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柴油發(fā)電機(jī)的母線槽和電纜連接方案對(duì)比 |
摘要:本文結(jié)合康明斯公司以往超高層項(xiàng)目的工程實(shí)際案例,從負(fù)荷分級(jí)、柴油發(fā)電機(jī)容量指標(biāo)、柴發(fā)的設(shè)置、供配電系統(tǒng)方案選擇、豎向配電干線系統(tǒng)等方面探討發(fā)電機(jī)房供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)。本論文是對(duì)已完成的柴油發(fā)電機(jī)組工程項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)以及在柴發(fā)連接方案選擇時(shí)設(shè)計(jì)思路的分享,希望能為柴油發(fā)電機(jī)行業(yè)在做類似超高層項(xiàng)目時(shí)提供有效借鑒。
一、供電特點(diǎn)與負(fù)載分級(jí)
柴油發(fā)電機(jī)房的供配電系統(tǒng)分布如圖1所示,安裝實(shí)例如圖2所示。
1. 供配電系統(tǒng)特點(diǎn)
通常超高層建筑的供配電系統(tǒng)有以下特點(diǎn):
(1)建筑體量大用電量大供電半徑長(zhǎng);
(2)至少需要2路市政獨(dú)立電源,甚至多路市政電源;
(3)建筑功能多樣,供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)需考慮滿足多個(gè)物業(yè)運(yùn)營(yíng)管理模式的需要;
(4)需考慮備用電源和應(yīng)急電源的設(shè)置。
2. 用電負(fù)荷分級(jí)
超高層建筑的供電負(fù)荷等級(jí)應(yīng)為一級(jí),對(duì)于建筑內(nèi)的消防安防用電負(fù)荷計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施保障建筑正常運(yùn)營(yíng)的重要設(shè)備重要場(chǎng)所中不允許中斷供電的負(fù)荷等應(yīng)作為一級(jí)負(fù)荷中的特別重要負(fù)荷。表1列舉了超高層建筑主要用電負(fù)荷分級(jí)。
對(duì)于超高層建筑一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷,電氣設(shè)計(jì)師應(yīng)該考慮設(shè)置應(yīng)急電源,當(dāng)超高層建筑為四級(jí)及以上酒店或者大型商業(yè)時(shí),會(huì)有一部分負(fù)荷在酒店管理公司或者商業(yè)顧問提供的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中被列為保障性負(fù)荷,對(duì)于這部分負(fù)荷,也應(yīng)該考慮設(shè)置備用電源。
因此,在進(jìn)行超高層建筑供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),除雙重市政電源外,需要選擇獨(dú)立于正常電源的柴油發(fā)電機(jī)組作為是備用電源及應(yīng)急電源。
圖1 發(fā)電機(jī)房供配電系統(tǒng)功能分布圖 |
圖2 柴油發(fā)電機(jī)房供電方案實(shí)例 |
二、供配電系統(tǒng)組成
供配電系統(tǒng)是從電源線路進(jìn)用戶起經(jīng)過高/低壓供配電設(shè)備到負(fù)載止的整個(gè)電路系統(tǒng),將主要包括市電引入、變電站、高壓配電設(shè)備——高壓變配電系統(tǒng)、柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)系統(tǒng)、輸入低壓配電系統(tǒng)、不間斷電源系統(tǒng)、列頭柜/母線槽配電系統(tǒng)和機(jī)架配電系統(tǒng)。
1、高壓變配電系統(tǒng)
主要是將市電通過該變壓器轉(zhuǎn)換成380V,供后級(jí)低壓設(shè)備用電。常規(guī)情況下,柴發(fā)機(jī)房主要采用市電配電,一般可靠性要求柴發(fā)機(jī)房引入兩路市電電源,每一路市電電源的供電容量,都需要完全滿足柴發(fā)機(jī)房的全部電力需求,兩路電源負(fù)荷設(shè)備輸入端自動(dòng)切換,正常時(shí)同時(shí)供電運(yùn)行。
2、柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)
主要用作后備電源,一旦市電失電,迅速啟動(dòng)為后級(jí)低壓設(shè)備提供備用電源。
3、自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)系統(tǒng)
主要是自動(dòng)完成市電與市電或市電與柴油發(fā)電機(jī)之間的備用切換,電路連接如圖3所示。
4、輸入低壓配電系統(tǒng)
主要作用是電能分配,將前級(jí)的電能按照要求、標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范分配給各種類型的用電設(shè)備,如UPS、空調(diào)、照明設(shè)備等。
5、不間斷電源系統(tǒng)
不間斷電源UPS,是一種將蓄電池與主機(jī)相連接,通過主機(jī)逆變器等模塊電路將直流電轉(zhuǎn)換成市電(交流電)的系統(tǒng)設(shè)備。主要作用是電能凈化、電能后備,為IT負(fù)載提供純凈、可靠的用電保護(hù)。在柴發(fā)機(jī)房,UPS一般采用一用一備容錯(cuò)配置,且任何一路都可以帶起整個(gè)核心負(fù)載。
6、智能小母線管理系統(tǒng)
小母線系統(tǒng)是端母線供配電系統(tǒng)的俗稱,系統(tǒng)組成如圖4所示。智能小母線系統(tǒng)具有電流小、插接方便、智能化程度高等特點(diǎn),即插式插接箱給各個(gè)機(jī)柜內(nèi)的PDU分配電。始端箱和插接箱內(nèi)可設(shè)置監(jiān)測(cè)模塊,將數(shù)據(jù)上傳至動(dòng)環(huán)監(jiān)控中心。
圖3 雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)電路連接圖 |
圖4 智能小母線管理系統(tǒng)圖 |
三、母線和電纜連接方式對(duì)比分析
1、柴發(fā)機(jī)組配電連接方式
(1)柴油發(fā)電機(jī)母線槽,就是通過合理、安全的結(jié)構(gòu),將幾根導(dǎo)體包裹在金屬外殼內(nèi),組成一個(gè)整體的具有電氣連續(xù)性的輸配電系統(tǒng)。普通母線槽一般分為密集絕緣型和空氣絕緣型兩種??諝饨^緣型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸送電流大;密集絕緣型結(jié)構(gòu)緊湊、散熱能力好。它們都有過載能力強(qiáng)、分接方便、占用空間小等特點(diǎn)。母線和母線槽連接示例如圖5、圖6所示。
圖5 柴油發(fā)電機(jī)組母線槽連接結(jié)構(gòu)圖 |
圖6 柴油發(fā)電機(jī)組母線連接內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 |
(2)電纜分為單芯電纜和多芯電纜。單芯電纜主要采用各種絕緣材料,將多股銅線包覆在絕緣層內(nèi),作為某一相電流導(dǎo)體。多芯電纜則是將多根絕緣線芯絞合在一起,在包上外護(hù)套而形成的一整根完整的電纜。電力電纜的絕緣線芯數(shù),通常為1、2、3、4、5等芯,以及4+1和3+2芯。電纜的主要優(yōu)點(diǎn)是選用靈活多變,環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng),但也有著其固有的局限性。電纜安裝通常分為橋架和電纜溝兩種方式,分別如圖7、圖8所示。
圖7 柴發(fā)電纜橋架安裝施工圖 |
圖8 柴發(fā)電纜溝安裝施工圖 |
2、母線槽與電纜性能對(duì)比
(1)載流量
低壓電纜的截面積最大為1000mm2,額定電流為1600A。這么大規(guī)格電纜因其體積和重量過大,很少應(yīng)用于實(shí)際工程中。工程中一般常用的是400 mm2及以下規(guī)格電纜,這就要求使用多根電纜來實(shí)現(xiàn)同時(shí)供電。而母線槽額定電流最大可達(dá)6300A,其強(qiáng)大的載流能力是電纜根本無法比擬的。
表1 WDZ-GYJSYJ(F)電力電纜的持續(xù)載流量 (單位:A)
型號(hào)
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WDZ-GYJSYJ(F)
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|||||||||||||||||||||||
額定電壓/kV
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0.6/1
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|||||||||||||||||||||||
導(dǎo)體工作溫度/℃
|
90
|
|||||||||||||||||||||||
敷設(shè)方式
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敷設(shè)在隔熱墻中的導(dǎo)管內(nèi)
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敷設(shè)在明敷的導(dǎo)管內(nèi)
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敷設(shè)在空氣中
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|||||||||||||||||||||
環(huán)境溫度/℃
|
25
|
30
|
35
|
40
|
25
|
30
|
35
|
40
|
25
|
30
|
35
|
40
|
||||||||||||
標(biāo)稱截面面積/m㎡
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銅芯
|
鋁芯
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銅芯
|
鋁芯
|
銅芯
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鋁芯
|
銅芯
|
鋁芯
|
銅芯
|
鋁芯
|
銅芯
|
鋁芯
|
銅芯
|
鋁芯
|
銅芯
|
鋁芯
|
銅芯
|
鋁芯
|
銅芯
|
鋁芯
|
銅芯
|
鋁芯
|
銅芯
|
鋁芯
|
1.5
|
17
|
一
|
17
|
一
|
16
|
一
|
15
|
一
|
20
|
一
|
19.5
|
一
|
19
|
一
|
18
|
一
|
23
|
一
|
23
|
一
|
22
|
一
|
21
|
一
|
2.5
|
22
|
一
|
22
|
一
|
21
|
一
|
20
|
一
|
27
|
一
|
26
|
一
|
25
|
一
|
24
|
一
一
|
33
|
一
|
32
|
一
|
31
|
一
|
29
|
一
|
4
|
31
|
一
|
30
|
一
|
29
|
一
|
27
|
一
|
36
|
一
|
35
|
一
|
34
|
一
|
32
|
43
|
一
|
42
|
一
|
40
|
一
|
38
|
一
|
|
6
|
39
|
一
|
38
|
一
|
36
|
一
|
35
|
一
|
45
|
一
|
44
|
一
|
42
|
一
|
40
|
一
|
55
|
一
|
54
|
一
|
52
|
一
|
49
|
一
|
10
|
52
|
一
|
51
|
一
|
49
|
一
|
46
|
一
|
61
|
一
|
60
|
一
|
58
|
一
|
55
|
一
|
77
|
一
|
75
|
一
|
72
|
一
|
68
|
一
|
16
|
69
|
56
|
68
|
55
|
65
|
53
|
62
|
50
|
82
|
65
|
80
|
64
|
77
|
61
|
73
|
58
|
102
|
79
|
100
|
77
|
96
|
74
|
91
|
70
|
25
|
91
|
72
|
89
|
71
|
85
|
68
|
81
|
65
|
107
|
86
|
105
|
84
|
101
|
81
|
96
|
76
|
130
|
99
|
127
|
97
|
122
|
93
|
116
|
88
|
35
|
111
|
89
|
109
|
87
|
105
|
84
|
99
|
79
|
131
|
105
|
128
|
103
|
123
|
99
|
116
|
94
|
161
|
122
|
158
|
120
|
152
|
115
|
144
|
109
|
50
|
133
|
106
|
130
|
104
|
125
|
100
|
118
|
95
|
157
|
126
|
154
|
124
|
148
|
119
|
140
|
113
|
196
|
149
|
192
|
146
|
184
|
140
|
175
|
133
|
70
|
167
|
134
|
164
|
131
|
157
|
126
|
149
|
119
|
198
|
159
|
194
|
156
|
186
|
150
|
177
|
142
|
251
|
191
|
246
|
187
|
236
|
180
|
224
|
170
|
95
|
201
|
160
|
197
|
157
|
189
|
151
|
179
|
143
|
238
|
192
|
233
|
188
|
224
|
180
|
212
|
171
|
304
|
232
|
298
|
227
|
286
|
218
|
271
|
207
|
120
|
232
|
184
|
227
|
180
|
218
|
173
|
207
|
164
|
273
|
220
|
268
|
216
|
257
|
207
|
244
|
197
|
353
|
268
|
346
|
263
|
332
|
252
|
315
|
239
|
150
|
264
|
210
|
295
|
233
|
283
|
224
|
268
|
212
|
347
|
277
|
340
|
272
|
326
|
261
|
309
|
248
|
465
|
310
|
399
|
304
|
383
|
292
|
363
|
277
|
185
|
301
|
238
|
295
|
233
|
283
|
224
|
268
|
212
|
347
|
277
|
340
|
272
|
326
|
261
|
309
|
248
|
465
|
354
|
456
|
347
|
438
|
333
|
415
|
316
|
240
|
353
|
278
|
346
|
273
|
332
|
262
|
315
|
248
|
406
|
324
|
398
|
318
|
382
|
305
|
362
|
289
|
549
|
417
|
538
|
409
|
516
|
393
|
490
|
372
|
300
|
404
|
319
|
396
|
313
|
380
|
300
|
360
|
285
|
464
|
371
|
455
|
364
|
437
|
349
|
414
|
331
|
633
|
480
|
621
|
471
|
596
|
452
|
565
|
429
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(2)過載能力
不論電纜還是母線槽,過載能力都取決于所用絕緣材料的工作溫度。母線槽絕緣材料的工作溫度為105℃,現(xiàn)已開發(fā)出工作溫度為140℃以上的輻照交聯(lián)阻燃纏繞帶(PER)和輻射交聯(lián)聚烴熱收縮管。而目前電纜所用絕緣材料的常期工作溫度一般為90℃和105℃,輻照交聯(lián)電纜的最高工作溫度為125℃。因此,母線槽的過載能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電纜。
(3) 安裝分接
母線槽一般采用插接式安裝分接方法。所謂插接式母線槽,就是利用插接的方式把主干線的電源分接到支線去,每隔若干米就留有一個(gè)插接箱口,因此分接十分方便。而電纜需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行分接,可靠性差,即便是預(yù)制分支電纜,也有其缺陷。分支電纜明顯的缺點(diǎn),主要是需要向工廠定制分支連接器材,通常采用開口的"C"型抱箍。時(shí)間久了,這種抱箍能否保證緊箍力也是問題。另外,分支電纜分支頭的價(jià)格不菲,因此預(yù)制分支電纜至今應(yīng)用面仍不廣。安裝分支電纜時(shí),需要切斷樓面電源,而安裝母線槽時(shí)無須斷電,只要在空載情況下,取下母線槽的插接箱即可。但要切斷預(yù)制分支電纜的分支電源,在帶電的情況下操作是十分危險(xiǎn)的。
(4) 防火性能
普通電纜的絕緣層和外護(hù)套會(huì)燃燒。即使阻燃電纜在火焰下也會(huì)燃燒,只有在火焰離開后才燃燒。耐火電纜不會(huì)燃燒,但價(jià)格昂貴,只有在消防報(bào)警電路系統(tǒng)等不準(zhǔn)停電的場(chǎng)合才使用耐火電纜。而母線槽外殼是金屬的,不會(huì)燃燒,即使銅排的絕緣材料發(fā)生燃燒,火苗也不會(huì)危機(jī)到母線槽外面。
(5)散熱性能
電纜的絕緣和外護(hù)套 既是絕緣層,又是隔熱層。因此,為了保持電纜散熱,當(dāng)電纜在橋架內(nèi)敷設(shè)時(shí),最多允許敷設(shè)2層,其原因主要是考慮散熱問題。而母線槽利用空氣傳導(dǎo)散熱,并通過緊密接觸的鋼制外殼,把熱量散發(fā)出去,因此它的散熱性能比電纜優(yōu)越的多。
(6)運(yùn)行維護(hù)
母線槽的維護(hù)比較簡(jiǎn)單。母線槽日常維護(hù)時(shí),通常是測(cè)量外殼和穿芯螺栓的溫升、進(jìn)線箱的接頭溫升等,穿芯螺栓若采用4.8級(jí)則需要定期緊固,若采用8.8級(jí)的高強(qiáng)螺栓則不必定期堅(jiān)固。而電纜因其材料易于磨損、易老化、壽命較短等因素限制,需要定期進(jìn)行檢查和維護(hù),甚至更換。
3、安裝使用方面的優(yōu)勢(shì)對(duì)比
(1)安裝施工
雖然電纜敷設(shè)安裝時(shí)在線路走向上靈活方便,但是工程中電纜一般都是要靠橋架支撐,所以電纜施工需要先安裝橋架,再經(jīng)過電纜溝敷設(shè)電纜,分步進(jìn)行。而母線槽的安裝確實(shí)需要專業(yè)的安裝技術(shù),但卻只需要按照產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)安裝程序即可,一次性完成安裝。另外,母線槽結(jié)構(gòu)緊湊,占用空間相對(duì)較小,易于管道、線路空間布置,且安裝方便。當(dāng)然,對(duì)于400A以下的小電流線路,因?yàn)樗x用的電纜截面相對(duì)較小、根數(shù)較少,使用電纜則顯得更為靈活。
(2)供電系統(tǒng)
母線槽供電系統(tǒng)通常是主干線從配電中心引出以散射狀靈活供電,而電纜供電則受分接難度大、載流量小、難以分散控制等因素限制,通常是"點(diǎn)對(duì)點(diǎn)"供電,特別是在高層建筑供電系統(tǒng)中,母線槽相比電纜的優(yōu)越性尤為突出。
傳統(tǒng)電纜供電方式,每個(gè)樓層都需要單獨(dú)放線,電纜根數(shù)眾多。這樣的密集敷設(shè)方式,散熱性差、占用空間大、事故檢查難、維修難度大。而母線槽供電只要使用單一的中心母線槽系統(tǒng),在每個(gè)樓層設(shè)置相應(yīng)容量的插接箱進(jìn)行分流,即可達(dá)到供電目的。這種方式使得分接異常靈活,而且每個(gè)分支都有插接箱對(duì)分流變?nèi)萏幍谋Wo(hù)。因此,采用母線槽更加安全、更加簡(jiǎn)單、更加可靠。
(3)經(jīng)濟(jì)成本
母線槽相比電纜,總體來說,由于使用材料高檔,工藝相對(duì)復(fù)雜,首期投入成本一般比電纜要大。但是,從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看,使用母線槽則優(yōu)越的多。當(dāng)前,母線槽使用壽命一般在30年至40年,而普通電纜則只有15年左右的使用壽命。母線槽系統(tǒng)只要按照規(guī)范安裝和運(yùn)行,基本上不需要更換部件,只需要對(duì)周邊環(huán)境例行檢查即可。而電纜則經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)接頭老化、絕緣層脫落等現(xiàn)象,需要對(duì)某一段電纜進(jìn)行更換。另外,當(dāng)今市場(chǎng)上已經(jīng)有許多實(shí)力較大的母線槽廠家推出鋁導(dǎo)體母線槽,且已大規(guī)模應(yīng)用于大型建筑。這類母線槽的采購(gòu)價(jià)格遠(yuǎn)比電纜橋架的價(jià)格低,,但使用性能卻高于電纜。對(duì)于首批投入資金緊張的用戶,完全可以選用此種母線槽。
四、兩種方案優(yōu)劣對(duì)比結(jié)論
(1)母線槽可滿足6300A額定電流,這一方面優(yōu)于電纜。
(2)安裝母線的保險(xiǎn)費(fèi)用比較低,而電纜相對(duì)較高。
(3)母線槽的分接口可增加分接回路,而電纜需在配電室開始敷設(shè)。
(4)母線配有標(biāo)準(zhǔn)的安裝支架,不需要其他支撐;電纜需用單獨(dú)的橋架或管道進(jìn)行敷設(shè)。
(5)母線槽可在離設(shè)備最近的位置進(jìn)行控制,而電纜需在配電室控制。
(6)母線槽壽命長(zhǎng),并可重復(fù)使用。而電纜壽命較短,不可以重復(fù)使用。
因此,從兩者對(duì)比可以明顯看出,電纜的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于母線槽,特別是僅對(duì)比一次性投資,電纜也較母線方案節(jié)省投資造價(jià)。但經(jīng)過全面分析比較,康明斯公司推薦方案為對(duì)于低壓配電系統(tǒng)中的重要干線選擇母線槽,顯然有其明顯優(yōu)勢(shì)。對(duì)于小電流分支線路,選擇電纜也有其靈活方便的優(yōu)點(diǎn),這就需要專業(yè)配電設(shè)計(jì)人員以實(shí)際需要進(jìn)行選擇配置。
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