高層建筑供電安全管理探究

李仲偉

（山西大同大學 煤炭工程學院 安全工程系，山西 大同 037003）

0 引 言

依據相關國標規定，樓層數達到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，隨著我國經濟的發展，建設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，影響了日常用電負荷的需求，一旦發生供電故障，將嚴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 用電負荷計算不合理

我國高層建筑用電負荷方面的研究起步較晚，大都參照國外經驗。但是，國外與國內實際情況存在一定差別，一些系數取值和單位容量指標等方面的設計存在一定偏差。以往計算住宅負荷只是簡單依據插座和燈泡數，而隨著高層建筑大量出現和各種先進設備的涌現，每戶實際設備容量已經遠遠高于20 kW。因此，以往形式的家庭用電負荷計算方式已經難以滿足現狀。

1.2 供電安全可靠性欠佳

一些高層建筑低壓配電系統設計、保護接零和過流保護等設備，依然無法有效避免漏電、火災等情況，是引發高層建筑火災事故的主要原因之一[2]。此外，高層建筑供電系統設計中的接地設計不合理、建筑電氣施工時甚至存在接地形式混用等情況。一些關鍵設備未對其進行專門的等電位連接，進而導致漏觸電和人員傷亡等事故。此外，隨著大量電氣設備的應用，漏電保護裝置應用逐漸普及。漏電保護裝置可以有效避免接地故障而造成人員觸電和電氣火災等情況發生，但作業人員技術素養不高，漏電保護裝置的選擇不合理、接線不正確，導致漏電保護裝置難以發揮其特定功能，從而嚴重威脅整個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 高層建筑供電負荷計算與可靠性措施分析

2.1 高層建筑負荷計算

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荷的決定因素。因此，確定每戶用電容量需秉持以下原則。計算智能化小區小康型住宅的負荷，實際每戶用電量計算公式為：

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類家用電器實際設備標稱容量值。

此外，計算高層住宅建筑整體負荷時，應考量公共度電氣設備，包括照明、電梯和機房等[4]。而計算一些高層寫字樓和賓館飯店等高層建筑的用電負荷，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，因此負荷計算通常采用單位指標法，定義如下：

式（2）中，W表示實際總計算負荷，單位kW；Q1表示單位指標情況，單位W/m2；Q2表示實際系數值，通常為0.7；C表示當前高層建筑的總面積，單位m2；cosβ表示功率因數值，通常取0.8。

應注意，對商用高層建筑而言，計算各個商鋪店面負荷的參考單位指標為110～120 W/m2，常規性辦公室的參考單位指標為95～140 W/m2，高級辦公室的參考單位指標為140～190 W/m2。

2.2 提高柴油發電機組供電可靠性

作為高層建筑的自備應急電源，柴油發電機組應在建筑供電失常后15 s隨即投入運行，從而彌補停電造成的損失。當采用單臺機組作為整個建筑的應急電源時，它的額定容量設計應不高于1.5 kVA。當機組投入運行并達到額定轉速時，應分批次連入負荷。通常先連入較大容量的電動機組，隨后為小容量電動機。各個設備盡可能錯開時間連入，以降低母線電壓的波動。圖1為某高層建筑的配電系統圖。

如圖1所示，高層建筑設計了2臺變壓器，即T1與T2，分別獨立連接于市電電源，并設置備用發電機組。由圖1可知，當建筑處于正常工作情況時，兩段母線同時供電運行，此時開關S1、S2、S4均處于吸合狀態，S3、S5開關處于斷開狀態，2臺變壓器處于各自獨立運行狀態且互相關聯影響，發電機組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。當正常市電故障導致其中一段母線停電時，位于母聯位置的S3開關檢測到母線欠壓并自動吸合，確保市電正常情況下2臺變壓器之間實現互相備用。如果市電對I段和II段母線停止供電，柴油發電機檢測到欠壓信號隨機投入運行，S5開關隨機自動吸合，變壓器鏈接開關S1、S2斷開，由備用變壓器對3條母線供電。

圖1 某建筑配電系統設計圖

基于圖1設計方案進行配電系統電氣設計時，應在各個開關之間設置相應的電氣聯鎖，避免由于誤操作引發事故風險。開關S1、S2應與開關S3實現聯鎖，以確保任何情況下2臺變壓器之間不會并列運行。開關K1、K2與開關K5之間的聯鎖，可有效避免發電機組投入運行時與市電的互聯，從而防止反相供電造成更大影響。開關S5應與開關S3、S4聯鎖，開關S4失壓脫扣器應同時監測II段、III段母線電壓，確保非火災情況下如果發生停電，發電機可作為非消防備用電源，從而充分發揮柴油發電機組的效力。

對應急發電機而言，當建筑發生停電事故時，其供電對象主要包括消防用電、大都生活水泵供電、客梯運行供電、大樓所有樓道供電、客房走道照明供電以及相關電源母線供電等。因此，選擇高層建筑柴油發電機組時，應盡量選擇高速柴油發電機組和無刷型自動勵磁設備。因為高速柴油發電機組體積相對較小，整個機組的總重量相對較小，且設備運行情況較為可靠。無刷型自動勵磁設備可適用于各種啟動條件，有助于實現整個機組自動化和發電機組遙控運行的特點。此外，與自動勵磁設備配套應用，往往可使靜態情況下的電壓調節率達到2.5%以內。

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，應充分考慮降容并檢測其截流性能。通常情況下，8臺左右的緊密無間隔安裝形式降容會大于20%。此外，環境因素也會影響開關額定電流性，設計時應查閱、核實相關產品的技術資料。

第二，充分考量非線性符合電器。微波爐、可控硅調光等設備的電流往往含有多次諧波，而奇數倍的諧波在中性線內會互相疊加且難以抵消，進一步增加了電流，使中性線超負荷發熱，進而影響線路使用壽命，甚至引發火災等事故。因此，設計安裝建筑電氣時應明確新的標準。當配電系統為三相四線制時，其截面應為相線截面的2倍。

第三，單胎交流電梯和直流電梯單獨配電的導體，其不間斷工作載流量設計應大于銘牌要求額定電流值的1.4倍，插座的額定電流應大于所使用設備額定電流的1.25倍。

第四，低音區并聯電容器線路的斷路器和交流接觸器等設備，相關導體的工作電流設計應不低于其實際負荷的1.5倍。為計算機等設備供電的不間斷電源，輸出功率的設計應高于計算機和相關負載設備額定功率的1.5倍。

3 結 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。為進一步確保高層建筑供電安全性，應充分考量供電負荷情況，依據商業用途和住宅用途性質的不同，分別計算高層建筑負荷。此外，需分析備用柴油發電機組。當建筑停電時，及時滿足用戶提供供電需求，從而彌補停電造成的損失，避免事態進一步惡化。隨著更高層、超高層建筑的興建，未來對供電系統的安全性將有更高要求。因此，務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。