关于民用建筑中供配电系统若干问题的思考

北京市建筑设计研究院有限公司 解 帅

1 供电电压等级与容量

在进行供配电系统设计时，用户单位的供电电压应根据用电负荷计算容量、设备特征、供电距离、当地公共电网及其发展规划等因素综合考虑供配电系统。高压配电电压有35kV、20kV、10kV、6kV 这四种选择。如果变压器容量在6000kVA 或8000kVA 及以上时，可选择使用30kV 供电;用电设备总容量在300kW 及以上或变压器容量在250kVA 及以上时，宜采用20（10、6）kV 供电。

以上几种供电电压均拥有较为丰富的配套产品，无论是设计规范还是应用方案都已成熟，所以是目前民用建筑中常用的供电电压等级。在具体民用建筑项目设计中，供电局提供以及批复的供电方案多以10kV 电源为主。实际应用时可参考表1的供电电压等级使用标准，根据当地实际用电需求进行调整即可。

表1 供电电压等级使用标准

以《民用建筑电气设计标准》GB51348-2019（下称标准）规定，在民用建筑应用中，如变压器的低压侧电压为0.4kV，需要保证单台变压器容量控制在1250kVA 以内[1]。我国城市发展迅速，为容纳更多城市居民生活、工作，民用建筑规模也在不断提升，实际用电量也有逐渐上升的趋势。以北京为例，近些年建设的民用建筑绝大多数的变压器，单台容量已经超过1250kVA，其他省份也有这种单台电压器容量提升的趋势。结合实际工程需求，在考虑变压器供电范围和供电半径情况下，结合继电保护、低压断路器等内容，可将单台变压器的使用最大容量调整到2000kVA。

《全国民用建筑工程设计技术措施电气（2009）》中规定，超高层建筑除必须在地下层或建筑的首层设置主变配电室，建议以建筑物中负荷分布情况，在建筑的顶层或中间层设置分变配电室，保证建筑物的电力正常供应[2]。同时，分变配电室使用的单台变压器，建议选择小于等于500kVA 的容量，方便运输到顶层或者中间层，提高安装便利性。而在实际民用超高层建筑建设中，在其避难层、设备层等拥有许多维持建筑物正常运行的电气设备，还有如空调、电梯等重要电气设备，整个建筑物对于电力需求较大，所以常规的500kVA 容量变压器会出现无法满足实际用电需求。

在充分考虑到变压器运输问题后，建议如果安装在超高层建筑的避难层或顶层位置的变压器，可选择单台容量上限为1000kVA 的变压器，维持建筑物正常电力供应。比如常见的SCB10-1000kVA、10kV 变压器，实际重量低于3t、宽度不足1.4m，可选择承重为3t 的货梯就可实现将变压器运输到避难层或顶层，进行后续的安装作业。

2 备用电源与应急电源

对于备用电源与应急电源，常见的设备有独立于正常电源的专用馈电线路、柴油发电机组、蓄电池组。虽然两者都是作为民用建筑一般电源的辅助电源，但存在一定的差异，使用不当极易造成严重影响。根据《电工术语电气装置》（GB/T2900.71-2008）对于备用电源定义，在一般电源发生断电情况时，用于维持建筑物电气装置正常运行，或一些必要设施运行使用的电源，就是备用电源。可理解备用电源是预防一般电源在断电等突发状况时，保证建筑物内重要设备正常运转而提供的电源。比如2008年北京奥运会，所有奥运场馆都将柴油发电机组作为备用电源使用，保障媒体转播、比赛场地等设备的正常运行。

备用电源在数据中心也有较高的应用频率。因为数据中心拥有许多重要数据，一旦出现一般电源断电，将会导致数据丢失，会造成巨大影响。数据中心一般采用UPS 不间断电源作为备用电源，可保证中断电源的时间控制在毫秒级，保证数据的安全存储，降低数据丢失概率。应急电源的应用目的则是保证建筑物中所有人员的安全，实现人员的疏散逃生。例如在一般电源发生断电后，确保消防类设备正常运行的电源就是应急电源。消防水泵、防排烟风机、消防卷帘等动力类设备一般采用柴油发电机组作为应急电源，应急照明和疏散指示则是采用EPS 蓄电池的形式。

正因为备用电源和应急电源存在应用方面的区别，且根据相关规范要求，备用电源的负荷严禁接入应急电源供电系统，所以在民用建筑的供配电系统设计中应特别注意，避免将两者混用、误用。如按备用电源和应急电源分别独立设置柴油发电机组，则易造成设备投资过大及供配电系统的复杂化。在实际工程应用中，可采用设置一套柴油发电机组，通过设置备用母线段与应急母线段，将备用负荷与应急负荷完全分开的形式，满足不同工况下的供电需求。且两种负荷不会同时运行，根据负荷较大者确定柴油发电机组的额定容量，避免柴油发电机组的规格选择过大。

3 自启动柴油发电机组

相较于遇到紧急情况，需要用到应急电源，备用电源是在一般电源断电时，维持民用建筑各类设备正常运行，所以使用频率较高，柴油发电机组研究更具有参考价值。现对最常用的自启动柴油发电机组做详细分析，方便供配电系统的安全使用。一般电源是与市电连接，由市电供给民用建筑的正常运行。此时柴油发电机组是保持待机状态，不参与到一般电源的电力供应中。一般发生市电断电的情况下，处于自启动状态的柴油发电机应在30s 内进入供电状态，代替一般电源，保证电力的正常供应民用建筑各类设备运行。启动柴油发电机组信号拥有多种选择（图1）。

图1 柴油发电机组启动信号选择

比如选择低压进线断路器辅助触点，其是反映低压进线断路器此刻状态，受到失压、维护等因素影响，反映在图1中就是1QA、2QA 的运行状态检测；或是选择市电/发电机转换用ATSE 的市电侧，其在图1位于4QA 的下方位置，反映ATSE 市电侧当前运行状态。即便是受到任何因素影响，导致ASTE 市电侧无法向民用建筑提供电力资源，柴油发电机组都可拥有立即启动的运行条件。虽然在实际运行中拥有多种方式可选择，但在实际应用中更倾向于失压信号[3]。

这种方法是自市电/发电机转换用ATSE 的市电侧为准，亦即通过判断Ш 段母线，即应急母线段中是否存在电力，选择启动柴油发电机组。因为应急母线段和民用建筑的重要负荷相连接，如果应急母线段无电力供应，重要负荷会同时停止运行，这个时候的柴油发电机可实现自启动，并在较短时间内恢复重要负荷的电力供应。如果实际供应电压小于50%，就可认为当前供配电系统处于失压状态。而柴油发电机组启动也需要预留一定的延时（通常为0～10s），目的让多路市电获得足够时间进行转换。

例如图1，如果一路电源进入失电状态，母联3QA 会自行闭合，此时可通过另一路的电源维持民用建筑运行。如果第二路电源也发生断电，这时才可启动柴油发电机，从而规避柴油发电机组出现频繁的误启动，影响其使用寿命。如果供配电系统出现故障时，导致1QA、2QA 产生动作，拾取点4QA的下方电压则会检测为零。这时应通过预先设置故障闭锁功能，避免出现柴油发动机组自行启动[4]。

4 低压断路器与母联断路器的联锁控制

如果民用建筑的低压配电系统性质为两路电源，并通过单母线进行分段，在中间区域设置母联断路器时，会让两个进线断路器和母联断路器在实际应用中最多仅有两个断路器进行闭合，所以进行自投控制的进线断路器建议选择失压脱扣模式。如果当失压脱扣模式无法满足建筑物的电力供应需求，也可应用分励脱扣模式[5]。

如图1所示，对于进线断路器1QA、2QA，是与母联断路器3QA 存在如表2所示的逻辑关系，由进线断路器运行状态，对于母联断路器的运行状态产生直接影响。母联断路器3QA 应具备“自投自复”、“自投手复”、“自投停用”等功能，且发生自投时应有一定的延时，当主电源断路器1QA、2QA因手动、过载、短路故障，导致出现分闸故障时，母联断路器3QA 不得自动合闸。其中，1代表断路器处于闭合状态，0代表断路器处于断开状态。

表2 进线断路器与母联断路器的运行逻辑

例如2022年北京冬季奥运会，在各个奥运场馆应用的低压配电系统中，对于进线断路器与母联断路器进行联锁就是利用分励脱扣模式。通过动作的延时效果，保证动作运行可靠性。可是分励脱扣设置需要多个环节相互影响，会对整个系统运行可靠性造成影响。也可考虑应用失压脱扣的直接收集电压信号模式，保证系统运行可靠性。

5 突然断电会造成比过负荷更大损失的线路过负荷保护

在《标准》中明确规定，对于突然断电比过负荷造成损失更大的线路，不应设置过负荷保护。这种规定是在民用建筑供配电系统建设中强制落实的内容，必须做到严格执行。同时《标准》也作出相应的补充说明，对于民用建筑，主要针对消防动力设备如消防水泵、防排烟风机等消防设备配电线路，此类设备平时不运行，如发生电动机轴封锈蚀造成启动时间过长、启动电流过大，断路器的过负荷保护可能跳闸，火灾时不能正常启动，对民用建筑造成更大的损失。

对于消防电机类负荷不建议安装过负荷保护。如果已安装了过负荷保护，可将过负荷保护应用在报警信号上，则不会影响设备的正常启动，也可对值班人员产生醒目警示，提醒其对疑似故障位置进行检查，对于安全故障及时排除。

对于实现《标准》中规定可选择以下方式落实：应用单磁断路器和热继电器的组合模式。断路器应用在短路保护上，而过负荷报警则由热继电器负责管控。在供配电系统发生过负荷时，首先热继电器产生影响动作，而中间继电器的线圈也会带电，继电器在闭合触点后，会接通声光报警信号，通知值班人员处理问题；应用单磁断路器和智能仪表的组合模式。对于智能仪表干接点，其负责向供配电系统输出信号，负责报警提示。比如PD194Z系列的电力仪表，就拥有开关量输出，仪表容量为AC 5A/250V、DC 5A/30V。通过智能仪表聚宝源的干接点，取代动合触点，让供配电系统具有过负荷报警能力。所以要求设计人员在设计期间就在设计图纸上进行标明，写清楚干接点输出应具备哪些条件，采集人员也需以设计标准进行配件采购。配电线路使用的保护电器如果存在差异，智能仪表干接点的输出条件同样会受到影响。建议若输出条件为超过保护电器的预设值、但却低于与E 保护电器的约定脱扣电流时，只要供配电系统中的负荷电流超过脱扣电流保护电器就应开始动作，对存在问题的故障回路及时切断，避免影响其他区域。