再论民用建筑中供配电系统若干问题的思考

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民用建筑电气中20kV供电电压等级、单台变压器容量、备用电源和应急电源、自启动柴油发电机组的启动信号、低压断路器与母联断路器的联锁控制、低压断路器电子脱扣器的使用、突然断电比过负荷造成的损失更大的线路过负荷保护等问题，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 供配电系统 20kV 变压器容量 备用电源 应急电源 电子脱扣器 过负荷保护 联锁

2008年，《民用建筑电气设计规范》JGJ 16-2008（简称“民规”）颁布执行了，全国各地掀起宣贯热潮。2009年，住房及城乡建设部颁布了《全国民用建筑工程设计技术措施——电气》2009版（简称“措施”）。在执行、应用“民规”和“措施”的过程，有些问题值得大家思考。去年笔者发表了“民用建筑中供配电系统若干问题的思考”^[1]的论文，颇受行业同仁关注，本文将结合工程实际，再对民用建筑电气中供配电系统若干问题进行分析，供大家批判和思考。

1关于20kV供电电压等级

我们经常会用到10kV、35kV供电电压等级，配套产品十分丰富，设计规范和设计方法比较成熟。但是近年来，20kV供电电压得到应用，许多新问题需要解决，尤其产品配套、设计标准成为制约的主要因素。其实国家电网公司早在2007年就下达了“关于推广20kV电压等级的通知”，国家标准《标准电压》GB 156-2007也已经将20kV列入国家标准的电压等级。江苏省、浙江省等地制定了相关20kV标准，对规范、促进20kV电压等级的应用提供宝贵经验。目前，CCDI正在设计的杭州体育场、网球场等项目已经成功的采用20kV电压等级的系统。

供电电压等级应根据用电最大需量、用电设备容量或变压器总容量、当地电网条件等确定，并征得当地供电主管部门的同意。除有特殊需要，供电电压等级可参照表1确定。

表1 供电电压等级的确定

2关于单台变压器容量

“民规”第 4.3.6条规定，“变压器低压侧电压为0.4kV时，单台变压器容量不宜大于1250kVA”。目前，民用建筑规模越来越大，用电量不断增加，CCDI近年来完成的工程，多半变压器单台容量大于1250kVA。其他设计院也有类似的情况。基于数十年工程应用的成功经验，笔者认为，变压器低压侧电压为0.4kV时，单台变压器容量不宜大于2000kVA。

“措施”第2.4.2条第7款规定，“超高层建筑，除在地下层或首层设置主变配电室外，宜根据负荷分布情况，在顶层或中间层设置分变配电室，此分变配电室的单台变压器容量宜为500kVA及以下，以便运输和安装。”超高层建筑的避难层或设备层不仅有电气设备，还有空调设备、各种水泵、电梯等设备，有些设备用电量较大，500kVA的变压器时常不满足需要。结合运输问题，建议将安装于超高层建筑避难层或顶层的变压器单台容量改为不宜大于1000kVA。表2为三款1000kVA变压器的主要参数，SGB10-1000kVA、10kV的变压器重量不足3吨，其重量只有SCB10同规格的80%。宽度只有1.35米，采用3吨的货梯即可解决垂直运输问题。

表2 变压器的体积和重量

3关于备用电源和应急电源

备用电源和应急电源容易混淆，如应用不当会导致严重后果。《电工术语电气装置》GB/T2900.71-2008/IEC 60050-826:2004对备用电源做如下定义，当正常电源断电时，由于非安全原因用来维持电气装置或其某些部分所需的电源叫做备用电源。因此，备用电源是在正常电源断电时为了生产、经营等非安全因素继续为某些设备供电的电源。北京奥运会期间，各奥运场馆都采用了柴油发电机组作为备用电源为比赛工艺负荷、媒体转播负荷供电。备用电源在数据中心也得到广泛应用，数据机房中采用柴油发电机组不是为了人员疏散、逃生等安全因素而设立的，而是为了防止数据丢失、维持数据中心继续运行而设立的，因此数据中心采用的柴油发电机组是典型的备用电源。

民用工程中经常采用柴油发电机组为消防负荷供电，即为了人员安全疏散、安全逃生而设立的，这种情况下的柴油发电机组就是应急电源，其英文名称为electric source for safety services，从英文术语足以看出应急电源是为安全而设置的电源。《电工术语电气装置》GB/T2900.71-2008/IEC 60050-826:2004给出了应急电源的定义，即用作应急供电系统组成部分的电源。如当正常电源断电后，为了供消防类负荷连续工作的电源是典型的应急电源。

因此，通过前面分析，我们可以比较一下备用电源与应急电源的异同点，见表3。

表3 备用电源与应急电源的比较

新版的《供配电系统设计规范》规定备用系统要与应急系统分开设置，凸显两类系统性质不同，应区别对待。但是当备用电源能满足应急电源条件时，备用电源可以兼做为应急电源，避免重复设置柴油发电机组等应急电源。

4关于自启动柴油发电机组的启动信号

当市电停电后，要自动启动柴油发电机组，其启动信号有多种取法，有取自高压侧，也有取自低压侧，其特点见表4所示。

表4 自启动信号拾取点分析

这几种方式均可行，笔者更偏爱采用失压信号，其取自市电/发电机转换用ATSE的市电侧，即判断应急母线段（III段母线）是否有电，正是因为重要负荷接到了应急母线段上，当应急母线段上没有电时，才可以启动柴油发电机并在规定的时间内向负荷供电。当实际电压低于50%Ue时，可以认为失压。

启动柴油发电机组还应有适当的延时，延时的目的是要让多路市电有充足的转换时间，如图1中，一路失电后，母联3QF闭合，由另一路电源供电，等第二路电源再断电后，才可自动启动发电机。避免机组频繁误启动。

当故障时，造成1QF、2QF动作，反映到拾取点4QF下端电压为零，此时应具有故障闭锁功能，不应自动启动发动机。

总之，应急柴油发电机组的自启动信号应取自相关市电的失电信号，具有一定的延时，延时时间应能躲过多路市电之间的转换，并具有故障闭锁功能。

图1 柴油发电机组启动信号的拾取

5关于低压断路器与母联断路器的联锁控制

当低压配电系统为两路电源采用单母线分段、中间设母联断路器时，两个进线断路器与母联断路器在任何时候最多只能有两个断路器闭合，其自投控制的进线断路器宜采用失压脱扣，当失压脱扣不能满足要求时，也可采用分励脱扣。

如图1所示，进线断路器1QF、2QF和母联断路器3QF有表5所示的逻辑关系，进线断路器的状态决定母联断路器的状态。

表5 进线断路器1QF、2QF和母联断路器3QF的逻辑关系

注：1——断路器闭合；2——断路器断开。

北京奥运会期间，实现进线断路器和母联断路器的自投关系采用的是分励脱扣，为的是有一定延时，达到可靠动作的目的。但是，分励脱扣方式是间接判断电源是否失电，环节较多，可靠性有所降低。而失压脱扣最直接的采集电压信号，可靠性大大提高。图2以MT框架断路器的P型控制单元、配以M2C触点和Zelio logic（微型PLC）为例，说明失压脱扣的原理，图中U₁和U₂分别取自两路电源，采集信号直接、简单，无需互感器，电压可100V~380V可调，延时可达5秒。

图2 MT断路器失压脱扣方案

6关于低压断路器电子脱扣器的使用

2008年北京奥运会开幕前，国家体育场、国际会议中心IBC等场馆发生多起电子脱扣器误动作现象，造成用户的投诉，影响很坏。所发现的问题都是出现在大容量的电子脱扣器工作在小电流时，工作电流均小于额定电流的20%以下。根据所发现的问题，北京市2008奥运场馆指挥部办公室组织专家会审，并提出解决方案和措施。图3所示这类电子脱扣器的原理框图，电子脱扣器只有一个空心电流互感器，为电子脱扣器的保护、测量功能提供信号和电源，在大电流情况下，空心CT线性度好，精度高。但是在小电流时，误差较大，效果不甚理想，出现误动作在所难免。

图4所示为双CT电子脱扣器原理示意图，空心CT负责信号采样，在大电流情况下误差很小，精度高。铁芯CT为保护单元提供电源，测量单元的电源直接取自电压信号，这样就解决了图3所示的一个空心CT在小电流时不能提供足够电能和测量误差大的弊病，可靠性得到提高。

采用直流供电也是提高电子脱扣器可靠性的有效措施之一，图4中的铁芯CT改为直流电源，由直流电源为保护单元提供电源。

因此，当低压断路器采用电子脱扣器时，应符合下列规定：

第一，400A及以上的电子脱扣器其实际工作电流不宜小于脱扣器额定电流的20%，且不应大于脱扣器的额定电流。

第二，400A及以上规格的电子脱扣器应选用双电流互感器的产品，或电子脱扣器有可靠电源保障措施，或采用其它防止误动作措施，并应在设计图纸上说明。

第三，电子脱扣器应满足EMC及环境要求。

7关于突然断电比过负荷造成的损失更大的线路过负荷保护

“民规”JGJ 16-2008第7.6.4条第4款规定“突然断电比过负荷造成的损失更大的线路，其过负荷保护应作用于信号而不应切断电路。”这一条是强制性条文，必须严格执行。该规范第9.2.3条第5款第3）项又规定，“突然断电将导致比过负荷损失更大的电动机，不宜装设过负荷保护。如装设过负荷保护，可使过负荷保护作用于报警信号。”这两条规定需要设计人做出评估，即断电造成的损失大还是过负荷造成的损失大。民用建筑中消火栓水泵、喷洒泵、防排烟风机等，如果装设过负荷保护器，当发生火灾时，过负荷保护器误动作，消防类设备不能正常运行，耽误灭火时机，损失可能更惨重。如装设过负荷保护，可使过负荷保护作用于报警信号，提醒值班人员检查、排除故障点。

图5 配电线路过负荷只报警电路图

据了解，目前各地对这两条规定执行的力度不一样，理解的程度也有所不同。对于7.6.4条应严格执行，没有商量的余地，如何实现其规定呢？可以采取以下措施：

措施1，采用瞬动保护的断路器与热继电器组合，断路器用于短路保护，热继电器用于过负荷报警，可采用图5所示的电路图，实现第7.6.4条的规定。当过负荷时，热继电器KH动作，中间继电器KA1线圈带电，KA1动合触点接通声光报警信号HY和HA。

措施2，采用瞬动保护的断路器与智能仪表组合，由智能仪表干接点提供输出信号用于报警。例如PD194Z系列多功能电力仪表有开关量输出，容量为AC 5A/250V，DC 5A/30V；PZ系列可编程智能电测表输出报警继电器容量为AC 1A/220V或DC 1A/30V，也可采用开关量输出触点。用智能仪表中的干接点代替图5中的KH动合触点就可实现过负荷报警功能，设计者应在图纸中标明干接点输出的条件，订货时应按此要求订货。配电线路所采用的保护电器不同，智能仪表的干接点输出条件也有所不同，参见表6。建议输出条件是大于保护电器的整定值而又小于保护电器的约定脱扣电流I₂；当过负荷电流大于I₂时，保护电器应动作，切断故障回路。

表6 智能仪表的干接点输出条件

注：熔断器要进行保护电缆过载验证试验，当1.45Iz大于约定熔断电流时，可不做此试验。

上述若干问题仅为工作中所遇到的部分问题，由于水平有限，有些观点不一定准确，希望大家提出宝贵意见，也需要大家共同思考、共同研究和讨论，促进建筑电气设计水平的提高。

参考文献：

1 “民用建筑中供配电系统若干问题的思考”，李炳华，《智能建筑电气技术》2009.5

2 “超高层建筑中柴油发电组若干问题的思考”，李炳华，《智能建筑电气技术》2009.6