超高层建筑中柴油发电组若干问题的思考

李炳华中建国际设计顾问有限公司

（北京 100013）

摘要本文着重分析和讨论了超高层建筑中柴油发电机组的若干问题，包括动力源类型、设置柴油发电机组的目的、机组电压等级的确定、并机容量、负荷率、ATSE的使用等，并给出了这些问题的建议性答案，供建筑电气从业人员讨论和研究。

关键词柴油发电机组超高层建筑电压功率负荷率并机 ATSE

1 引言

1.1 超高层建筑的定义

我国一直没有“超高层建筑”的官方定义，但人们约定成俗，通常认为建筑高度超过100m的建筑物是超高层建筑，有两个原因使人们对超高层建筑的含义达成共识：第一，吸取了美国的经验。大家知道，美国是摩天大楼的鼻祖，1909年在纽约建成了世界上第一栋200m以上的摩天大楼——Metropolitan Life Tower（大都会人寿保险公司大楼），开创了建筑史上的先河，为以后的超高层建筑提供了许多宝贵经验，从此，超高层建筑在世界范围内逐渐增多。到了1972年，在美国Pennsylvanian（宾夕法尼亚）州的Bethlehem（伯利恒市）的国际高层建筑会议上，提出了40层以上，即建筑高度在100m以上的建筑叫作超高层建筑。

第二，我国《高层民用建筑没计防火规范》GB 50045—95及其2001年修订版、2005修订版都有如下或类似规定，即“建筑高度超过100m的公共建筑，应设置避难层（间）”，“建筑高度超过100m，且标准层建筑面积超过1000m²的公共建筑，宜设置屋顶直升机停机坪或供直升机救助的设施”。规范中“100m的建筑高度”暗示着这个高度是高层建筑的分水岭，超过100m的建筑，其灭火的难度将大大增加、人员疏散更加困难。

因此，本文所说的超高层建筑系指建筑高度超过100m的建筑物。

1.2 超高层建筑的特点

顾名思义，超高层建筑的最显著特点就是建筑高度高，通常超过100m。目前世界上投入使用的最高建筑物位于台北的101大楼，高度达508m、101层。我们正在设计的深圳平安金融中心工程^[1]建筑高度将达646m，建成后将超过台北101大楼。

建筑物高度的增加将伴随着建筑面积的猛增，建筑面积可达十几万平方米，甚至更多。能同时容纳多达数万人入住，人员密度非常高。如果遇到突发事件，人员疏散时间长^[2]。因此，人员安全疏散在超高层建筑中显得十分重要。

由此看来，超高层建筑中，电源可靠供电变得非常重要，为人员疏散、消防设施的运行提供保证。而在火灾时，市电往往会被火焰烧毁，应急电源在此承担供电的重任，柴油发电机组是最常用的应急电源。

2 超高层建筑中应用柴油发电机组需要深思的几个问题

柴油发电机组在超高层建筑中早已得到广泛的使用，许多专家、学者都有精辟的论述。本文主要对柴油发电机组在超高层建筑的应用谈谈个人观点，供大家讨论。

思考1：为什么在超高层建筑中不能设置燃气发电机？

众所周知，天然气是可燃易爆气体，其在空气中浓度为5%～15%的范围内时，遇明火随即发生爆炸，爆炸瞬间会产生很高的压力和温度，破坏力巨大。而高层建筑中的发电机组往往作为应急电源使用，在火灾情况下，天然气存在爆炸危险，不适合做发电机的动力源。

同理，高层建筑中不适合使用汽油、煤油动力的发电机。如表1所示，由于汽油、煤油闪点较低，挥发性较强，易形成可燃性的混合气体，对灭火救灾造成安全隐患。而柴油很难挥发，闪点较高，安全性优于汽油和煤油。

表1 常用燃油的闪点

注1：闪点就是可燃液体或固体能放出足量的蒸气并在所用容器内的液体或固体表面处与空气组成可燃混合物的最低温度。

2：自燃点是指在规定的条件下，可燃物质产生自燃的最低温度。

思考2：超高层建筑中设置柴油发电机的目的是什么？

在超高层建筑中，设置柴油发电机组有两个目的，一是作为应急电源使用，主要为消防类负荷提供第三电源；另一目的为用户提供备用电源，满足生产、经营等活动。两者使用目的不同，要求也不一样，详见表2。

表2 应急电源与备用电源的区别

思考3：超高层建筑中，什么情况下设置高压柴油发电机组？什么情况下设置低压柴油发电机组？

超高层建筑中，柴油发电机组通常设置在地下室，发电机距顶层的用电设备较远，线路电压损失较大。假设负荷为三相平衡负荷，线路电压损失^[3]可采用公式（1）计算。

Δu%=0.173IL（R₀cosφ+X₀sinφ）/U_e (1)

式中，Δu——线路电压损失，%，一般情况下用电设备端子处此值为5%；

I——负荷计算电流，A；

L——线路长度，km；

R₀、X₀——线路单位长度的电阻和电抗，单位：Ω/km；

cosφ——功率因数；

U_e——额定电压，kV。

不难看出，当线路电缆选定后，L、I与U_e成正比，电压越高，供电距离越长。

假设采用交联聚乙烯绝缘铜芯电缆，载流量按WDZ-YJFE电缆工作在90℃、环境温度30℃时的数据^[4]，cosφ取0.9，将数据代入公式（1），计算得表3、4、5。

表3 额定电压为400V时的电压降与供电距离

表4 额定电压为6kV时的电压降与供电距离

表5 额定电压为10kV时的电压降与供电距离

这是比较严酷情况，也可认为是近似极限情况。当然，实际应用中不会用载流量作为计算电流，一般计算电流远远小于电缆的载流量，因为考虑到保护选择性，第一级低压保护一般比下一级保护大2级以上，计算电流只有载流量的一半左右，因此，表3中的相应供电距离也得以增加。另外，发电机输出电压比线路额定电压要高5%，而规范考察的是用电设备端子处的电压与额定电压的偏差。

因此，设置在超高层建筑内的柴油发电机，应根据负荷大小、单台电动机最大启动容量、供电半径等因素确定柴油发电机的额定输出电压：

（1） 当建筑物高度低于200m时，宜采用低压柴油发电机；

（2） 当建筑物高度大于400m时，应选用高压柴油发电机；

（3） 当建筑物高度在100m~400m时，应进行技术分析、比较，确定柴油发电机的额定电压。

思考4：并机运行的柴油发电机组的最大容量是多少？

上面所说的电压降会影响到柴油发电机组电压等级的选择，但这个因素不是唯一的。表6列出了常用功率为1600kW的柴油发电机组在不同额定电压下的最大输出电流。

表6 柴油发电机组的最大输出电流

从表中可以看出，柴油发电组输出电压越小，其最大输出电流越大。当发电组输出电流大于3168A时，两台机组并机，电流将高达约6300A，已经到达或接近目前低压开关柜容量的极限。

因此，400V柴油发电机组并机运行的最大机组容量不得大于1600kW。如要并机运行，可采用高压柴油发电机组。

思考5：柴油发电机组的常用功率和备用功率有何区别？

表6所示，柴油发电机组有两个功率——常用功率和备用功率。常用功率是指柴油发电机组可以满负荷连续运行12小时的功率，常用功率也叫连续输出功率；备用功率系指在常用功率的基础上，12小时中只能有一小时10%过载运行的功率。显然，备用功率可以在短时间内输出更大的功率。

在实际使用中，常用功率可作为备用电源，而备用功率可作为应急电源使用。

思考6：柴油发电机组的负荷率多少为宜？

上面说明了常用功率和备用功率的概念，柴油发电机组工作在这样功率下，表明发电机的负荷率分别达到100%和110%，这种状况会造成过高的油耗，机组工作效率降低。因此，一般情况柴油发电机组不工作在满负荷状态，柴油发电机组的经济功率约为75%的常用功率，也就是柴油发电机组的负荷率在75%时比较经济。

思考7：市电与发电机之间转换用的ATSE有何要求？

近年来，关于ATSE的话题不断被提起，吸引众多专家研究。市电与发电机转换采用ATSE，可以实现电气、机械联锁，有效地防止它们之间并联。建议此处采用PC级、4极、三位式的ATSE。当ATSE具有自投自复功能时，自动复归应有适当的延时，延时时间可调，并与发电机停机时间相匹配。

为什么要采用PC级的ATSE？从可靠性、结构特点、返修率统计等方面分析表明PC级ATSE的可靠性较高^[5]。三位式ATSE带零位，比两位式的有无比的优势。如果采用两位式ATSE，当正常电源发生一相断电时，由于柴油发电机起动、稳定送电需要一定的时间，在发电机起动过程中，ATSE不能将负荷转换到备用电源，结果造成非故障两相电压升高，有可能造成设备损坏。如果采用三位式ATSE，此时将ATSE先置于零位，待发电机起动并稳定送电后，ATSE再将负荷切换到备用电源位置。即，“先断开——再送电”。自动复归延时时间根据系统要求确定，应确保市电可靠恢复供电并稳定后才能复归。并且先复归，后停柴油发电机。

使用PC级的ATSE还要注意下列问题，PC级ATSE前的保护电器（SCPD）应按产品供应商的要求选择、并要求产品供应商提供国家权威检测机构的实验报告。PC级ATSE与其之前的SCPD应同时满足式（2）和式（3）。

I_cw（或I_q）≥I_d （2）

（I²t）_pc≥（I²t）_SCPD （3）

式中，I_cw——PC级ATSE的短时耐受电流，单位：kA；

I_q——PC级ATSE的额定限制短路电流，单位：kA；

I_d ——ATSE所在处的预期短路电流，单位：kA；

­（I²t）_pc——PC级ATSE的热效应能量，单位：kA²t；

­（I²t）_SCPD——与PC级ATSE相配合的SCPD的热效应能量，单位：kA²t。

要求厂家提供ATSE与其配合的SCPD的规格和型号，该资料必须由国家权威机构实验得出。公式（2）和公式（3）必须同时满足，第一个公式表明ATSE必须能承受一定量的短路电流；第二个公式从能量角度出发，要求ATSE在SCPD动作之前不能被损坏，同时考虑短路电流和短路电流所持续的时间。很遗憾，只有为数不多的厂家可以提供ATSE和SCPD配合的实验数据。表7为深圳泰永公司PC级ATSE与断路器配合的实验数据，供读者参考。

3 结论

综上所述，关于超高层建筑中的柴油发电机组设计，可以得出如下结论：

a 超高层建筑中的应急电源不能使用汽油、煤油、天然气等作为动力源，可使用柴油发电机组。

b 柴油发电机组在超高层建筑中既可作为应急电源使用，也可以作为备用电源使用。当备用电源满足应急电源条件时，备用电源可以兼作为应急电源。

c 当建筑物高度低于100m时，宜采用低压柴油发电机组；当建筑物高度大于400m时，宜采用高压柴油发电机组；当建筑物高度大于900m时，宜采用10kV高压柴油发电机组；当建筑物高度在100m~400m时，应进行技术分析、比较，确定柴油发电机组的额定电压。

d低压柴油发电机组（400V）最大单台并机容量不得大于1600kW。如要进行并机运行，可采用高压柴油发电机组。

e 柴油发电机组输出功率有常用功率和备用功率，应在图中表明。

f 柴油发电机组的负荷率宜为75%，以实现经济运行。

g 市电与发电机转换用的ATSE建议采用PC级、4极、三位式的ATSE，ATSE与其之前的短路保护电器应有可靠的配合。

参考文献

[1] “平安IFC变配电所布置方案初探”，中建国际设计顾问有限公司 杜光晖、黄剑锋，《智能建筑电气技术》2009.3

[2] “超高层建筑应急电源供电时间的研究”，张巧玲李炳华徐学民吴生庭李云，《智能建筑电气技术》2009.3
[3] 《工业与民用配电设计手册》，中国航空工业规划设计研究院 组编，中国电力出版社，2005年10月
[4] 国家建筑标准设计图集《建筑电气常用数据》04DX101-1
[5] “再析自动转换开关电器ATSE可靠性”，李炳华，《智能建筑电气技术》2006年第2期