灵活性好，但经济性稍差。方案二：采用双回路线路变压器组接线形式，运行方式如下：正常运行时，由10kV电源A和电源B同时供电，两个电源各承担一半负荷。当任一电源故障或检修时，由另一电源承担一半负荷。由于采用线路变压

17、器组接线，电源A受变压器容量限制也只能承担一半负荷，其供电能力没有得到发挥。若需电源A承担全部负荷，则与其连接到变压器容量也需按承担全部负荷选择，单台变压器容量不能满足要求。此方案经济性好，但灵活性和供电可靠性不如方案一。综上分析，本工程变电所高压侧电气主接线采用方案一，即分段单母线形式。2. 开关柜型式及配置主开关采用真空断路器，高压开关柜采用KYN44A-12型金属铠装中置式手车柜。根据当地供电部门规定，电源进线第一台柜为隔离柜，电能计量柜在进线断路器柜之前，进线断路器柜与进线隔离柜、联络柜与联络隔离柜加电气联锁，以防止带负荷操作隔离手车。两个进线断路器与母联断路器设电气联锁，任何情况下只

18、能合其中的两台断路器，以保证两个电源不并联运行。本工程变电所施工阶段的高压侧电气主接线图如图所示。图33.2 变电所低压电气主接线设计1. 电气主接线形式及运行方式变电所设有两台变压器，因此，低压配电系统电气主接线也采用分段单母线形式。运行方式如下：正常运行时，两台变压器同时运行，母联断路器断开，两台变压器分列运行，各承担一半负荷。当任一台变压器同时运行，母联断路器断开，两台变压器分列运行，各承担一半负荷。当任一台变压器故障或检修时，切除部分三级负荷后，闭合母联断路器，由另一台变压器承担全部一二级负荷及部分三级负荷。2. 开关柜型式及配置低压进线断路器、母联断路器及大容量出线断路器采用空气式断

19、路器，低压出线断路器采用塑壳式断路器，低压配电屏采用MNS-0.4型抽出式开关柜。MNS-0.4型抽出式开关柜抽屉层的抽出组件规格有8E/4、8E/2、4E、8E、12E、16E、20E、24E等，根据出线回路的负荷及开关配置相应选择。需要说明的是，变电所低压出线回路的设计是以建筑物竖向低压配电干系统为为基础的，并与之相一致。根据当地供电部门规定，照明负荷与电力负荷电价不同，分开计量。根据消防规范要求，消防用电设备配电回路集中设置于低压配电屏内，并设有明显标志。为防止两台变压器并联运行，变压器低压侧两台断路器与母联断路器实现电气联锁，任何情况下，只能合其中的两台低压断路器。联络柜的母线分段处设

20、置阻火隔断，以确保一级负荷的供电可靠性。图43.3 变配电所所址选择1. 变电所的位置应接近负荷中心、接近电源侧、同时还要考虑进出线方便、设备运输方便；为确保变电所安全运行，应避开有剧烈震动或高温、有污染源、经常积水或漏水、地势低洼、易燃易爆等区域。根据上述要求，经技术经济比较后确定。2. 10kV配电所可与邻近的10/0.38kV变电所合建为10kV配变电所。3. 高层建筑的10kV配电所，宜设在地下一层或者首层；当建筑物高度超过100m时，也可在高层区的避难层或上技术层内设置分变电所。4. 当配变电所的正上方、正下方为住宅、客房、办公室等场所时，配电所应作屏蔽出来。即将建筑物钢筋混凝土构件

21、内钢筋、金属框架、金属支撑物及金属屋面板、外墙板及其安装龙骨支架等建筑物金属体相互等电位连结，形成笼式格栅形屏蔽体或板式大空间屏蔽体。3.4 变配电所型式选择用户35/10(6)kV变电所一般为全户内或半户外独立式结构，即35kV和10(6)kV开关柜放置在屋内，主变压器可放置在屋内或屋外，依据地理环境条件，因地制宜。4 变配电所布置设计4.1 总体布置变配电所的布置是在其位置与数量，电气主接线，变压器型式，数量及容量确定的基础上进行的，且与变配电所的型式密切相关。本工程变电所为单层布置，不单独设置值班室。由于变压器为干式并带有IP2X防护外壳，所以，可与高低压开关柜设置于一个房间内。由于低压

22、开关柜数量较多，故采用双列面对面布置形式。4.2 配电装置通道与安全净距本工程高压开关柜的柜后维护通道最小处为900mm、柜前操作通道为2400mm，低压开关柜的柜后维护通道最小处为1400mm、柜前操作通道为2400mm，干式变压器外廓与门的净距为1400mm、与侧墙壁的净距为1600mm、干式变压器正面之间的距离为1800mm。以上配电装置通道与安全净距均满足规范要求。4.3电力干线敷设高压电源进线电缆从室外穿钢管埋地敷设至室内后，采用电缆桥架引至变电所电缆沟。高压开关柜、低压开关柜、变压器、直流屏及交流信号屏等之间的电缆线路均采用电缆沟敷设。低压配电出线电缆采用电缆桥架敷设，供一级负荷的

23、主供电源电缆与备用电源电缆采用不同桥架敷设或在同一桥架中间隔板分开的两侧敷设，以保证其供电可靠性。5 柴油发电机房及不停电电源设计5.1柴油发电机房设计1. 机组平面布置（1） 机房布置应符合机组运行工艺要求，力求紧凑、经济合理、运行安全和便于维护。（2） 发电机室与配电室或控制室毗邻时，宜将发电机的出线端及电缆沟布置在配电室或控制室侧。（3） 发电机外轮廓距墙和屋顶的距离应满足设备搬运、就地操作、维护检修的需要。（4） 当控制屏和配电屏布置在发电机室时，应布置在发电机端或发电机侧，其操作通道不小于下列数值：屏前距发电机端为2m；屏前距发电机侧为1.5m。（5） 机房布置在地下室时应至少有一侧靠外墙。柴油发电机的排烟应满足环保要求，排热风和排烟管道应伸出室外，并宜高于管道所在位置的屋面或设置竖井导出。5.2不间断电源（UPS）的选择1. 不间断电源（UPS）的功能要求（1） 静态旁路开关的切换时间一般为2-10ms，并具有如下功能：1） 当逆变装置故障或需要检修时，应及时切换到市电电源供电。2） 当分支回路突然故障，回路电流超过预定值时，应切换到市电电源，以增加短路电流，使保护装置迅速动作，待切除故障后，再起动返回