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建筑电气设计丨供配电系统的原理及数据中心供配电系统的设计要求

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电能是国民经济各部门和社会生活中的主要能源和动力,是应用非常广泛的二次能源。电能可以比较容易地从其他形式的能量转换而得,又能很方便地转变成其他形式的能量,并可以很经济地远距离传输。

电能的控制、分配、测量都很方便。建筑物所需电能由电力系统提供,由于发电厂距用户较远,需要通过输电线路和变电所等中间环节,才能把电力输送给用户。同时,为了提高供电的可靠性和实现经济运行,常将许多的发电厂和电力网连接在一起并联运行。

所谓电力系统就是由各种电压等级的输电线路将发电厂、变电所和电力用户联系起来的一个发电、输电、变电、配电和用电的整体。如图1所示。

图1:电力系统示意图

1.电力网或电网

电力系统中各电压等级的电力线路及其联系的变电所称为电力网或电网。电网通常分为输电网和配电网两大部分。由35kV及以上的输电线路和与其相连接的变电所组成的称为输电网, 其作用是将电力输送到各个地区或直接供电给大型用户。35kV以下的输电线路称为配电网,其作用是直接供电给用户。

2.变电所

将来自电网的电源经变压器变换成另一电压等级后,再由配电线路送至各变电所或直接供给用户的电能供配电场所称为变配电所,简称变电所。

3.配电所

引入电源不经过变压器变换,直接以同级电压重新分配给各变电所或供给各用电设备的场所称为配电所。

建筑中由于安装了大量的用电设备,电能消耗量大,为了接受和使用来自电网的电能,内部需要一个供配电系统,该系统由高压供电系统、低压配电系统、变配电所和用电设备组成。通常对大型建筑或建筑小区,电源进线电压多采用10kV,电能先经过高压配电所,再由高压配电所将电能分送给各终端变电所。 经配电变压器将10kV高压降为一般用电设备所需的电压(220/380V),然后由低压配电线路将电能分送给各用电设备使用。

智能建筑供配电系统

1、智能建筑的负荷等级划分

由于智能建筑用电设备多、负荷大、对供电的可靠性要求高,因此应对负荷进行分析,合理、准确地划分负荷等级,以便组织供配电系统,使之既能做到供电合理,不造成浪费,或使初投资不增加。负荷等级划分的原则主要是根据中断供电后在政治、经济上造成影响的程度而定。按照《民用建筑电气设计规范》(JGJ/T 16-1992)对负荷等级的划分标准如下:

①一级负荷。中断供电将造成人身伤亡者;中断供电将造成重大的政治影响者;中断供电将造成重大的经济损失者;中断供电将造成公共场所的秩序严重混乱者。

②二级负荷。中断供电将造成较大政治影响者;中断供电将造成较大经济损失者;中断供电将造成公共场所的秩序混乱者。

③三级负荷。凡不属于一级和二级的负荷。

在智能楼宇用电设备中,属于一级负荷的设备有:消防控制室、消防水泵、消防电梯、防排烟设施、火灾自动报警、自动灭火装置、火灾事故照明、疏散指示标志和电动的防火门窗、卷帘、阀门等消防用电设备;保安设备;主要业务用的计算机及外设、管理用的计算机及外设;通信设备;重要场所的应急照明。属于二级负荷的设备有:客梯、生活供水泵房等。空调、照明等属于三级负荷。

2智能建筑用电设备的特点

智能建筑通常是高层建筑,与一般建筑相比,其用电设备具有如下的特点:

①用电设备种类多,有电气照明设备、电梯设备、给排水设备、冷热源设备、洗衣房设备、厨房设备、暖通空调设备、消防用电设备以及弱电设备等。

②用电量大,且负荷密度高。智能建筑的用电负荷比较集中,一般情况下,空调用电负荷约占总用电量的50%,照明负荷约占总用电量的20%~30%,电梯、水泵以及其他动力设备约占总用电量的25%~35%。一般,像高层旅游宾馆和酒店、高层商住楼、高层写字楼等智能建筑的负荷密度都在60W/m2以上,有的高达150W/m2。

③供电可靠性要求高。智能建筑中有相当数量的负荷属于一级负荷,如消防用电等。所以智能建筑供电可靠性要求高,一般均要求有两个及两个以上的高压供电电源,并设置柴油发电机组(或燃气发电机组)作为备用电源。

④电气线路多,电气系统复杂。由于智能建筑的功能比较复杂、用电设备种类多、供电负荷多且可靠性要求高,导致智能建筑的电气系统很复杂。电气系统复杂了,电气线路也就多了。不仅有高压供电线路、低压配电线路,而且还有火灾报警线路、防盗报警线路等弱电系统线路。

3智能建筑用电设备分类

智能建筑的用电设备很多,根据用电设备的功能可将其分为3类,即:保安型、保障型和一般型。

①保安型负荷。保证大楼内人身安全及智能化设备安全、可靠运行的负荷。这类负荷有:消防负荷、通信及监控管理用计算机系统等用电负荷。

②保障型负荷。保障大楼运行的基本设备负荷。这些负荷有:主要工作区的照明、插座、生活水泵、电梯等。

③一般负荷。除上述负荷以外的负荷,如:一般的电力、照明、暖通空调设备、冷水机组、锅炉等。

4智能建筑供配电系统的特点

①由于用电量大,一般供电电压都采用10kV标准电压等级,有时也可采用35kV,变压器装机容量大于5000KVA。并设内部变配电所。

②按照《高层民用建筑设计防火规范》的有关要求,为了确保智能建筑消防设施和其他重要负荷用电,智能高层建筑一般要求两路或两路以上独立电源供电,当其中一个电源发生故障时,另一个电源应能自动投入运行,不至同时受到损坏。另外,还须装设应急备用柴油发电机组,要求在15秒钟内自动恢复供电,保证事故照明、电脑设备、消防设备、电梯等设备的事故用电。

③高层建筑的用电负荷一般可分为空调、动力、照明等。动力负荷主要指电梯、水泵、排烟风机、洗衣机等设备。普通建筑的动力负荷都比较小,且一般大部分放在建筑物的底部,因此变压器一般也都设置在建筑物的底部。但是随着建筑高度的增加,在超高层建筑中,电梯设备较多,电梯负荷随之增大,此类负荷大部分集中于大楼顶部。

水泵容量也随着建筑的高度增大,竖向中段层数较多,通常设有分区电梯和中间泵站。在这种情况下,为了减少变配电系统的电能损失,采用变压器深入负荷中心的方式,宜将变压器按上、下层配置或者按上、中、下层分别配置,变压器进入楼内而且上楼。供电变压器的供电范围大约为15-20层。

④由于供电深入负荷中心,变压器进入楼内,为了防火的需要,不能采用一般的油浸式变压器和油断路器等在事故情况下能引起火灾的电气设备,而采用干式变压器和真空断路器。

5智能建筑的高压主接线

图2:高压主接线方式

智能建筑具有电气设备多、人员密度大、火灾隐患多、对消防安保要求高、用电负荷大等特点,对供电可靠性及供电质量要求都很高。通常采用一路主供、一路备用的方式集中供电。

图2是智能建筑中常用的高压主接线方式。两路电源同时工作,当其中一路发生故障时,由母线联络开关对故障回路供电。具有单母线分段、自动切换、互为备用的特点,可保证较高的供电可靠性。

自备应急柴油发电机组

目前城市电网的供电状况虽然较稳定,但对一个建筑物来说,即使城市电网已提供两路电源,并且有时这两路电源来自不同的上一级变电站,但实际运行中,一路电源检修时不排除另一路电源出现故障的情况,而且还有可能两路电源同时出现故障(因为再上级电源往往是同一电源)。因此,为了确保大厦供电的可靠、安全,设置自备柴油发电机组是必要的。

自备应急柴油发电机组应始终处于准备启动状态。当市电中断时,机组应立即起动,并在15s内启动且供电;当市电恢复后,机组延时2~15分钟(可调)不卸载运行,延时时间到后主开关自动跳闸,机组再空载冷却运行10分钟后自动停车。

智能建筑的低压主接线

智能建筑变配电所的低压主接线一般采用分段单母线接线方式,母联开关手动或自动切换。低压配电的接线方式可分为放射式和树干式两大类。放射式配电是一独立负荷或一集中负荷。它们均由一单独的配电线路供电,一般用在单台设备容量较大、容量比较集中或供电可靠性高的场所。例如大型消防泵、生活水泵和中央空调的冷冻机组,供电可靠性要求高,且单台机组容量较大,因此通常都采用放射式专线供电。

树干式配电是一独立负荷或一集中负荷按它所处的位置依次连接到某一条配电干线上。树干式配电所需配电设备及线缆消耗量较少,系统灵活性好,但干线发生故障时影响范围大,一般适用于用电设备比较均匀,容量不大,又无特殊要求的场合。

目前智能建筑低压配电方案是:在干线上基本采用放射式,而楼层间配电则为混合式。混合式即放射-树干的组合方式。图3(a)~图3(c)分别为放射式、树干式和混合式接线图。

(a)放射式 (b)树干式 (c)混合式

数据中心的供配电系统设计要求

一、一般规定

1、数据中心应按现行国家标准《数据中心设计规范》GB50174的规定划分为A、B、C三类级别。设计时应根据数据中心的使用性质、管理要求及其在经济和社会中的重要性确定所属级别。

2、数据中心供配电系统设计应包括:配变电系统、备用电源系统、不间断电源系统等。

条文说明:各系统主要包括下列内容:

①配变电系统:10kV~20kV配电柜、变压器、0.4kV配电柜等。

②备用电源系统:10kV柴油发电机组、0.4kV柴油发电机组、发电机组并机柜等。

③不间断电源系统:交流不间断电源、直流不间断电源、输入配电柜(屏)、输出配电柜、蓄电池组等。

3、A级数据中心供配电系统宜按容错要求配置,B级数据中心供配电系统应按冗余要求配置。

二、基本要求

1、A级数据中心供配电系统应符合下列规定:

(1)应由双路电源供电,并应配置10kV或0.4kV备用电源;备用电源可采用柴油发电机系统,也可采用供电网络中独立于正常电源的专用馈电线路。

(2)低压配变电系统宜采用M(1+1)冗余(M=1、2、3……),系统主接线应采用单母线分段,并应设分段开关。

(3)低压配变电系统依据其工作特点可采用DR、RR系统配置。

条文说明:

①DR配置即有3组低压配变电系统互为备份,当其中1组系统出现故障,利用剩余2组系统供电,保证后级设备的正常运行。

②RR配置即有1组低压配变电系统为其他几组系统冗余备份,当其中1组系统出现故障,利用备份系统供电,保证后级设备的正常运行。

(4)不间断电源系统应按2N或M(N+1)冗余(M=2、3、4……)配置,当满足下列要求时,可采用不间断电源和市电电源相结合的配置方式。

1)设备或线路维护时,应保证电子信息设备正常运行;

2)市电直接供电的电源质量应满足电子信息设备正常运行的要求;

3)柴油发电机系统应能承受容性负载的影响;

4)电子信息设备向电网注入的谐波量应符合国家标准的规定。

(5)不间断电源系统电池备用时间应不小于15min。

条文说明:不间断电源系统需保证市电失电、发电机组正常供电之前的系统不间断运行。后备时间主要包括两路市电停电、发电机组延时启动、发电机组启动成功及并机完成时间、市电与发电机组转换时间。

(6)机房设备用空调系统配电应由双路电源供电,冷冻水循环泵及末端空调宜采用不间断电源供电。

(7)容错配置的配变电系统、不间断电源系统等,应分别布置在不同的物理隔间内。

(8)监控内容应包括:机房环境量监控、机房空调系统、供配电系统、不间断电源系统、蓄电池、柴油发电机系统、主机集中监控和管理系统。A级数据中心宜监控每只蓄电池的电压、内阻。

A级数据中心供配电要求可按表1规定:

2、B级数据中心供配电系统应符合下列规定:

(1)供电宜采用双路电源,当只有一路电源时,应设置备用电源。

(2)低压配变电系统宜采用M(1+1)冗余(M=1、2、3……)。

(3)不间断电源系统应按N+1冗余配置,也可采用N不间断电源和市电电源相结合的配置方式,市电电源应满足二1(4)中1至4款的要求。

(4)当柴油发电机组作为备用电源时,不间断电源系统的电池备用时间宜不小于15min。

(5)机房设备用空调系统电源宜采用双路供电。

(6)监控内容应包括:机房环境量监控、机房空调系统、供配电系统、不间断电源系统、蓄电池、柴油发电机系统、主机集中监控和管理系统。B级数据中心宜监控每组蓄电池的电压、内阻。

B级数据中心供配电要求可按表2规定:

3、C级数据中心供配电系统应符合下列规定:

(1)应配置不间断电源系统。

(2)电池备用时间应根据实际需要确定。

C级数据中心供配电要求可按表3规定:

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