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柴油发电机的母线槽和电缆连接方案对比 |
摘要:本文结合康明斯公司以往超高层项目的工程实际案例,从负荷分级、柴油发电机容量指标、柴发的设置、供配电系统方案选择、竖向配电干线系统等方面探讨发电机房供配电系统设计中的关键技术要点。本论文是对已完成的柴油发电机组工程项目的经验总结以及在柴发连接方案选择时设计思路的分享,希望能为柴油发电机行业在做类似超高层项目时提供有效借鉴。
一、供电特点与负载分级
柴油发电机房的供配电系统分布如图1所示,安装实例如图2所示。
1. 供配电系统特点
通常超高层建筑的供配电系统有以下特点:
(1)建筑体量大用电量大供电半径长;
(2)至少需要2路市政独立电源,甚至多路市政电源;
(3)建筑功能多样,供配电系统设计需考虑满足多个物业运营管理模式的需要;
(4)需考虑备用电源和应急电源的设置。
2. 用电负荷分级
超高层建筑的供电负荷等级应为一级,对于建筑内的消防安防用电负荷计算机通信网络设施保障建筑正常运营的重要设备重要场所中不允许中断供电的负荷等应作为一级负荷中的特别重要负荷。表1列举了超高层建筑主要用电负荷分级。
对于超高层建筑一级负荷中特别重要的负荷,电气设计师应该考虑设置应急电源,当超高层建筑为四级及以上酒店或者大型商业时,会有一部分负荷在酒店管理公司或者商业顾问提供的设计标准中被列为保障性负荷,对于这部分负荷,也应该考虑设置备用电源。
因此,在进行超高层建筑供配电系统设计时,除双重市政电源外,需要选择独立于正常电源的柴油发电机组作为是备用电源及应急电源。
图1 发电机房供配电系统功能分布图 |
图2 柴油发电机房供电方案实例 |
二、供配电系统组成
供配电系统是从电源线路进用户起经过高/低压供配电设备到负载止的整个电路系统,将主要包括市电引入、变电站、高压配电设备——高压变配电系统、柴油发电机系统、自动转换开关系统、输入低压配电系统、不间断电源系统、列头柜/母线槽配电系统和机架配电系统。
1、高压变配电系统
主要是将市电通过该变压器转换成380V,供后级低压设备用电。常规情况下,柴发机房主要采用市电配电,一般可靠性要求柴发机房引入两路市电电源,每一路市电电源的供电容量,都需要完全满足柴发机房的全部电力需求,两路电源负荷设备输入端自动切换,正常时同时供电运行。
2、柴油发电机系统
主要用作后备电源,一旦市电失电,迅速启动为后级低压设备提供备用电源。
3、自动转换开关系统
主要是自动完成市电与市电或市电与柴油发电机之间的备用切换,电路连接如图3所示。
4、输入低压配电系统
主要作用是电能分配,将前级的电能按照要求、标准与规范分配给各种类型的用电设备,如UPS、空调、照明设备等。
5、不间断电源系统
不间断电源UPS,是一种将蓄电池与主机相连接,通过主机逆变器等模块电路将直流电转换成市电(交流电)的系统设备。主要作用是电能净化、电能后备,为IT负载提供纯净、可靠的用电保护。在柴发机房,UPS一般采用一用一备容错配置,且任何一路都可以带起整个核心负载。
6、智能小母线管理系统
小母线系统是端母线供配电系统的俗称,系统组成如图4所示。智能小母线系统具有电流小、插接方便、智能化程度高等特点,即插式插接箱给各个机柜内的PDU分配电。始端箱和插接箱内可设置监测模块,将数据上传至动环监控中心。
图3 双电源转换开关电路连接图 |
图4 智能小母线管理系统图 |
三、母线和电缆连接方式对比分析
1、柴发机组配电连接方式
(1)柴油发电机母线槽,就是通过合理、安全的结构,将几根导体包裹在金属外壳内,组成一个整体的具有电气连续性的输配电系统。普通母线槽一般分为密集绝缘型和空气绝缘型两种。空气绝缘型结构简单、输送电流大;密集绝缘型结构紧凑、散热能力好。它们都有过载能力强、分接方便、占用空间小等特点。母线和母线槽连接示例如图5、图6所示。
图5 柴油发电机组母线槽连接结构图 |
图6 柴油发电机组母线连接内部结构图 |
(2)电缆分为单芯电缆和多芯电缆。单芯电缆主要采用各种绝缘材料,将多股铜线包覆在绝缘层内,作为某一相电流导体。多芯电缆则是将多根绝缘线芯绞合在一起,在包上外护套而形成的一整根完整的电缆。电力电缆的绝缘线芯数,通常为1、2、3、4、5等芯,以及4+1和3+2芯。电缆的主要优点是选用灵活多变,环境适应能力强,但也有着其固有的局限性。电缆安装通常分为桥架和电缆沟两种方式,分别如图7、图8所示。
图7 柴发电缆桥架安装施工图 |
图8 柴发电缆沟安装施工图 |
2、母线槽与电缆性能对比
(1)载流量
低压电缆的截面积最大为1000mm2,额定电流为1600A。这么大规格电缆因其体积和重量过大,很少应用于实际工程中。工程中一般常用的是400 mm2及以下规格电缆,这就要求使用多根电缆来实现同时供电。而母线槽额定电流最大可达6300A,其强大的载流能力是电缆根本无法比拟的。
表1 WDZ-GYJSYJ(F)电力电缆的持续载流量 (单位:A)
型号
|
WDZ-GYJSYJ(F)
|
|||||||||||||||||||||||
额定电压/kV
|
0.6/1
|
|||||||||||||||||||||||
导体工作温度/℃
|
90
|
|||||||||||||||||||||||
敷设方式
|
敷设在隔热墙中的导管内
|
敷设在明敷的导管内
|
敷设在空气中
|
|||||||||||||||||||||
环境温度/℃
|
25
|
30
|
35
|
40
|
25
|
30
|
35
|
40
|
25
|
30
|
35
|
40
|
||||||||||||
标称截面面积/m㎡
|
铜芯
|
铝芯
|
铜芯
|
铝芯
|
铜芯
|
铝芯
|
铜芯
|
铝芯
|
铜芯
|
铝芯
|
铜芯
|
铝芯
|
铜芯
|
铝芯
|
铜芯
|
铝芯
|
铜芯
|
铝芯
|
铜芯
|
铝芯
|
铜芯
|
铝芯
|
铜芯
|
铝芯
|
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
|
(2)过载能力
不论电缆还是母线槽,过载能力都取决于所用绝缘材料的工作温度。母线槽绝缘材料的工作温度为105℃,现已开发出工作温度为140℃以上的辐照交联阻燃缠绕带(PER)和辐射交联聚烃热收缩管。而目前电缆所用绝缘材料的常期工作温度一般为90℃和105℃,辐照交联电缆的最高工作温度为125℃。因此,母线槽的过载能力远远大于电缆。
(3) 安装分接
母线槽一般采用插接式安装分接方法。所谓插接式母线槽,就是利用插接的方式把主干线的电源分接到支线去,每隔若干米就留有一个插接箱口,因此分接十分方便。而电缆需要在现场进行分接,可靠性差,即便是预制分支电缆,也有其缺陷。分支电缆明显的缺点,主要是需要向工厂定制分支连接器材,通常采用开口的"C"型抱箍。时间久了,这种抱箍能否保证紧箍力也是问题。另外,分支电缆分支头的价格不菲,因此预制分支电缆至今应用面仍不广。安装分支电缆时,需要切断楼面电源,而安装母线槽时无须断电,只要在空载情况下,取下母线槽的插接箱即可。但要切断预制分支电缆的分支电源,在带电的情况下操作是十分危险的。
(4) 防火性能
普通电缆的绝缘层和外护套会燃烧。即使阻燃电缆在火焰下也会燃烧,只有在火焰离开后才燃烧。耐火电缆不会燃烧,但价格昂贵,只有在消防报警电路系统等不准停电的场合才使用耐火电缆。而母线槽外壳是金属的,不会燃烧,即使铜排的绝缘材料发生燃烧,火苗也不会危机到母线槽外面。
(5)散热性能
电缆的绝缘和外护套 既是绝缘层,又是隔热层。因此,为了保持电缆散热,当电缆在桥架内敷设时,最多允许敷设2层,其原因主要是考虑散热问题。而母线槽利用空气传导散热,并通过紧密接触的钢制外壳,把热量散发出去,因此它的散热性能比电缆优越的多。
(6)运行维护
母线槽的维护比较简单。母线槽日常维护时,通常是测量外壳和穿芯螺栓的温升、进线箱的接头温升等,穿芯螺栓若采用4.8级则需要定期紧固,若采用8.8级的高强螺栓则不必定期坚固。而电缆因其材料易于磨损、易老化、寿命较短等因素限制,需要定期进行检查和维护,甚至更换。
3、安装使用方面的优势对比
(1)安装施工
虽然电缆敷设安装时在线路走向上灵活方便,但是工程中电缆一般都是要靠桥架支撑,所以电缆施工需要先安装桥架,再经过电缆沟敷设电缆,分步进行。而母线槽的安装确实需要专业的安装技术,但却只需要按照产品标准安装程序即可,一次性完成安装。另外,母线槽结构紧凑,占用空间相对较小,易于管道、线路空间布置,且安装方便。当然,对于400A以下的小电流线路,因为所选用的电缆截面相对较小、根数较少,使用电缆则显得更为灵活。
(2)供电系统
母线槽供电系统通常是主干线从配电中心引出以散射状灵活供电,而电缆供电则受分接难度大、载流量小、难以分散控制等因素限制,通常是"点对点"供电,特别是在高层建筑供电系统中,母线槽相比电缆的优越性尤为突出。
传统电缆供电方式,每个楼层都需要单独放线,电缆根数众多。这样的密集敷设方式,散热性差、占用空间大、事故检查难、维修难度大。而母线槽供电只要使用单一的中心母线槽系统,在每个楼层设置相应容量的插接箱进行分流,即可达到供电目的。这种方式使得分接异常灵活,而且每个分支都有插接箱对分流变容处的保护。因此,采用母线槽更加安全、更加简单、更加可靠。
(3)经济成本
母线槽相比电缆,总体来说,由于使用材料高档,工艺相对复杂,首期投入成本一般比电缆要大。但是,从长远来看,使用母线槽则优越的多。当前,母线槽使用寿命一般在30年至40年,而普通电缆则只有15年左右的使用寿命。母线槽系统只要按照规范安装和运行,基本上不需要更换部件,只需要对周边环境例行检查即可。而电缆则经常会出现接头老化、绝缘层脱落等现象,需要对某一段电缆进行更换。另外,当今市场上已经有许多实力较大的母线槽厂家推出铝导体母线槽,且已大规模应用于大型建筑。这类母线槽的采购价格远比电缆桥架的价格低,,但使用性能却高于电缆。对于首批投入资金紧张的用户,完全可以选用此种母线槽。
四、两种方案优劣对比结论
(1)母线槽可满足6300A额定电流,这一方面优于电缆。
(2)安装母线的保险费用比较低,而电缆相对较高。
(3)母线槽的分接口可增加分接回路,而电缆需在配电室开始敷设。
(4)母线配有标准的安装支架,不需要其他支撑;电缆需用单独的桥架或管道进行敷设。
(5)母线槽可在离设备最近的位置进行控制,而电缆需在配电室控制。
(6)母线槽寿命长,并可重复使用。而电缆寿命较短,不可以重复使用。
因此,从两者对比可以明显看出,电缆的经济性优于母线槽,特别是仅对比一次性投资,电缆也较母线方案节省投资造价。但经过全面分析比较,康明斯公司推荐方案为对于低压配电系统中的重要干线选择母线槽,显然有其明显优势。对于小电流分支线路,选择电缆也有其灵活方便的优点,这就需要专业配电设计人员以实际需要进行选择配置。
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