论文部分内容阅读
摘 要：根据国家现行规范明确工业厂房一、二级用电负荷划分，结合常用供配电方案对工业厂房一、二级用电供配电系统进行讨论，分析各自的优缺点，阐明每种系统适合的应用场所，并结合工程实例探讨了不同供配電方案的差异。
关键词：一、二级负荷;供配电;变压器;系统;可靠性
0 引言
随着国家电力系统的发展及现行规范的完善，工业厂房中一、二级用电负荷的供配电要求也在变化，且供电系统的合理选择直接关系到供电的安全性、投资的经济性、工艺设备及消防用电的可靠性等各方面。因此，本文就工业厂房如何合理选用一、二级用电负荷供电系统这一问题展开探讨。
1 现行规范对工业厂房负荷的分级
《建筑设计防火规范（2018年版）》（GB 50016—2014）[1]第10章对工业建筑消防负荷等级规定总结如下：
（1）消防用电按一级负荷供电：建筑高度大于50 m的乙、丙类厂房和丙类仓库。
（2）消防用电按二级负荷供电：1）室外消防用水量大于30 L/s的厂房（仓库）;2）室外消防用水量大于35 L/s的可燃材料堆场、可燃气体储罐（区）和甲、乙类液体储罐（区）。
（3）除本规范第10.1.1条和第10.1.2条外的建筑物、储罐（区）和堆场等的消防用电，可按三级负荷供电。
《供配电系统设计规范》（GB 50052—2009）第3章对电力负荷等级划分的侧重点在于供电可靠性要求及中断供电对人身生命安全（国家法律要求）和生产过程、生产装备安全（企业内部判定）的经济损失上所造成的影响程度[2]，这可根据不同工业厂房工艺差异性进行分级。
除以上两种规范规定外，各类建筑专项设计规范也对其供电负荷等级有相关规定。
2 现行规范对一、二级负荷的供电要求
《供配电系统设计规范》（GB 50052—2009）[2]第3.0.2条规定：“一级负荷应由双重电源供电，当一电源发生故障时，另一电源不应同时受到损坏。”第3.0.3条规定：“一级负荷中特别重要的负荷供电，应符合下列要求：1.除应由双重电源供电外，尚应增设应急电源，并严禁将其他负荷接入应急供电系统。2.设备的供电电源的切换时间，应满足设备允许中断供电的要求。”第3.0.7条规定：“二级负荷的供电系统，宜由两回线路供电。在负荷较小或地区供电条件困难时，二级负荷可由一回6 kV及以上专用的架空线路供电。”
《建筑设计防火规范（2018年版）》（GB 50016—2014）[1]第10.1.4规定：“消防用电按一、二级负荷供电的建筑，当采用自备发电设备作备用电源时，自备发电设备应设置自动和手动启动装置。当采用自动启动方式时，应能保证在30 s内供电。”
结合上述两种规范，可以很明确地对工业厂房的负荷等级进行分级。工业厂房中二级负荷供电一般采用一路高压市电+柴油发电机或两路高压市电供电方式，一级负荷一般采用两路高压双重市电+柴油发电机供电方式。
3 常用一、二级负荷供配电系统
3.1 方案1：一路10 kV市电+备用发电机供电
从市政高压电网引一路电源作为主用电源，设置柴油发电机作为消防和工艺用电一、二级负荷备用电源。柴油发电机需在30 s内达到额定转速、电压和频率，才能满足消防用电要求[1]。备用电源与市电有严格的电气及机械联锁，防止并列运行及倒供给市电（发电机及变压器联锁要求各方案均应满足，当车间用电负荷较少时，可采用一台变压器+柴油发电机供电）。变压器二次侧采用分段单母线接线，运行时单母线分段运行，母联断路器12ZK分闸。12ZK与1ZK、2ZK间设机械及电气联锁，12ZK开关仅在1ZK、2ZK之一断开时方可合闸[3]。系统图如图1所示。
优点：10 kV高压侧主接线图简单，变压器二次侧采用分段单母线接线，中间设置母联，变压器互为备用，低压侧供电可靠性高。
缺点：10 kV分段单母线接线，高压侧可靠性较低。当高压侧故障时，市电无法保证供电需求，此时需联锁启动柴油发电机，而柴油发电机一般容量有限，因此只能保障消防负荷、部分重要负荷的供电。
应用场所：应用于大部分丙类厂房配电方案中，厂房大部分工艺、动力用电可靠性无特殊需求。柴油发电机作为备用电源，只需满足消防用电及部分工艺用电二级负荷的要求。
3.2 方案2：两回路10 kV市电备自投供电
从市政高压电网引入两回路高压电源作为主备用电源，两路高压电源平时一路投入。当一路进线停电时，备自投动作，让另一路电源作为主用电源。当两回路电源为双重电源（双重电源：分别来自不同电网的电源，或来自同一电网但运行时互相之间联系很弱，或同一个电网但其间的电气距离较远，一路电源任意一处出现异常运行或发生短路故障时，另一路电源仍能不中断供电）[1]，且设置发电机作为应急电源时，系统满足一级负荷供电要求。系统图如图2所示。
优点：相对10 kV分段单母线接线方式，节省中压柜数量，节省设备造价，减少高压站建筑面积。
缺点：相对10 kV分段单母线接线，供电可靠性较低，当中压柜发生故障时，无法保证供电需求。每路10 kV高压进线电缆截面积均需满足所有用电负荷需求，增加了高压电缆的投入。当高压进线电源点较远时，电缆增加的成本会大于中压柜节约的成本。
应用场所：适用于工业厂房中一、二级负荷用电量较高的场所，低压发电机满足不了一、二级用电需求，设置高压发电机费用较高，且高压电源进线距离市政电源点较近，可采用此供电方案。
3.3 方案3：两回路10 kV市电分段单母线供电 从市政高压电网引入两路电源作为主用电源，高压侧采用分段单母线接线，中间设母联。正常运行时，10 kV单母线分段运行，母联断路器12QF分闸。12QF与1QF、2QF间设机械及电气联锁，12QF开关仅在1QF、2QF之一断开时方可合闸[3]。变压器二次侧采用分段单母线接线，变压器互为备供[4]。当两回路电源为双重电源，且设置发电机作为应急电源时，本系统满足一级负荷供电要求。系统图如图3所示。
优点：高压侧互为备供、低压侧互为备供，供电可靠性高。变压器负荷均匀分布在不同母线上，当高压母联只考虑另一侧母线所带一、二级负荷时，高压进线截面积相对方案2会减小。
缺点：相对10 kV双电源进线单母线接线，增加了中压柜设备投资，联锁逻辑较复杂。
应用场所：广泛应用于一、二级用电负荷大的场所，如电子信息厂房、医药制造厂房、化工厂房等。此供配电系统在大型公建中也广泛应用。
3.4 方案4：两回路10 kV市电分段单母线供电，低压侧设专用检修变压器
高压侧接线方式与方案3相同，低压侧采用单母线接线方式，设一台专用检修变压器，当常用变压器发生故障或检修时，检修变压器投入使用，检修变压器与4台主用变压器电气联锁。系统图如图4所示。
优点：电子厂房等场所变压器检修、故障会对工艺设备、生产造成重大经济损失。当采用变压器互为备供时，变压器负载率一般不超过55%，造成变压器台数增多。当设置一台专用检修变压器时，常用变压器负载率可提高至75%～85%，可节省造价。
缺点：检修变压器平时空载运行，检修变压器不能同时作为多台变压器备用电源。
应用场所：应用于工艺、动力负荷大部分为一、二级负荷，且变压器检修及故障时不允许长时间断电的场所。同一变配电房中变压器装机容量大的场所更能体现成本优势。
4 方案3、方案4工程设计实例比较
某新建电子厂房负荷相对集中的变配电房预计设置6台2 500 kVA变压器，负载率为50%。目前采用“1+1系统”（方案3），2台常用变压器互为备用，要求变压器长期在负载率η≤55%的工况下运行。综合考虑设备采购及后期运行成本，评估讨论“N+1系统”（方案4），即N台常用变压器（55%≤负载率η≤85%）+1台维修变压器是否更优。分析如表1所示。
综合表1可知，“N+1系统”（方案4）设备购置费少且年运行成本低，建筑空间需求小，符合55%≤变压器负载率η≤85%的要求，但安全可靠性较差、变压器无法同时备供，在负荷集中的变配电房中能体现优势;“1+1系统”（方案3）变压器均可同时互为备供，安全可靠性高，供电方案可全厂分散设置，运维管理相对熟练。
5 结语
综上所述，可明确工业厂房是否采用一、二级负荷供电并合理选择供配电方案。在实际工程中，也应根据不同建筑类型、不同用电需求、不同供电条件具体分析，互相比选，选择经济合理、安全可靠的供电方式，为整个工程增值。
[参考文献]
[1] 建筑设计防火规范（2018年版）：GB 50016—2014[S].
[2] 供配电系统设计规范：GB 50052—2009[S].
[3] 翁双安.供配电工程设计指导[M].北京：机械工业出版社，2008.
[4] 中国航空规划设计研究总院有限公司.工业与民用供配电设计手册[M].4版.北京：中国电力出版社，2017.
收稿日期：2021-08-06
作者简介：洪志阳（1987—），男，福建南安人，工程師，研究方向：电气。
关键词：一、二级负荷;供配电;变压器;系统;可靠性
0 引言
随着国家电力系统的发展及现行规范的完善，工业厂房中一、二级用电负荷的供配电要求也在变化，且供电系统的合理选择直接关系到供电的安全性、投资的经济性、工艺设备及消防用电的可靠性等各方面。因此，本文就工业厂房如何合理选用一、二级用电负荷供电系统这一问题展开探讨。
1 现行规范对工业厂房负荷的分级
《建筑设计防火规范（2018年版）》（GB 50016—2014）[1]第10章对工业建筑消防负荷等级规定总结如下：
（1）消防用电按一级负荷供电：建筑高度大于50 m的乙、丙类厂房和丙类仓库。
（2）消防用电按二级负荷供电：1）室外消防用水量大于30 L/s的厂房（仓库）;2）室外消防用水量大于35 L/s的可燃材料堆场、可燃气体储罐（区）和甲、乙类液体储罐（区）。
（3）除本规范第10.1.1条和第10.1.2条外的建筑物、储罐（区）和堆场等的消防用电，可按三级负荷供电。
《供配电系统设计规范》（GB 50052—2009）第3章对电力负荷等级划分的侧重点在于供电可靠性要求及中断供电对人身生命安全（国家法律要求）和生产过程、生产装备安全（企业内部判定）的经济损失上所造成的影响程度[2]，这可根据不同工业厂房工艺差异性进行分级。
除以上两种规范规定外，各类建筑专项设计规范也对其供电负荷等级有相关规定。
2 现行规范对一、二级负荷的供电要求
《供配电系统设计规范》（GB 50052—2009）[2]第3.0.2条规定：“一级负荷应由双重电源供电，当一电源发生故障时，另一电源不应同时受到损坏。”第3.0.3条规定：“一级负荷中特别重要的负荷供电，应符合下列要求：1.除应由双重电源供电外，尚应增设应急电源，并严禁将其他负荷接入应急供电系统。2.设备的供电电源的切换时间，应满足设备允许中断供电的要求。”第3.0.7条规定：“二级负荷的供电系统，宜由两回线路供电。在负荷较小或地区供电条件困难时，二级负荷可由一回6 kV及以上专用的架空线路供电。”
《建筑设计防火规范（2018年版）》（GB 50016—2014）[1]第10.1.4规定：“消防用电按一、二级负荷供电的建筑，当采用自备发电设备作备用电源时，自备发电设备应设置自动和手动启动装置。当采用自动启动方式时，应能保证在30 s内供电。”
结合上述两种规范，可以很明确地对工业厂房的负荷等级进行分级。工业厂房中二级负荷供电一般采用一路高压市电+柴油发电机或两路高压市电供电方式，一级负荷一般采用两路高压双重市电+柴油发电机供电方式。
3 常用一、二级负荷供配电系统
3.1 方案1：一路10 kV市电+备用发电机供电
从市政高压电网引一路电源作为主用电源，设置柴油发电机作为消防和工艺用电一、二级负荷备用电源。柴油发电机需在30 s内达到额定转速、电压和频率，才能满足消防用电要求[1]。备用电源与市电有严格的电气及机械联锁，防止并列运行及倒供给市电（发电机及变压器联锁要求各方案均应满足，当车间用电负荷较少时，可采用一台变压器+柴油发电机供电）。变压器二次侧采用分段单母线接线，运行时单母线分段运行，母联断路器12ZK分闸。12ZK与1ZK、2ZK间设机械及电气联锁，12ZK开关仅在1ZK、2ZK之一断开时方可合闸[3]。系统图如图1所示。
优点：10 kV高压侧主接线图简单，变压器二次侧采用分段单母线接线，中间设置母联，变压器互为备用，低压侧供电可靠性高。
缺点：10 kV分段单母线接线，高压侧可靠性较低。当高压侧故障时，市电无法保证供电需求，此时需联锁启动柴油发电机，而柴油发电机一般容量有限，因此只能保障消防负荷、部分重要负荷的供电。
应用场所：应用于大部分丙类厂房配电方案中，厂房大部分工艺、动力用电可靠性无特殊需求。柴油发电机作为备用电源，只需满足消防用电及部分工艺用电二级负荷的要求。
3.2 方案2：两回路10 kV市电备自投供电
从市政高压电网引入两回路高压电源作为主备用电源，两路高压电源平时一路投入。当一路进线停电时，备自投动作，让另一路电源作为主用电源。当两回路电源为双重电源（双重电源：分别来自不同电网的电源，或来自同一电网但运行时互相之间联系很弱，或同一个电网但其间的电气距离较远，一路电源任意一处出现异常运行或发生短路故障时，另一路电源仍能不中断供电）[1]，且设置发电机作为应急电源时，系统满足一级负荷供电要求。系统图如图2所示。
优点：相对10 kV分段单母线接线方式，节省中压柜数量，节省设备造价，减少高压站建筑面积。
缺点：相对10 kV分段单母线接线，供电可靠性较低，当中压柜发生故障时，无法保证供电需求。每路10 kV高压进线电缆截面积均需满足所有用电负荷需求，增加了高压电缆的投入。当高压进线电源点较远时，电缆增加的成本会大于中压柜节约的成本。
应用场所：适用于工业厂房中一、二级负荷用电量较高的场所，低压发电机满足不了一、二级用电需求，设置高压发电机费用较高，且高压电源进线距离市政电源点较近，可采用此供电方案。
3.3 方案3：两回路10 kV市电分段单母线供电 从市政高压电网引入两路电源作为主用电源，高压侧采用分段单母线接线，中间设母联。正常运行时，10 kV单母线分段运行，母联断路器12QF分闸。12QF与1QF、2QF间设机械及电气联锁，12QF开关仅在1QF、2QF之一断开时方可合闸[3]。变压器二次侧采用分段单母线接线，变压器互为备供[4]。当两回路电源为双重电源，且设置发电机作为应急电源时，本系统满足一级负荷供电要求。系统图如图3所示。
优点：高压侧互为备供、低压侧互为备供，供电可靠性高。变压器负荷均匀分布在不同母线上，当高压母联只考虑另一侧母线所带一、二级负荷时，高压进线截面积相对方案2会减小。
缺点：相对10 kV双电源进线单母线接线，增加了中压柜设备投资，联锁逻辑较复杂。
应用场所：广泛应用于一、二级用电负荷大的场所，如电子信息厂房、医药制造厂房、化工厂房等。此供配电系统在大型公建中也广泛应用。
3.4 方案4：两回路10 kV市电分段单母线供电，低压侧设专用检修变压器
高压侧接线方式与方案3相同，低压侧采用单母线接线方式，设一台专用检修变压器，当常用变压器发生故障或检修时，检修变压器投入使用，检修变压器与4台主用变压器电气联锁。系统图如图4所示。
优点：电子厂房等场所变压器检修、故障会对工艺设备、生产造成重大经济损失。当采用变压器互为备供时，变压器负载率一般不超过55%，造成变压器台数增多。当设置一台专用检修变压器时，常用变压器负载率可提高至75%～85%，可节省造价。
缺点：检修变压器平时空载运行，检修变压器不能同时作为多台变压器备用电源。
应用场所：应用于工艺、动力负荷大部分为一、二级负荷，且变压器检修及故障时不允许长时间断电的场所。同一变配电房中变压器装机容量大的场所更能体现成本优势。
4 方案3、方案4工程设计实例比较
某新建电子厂房负荷相对集中的变配电房预计设置6台2 500 kVA变压器，负载率为50%。目前采用“1+1系统”（方案3），2台常用变压器互为备用，要求变压器长期在负载率η≤55%的工况下运行。综合考虑设备采购及后期运行成本，评估讨论“N+1系统”（方案4），即N台常用变压器（55%≤负载率η≤85%）+1台维修变压器是否更优。分析如表1所示。
综合表1可知，“N+1系统”（方案4）设备购置费少且年运行成本低，建筑空间需求小，符合55%≤变压器负载率η≤85%的要求，但安全可靠性较差、变压器无法同时备供，在负荷集中的变配电房中能体现优势;“1+1系统”（方案3）变压器均可同时互为备供，安全可靠性高，供电方案可全厂分散设置，运维管理相对熟练。
5 结语
综上所述，可明确工业厂房是否采用一、二级负荷供电并合理选择供配电方案。在实际工程中，也应根据不同建筑类型、不同用电需求、不同供电条件具体分析，互相比选，选择经济合理、安全可靠的供电方式，为整个工程增值。
[参考文献]
[1] 建筑设计防火规范（2018年版）：GB 50016—2014[S].
[2] 供配电系统设计规范：GB 50052—2009[S].
[3] 翁双安.供配电工程设计指导[M].北京：机械工业出版社，2008.
[4] 中国航空规划设计研究总院有限公司.工业与民用供配电设计手册[M].4版.北京：中国电力出版社，2017.
收稿日期：2021-08-06
作者简介：洪志阳（1987—），男，福建南安人，工程師，研究方向：电气。