低压配电系统消防负荷供电设计

　　 1 前言
　　随着中国城市化进程的快速推进，建筑体量不断在纵向和横向上扩展，加上业态丰富、空间变化大、装修复杂等诸多因素，无形中为火灾监测及扑救增加了难度。能否保证消防设备在发生火灾时正常运作就尤为重要，为此消防设备的供电安全要求也相应提高。
　　 2 低压配电系统消防负荷供电设计要求
　　2.1 供电电源要求
　　《供配电系统设计规范》GB50052-2009(以下简称《供配电》)及《民用建筑电气设计规范》JGJ16-2008(以下简称《民规》)规定，供电负荷分级根据供电可靠性及中断供电所造成的损失或影响程度来划分，因此，对消防电气设备而言，供电电源的可靠性是保证消防电气设备可靠运行的先决条件。
　　各级消防负荷供电电源要求如下：
　　一级负荷中的特别重要负荷：双重电源+应急电源(3个电源)，线路末端切换;
　　一级负荷：双重电源(2个电源)，线路末端切换;
　　二级负荷：两回线路(1个电源)，线路末端切换;
　　三级负荷：按约定供电(无特别要求)。
　　2.2 配电线路要求
　　对于不同负荷等级供电线路的(独立)设置要求，《低压配电设计规范》GB50054-2011(以下简称《低规》)第3.1.6条规定“当配电房内任一段母线上有一级负荷时，母线分段处应设防火隔断措施”。对于消防、非消防负荷供电线路的(独立)设置要求，《高层民用建筑设计防火规范》GB50045-95(以下简称《高规》)第9.1.3条及《建筑设计防火规范》GB50016-2006第11.1.4条，都要求“消防用电设备应采用专用的供电回路”。以上措施的根本目的是尽量独立设置低压配电屏后消防负荷与非消防负荷之间的供电线路，减少两者之间的电气联系，从而降低因非消防负荷故障或人为误操作而导致消防供电中断的影响。至于从何处分开，《高规》对于“专用供电回路”的条文解释是“系指从低压总配电室(包括分配电室)至最末一级配电箱，与一般配电线路均应严格分开”。一般认为低压配电屏内母线故障率较低，对于是否分别消防、非消防供电母线并无特别要求。
　　通常情况下，满足消防供电要求的低压配电系统主接线如图1所示。
　　而针对大型商业建筑面积大、人员密集、建筑分隔和商品布置复杂、装修和商品可燃物多，发生火灾时蔓延迅速等特点，遵循“预防为主、防消结合”的消防工作方针，在该类建筑机电消防设计中“防”的理念就更为显著，并提出某些特殊的要求。尽管低压配电屏母线故障率相对较低，是由于消防设备数量多，建筑功能分区、防火分区复杂，人为误操作消防供电中断的可能性增大。因此，《大型商业建筑设计防火规范》DBJ 50-054-2013(以下简称《大商规》)第7.3.10条规定：“在变电所或总配电室消防用电负荷供电电源不应与其它负荷共用母线，应在低压侧总进线处设置独立的主断路器。”强调了消防用电设备的供电线路在配电屏内即应分开，应设置专用母线段。
　　修编中的《建筑设计防火规范》GB5016-201x(送审稿)第10.1.6条同样要求，“消防用电设备的电源应采取在变压器的低压出线端设置单独主断路器等方式保证当建筑内生产、生活用电被切断时，仍能保证消防用电”。除此之外，现行规范对上述内容并无相关要求。
　　2.3 消防负荷低压配电系统主接线形式的改进
　　大型商业建筑的非消防负荷、消防负荷均相对集中(如大型空调负荷、商业用电、消防水泵用电等)，易出现较大的供电回路，其容量与变压器容量较为接近，甚至一样，此时传统接线方式就暴露出以下问题。
　　①为了保证线路保护的选择性，则需对QF3的整定电流值加大，失去对变压器主母线段保护的意义。
　　②当如图2非消防负荷线路a点发生短路，短路电流通过图中蓝色线路流向变压器。由于QF1、QF3整定值接近，可能会出现QF1、QF3同时动作或QF3越级动作的情况，致使消防负荷失电。
　　③考虑变压器运行的负载率，一般情况下变压器容量选择以非消防设备、消防设备计算负荷的大者作为依据，因此在火灾情况下，需要切除全部或部分非消防负荷以保证消防负荷。根据《火灾自动报警系统设计规范》GB50116-98第6.3.1.8条及其条文说明，“当消防控制室确认火灾后，人工或自动切断着火防火分区或楼层内的非消防电源，其余非着火区域应根据需要谨慎切除，避免无谓扩大断电范围而引起人员恐慌，造成踩踏等非火灾危害。为保证切除非着火区域普通负荷的有效合理，普遍以人工方式进行。”因此，可能会出现某个时间段内消防设备启动时，非消防负荷未及时切除，变压器主母线上产生短时过负荷致使QF3断电从而消防负荷失电(如图3)。即便设置了柴油发电机在变压器失压信号下启动，仍需要经过15~30s的时间。在此期间，消防设备仍然处于失电而无法启动的情况，可能会延误扑救。
　　这种情况就如两个建筑共用出入口，当所有人同时进出时就会造成拥堵，最简单的解决方法就是为每个建筑独自修建一个出入口，人员分流就不会出现以上情况了。
　　按照这样的思路，只要尽量缩短消防负荷和非消防负荷共用母线的长度，让两种符合性质的电流各行其道，就能从一定程度上解决前面的问题，因此产生了某种低压供电接线形式(如图4所示)，左侧母线段即为专用消防母线段，形象的称之为“双飞”结构。
2.4 规范适用的误区
　　在实际设计中，部分专家提出为满足《供配电》第3.0.9条“备用电源的负荷严禁接入应急供电系统”的要求，低压配电系统需考虑成的“双飞”接线形式(如图4)，这样理解其实是错误的。
　　这里提到的“应急供电系统”根据《供配电》第2.0.3条，即为“安全设施供电系统”，其设置的充分条件是为“一级负荷中特别重要的负荷供电”，其电源为与电网不并列的、独立的电源形式，即“应急电源”，并要求其它负荷不得接入应急供电系统。
　　将图4与图1接线形式进行对比则不难看出，采用“双飞”接线形式并未增加供电电源数量或回路，因而消防负荷等级并未提高;此时消防负荷和非消防负荷仍然由同一电源供电，主母线未彻底分离，当然也不满足应急供电系统的条件;几种接线形式无本质差异，只是改变了主母线的接线结构，从而缩短消防负荷与非消防负荷母线段的共用部分，以此达到提高消防设备供电可靠性的目的。因此依靠“双飞”结构是无法解决该条规范问题的。从规范编委会的回函也可以证明。两者概念不同，不可混为一谈。
　　3 变压器主进电气保护设备的设置对比
　　依据《低规》第6章要求可知，“双飞”接线图中变压器至两段母线主进断路器间的配电线路，应设置过负荷保护、短路保护、接地故障保护。对于这段线路应该设置怎样的电气保护设备，下文就从几个方面来进行分析。
　　3.1 过负荷保护
　　由于两段母线主进断路器长延时可以分别对消防母线段和非消防母线段实现过负荷保护，过载时断开(QF2)或报警(QF1)。与图3中过负荷相同的原因，变压器至QF1和QF2间的线路也可能出现短时过负荷。短时间过负荷并不会对线路造成损害，但过载造成的消防负荷断电危害却远胜于温升对线路绝缘、接头、端子造成的损害。并且通过适当整定，变压器高压侧断路器可以完成该段线路过负荷保护的功能。
　　干式变压器有良好的过载能力，即使出现变压器10kV侧断路器长延时未可靠动作，也可通过在变压器设温度保护，温控器高温报警来实现过负荷保护。某环氧树脂浇注干式变压器过载能力典型曲线(如图5所示)，初始负载为80%的情况下，过载20%时变压器可工作约38min.随着过负载增加，变压器工作时间越短，可总结变压器过载反时限数据表(如图6所示)。
　　3.2 短路保护
　　由于低压断路器上下级配合的选择性需综合考虑脱扣器电流动作值、延时、区域选择性联锁、能量选择等多种技术手段，完全实现保护的选择性有一定难度，并且随着配合级数的增加而增加，一般低压保护级差不宜超过三级，否则就很难进行整定。如果此处设置断路器，则直到末端用电设备大多需要设置三级及以上保护，整定配合难度较大。同时，根据《工业与民用配电设计手册》(以下简称《手册》)第七章，可以利用变压器10kV进线处高压侧保护开关的整定实现低压侧过电流短路保护。
　　3.3 接地故障保护
　　由于民用建筑电力变压器普遍采用Dyn11接线，根据《手册》中表7-3可不设置接地故障保护。
　　3.4 电气闭锁
　　当两台变压器互为备用时，应能电气闭锁才可正常运行，还需要两侧主进线处、联络处的电气保护设备具备机械闭锁功能。此处若无电气保护设备，实现4个主进断路器1个母联断路器之间的闭锁是非常困难的，4把钥匙5把锁无唯一性。只有在此处设置带闭锁功能装置的断路器或负荷开关，“3锁2钥匙”方可实现两台变压器互为备用正确机械互锁。而由1~3条可知应选择负荷开关。从设备检修角度考虑，此处亦应设置可靠电气断点。
　　综上所述，变压器主进保护设备不宜设置断路器，采用负荷开关的接线方式(如图7所示)是合理的。
　　4 母联及电容补偿装置测量设置部位
　　4.1 母联设置部位
　　“双飞”接线形式母联设置部位应位于变压器至两段母线主进断路器之前(见图8)，TA1和TA2实现互为备用。
　　在实际工程应用中，母联设置部位五花八门，下面从满足规范要求的角度来分析各种接线的利弊。
4.1.1 母联设于非消防母线段
　　如图9所示，当TA2失电情况下，手动断开QL’，在切除部分非消防负荷后闭合母联断路器QF3.TA1为所有负荷供电，电流流向如图中蓝色线条所示，经过QF2、QF2’为专用消防母线段2供电。
　　如图9所示，此时非消防母线段2作为专用消防母线段2的下级出线回路。由于QF1’、QF2’分别根据其后端所接负荷计算电流进行整定，其值并不一定满足Izd(QF2’)>Izd(QF1’)，造成越级跳闸。即使满足级差配合的整定条件，也可能由于某非消防线路故障导致QF2、QF3其中之一动作，造成专用消防母线段2失电;检测QF1’失压信号启动柴油发电机，火灾时消防设备无法及时投入工作。
　　对于专用消防母线段2所带负荷的供电，并未满足“消防用电负荷供电电源不应与其他负荷共用母线”的要求。
　　4.1.2 母联设于非消防母线段
　　如图10所示，当TA2失电情况下，手动断开QL’，在切除部分非消防负荷后闭合母联断路器QF3.TA1为所有负荷供电，电流流向如图中蓝色线条所示，经过QF1、QF1’为非消防母线段2供电。
　　同(1)分析同理，不一定满足Izd(QF1’)>Izd(QF2’)，QF1’对QF2’无法有效保护。如图11所示，即使满足级差配合的整定关系，当非消防母线段a点发生短路故障时，一旦短路电流造成QF1、QF3其中之一动作，即会导致消防负荷失电。同样未满足“消防用电负荷供电电源不应与其他负荷共用母线”的要求。
　　综上所述，以上两种方式变压器并未实现完全的互为备用;更主要的是均未达到规范对消防负荷的供电要求，由此可反证母联设于两段母线主进断路器之前是唯一正确的方式。
　　4.2 用于无功补偿的电流互感器设置部位
　　用于无功补偿的电流互感器宜设置于变压器主出线处。若分别设置于两段母线主进线处，则分别测量的是两段母线各自的无功功率，分别补偿时需要设置的无功补偿装置容量之和永远大于位置时的补偿值(见图12)。
　　5 结束语
　　综上所述，采用“双飞”接线作为消防负荷供电方式将成为必然，但以上的讨论都未考虑计量的因素。现行民用建筑中供电部分的计量大致分为五种：居民、非居、商业、小容量动力、办公，重庆地区还多一种即光彩计量。同时供电部门对一个业主(项目)的同一类用电性质仅提供一处计量电表。而基于图3的接线模型，当消防负荷和非消防负荷一旦出现相同类型的计量时，就无法实施，而除了商业、学校等负荷种类纯粹的建筑类型，大部分项目中均存在同类复合不同性质的情况，这种现象在住宅项目中尤为突出。一旦考虑计量因素，“双飞”接线往往无法实现。
　　由于主要消防负荷均在发生火灾的情况下才启动，使用概率较低，针对上述情况，无论各种类别的消防负荷近似视为同一电价，则既可满足规范要求又可在最小范围内解决计量问题。