应急备用电源供配电系统方案详解

随着自然环境的改变和科学技术的发展，为保障医疗疾控、科学研究、数据中心和消防救灾等重大工程项目的供电可靠性，用电负荷的要求也在不断提高。除去正常的双重电源之外，还需要设置必要的应急电源。应急电源的使用，能够提高线路供电的稳定性。因此，在对重大工程项目的供电线路设计时，应确定安全可靠、经济合理的应急备用电源供配电系统设计方案。本文通过介绍应急备用电源的概念、种类,以及特别重要负荷对应急备用电源的选用要求等,探讨应急备用电源的选用原则和方法，并介绍某大型项目应急备用电源供配电系统的设计方案。

1应急电源与备用电源

1.1配置要求

从概念范畴的角度，应急电源从属于备用电源，两者在使用目的、切换时间和供电时间要求上有所不同。从使用目的来看，不同层级的负荷，可以按照用电需求的不同，配置必要的应急电源和备用电源。

在对备用电源的配置中,应当要按照相关的技术规范要求,如《建筑电气与智能化通用规范》G B55024—2022(以下简称《规范》)，依据项目对供电的要求不同,针对不同的负荷,按照需求的不同,配置匹配的备用电源。而针对特定的项目,如在一级负荷中特级负荷的供电,应当采用强制性要求的方式配备应急电源。

《规范》针对应急电源,给出了具体的要求：一是应急电源与非应急电源之间,应采用防止并列运行的措施；二是考虑到供电设备停电会出现一定的中断时间,因此,在对应急电源的设计时,应当要从切换时间入手,对应急电源的种类进行选择。

1.2设备分类及应用分析

目前,能够作为应急电源的设备主要分为三类。第一类为独立发电机组,这种设备能够独立进行发电,如柴油发电机组等。第二类为专用馈电线路,这种设备与项目的供电线路不同,它能够独立于供电线路之外,为项目独立进行供电。第三类为蓄电池组,这种设备能够通过充电和放电的方式,满足项目应急用电的需求。在应急电源设计的过程中,具体类型需要根据供电条件、负荷性质、切换时间和供电时间的要求来选择,但与备用电源对切换时间的要求不同,应急电源对切换时间的要求比较高。《供配电系统设计规范》G B 50052—2009中指出,应急电源的选择应当能够满足不同项目供电中断时间的要求。依据不同的中断时间,可以选择不同的应急电源。

一般来说,中断供电要求在15s左右的项目,可以选择第一类的应急电源;中断时间要求在m s级别的可以选择第三类应急电源;而对中断时间要求更为严格的可以选择第二类应急电源。同时,在具体的应急电源选择上,应当要结合具体的停车时间确定。

目前,常用市场上应急电源的种类包括以下5种:

(1)E P S应急电源,主要由充电器、逆变器、切换开关等装置组成,可以实现直流向交流转变的应急电源,这类应急电源的中断时间要求一般为0.25s。

(2)U P S不间断电源,主要由蓄电池、开关构成,是一种交流不间断装置,可以应用在中断m s级的负荷。

(3)自备应急柴油发电机组,主要由拖动工频交流同步发电机构成,可以应用在中断15s以上的负荷。这一类应急电源的考虑,应当要结合具体的生产技术,在与自动启动发电机配合使用时,应当要确保在10m i n以上。

(4)专用馈电线路,主要由专有线路构成,这一类应急电源的中断时间要求一般为1.5s或0.6s。

(5)自备应急燃气轮发电机组,主要由燃气轮机构成,这一类应急电源主要可以满足同步发电的需要。

虽然,应急电源和备用电源所选用的电源类型可以相同,但二者在使用的过程中,不能够混淆。要严格按照《建筑电气与智能化通用规范》的相关规定,备用电源不能直接作为应急电源。当前应急电源中,专用馈电线路的应用范围比较小,应用也比较少。因而,本文在研究的过程中,主要对第一类应急电源发电机和第三类应急电源蓄电池组进行研究。

2柴油发电机组

2.1柴油发电机组的功率

柴油发电机组的功率是电机组能够在终端输出的功率。一般来说,这一功率是确定的,即每一个电机组都存在一个额定频率,且功率可以用千瓦(k W)表示。按照额定功率的类型不同,可以将其分为四类。

(1)持续功率(C O P):在指定的运行条件保障,以及发电机组确保电机组得到充分维护的情况下,发电机组不受限制,按照恒定负载供电的最大功率。

(2)基本功率(P R P):在指定的运行条件保障,以及发电机组确保电机组得到充分维护的情况下,发电机组持续,为可变负荷供电的最大功率。(3)限时运行功率(L T P):在指定的运行条件保障,以及发电机组确保电机组得到充分维护的情况下,发电机组每年运行500h的最大功率。(4)应急备用功率(E S P):在指定的运行条件保障,以及发电机组确保电机组得到充分维护的情况下,在公共电网出现问题时,发电机组200h的运行过程中,可变功率中的最大值。

2.2柴油发电机容量计算

柴油发电机容量计算可参考《工业与民用供配电设计手册》第四版中第 2.6.3.2节计算长期连续运行所需要的功率,按不大于80%的基本功率选择柴油发电机的额定功率。

(1)按稳定负荷计算

按稳定负荷计算时,发电机容量计算公式如式(1)~(2)所示:

(2)按单台最大的电动机或成组电动机启动的需要计算

按单台最大的电动机或成组电动机启动的需要计算时,发电机容量计算公式如式(3)所示:

(3)计算实例

下一步需要对柴油机的短时过载能力进行验证,可以取负荷系数大于1.5。

通过验证发现,当电机组运行功率较低时(如低于额定值的50%),那就会出现耗油量明显上升,发动机的燃油效率较低,最终会对发电机造成一定的影响,缩短发电机的使用周期。因而,在使用柴油发电机时,应当要确保发电机能够按照正常的功率运转,避免出现低负载的情况发生。2.3柴油发电机组性能等级

从性能来看,柴油发电机组可以分为四个等级,分别为G1、G2、G3、

G4。其中,G1可以用于一般的照明等简单的电气负载,要求连接的负载要按照规定的功率运行。G2能够允许一定范围内的电压或频率偏差,可以用于照明、风机等。G3对电机所连接的负载有较为严格的要求,可以用于晶闸管控制的设备等。G4对电机所连接的负载有特别严格的要求,可以用于计算机系统等。

2.4柴油发电机组的配电方案

根据《规范》,当备用电源和应急电源共用柴油发电机组时,要符合备用电源和应急电源应有各自的供电母线段及回路的规定;备用电源的用电负荷不应接入应急电源供电回路的规定。

当民用建筑的消防负荷和非消防负荷共用柴油发电机组时,应符合以下规定：消防负荷应设置专业的回路;应具备火灾时切除非消防负荷的功能;应具备储油量低位报警或显示的功能。

2.5柴油发电机组的并机方案

如果系统中有多台柴油发电机,则需要采用柴油发电机组并机系统,由安装于发电机组上的具有并联功能的机组控制器以及P L C并联主控柜组成,可对发电机组系统及负载进行控制和管理。

柴发并机系统设计应充分考虑可靠性需求,采用分布式并联控制技术,由机组本体的控制器完成,不受其他控制器的限制,且单台机组并联失

败不影响到其他机组的并联。而且,柴油发电机组具备自动、手动同步及负载分配等功能,即使系统并联主控柜出现问题退出运行,其他机组