第2章　樓宇基礎設備及其監控系統

2.1　樓宇供配電系統

樓宇是由電力系統供電的，由于發電廠距負荷中心較遠，需要通過輸電線路和變電所等中間環節，才能把電力輸送給用戶。同時，為了提高供電的可靠性和實現經濟運行，常將許多的發電廠和電力網連接在一起并聯運行。由發電廠、電力網（輸電、變電、配電）和用戶組成的統一體，稱為電力系統、輸配電系統或供電系統。

2.1.1　電力網、電壓等級和負荷分類

（1）電力網

輸、配電線路和變電所等連接發電廠和用戶的中間環節是電力系統的一部分，稱為電力網。電力網常分為輸電網和配電網兩大部分。由35kV及以上的輸電線路和與其相連接的變電所組成的網絡稱為輸電網。輸電網的作用是將電力輸送到各個地區或直接送給大型用戶。35kV以下的直接供電給用戶的線路稱為配電網或配電線路。用戶電壓等級如果是380V/220V，則稱為低壓配電線路。把電壓降為380V/220V的用戶變壓器稱為用戶配電變壓器。如果用戶是高壓電氣設備，這時的供電線路稱為高壓配電線路。連接用戶配電變壓器及其前級變電所的線路也稱為高壓配電線路。

以上所指的低壓，是指1kV以下的電壓。1kV及以上的電壓稱為高壓。一般還把3kV、6kV、10kV等級的電壓稱為配電電壓，把高壓降為這些等級電壓的降壓變壓器稱為配電變壓器；接在35kV及以上電壓等級的電力網上的變壓器稱為主變壓器。因此，配電網是由10kV及以下的配電線路和配電變壓器所組成的，其作用是將電力分配到各類用戶。

（2）電壓等級

電力網的電壓等級較多，不同電壓等級有不同的作用。從輸電的角度看，電壓越高則輸送的距離就越遠，傳輸的容量越大，電能的損耗就越小，但要求絕緣水平也越高，因而造價也越高。目前，我國電力網的電壓等級主要有0.22kV、0.38kV、3kV、6kV、10kV、35kV、110kV、220kV共8級。

（3）負荷等級

在電力網上，用電設備所消耗的功率稱為用戶的用電負荷或電力負荷。用戶供電的可靠性程度用負荷等級來區分，它是由用電負荷的性質來決定的。用電負荷等級劃分為3類：一級負荷、二級負荷、三級負荷（見表2-1）。

在樓宇用電設備中，屬于一級負荷的設備有：消防控制室、消防水泵、消防電梯、防排煙設施、火災自動報警、自動滅火裝置、火災事故照明、疏散指示標志和電動防火門窗、卷簾、閥門等消防用電設備、保安設備、主要業務用的計算機及外設、管理用的計算機及外設、通信設備、重要場所的應急照明。屬于二級負荷的設備有：客梯、生活供水泵房等?？照{、照明等屬于三級負荷。

2.1.2　典型樓宇供配電系統

中大型樓宇的供電電壓一般采用10kV，有時也可采用35kV，變壓器裝機容量大于5000kV·A。為了保證供電可靠性，應至少有兩個獨立電源，具體數量應視負荷大小及當地電網條件而定。兩路獨立電源運行方式，原則上是兩路同時供電，互為備用。此外，必要時還需裝設應急備用發電機組。

（1）負荷分布及變壓器的配置

高層建筑的用電負荷一般可分為空調、動力、電熱、照明等。全空調的各種商業性樓宇的空調負荷屬于大宗用電，約占40％～50％。冷熱源設備一般放在大樓的地下室、首層或下部。動力負荷主要指電梯、水泵、排煙風機、洗衣機等設備。普通建筑的動力負荷都比較小，隨著建筑高度的增加，在超高層建筑中，由于電梯負荷和水泵容量的增大，動力負荷的比重將會明顯增加。動力負荷中的水泵、洗衣機等亦大部分放在下部，就負荷的豎向分布來說，負荷大部分集中在下部，因此將變壓器設置在建筑物的底部是有利的。40層以上的高層建筑電梯設備較多，此類負荷大部分集中于大樓的頂部，豎向中段層數較多，通常設有分區電梯和中間泵站。在這種情況下，宜將變壓器按上、下層配置，或者按上、中、下層分別配置，供電變壓器的供電范圍大約為15～20層。如日本的新信心大廈共60層，變壓器配置在地下4層和地面40層；紐約的帝國大廈共102層，變壓器配置在地下2層、地面41層及別層。為了減少變壓器臺數，單臺變壓器的容量一般都大于1000kV·A。由于變壓器深入負荷中心而進入樓內，從防火要求考慮，不應采用一般的油浸式變壓器和油斷路器等在事故情況下能引起火災的電氣設備，而應采用干式變壓器和真空斷路器。負荷中心是供配電設計中的一個重要概念，它實際上是一種最佳配電點，需要按所要達到的優化目標的目標函數，以及不同的計算條件來確定。變電所應盡量設在負荷中心，以便于配電，節省導線，也有利于施工。事實上，負荷的大小不是恒定不變的，因此負荷中心常會變動。在設計時也往往由于各種實際因素而不能將配電點布置在通過計算而得到的負荷中心上。只有在負荷比較平穩的部門，才可將變電所設在負荷中心或大負荷的近旁。

（2）供電系統的主接線

電力的輸送與分配，必須由母線、開關、配電線路、變壓器等組成一定的供電電路，這個電路就是供電系統的一次接線，即主接線?，F代智能樓宇由于功能上的需要，一般都采用雙電源進線，即要求有兩個獨立電源，常用的供電方案如圖2-1所示。圖2-1（a）所示為兩路高壓電源，正常時一用一備，即當正常工作電源事故停電時，另一路備用電源自動投入。此方案可以減少中間母線聯絡柜和一個電壓互感器柜，對節省投資和減小高壓配電室建筑面積均有利。這種接線要求兩路都能保證100％的負荷用電。當清掃母線或母線故障時，將會造成全部停電。因此，這種接線方式常用在大樓負荷較小，供電可靠性要求相對較低的建筑中。圖2-1（b）所示為兩路電源同時工作，當其中一路出現故障時，通過母線聯絡開關對故障回路供電。該方案由于增加了母線聯絡柜和電壓互感器柜，變電所的面積也相應增大。這種接線方式是商用性樓宇、高級賓館、大型辦公樓宇常用的供電方案。當大樓的安裝容量大，變壓器臺數多時，尤其適宜采用這種方案，因為它能保證較高的供電可靠性。當變壓器臺數較少時，還可從鄰近樓宇高壓配電室以放射式向該樓宇變壓器供電。目前最常用的雙電源主接線方案如圖2-2所示，采用兩路10kV獨立電源，變壓器低壓側采取單母線分段的方案。對于規模較小的建筑，由于用電量不大，當地獲得兩個電源又較困難，附近又有400V的備用電源時，可采用一路10kV電源作為主電源，400V電源作為備用電源的高供低備主接線方案，如圖2-3所示。智能樓宇供電以低壓為主。

（3）低壓配電方式

低壓配電方式是指低壓干線的配線方式。低壓配電干線一般是指從變電所低壓配電屏分路開關至各大型用電設備或樓層配電盤的線路。用電負荷分組配電系統是指負荷的分組組合系統。智能樓宇由于負荷的種類較多，低壓配電系統的組織是否得當，將直接影響大樓用電的安全運行和經濟管理。低壓配電的接線方式可分為放射式和樹干式兩大類。放射式配電是一獨立負荷，或一集中負荷均由一單獨的配電線路供電，它一般用在供電可靠性高、單臺設備容量較大和容量比較集中的低壓配電場所。大型消防系統、生活水泵和中央空調的冷凍機組對供電可靠性要求高，而且單臺機組容量較大，因此考慮放射式專線供電。對于樓層用電量較大的大廈，可采用一回路供一層樓的放射式供電方案。樹干式配電是一獨立負荷或一集中負荷按它所處的位置依次連接到某一條配電干線上。樹干式配電所需配電設備及有色金屬消耗量較少，系統靈活性好，但干線發生故障時影響范圍大，一般適用于用電設備比較均勻，容量不大，又無特殊要求的場合。圖2-4（a）和（b）所示分別為放射式和樹干式接線圖。國內外智能樓宇低壓配電方案基本上都采用放射式，樓層配電則為混合式?；旌鲜郊捶派?樹干的組合方式，如圖2-4（c）所示。有時也稱混合式為分區樹干式。在高層住宅中，住戶配電箱多采用單極塑料小型開關，一種自動開關組裝的組合配電箱。對一般照明及小容量插座采用樹干式接線，即住戶配電箱中每一分路開關帶幾盞燈或幾個小容量插座；而對電熱水器、空調器等大宗用電量的家電設備，則采用放射式供電。

（4）后備供電與應急供電

智能樓宇中的用電負荷種類繁多，但并非所有的用電負荷都必須在任何情況下保證供電，因此可以將用電負荷分成保證負荷和非保證負荷。保證負荷包括一級負荷和在非消防停電時仍要求保證的負荷，其余則為非保證負荷或一般負荷。目前智能樓宇大部分為高層建筑，對于高層建筑中的消防設備，如消防水泵、消防電梯、應急照明等，國家高層民用建筑設計防火規范中規定，一類建筑為一級負荷，二類建筑為二級負荷。高層建筑中許多部位的負荷為一級負荷，如銀行證券大樓業務用的大型計算機、主機及大量工作站、微機、保安用的一些監控設備、大樓設備管理用的一些智能型設備及一些重要部位的照明設備等均為一級負荷。根據電氣設計規范，一級負荷要求有兩路電源供電，二級負荷當條件許可時也可由兩路電源供電，特別是屬于消防用的二級負荷，按規定也應兩路電源供電。因此，智能樓宇對供電的可靠性要求較高，一般都要求兩路電源供電。

（5）自備發電機的容量和機組特點

①自備發電機的容量　實際運行中，當一路電源故障時往往另一路也會出現故障，因為再上一級電源往往是同一電源。因此，為了確保智能化大樓供電的可靠、安全，設置自備發電機是十分必要的。國外的有些大樓由城市電網供應了三路、四路電源，但仍然設置自備發電機組。自備發電機組容量的選擇目前尚無統一的計算公式，因此在實際工作中所采用的方法也各不相同。有的簡單地按照變壓器容量的百分比確定，例如用變壓器容量的10％～20％確定，有的根據消防容量相加，也有的根據業主的意愿確定。自備發電機的容量選得太大，會造成一次投資的消費過高，選得太小，事故時一則滿足不了使用的要求，二則使大功率電動機啟動困難。因此，應按自備發電機的計算負荷選擇，并按大功率電動機的啟動來檢驗。在計算自備發電機容量時，可將智能建筑用電負荷分為以下三類。

a.第一類負荷　即保安型負荷，保證大樓內人員的人身安全及智能化設備安全、可靠運行的負荷，有消防水泵、消防電梯、防排煙設備、應急照明及大樓設備的管理計算機監控系統設備、通信系統設備、從事業務用的計算機及相關設備等。

b.第二類負荷　即保障型負荷，保障大樓運行的基本設備負荷，也是大樓運行的基本條件，主要有工作區域的照明、部分電梯、通道照明等。

c.一般負荷　除上述負荷外的負荷，例如舒適用的空調、水泵及其他一般照明、電力設備等。

計算自備發電機容量時，第一類負荷必須考慮在內，第二類負荷是否考慮，應視城市電網情況及大樓的功能而定，若城市電網很穩定，能保證兩路獨立的電源供電，且大樓的功能要求不太高，則第二類負荷可以不計算在內。雖然城市電網穩定，能保證兩路獨立的電源供電，但大樓的功能要求很高或級別相當高，那么應將第二類負荷計算在內，或部分計算在內。例如銀行、證券大樓的營業大廳的照明，主要職能部門房間的照明等。若將保安型負荷和部分保障型負荷相疊加，并依此來選擇發電機容量，則其數據往往偏大。因為在城市電網停電，大樓并未發生火災時，消防負荷設備不啟動，自備發電機啟動只需提供給保障型負荷供電即可。而發生火災時，保障型負荷中只有計算機及相關設備仍供電，工作區域照明不需供電，而只需保證消防設備的用電。因此要考慮兩者不同時使用，擇其大者作為發電機組的設備容量。在初步設計時自備發電機容量可以取變壓器總裝機容量的10％～20％。

②自備發電機組特點　自備發電機組的工作形式有以下特點。

a.啟動裝置　由于自備發電機組為應急所用，因此首先要選有自啟動裝置的機組，一旦城市電網中斷，應在15s內啟動且供電。機組在市電停供后延時3s開始啟動發電機，啟動時間約10s（總計不大于15s，若第一次啟動失敗，第二次再啟動，有三次自啟動功能，總計不大于30s），發電機輸出，主開關合閘供電。當市電恢復后，機組延時2～15min（可調）不卸載運行，5min后，主開關自動跳閘，機組再空載冷卻運行約10min后自動停車。圖2-5所示為機組運行流程圖。

b.外形尺寸　機組的外形尺寸要小，結構要緊湊，重量要輕，輔助設備也要盡量減小，以縮小機房的面積和層高。

c.自啟動方式　自啟動方式盡量采用電啟動，啟動電壓為直流24V，若用壓縮空氣啟動時，則需要配備一套壓縮空氣裝置，應盡量避免采用。

d.冷卻方式　在有足夠的進風、排風通道情況下，盡量采用閉式水循環及風冷的整體機組，耗水量少，每年只需更換幾次水并加少量防銹劑。在沒有足夠進、排風通道的情況下，可將排風機、散熱管與柴油機主體分開，單獨放在室外，用水管將室外的散熱管與室內地下層的柴油主機相連接。

e.發電機類型　發電機宜選用無刷型自動勵磁的方式。

③供電系統設計

用電負荷分組配電的常見方案是，在市電停供時，供一般負荷的各分路開關均因失壓而脫扣，這時備用電源或發電機組應投入或啟動，但一般負荷應甩掉（或部分甩掉），以保證余下負荷的供電。為了避免火災發生時切除一般負荷出現誤操作，一級負荷可集中一段母線供電，以提高供電可靠性。如果一級負荷母線與一般負荷母線之間加設了防火間隔，還可減小相互影響。發電機機組作為大樓的自備應急電源，其配電系統應在正常電源故障停電后，能快速可靠地對重要負荷恢復供電，減小電源故障造成的損失。在低壓配電系統中，不需要由發電機組供電的一般負荷不能接在應急母線上，對允許短時間停電但也重要的負荷（例如營業大廳的照明）可以手動合閘。以下是幾種常用的配電方案。

圖2-6所示為一路備用市電與一路自備電源負荷不分組方案，這種方案是負荷不按種類分組，備用電源接至同一母線上，非保證負荷采用失壓脫扣方式甩掉。其特點是結線簡單、供電可靠，用電設備末端市電和應急電源回路兩路自切，正常情況下，兩路電源只有市電回路帶電，應急電源回路為備用，常用于一些重要負荷較少的建筑。圖2-7所示為兩路市電與自備電源一級負荷單獨分組方案，這種方案是將消防用電等一級負荷單獨分出，并集中一段母線供電，備用發電機組僅對此段母線提供備用電源。方案的特點為，兩個電源的雙重切換，正常情況下，消防設備等用電設備為兩路市電同時供電，末端自切，應急母線的電源由其中一路市電供給，當兩路市電中失去一路時，可以通過兩路市電中間的聯絡開關合閘，恢復大部分設備的供電，當兩路市電全部失去時，自動啟動機組，應急母線由機組供電，保證消防設備等重要負荷的供電。此時，對大廳照明等稍重要的負荷，由于配電開關上裝有失壓脫扣器，在市電故障時已全部分閘，然后可以根據機組負荷情況手動合閘。假如此時無火災，那么這些負荷可以全部合閘，若一旦發生火災，這些回路開關應能根據消防發出的指令自動跳閘。這種方案適用于城市電網較穩定、大樓重要負荷較多的工程。

2.1.3　供配電系統監控

供配電系統是樓宇的動力系統，除確保樓宇動力系統的正常運行外，還可大大提高其工作效率，節省能源消耗。

（1）樓宇供配電系統的設備配置

大廈供配電系統主要由高壓配電柜、低壓配電柜、電力變壓器、空調動力配電柜、應急柴油發電機組和直流操作柜等設備組成。通常大廈為一類用電負荷，采用兩路高壓供電，兩路電源互為備用，當工作電源失電后，備用電源自動投入運行，確保整座大廈的供電。當兩路電源均失電的情況下，自備發電機組自動投入，向大廈負載供電。

（2）供配電監控系統的功能

在電氣設計中，對于采用雙回路供電電源和自備發電機組的供配電系統，均應設置一整套完整的電氣聯鎖啟停和保護裝置。當工作電源失電后，備用電源通過聯鎖裝置的切換投入運行，擔負起全部負載的供電，當兩路供電電源都失電時，應急柴油發電機組將在最短的時間內（約10s）自動啟動投入運行，擔負起確保負載供電的任務。當外部供電電源恢復供電后，電氣聯鎖裝置將使柴油發電機組自動停機。因此，大廈供配電監控系統，主要是監測大廈供配電設備和柴油發電機組的運行狀態。供配電監控系統具體的監控功能如下。

①高壓進線、出線和中間聯絡斷路器狀態監測和故障報警，高壓進線電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數等參數的檢測。

②變壓器斷路器狀態監測和故障報警，變壓器溫度檢測和高溫報警。

③低壓進線，中間聯絡和重要出線回路斷路器狀態監測和故障報警，低壓進線電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數和電量統計等參數的檢測。

④直流操作柜斷路器狀態監測與報警，直流輸出電壓和電流等參數的檢測。

⑤發電機運行狀態、控制柜斷路器狀態與故障報警、電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、頻率、油箱油位、進口油壓、冷卻出水水溫和水箱水位等監測和故障/超限報警。

⑥火災時，切斷相關區域的非消防電源。

圖2-8所示為供配電低壓監控系統，該監控系統由現場設備即傳感器、執行器以及直接數字控制器組成。對6～10kV高壓線路的電壓電流測量方法如圖2-9所示。

低壓端（380V/220V）的電壓及電流測量方法與高壓側基本相同，只不過是電壓互感器和電流互感器的電壓等級不同。

（3）功率、功率因數的檢測

通過測量電壓與電流的相位差可測得功率因數，有了功率因數、電壓、電流數值即可求得有功功率和無功功率。因此，可以先測量功率因數，然后間接得出功率數據，這是一種間接的測量功率的方法。

比較精確的測量功率方法是采用模擬乘法器構成的功率變送器，或者用數字化測量的方法（高速采樣電壓、電流數據，再對數字信號進行處理），直接測量功率數據。

（4）供電品質的監測

供電品質的指標通常是電壓、頻率和波形，其中尤以電壓和頻率最為重要。電壓質量包括電壓的偏移、電壓的波動、電壓的三相不平衡度等。

①頻率　在電氣設備的銘牌上都標有額定頻率，我國電力工業的標準頻率為50Hz。由于頻率直接影響電子設備的正常工作，因此對于頻率的偏差要求很嚴格，規定電力系統對用戶的供電頻率偏差范圍為±0.5％。在電網頻率偏差超過允許值時，監測系統應報警，必要時應切斷市電供電，改用備用電源或應急發電機供電。

②電壓偏移　在實際運行中由于電力系統負荷的變化或用戶本身負荷的變化等原因，使用電設備端電壓偏離額定值，當電壓過高或過低時，監測系統應報警，同時需采取系統或局部的調壓及保護措施。

③電壓波動及諧波　電動機的啟動，電梯、電焊類沖擊負荷的工作，將使得供配電系統中的電壓時高時低，這種短時間的電壓變化稱為電壓波動。電力系統中交流電的波形從理論上講應該是正弦波，但實際上由于三相電氣設備的三相繞組不完全對稱，帶有鐵心線圈的勵磁裝置，特別是大型晶閘管裝置、電力電子設備的應用，在電力系統中產生了與50Hz基波成整數倍的高次諧波，于是電壓的波形畸變成非正弦波，諧波對電氣設備的正常運行、通信系統、計算機系統等有較大影響。

④電壓的不平衡度　在低壓系統采用三相四線制，單相負荷接于相電壓上。由于單相負荷在三相系統中不可能完全平衡，因而三個相電壓不可能完全平衡。電壓的不平衡度可以通過測量三個相電壓及三個相電流的數據，再經相互比較其差值來檢測。差值越大則不平衡度越大。當這個不平衡電壓加于三相電動機時，由于相電壓的不平衡將使電動機中的負序電流增加，因而增加了轉子內的熱損失。應盡量使單相負荷平衡地分配在三相中，對相電壓不平衡敏感的負荷（如電子計算機類設備）應采用分開回路的措施，同時監測系統應予報警。