高度大于250m建筑柴油发电机组配电系统探讨

　　2018年4月10日公安部(现应急管理部)下发了公消[2018]57号文，即“关于印发《建筑高度大于250米民用建筑防火设计加强性技术要求(试行)》的通知”，通知强调相关部门需要落实的两项工作：一、强化属地管理，对符合条件的超高层建设工程所采取的“更加严格的防火措施”，要由各消防总队组织专家评审;二、严格专家评审，各消防总队应在落实该《建筑高度大于250米民用建筑防火设计加强性技术要求(试行)》(以下简称“《加强性技术要求》”)的基础上，结合当地灭火救援能力情况，对消防设计内容进行全方位技术审查，确保所采取的更加严格的防火措施能够切实增强超高层建筑火灾时的自防自救能力。
　　大于250m的超高层建筑内，人员众多、疏散困难，消防设备电源的可靠性至关重要，《加强性技术要求》第二十四条对消防设备的负荷分级和应急电源保障提出了更加严格的要求，即消防用电应按一级负荷中特别重要的负荷供电。应急电源应采用柴油发电机组，柴油发电机组的消防供电回路应采用专用线路连接至专用母线段，连续供电时间不应小于3.0h。
　　大于250 m的民用建筑消防负荷供电措施分析
　　民用建筑消防负荷采用专用线路、设置专用母线段的措施
　　根据建筑性质、类别、规模不同，普通民用建筑中的消防负荷划分为一、二、三级，其中，对一级负荷应采用双重电源供电，对其余等级的负荷，电源要求相对降低。为了提高消防设备供电可靠性，GB 50016-2014《建筑防火设计规范》(2018年版)第10. 1. 6条、第10. 1. 8条，要求采用专用线路双电源末端自动切换供电。
　　GB 50016 - 2014(2018年版)第10. 1. 6条，消防用电设备应采用专用的供电回路，当建筑内的生产、生活用电被切断时，应仍能保证消防用电。该条强调供电回路专用，主要目的是为了保证消防供电线路的可靠性。条文说明里给出了目前国内建筑电气工程中常见的低压配电系统主接线方案，根据消防、非消防负荷是否分组设计，将系统划分为不分组设计和分组设计方案。其中，不分组设计方案的特点是系统简单，但消防负荷受非消防负荷故障的影响较大;分组设计方案中，消防负荷相对独立，主接线相对复杂，消防负荷受非消防负荷故障影响较小，分组设计方案接线见图1、图2。
　　是从变压器低压侧封闭母线处，通过设置单独的主断路器将消防电源分出，形成独立系统(专用母线段)。图2是利用低压柴油发电机组作为消防设备的备用电源时，采用专用线路，并将消防负荷和一级负荷中特别重要的负荷设于同一专用母线段的接线方案。这两种分组设计的接线方案，均具有供电可靠性较高的特点，即当设置于其他母线段的生产、生活用电(非消防负荷)被切断时，仍能保证专用母线段上的负荷用电。
　　民用建筑中一级负荷中特别重要的负荷供电措施
　　一级负荷中特别重要的负荷供电在电源数量、供电措施上，较一级消防负荷更加严格。GB 50052 - 2009《供配电系统设计规范》第3. 0. 3条：“一级负荷中特别重要的负荷供电，应符合下列要求：1 除应由双重电源供电外，尚应增设应急电源，并严禁将其他负荷接入应急供电系统。2 设备的供电电源的切换时间，应满足设备允许中断供电的要求。”第3. 0. 9条：“备用电源的负荷严禁接入应急供电系统。”
　　由于特别重要负荷的容量、允许中断供电的时间，以及要求的电源为直流或交流等不同，往往同时使用几种应急电源，为了使各种应急电源设备密切配合，充分发挥作用，需要为特别重要负荷设置专用母线段 —— 特别重要负荷中心，GB 50052 - 2009的3. 0. 5条文说明给出的应急电源接线示例见图3(以蓄电池、不间断供电装置、柴油发电机同时使用为例)。
　　专用母线段(即特别重要负荷中心)上所供电的负荷包括了一级负荷中特别重要的负荷及安保动力、应急照明，和图2的专用母线段的设置原则类同。基于提高供电可靠性的目的，一级负荷中特别重要的负荷与前述的消防负荷一样，也需采用专用线路双电源末端自动切换供电。
　　民用建筑中设置的柴油发电机组在作为应急电源的同时还兼作备用电源
　　当建筑中设置柴油发电机组作为消防负荷和一级负荷中特别重要负荷的应急电源时，为最大化利用柴油发电机组，大多数项目均利用柴油发电机组既作为应急电源又作为备用电源，在未发生火灾、市电停电时，向保障型负荷供电，以支撑建筑的基本营运。民用建筑中柴油发电机组供电负荷类型如下：
　　第一类：消防水泵、消防控制室、消防电梯、辅助疏散电梯及其排水泵、防烟及排烟设施、防火卷帘、门窗、阀门等消防用电、消防应急照明和疏散指示标志等。
　　第二类：表1中的一级负荷中特别重要的负荷。
　　第三类：维持大楼营运的保障型负荷，包括通道照明、值班照明、警卫照明、航空障碍照明用电，客梯用电，安防用电，智能化机房用电，排污泵、生活泵等。
　　第四类：其他经营客户的重要负荷，比如：酒店管理公司通常要求单独设置柴油发电机保障的负荷。
　　第五类：特殊设备，如柴油发电机组远置式散热系统用电，包括循环水泵、散热器风机、冷却塔、油泵电源等。
　　第六类：超高层建筑中，特殊租户重要用电(一般按租户面积的10 ～ 20 VA / m2预留);金融交易楼层用电;应急空调用电;擦窗机吊篮用电等。
　　上述负荷包括消防负荷、一级负荷中特别重要的负荷及非消防保障负荷。当利用柴油发电机组既作为应急电源又作为备用电源时，柴油发电机组容量按应急负荷、保障型负荷中较大者选取。
　　并未体现出作为备用电源的发电机向非消防保障型负荷供电的接线关系，一般情况下，设计师需要为非消防保障型负荷设置单独的保障负荷母线段，并由发电机专用线路供电。
　　建筑高度大于250 m的民用建筑消防负荷供电措施
　　《加强性技术要求》第二十四条要求：消防用电应按一级负荷中特别重要的负荷供电。应急电源应采用柴油发电机组，柴油发电机组的消防供电回路应采用专用线路连接至专用母线段，连续供电时间不应小于3.0h。
　　该条文将高度大于250m的民用建筑消防负荷等级划分为一级负荷中特别重要的负荷，实际是要求其消防负荷的供电措施，不仅要满足GB 50016-2014(2018年版)对消防负荷的供电要求，而且要满足GB 50052-2009对一级中特别重要的负荷的供电要求，还要满足《加强性技术要求》的规定。
　　GB 50052-2009规定，一级负荷中特别重要的负荷是指中断供电将发生中毒、爆炸和火灾等情况的负荷，以及特别重要场所的不允许中断供电的负荷。高度大于250m的超高层建筑属于特别重要场所，需要增加柴油发电机组作为消防用电的应急电源，并采用专用的母线段，以确保市政电网故障导致停电事故时，仍具有独立的电源供电。
　　笔者认为，除增加柴油发电机组作为消防负荷和非消防一级负荷中特别重要负荷的应急电源外，低压配电系统主接线方案采用前述的分组设计方案，设置低压专用母线段(特别重要负荷中心)，向消防负荷和非消防一级负荷中特别重要的负荷供电，可以满足相关规范和《加强性技术要求》的规定。
　　应急 / 自备柴油发电机组的电压选择
　　针对建筑高度大于250m的民用建筑，影响应急 / 自备柴油发电机组的电压等级确定的因素包括用电负荷的电压等级、机组容量、供电距离等，超高层建筑应急 / 自备柴油发电机组电压等级的选择一般原则为：供电距离在300m以内、只需要向低压用电设备供电、机组不需并机运行或并机后总容量不大于3200kW时，采用低压0.4kV机组;供电距离在250~400m时，需要进行经济技术比较来确定采用低压0. 4kV或中压10kV柴油发电机组;当需要向高压用电设备供电，或供电距离大于400m，或多台大容量机组需要并机运行时，应采用10kV柴油发电机组。
　　应急柴油发电机组的配电系统接线方案分析
　　柴油发电机组作为应急电源或备用电源的应用比较普遍，无论是低压柴油发电机组还是中压柴油发电机组，配电系统接线方式都相对比较成熟，均满足 GB 50016-2014(2018年版)及GB 50052-2009的相关规定，但哪种接线才最能满足2018年4月试行的《加强性技术要求》第二十四条的规定呢?下面针对低压、中压配电系统接线方案进行分析。
　　0.4kV低压柴油发电机组的配电系统接线
　　根据《加强性技术要求》第二十四条规定，在低压配电系统设置消防专用母线段(特别重要负荷中心)和非消防保障母线段，由柴油发电机分别引出专用线路连接至上述母线段，参考GB 50016 - 2014(2018年版)的第10. 1. 6条条文解释中“负荷分组设计方案”，低压柴油发电机组的配电系统接线见图4，图中线路G-F为“专用线路”;“特别重要负荷母线”为专用母线段。
　　10 kV中压柴油发电机组的配电系统接线
　　建筑内消防负荷(包括一级负荷中特别重要的负荷，下同)和非消防保障负荷一般为低压用电设备，当采用中压柴油发电机作为应急 / 备用电源时，需要通过专设变压器降压后再进行供电。专设变压器的设置方式与低压配电系统接线方案常见的有3种，方案1、2对应于消防负荷设置专用变压器，方案3对应于消防负荷和非消防负荷共用变压器。本文将对这3种方案进行分析：
　　方案1：为消防负荷设置专用变压器，该变压器平时不通电。
　　柴油发电机组、降压变压器与市电完全独立，线路G-F为发电机引出的“专用线路”，“特别重要负荷母线”为专用母线段，由该母线段配出消防负荷备用电源，其低压配电系统采用了前述的“负荷分组设计方案”，该接线方案完全满足《加强性技术要求》及相关规范规定。该方案特点如下：
　　优点：系统接线简单;由于该专用变压器不连接市电，不计入市电容量。
　　缺点：专用变压器及相应的电缆，均长期处于不使用(不通电)的状态，如果日常维护、保养不到位，一旦应急使用，其故障的可能性会增大，应急电源的可靠性难于保障。
　　专用变压器在市电正常时由市电1供电，当市电停电时，由中压切换开关切换为由柴油发电机组供电，线路G - F为发电机引出的“专用线路”;“特别重要负荷母线”为专用母线段，由该母线段配出消防负荷工作电源，其低压配电系统采用了前述的“负荷分组设计方案”，该接线方案完全满足《加强性技术要求》及相关规范规定。该方案特点如下：
　　优点：与方案1相比较，专用变压器平常带电，可靠性较高。
　　缺点：平常运行时变压器接入市电，需要计入市电容量，从而增加高可靠费用的投入;由于平常消防设备容量较小，变压器的负载率较低，设备利用率不高，经济性较差。
　　方案3：消防和非消防负荷设置共用变压器。
　　为中压柴油发电机电源专设了降压变压器，在市电正常时由市电1供电，此时，既向消防负荷供电，也向非消防负荷供电;当市电停电时，由中压切换开关切换为柴油发电机组供电，同时，由市电停电信号切除非消防负荷，此时，变压器仅向消防负荷供电，发电机消防供电线路G-F为专用线路。
　　当市电正常时，该方案的低压配电系统与GB 50016-2014(2018年版)的第10. 1. 6条条文解释中“负荷分组设计方案”完全一致，消防负荷的低压配电始终为专用母线段。当市电停电由发电机供电时，从发电机配出的10 kV供电线路、降压变压器、低压配电母线段，都完全满足《加强性技术要求》及相关规范对于消防“专用”的规定。
　　在设置10 kV中压柴油发电机组的系统中，笔者推荐方案3的系统接线。消防和非消防负荷设置共用变压器的做法，类似于客梯兼作消防电梯，普通风机兼作消防风机，既发挥了变压器的正常供电功能，又能确保在消防时发挥可靠的应急作用。方案3兼有方案1和方案2的优点，在不增加市电装机容量的情况下，还能保证消防负荷的可靠供电。
　　柴油发电机电源与市电电源转换开关设置位置选择
　　由柴油发电机供电的消防负荷变压器、非消防保障负荷变压器的系统接线中，10 kV柴油发电机电源与市电的电源转换开关设置位置，均位于变压器上端，即俗称的“末端切换”。此时的柴油发电机备用电源均为冷备用，平时不带电，电源转换开关数量较多，投资较高。对于中压柴油发电机组为多个变电所供电的配电系统，常用的另一种接线方式是：消防负荷变压器采用“末端切换”，可以减小故障范围，提高消防负荷供电的可靠性;非消防保障负荷变压器采用“首端集中切换”的方式，可以减少电源转换开关数量，系统简洁，减少投资，当发生火灾时，由消防信号直接切除发电机保障母线段电源，保障消防负荷变压器供电。
　　电源转换开关电器是整个应急 / 备用供电系统的关键节点
　　从上述配电系统接线方案可以看出，当采用柴油发电机组作为建筑的应急 / 备用电源时，无论柴油发电机组是采用低压还是中压，都存在与市电间的电源转换，电源转换开关电器成为整个应急 / 备用供电系统的关键节点，它一旦出现问题，将导致整个建筑的应急 / 备用电源系统无法提供电力供应，造成重大经济损失和安全事故。