高層建筑供電安全管理探究

李仲偉

（山西大同大學(xué) 煤炭工程學(xué)院 安全工程系，山西 大同 037003）

0 引 言

依據(jù)相關(guān)國標(biāo)規(guī)定，樓層數(shù)達(dá)到10層及以上、高度超過24 m的建筑屬于高層建筑范疇[1]。近些年，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建設(shè)的高層建筑日益增多，尤其在一些一線、二線城市，高層建筑隨處可見。高層建筑增加的同時(shí)，影響了日常用電負(fù)荷的需求，一旦發(fā)生供電故障，將嚴(yán)重影響居民的日常生活。因此，需要提高高層建筑供電安全性與可靠性。

1 高層建筑供電安全常見問題分析

1.1 用電負(fù)荷計(jì)算不合理

我國高層建筑用電負(fù)荷方面的研究起步較晚，大都參照國外經(jīng)驗(yàn)。但是，國外與國內(nèi)實(shí)際情況存在一定差別，一些系數(shù)取值和單位容量指標(biāo)等方面的設(shè)計(jì)存在一定偏差。以往計(jì)算住宅負(fù)荷只是簡單依據(jù)插座和燈泡數(shù)，而隨著高層建筑大量出現(xiàn)和各種先進(jìn)設(shè)備的涌現(xiàn)，每戶實(shí)際設(shè)備容量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于20 kW。因此，以往形式的家庭用電負(fù)荷計(jì)算方式已經(jīng)難以滿足現(xiàn)狀。

1.2 供電安全可靠性欠佳

一些高層建筑低壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、保護(hù)接零和過流保護(hù)等設(shè)備，依然無法有效避免漏電、火災(zāi)等情況，是引發(fā)高層建筑火災(zāi)事故的主要原因之一[2]。此外，高層建筑供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的接地設(shè)計(jì)不合理、建筑電氣施工時(shí)甚至存在接地形式混用等情況。一些關(guān)鍵設(shè)備未對其進(jìn)行專門的等電位連接，進(jìn)而導(dǎo)致漏觸電和人員傷亡等事故。此外，隨著大量電氣設(shè)備的應(yīng)用，漏電保護(hù)裝置應(yīng)用逐漸普及。漏電保護(hù)裝置可以有效避免接地故障而造成人員觸電和電氣火災(zāi)等情況發(fā)生，但作業(yè)人員技術(shù)素養(yǎng)不高，漏電保護(hù)裝置的選擇不合理、接線不正確，導(dǎo)致漏電保護(hù)裝置難以發(fā)揮其特定功能，從而嚴(yán)重威脅整個(gè)高層建筑供電的可靠性和安全性[3]。此外，防雷措施不合理、雷擊電磁脈沖和電磁兼容性等問題也是影響供電安全的主要因素。

2 高層建筑供電負(fù)荷計(jì)算與可靠性措施分析

2.1 高層建筑負(fù)荷計(jì)算

基于高層建筑用途不同，可將其分為高層住宅建筑和高層商用建筑。對高層建筑而言，住戶的家用電器是用電負(fù)荷的決定因素。因此，確定每戶用電容量需秉持以下原則。計(jì)算智能化小區(qū)小康型住宅的負(fù)荷，實(shí)際每戶用電量計(jì)算公式為：

式（1）中，Q3、Q2、Q1分別 表示I、II、III類家用電器的需要系數(shù)值，通常以0.5～0.6為宜；J3、J2、J1分別表示I、II、III類家用電器實(shí)際家庭使用普及情況，通常取值為100%～200%、25%～40%、5%～15%；P3、P2、P1分別表示I、II、III類家用電器實(shí)際設(shè)備標(biāo)稱容量值。

此外，計(jì)算高層住宅建筑整體負(fù)荷時(shí)，應(yīng)考量公共度電氣設(shè)備，包括照明、電梯和機(jī)房等[4]。而計(jì)算一些高層寫字樓和賓館飯店等高層建筑的用電負(fù)荷，與高層住宅用建筑大不相同。此類建筑往往位于城市繁華地段，因此負(fù)荷計(jì)算通常采用單位指標(biāo)法，定義如下：

式（2）中，W表示實(shí)際總計(jì)算負(fù)荷，單位kW；Q1表示單位指標(biāo)情況，單位W/m2；Q2表示實(shí)際系數(shù)值，通常為0.7；C表示當(dāng)前高層建筑的總面積，單位m2；cosβ表示功率因數(shù)值，通常取0.8。

應(yīng)注意，對商用高層建筑而言，計(jì)算各個(gè)商鋪店面負(fù)荷的參考單位指標(biāo)為110～120 W/m2，常規(guī)性辦公室的參考單位指標(biāo)為95～140 W/m2，高級(jí)辦公室的參考單位指標(biāo)為140～190 W/m2。

2.2 提高柴油發(fā)電機(jī)組供電可靠性

作為高層建筑的自備應(yīng)急電源，柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)在建筑供電失常后15 s隨即投入運(yùn)行，從而彌補(bǔ)停電造成的損失。當(dāng)采用單臺(tái)機(jī)組作為整個(gè)建筑的應(yīng)急電源時(shí)，它的額定容量設(shè)計(jì)應(yīng)不高于1.5 kVA。當(dāng)機(jī)組投入運(yùn)行并達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，應(yīng)分批次連入負(fù)荷。通常先連入較大容量的電動(dòng)機(jī)組，隨后為小容量電動(dòng)機(jī)。各個(gè)設(shè)備盡可能錯(cuò)開時(shí)間連入，以降低母線電壓的波動(dòng)。圖1為某高層建筑的配電系統(tǒng)圖。

如圖1所示，高層建筑設(shè)計(jì)了2臺(tái)變壓器，即T1與T2，分別獨(dú)立連接于市電電源，并設(shè)置備用發(fā)電機(jī)組。由圖1可知，當(dāng)建筑處于正常工作情況時(shí)，兩段母線同時(shí)供電運(yùn)行，此時(shí)開關(guān)S1、S2、S4均處于吸合狀態(tài)，S3、S5開關(guān)處于斷開狀態(tài)，2臺(tái)變壓器處于各自獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)且互相關(guān)聯(lián)影響，發(fā)電機(jī)組G不工作。另外，II段和III段母線均由T2變壓器供電，且與I段母線隔離。當(dāng)正常市電故障導(dǎo)致其中一段母線停電時(shí)，位于母聯(lián)位置的S3開關(guān)檢測到母線欠壓并自動(dòng)吸合，確保市電正常情況下2臺(tái)變壓器之間實(shí)現(xiàn)互相備用。如果市電對I段和II段母線停止供電，柴油發(fā)電機(jī)檢測到欠壓信號(hào)隨機(jī)投入運(yùn)行，S5開關(guān)隨機(jī)自動(dòng)吸合，變壓器鏈接開關(guān)S1、S2斷開，由備用變壓器對3條母線供電。

圖1 某建筑配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

基于圖1設(shè)計(jì)方案進(jìn)行配電系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在各個(gè)開關(guān)之間設(shè)置相應(yīng)的電氣聯(lián)鎖，避免由于誤操作引發(fā)事故風(fēng)險(xiǎn)。開關(guān)S1、S2應(yīng)與開關(guān)S3實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖，以確保任何情況下2臺(tái)變壓器之間不會(huì)并列運(yùn)行。開關(guān)K1、K2與開關(guān)K5之間的聯(lián)鎖，可有效避免發(fā)電機(jī)組投入運(yùn)行時(shí)與市電的互聯(lián)，從而防止反相供電造成更大影響。開關(guān)S5應(yīng)與開關(guān)S3、S4聯(lián)鎖，開關(guān)S4失壓脫扣器應(yīng)同時(shí)監(jiān)測II段、III段母線電壓，確保非火災(zāi)情況下如果發(fā)生停電，發(fā)電機(jī)可作為非消防備用電源，從而充分發(fā)揮柴油發(fā)電機(jī)組的效力。

對應(yīng)急發(fā)電機(jī)而言，當(dāng)建筑發(fā)生停電事故時(shí)，其供電對象主要包括消防用電、大都生活水泵供電、客梯運(yùn)行供電、大樓所有樓道供電、客房走道照明供電以及相關(guān)電源母線供電等。因此，選擇高層建筑柴油發(fā)電機(jī)組時(shí)，應(yīng)盡量選擇高速柴油發(fā)電機(jī)組和無刷型自動(dòng)勵(lì)磁設(shè)備。因?yàn)楦咚俨裼桶l(fā)電機(jī)組體積相對較小，整個(gè)機(jī)組的總重量相對較小，且設(shè)備運(yùn)行情況較為可靠。無刷型自動(dòng)勵(lì)磁設(shè)備可適用于各種啟動(dòng)條件，有助于實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)組自動(dòng)化和發(fā)電機(jī)組遙控運(yùn)行的特點(diǎn)。此外，與自動(dòng)勵(lì)磁設(shè)備配套應(yīng)用，往往可使靜態(tài)情況下的電壓調(diào)節(jié)率達(dá)到2.5%以內(nèi)。

2.3 其他提高供電可靠性的措施

第一，漏電斷路器等微型斷路器在緊密間隔安裝過程中，應(yīng)充分考慮降容并檢測其截流性能。通常情況下，8臺(tái)左右的緊密無間隔安裝形式降容會(huì)大于20%。此外，環(huán)境因素也會(huì)影響開關(guān)額定電流性，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)查閱、核實(shí)相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)資料。

第二，充分考量非線性符合電器。微波爐、可控硅調(diào)光等設(shè)備的電流往往含有多次諧波，而奇數(shù)倍的諧波在中性線內(nèi)會(huì)互相疊加且難以抵消，進(jìn)一步增加了電流，使中性線超負(fù)荷發(fā)熱，進(jìn)而影響線路使用壽命，甚至引發(fā)火災(zāi)等事故。因此，設(shè)計(jì)安裝建筑電氣時(shí)應(yīng)明確新的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)配電系統(tǒng)為三相四線制時(shí)，其截面應(yīng)為相線截面的2倍。

第三，單胎交流電梯和直流電梯單獨(dú)配電的導(dǎo)體，其不間斷工作載流量設(shè)計(jì)應(yīng)大于銘牌要求額定電流值的1.4倍，插座的額定電流應(yīng)大于所使用設(shè)備額定電流的1.25倍。

第四，低音區(qū)并聯(lián)電容器線路的斷路器和交流接觸器等設(shè)備，相關(guān)導(dǎo)體的工作電流設(shè)計(jì)應(yīng)不低于其實(shí)際負(fù)荷的1.5倍。為計(jì)算機(jī)等設(shè)備供電的不間斷電源，輸出功率的設(shè)計(jì)應(yīng)高于計(jì)算機(jī)和相關(guān)負(fù)載設(shè)備額定功率的1.5倍。

3 結(jié) 論

隨著高層建筑的日益增多，人們對電力資源的需求越來越高。為進(jìn)一步確保高層建筑供電安全性，應(yīng)充分考量供電負(fù)荷情況，依據(jù)商業(yè)用途和住宅用途性質(zhì)的不同，分別計(jì)算高層建筑負(fù)荷。此外，需分析備用柴油發(fā)電機(jī)組。當(dāng)建筑停電時(shí)，及時(shí)滿足用戶提供供電需求，從而彌補(bǔ)停電造成的損失，避免事態(tài)進(jìn)一步惡化。隨著更高層、超高層建筑的興建，未來對供電系統(tǒng)的安全性將有更高要求。因此，務(wù)必從影響建筑供電的安全因素入手，提高整棟建筑的供電可靠性。