超高层建筑中柴油发电机压等级的选用

仇 成

(华东建筑设计研究院有限公司，上海 200002)

0 引言

目前民用超高层项目越来越多，由于超高层项目对供电稳定性要求较高，为了提高供电可靠性，均设置柴油发电机作为备用电源。由于超高层项目往往垂直供电距离较长，供配电过程中电压降是不可忽视的一个因素。柴油发电机房由于其对于送排风、油罐设置及爆炸防护的苛刻条件，往往只能设置在地下室。面对动辄几百米的垂直送电距离，在项目设计中为了减少电压降损失，提高供电可靠性，往往采用高压柴油发电机。在项目经验中，由于电压降的原因，250 m是低压送电的临界距离，对于高度200 m左右的超高层是否应该选用高压柴油发电机一直存在争议。本文对高压柴油发电机的适用性进行了探讨。

1 柴油发电机电压等级的选用原则分析

1.1 从经济性的角度分析

柴油发电机的选用很大程度上受制于供电半径的影响，在200 m左右的超高层建筑中往往采用高压柴油发电机，以减少在垂直距离的电压降损失，提高经济性，但这种选择方法具有片面性。目前大部分城市其供电质量较稳定，基本不存在两路电源同时失电的情况。许多项目建成后柴油发电机十几年甚至几十年都没有实际使用过。因此，在这种使用频率极低的情况下，考虑柴油发电机线路的节能毫无意义。在紧急情况下，柴油发电机也只是运作6 h左右，待人员安全疏散、数据保存妥当后断电，不作为长时间供电的手段。综合考虑经济性，高压柴油发电机并不占优势。如前所述，高压柴油发电机在电压降方面的优势几乎不会被用到。如果选用低压柴油发电机，可以采取扩大电缆截面等简单手段规避电压降过大的问题。相对于扩大电缆截面对投资的影响，高压柴油发电机需要设置专用的应急变压器，对投资的影响大。尤其在塔楼避难层中，原本可供使用的面积就不大，不但需要增加变电所的面积，还需增加结构荷载，大大增加了投资成本。

高压柴油发电机需要占用大面积的机房空间，因此在民用建筑中应优先考虑低压柴油发电机。经过调研，目前市场上的高压柴油发电机多数用于工业建筑中，这是由于工业建筑中往往有需要柴油发电机供电的高压设备，选用低压柴油发电机无法满足用电需求。工业建筑往往远离城市，其供电可靠性较低，而一旦停电又会造成巨大的损失，因此柴油发电机不仅仅是短时间供电的应急设备，在线路修复前，柴油发电机可能进行长时间的持续供电，因此在工业建筑中选用高压柴油发电机经济、合理。民用建筑由于基本没有需要柴油发电机供电的高压设备，又无需柴油发电机作为常用电源持续供电，因此并不推荐将工业建筑中的经验套用至民用建筑。民用建筑中使用高压柴油发电机经济性不佳。

因此，从经济性的角度考虑，低压柴油发电机的经济性远优于高压柴油发电机，应尽量采用低压柴油发电机，优劣比较如表1所示。

表1 低压柴油发电机与高压柴油发电机造价比较

1.2 从可靠性角度分析

目前，柴油发电机的巡检制度仅针对柴油发电机本身，并不包括整套应急系统。因此往往造成虽然柴油发电机每隔一段时间运行一次，保证了机组的可靠性，但其配套的变压器常年不用。在紧急情况下，这往往是致命的，将造成巨大的损失。柴油发电机所带负荷往往是重要负荷，如果需要巡检，则要对整栋楼的业主进行通知。因此，即使要求物业管理公司对整套应急系统进行巡检，其执行力也存在疑问。变压器长时间不运作，其内部由于受潮等原因发生故障的概率非常高。目前这一点尚未得到重视，因此通风专业对变电所内除湿往往做得并不到位。电气专业在变电所设计中虽预留除湿机插座，但往往后期未安装到位。对于已采用高压柴油发电机的项目，应对变电所内湿度等引起重视，避免应急变压器损坏，并且增加巡检制度，对整套应急供电系统进行巡检。

低压柴油发电机供电系统相对简单，故障率较低，但主要的缺点是长距离供电时电压降较大，当电压不足时末端设备无法正常运作，因此必须仔细核算电压降，使用合理的电缆截面。但扩大电缆截面对电压降效果有限，不宜用在过高的楼层。如在超高层等供电半径较长的建筑中选用低压柴油发电机，则必须在调试中重点关注末端机组是否正常运行，以避免可能的风险。由于可以在调试阶段中排查，因此在实际使用中发生末端设备电压不足的概率非常小。

高压柴油发电机的出线电缆由于电压等级不同，往往敷设于单独的管弄井，受其他因素的影响较小。低压柴油发电机至避难层变电所的主干电缆往往与其他电缆敷设在同一梯架中，如果梯架中的电气线路发生绝缘老化等故障，往往会导致低压柴油发电机的主干线路处于火场中心。根据调查，建筑物火灾42%是由电气故障引起的。由于主干线路一旦损毁就相当于大部分应急系统失效，因此必须选用耐火性能好的电缆，如矿物绝缘电缆等，以保证供电的可靠性。在条件允许的情况下，应与其他电缆分别敷设于管井的两侧或设置独立管井，以提高可靠性。

因此在超高层建筑中，对柴油发电机电压等级的决定性因素最终受制于供电半径，当电压降不足以影响设备运作时，可以考虑选用低压柴油发电机以降低投资，减少变电所面积。

2 柴油发电机电压等级选用示例

为进一步探讨在超高层建筑中选用低压柴油发电机的可能性，以西安永威时代中心为例，分析低压柴油发电机可供电的最大半径。

2.1 计算公式

线路电压降计算公式为

式中:P——功率;

L——供电距离;

R、X——三相线路单位长度电阻、电抗。

将绿色环保设计理念应用到建筑室内装饰装修设计当中，能够满足居民的个性化室内装饰装修需求，打造良好的室内装饰装修风格。想要不断减少有害物的排放量，营造一个更加健康的建筑室内环境氛围，设计人员要主动运用绿色环保设计理念进行设计。可以安装LED灯，节省大量的电力能源，减少有毒物质的出现，保证建筑室内装修装饰更为环保绿色。设计人员要树立良好的绿色环保设计目标，了解绿色环保设二级内涵，科学利用自然光，有效满足建筑室内照明需求，保证节能灯具得到更好利用[3]。

无功功率计算公式为

2.2 项目概况

西安永威项目属于一类超高层公共建筑，主要功能为办公、商业综合体。建筑面积约为126 365 m2(地上、地下之和);地下部分3层，包括1层夹层，地上47层，高度为 207 m，其中第6F、21F、36F 为避难层，裙房在5F。

其变电所的设置情况为:-1F设10/0.4 kV变电所2座，分别为1#变电所和3#变电所;36F避难层设 2#变电所;-1F 1#变电所，设 2台1 600 kVA变压器以及相关低压配电柜，供大楼地下室 ～26F办公区域全部负荷;设 2台2 000 kVA变压器以及相关低压配电柜，供大楼地下室～5F商业区域全部负荷;36F 2#变电所，设4台1 250 kVA变压器以及相关低压配电柜，供大楼27F～屋顶办公区域全部负荷;-1F 3#变电所，设2台1 000 kVA变压器以及相关低压配电柜，供大楼冷冻机房、热交换机房全部负荷。

经测算，最高供电楼层垂直高度约为200 m，其中36F变电所垂直高度为150 m。水平最远线路约为60 m(应急照明)、30 m(消防风机)，柴油发电机房位于-1F，由变电所至管井的路程约为35 m，即该建筑电压降最不利点距离为主干线路235 m，末端配出线路60 m。

2.3 低压柴油发电机情况下的电压降计算

(1)从末端供电(最末一级配电箱配至用电设备线路)进行逆推算。

应急照明部分:标准层中由管井内沿桥架配出的最远的应急照明灯距离为60 m，为28 W荧光灯，选用WDZCN-BYJ-2×2.5+E2.5电缆穿管敷设，电压损失为0.07%。其中弱电间等配电与应急照明类似，且距离更短，故不计算。

消防风机部分:标准层中由管井内沿桥架配出的最远的应急照明灯距离为30 m，为18.5 kW消防风机，选用BTTZ-4X16电缆直接敷设，电压损失为0.92%。

因此，在整个供电系统中，照明线路由最末一级配电箱至末端设备的电压损失非常小，故在计算供电半径时可忽略不计。消防风机等存在1%左右的电压降，在屋顶面积大、设备布置分散时需校核其电压降情况。

(2)推算第二级配电线路(由最近变电所配至末端配电箱)的电压降。第二级配电线路为由36F变电所供电至最上层的供电距离为50 m。

应急照明部分:用电容量55 kW，配电线路BTTZ-(1×50)，电压降为1%。

生活水泵房:用电容量264 kW，配电线路WDZA-YJY-2(4×240+E120)，电压降为0.63%。

消防风机总箱:总用电容量74 kW，配电线路BTTZ-4X(1×95)，电压损失为0.73%。

综上，在第二级配电中，电压损失均在1%左右。综合末端电压降，总的电压降在2%左右，则一级配电的电压降必须在3%以内。由于变电所/柴油发电机房配电柜内母排本身存在一定压降，因此需将电压降控制在2.0%～2.5%的范围以内。由于超高层建筑虽裙房各不相同，但塔楼标准层及配电方式往往高度相似，因此结论具有普适性。校验电压降过程中，只要最高层变电所最远服务楼层在10F左右，末端电压降都可以认为在2%左右。仅需校验由柴油发电机机房至最高层变电所配电电缆的电压降即可。

(3)一级配电线路(由柴油发电机柜至最近变电所):消防负荷580.5 kW，计算电流830 A，整定电流 1 000 A，BTTZ-3［4(1×300)+E(1×150)］电缆供电。由柴油发电机机房配至36F的距离为185 m，电压降为2.14%，符合要求。

一级负荷654 kW，计算电流935 A，整定电流1 100 A，采用 WDZA-YJY-3［4(1×300)+E(1×150)］电缆供电，电压降为2.4%，符合要求。

2.4 高压柴油发电机情况下的电压降计算

由柴油发电机高压配电至36F变电所后经10/0.4 kV变压器后配至各设备，即之前一级配电电压降被规避。第二级配电与末端配电计算与之前雷同，故不重复计算。可以认为在高压柴油发电机的情况下，电压降为2%左右。

2.5 高压及低压柴油发电机方案对比

高压、低压柴油发电机方案对比如表2所示。

因此，在该项目中选用低压柴油发电机完全合理，可节省成本。

表2 高压、低压柴油发电机方案对比

2.6 低压柴油发电机实际操作中存在的问题

(1)母线槽电压降，如第一级配电选用电缆转母线槽的方式，可大大减少电压降，增加供电的可靠性。在实际操作过程中，需增加2段母线，对垂直留洞提出了相当高的要求。超高层的标准层往往面积不大，对核心筒的限制较多。因此为了尽可能增大使用面积，设计采用了3拼电缆的方式，但如果强电间面积宽裕或有适合的管井可供走线，仍应优先选用母线槽供电的方式。

(2)低压柴油发电机最终计算后末端电压降勉强达到了5%的合格线，但在实际施工过程中可能由于绝缘损坏、施工方擅自增加接头等增加电缆的电阻、感抗值，从而增加电压降，很可能在实际施工结果中末端电压降超过5%。因此在条件允许的情况下，可以增加一级配电线路的电缆截面，以保证电压降达标，并且为以后的改造预留足够的容量。

(3)在扩初阶段无法准确获知末端容量，而低压柴油发电机由于情况特殊，必须仔细校核电压降后才可确定使用。因此，必须事先为选用高压柴油发电机的情况预留空间，而两个方案对面积的需求差别较大。在施工图阶段选用了低压柴油发电机，变电所面积将有很大的富余。变电所往往位于不易使用的机房区，即使交由建筑专业重新设计，也只能作为备品间等无直接商业价值的房间使用，从而间接降低了面积的使用率。

3 结语

本文通过理论研究及实际项目计算对超高层建筑中应用低压柴油发电机的可能性及选择原则进行了探讨，并着重对电压降进行了详细的计算与分析，提出了在超高层建筑中使用低压柴油发电机的可行性。在实际操作过程中，必须通过严谨的计算才能选用低压柴油发电机，且必须严格把控施工质量，避免发生不必要的意外。本文仅在末端配电的计算结果具有普适性，对第一级配电进一步研究并提出具有普适性的结论是需要进一步研究的课题。

［1］ 中国航空工业规划设计研究院.工业和民用配电设计手册［M］.3版.北京:中国电力出版社，2005.

［2］ JGJ 16—2008 民用建筑电气设计规范［S］.

［3］ GB 50052—2009 供配电系统设计规范［S］.