第2章　楼宇基础设备及其监控系统

2.1　楼宇供配电系统

楼宇是由电力系统供电的，由于发电厂距负荷中心较远，需要通过输电线路和变电所等中间环节，才能把电力输送给用户。同时，为了提高供电的可靠性和实现经济运行，常将许多的发电厂和电力网连接在一起并联运行。由发电厂、电力网（输电、变电、配电）和用户组成的统一体，称为电力系统、输配电系统或供电系统。

2.1.1　电力网、电压等级和负荷分类

（1）电力网

输、配电线路和变电所等连接发电厂和用户的中间环节是电力系统的一部分，称为电力网。电力网常分为输电网和配电网两大部分。由35kV及以上的输电线路和与其相连接的变电所组成的网络称为输电网。输电网的作用是将电力输送到各个地区或直接送给大型用户。35kV以下的直接供电给用户的线路称为配电网或配电线路。用户电压等级如果是380V/220V，则称为低压配电线路。把电压降为380V/220V的用户变压器称为用户配电变压器。如果用户是高压电气设备，这时的供电线路称为高压配电线路。连接用户配电变压器及其前级变电所的线路也称为高压配电线路。

以上所指的低压，是指1kV以下的电压。1kV及以上的电压称为高压。一般还把3kV、6kV、10kV等级的电压称为配电电压，把高压降为这些等级电压的降压变压器称为配电变压器；接在35kV及以上电压等级的电力网上的变压器称为主变压器。因此，配电网是由10kV及以下的配电线路和配电变压器所组成的，其作用是将电力分配到各类用户。

（2）电压等级

电力网的电压等级较多，不同电压等级有不同的作用。从输电的角度看，电压越高则输送的距离就越远，传输的容量越大，电能的损耗就越小，但要求绝缘水平也越高，因而造价也越高。目前，我国电力网的电压等级主要有0.22kV、0.38kV、3kV、6kV、10kV、35kV、110kV、220kV共8级。

（3）负荷等级

在电力网上，用电设备所消耗的功率称为用户的用电负荷或电力负荷。用户供电的可靠性程度用负荷等级来区分，它是由用电负荷的性质来决定的。用电负荷等级划分为3类：一级负荷、二级负荷、三级负荷（见表2-1）。

在楼宇用电设备中，属于一级负荷的设备有：消防控制室、消防水泵、消防电梯、防排烟设施、火灾自动报警、自动灭火装置、火灾事故照明、疏散指示标志和电动防火门窗、卷帘、阀门等消防用电设备、保安设备、主要业务用的计算机及外设、管理用的计算机及外设、通信设备、重要场所的应急照明。属于二级负荷的设备有：客梯、生活供水泵房等。空调、照明等属于三级负荷。

2.1.2　典型楼宇供配电系统

中大型楼宇的供电电压一般采用10kV，有时也可采用35kV，变压器装机容量大于5000kV·A。为了保证供电可靠性，应至少有两个独立电源，具体数量应视负荷大小及当地电网条件而定。两路独立电源运行方式，原则上是两路同时供电，互为备用。此外，必要时还需装设应急备用发电机组。

（1）负荷分布及变压器的配置

高层建筑的用电负荷一般可分为空调、动力、电热、照明等。全空调的各种商业性楼宇的空调负荷属于大宗用电，约占40％～50％。冷热源设备一般放在大楼的地下室、首层或下部。动力负荷主要指电梯、水泵、排烟风机、洗衣机等设备。普通建筑的动力负荷都比较小，随着建筑高度的增加，在超高层建筑中，由于电梯负荷和水泵容量的增大，动力负荷的比重将会明显增加。动力负荷中的水泵、洗衣机等亦大部分放在下部，就负荷的竖向分布来说，负荷大部分集中在下部，因此将变压器设置在建筑物的底部是有利的。40层以上的高层建筑电梯设备较多，此类负荷大部分集中于大楼的顶部，竖向中段层数较多，通常设有分区电梯和中间泵站。在这种情况下，宜将变压器按上、下层配置，或者按上、中、下层分别配置，供电变压器的供电范围大约为15～20层。如日本的新信心大厦共60层，变压器配置在地下4层和地面40层；纽约的帝国大厦共102层，变压器配置在地下2层、地面41层及别层。为了减少变压器台数，单台变压器的容量一般都大于1000kV·A。由于变压器深入负荷中心而进入楼内，从防火要求考虑，不应采用一般的油浸式变压器和油断路器等在事故情况下能引起火灾的电气设备，而应采用干式变压器和真空断路器。负荷中心是供配电设计中的一个重要概念，它实际上是一种最佳配电点，需要按所要达到的优化目标的目标函数，以及不同的计算条件来确定。变电所应尽量设在负荷中心，以便于配电，节省导线，也有利于施工。事实上，负荷的大小不是恒定不变的，因此负荷中心常会变动。在设计时也往往由于各种实际因素而不能将配电点布置在通过计算而得到的负荷中心上。只有在负荷比较平稳的部门，才可将变电所设在负荷中心或大负荷的近旁。

（2）供电系统的主接线

电力的输送与分配，必须由母线、开关、配电线路、变压器等组成一定的供电电路，这个电路就是供电系统的一次接线，即主接线。现代智能楼宇由于功能上的需要，一般都采用双电源进线，即要求有两个独立电源，常用的供电方案如图2-1所示。图2-1（a）所示为两路高压电源，正常时一用一备，即当正常工作电源事故停电时，另一路备用电源自动投入。此方案可以减少中间母线联络柜和一个电压互感器柜，对节省投资和减小高压配电室建筑面积均有利。这种接线要求两路都能保证100％的负荷用电。当清扫母线或母线故障时，将会造成全部停电。因此，这种接线方式常用在大楼负荷较小，供电可靠性要求相对较低的建筑中。图2-1（b）所示为两路电源同时工作，当其中一路出现故障时，通过母线联络开关对故障回路供电。该方案由于增加了母线联络柜和电压互感器柜，变电所的面积也相应增大。这种接线方式是商用性楼宇、高级宾馆、大型办公楼宇常用的供电方案。当大楼的安装容量大，变压器台数多时，尤其适宜采用这种方案，因为它能保证较高的供电可靠性。当变压器台数较少时，还可从邻近楼宇高压配电室以放射式向该楼宇变压器供电。目前最常用的双电源主接线方案如图2-2所示，采用两路10kV独立电源，变压器低压侧采取单母线分段的方案。对于规模较小的建筑，由于用电量不大，当地获得两个电源又较困难，附近又有400V的备用电源时，可采用一路10kV电源作为主电源，400V电源作为备用电源的高供低备主接线方案，如图2-3所示。智能楼宇供电以低压为主。

（3）低压配电方式

低压配电方式是指低压干线的配线方式。低压配电干线一般是指从变电所低压配电屏分路开关至各大型用电设备或楼层配电盘的线路。用电负荷分组配电系统是指负荷的分组组合系统。智能楼宇由于负荷的种类较多，低压配电系统的组织是否得当，将直接影响大楼用电的安全运行和经济管理。低压配电的接线方式可分为放射式和树干式两大类。放射式配电是一独立负荷，或一集中负荷均由一单独的配电线路供电，它一般用在供电可靠性高、单台设备容量较大和容量比较集中的低压配电场所。大型消防系统、生活水泵和中央空调的冷冻机组对供电可靠性要求高，而且单台机组容量较大，因此考虑放射式专线供电。对于楼层用电量较大的大厦，可采用一回路供一层楼的放射式供电方案。树干式配电是一独立负荷或一集中负荷按它所处的位置依次连接到某一条配电干线上。树干式配电所需配电设备及有色金属消耗量较少，系统灵活性好，但干线发生故障时影响范围大，一般适用于用电设备比较均匀，容量不大，又无特殊要求的场合。图2-4（a）和（b）所示分别为放射式和树干式接线图。国内外智能楼宇低压配电方案基本上都采用放射式，楼层配电则为混合式。混合式即放射-树干的组合方式，如图2-4（c）所示。有时也称混合式为分区树干式。在高层住宅中，住户配电箱多采用单极塑料小型开关，一种自动开关组装的组合配电箱。对一般照明及小容量插座采用树干式接线，即住户配电箱中每一分路开关带几盏灯或几个小容量插座；而对电热水器、空调器等大宗用电量的家电设备，则采用放射式供电。

（4）后备供电与应急供电

智能楼宇中的用电负荷种类繁多，但并非所有的用电负荷都必须在任何情况下保证供电，因此可以将用电负荷分成保证负荷和非保证负荷。保证负荷包括一级负荷和在非消防停电时仍要求保证的负荷，其余则为非保证负荷或一般负荷。目前智能楼宇大部分为高层建筑，对于高层建筑中的消防设备，如消防水泵、消防电梯、应急照明等，国家高层民用建筑设计防火规范中规定，一类建筑为一级负荷，二类建筑为二级负荷。高层建筑中许多部位的负荷为一级负荷，如银行证券大楼业务用的大型计算机、主机及大量工作站、微机、保安用的一些监控设备、大楼设备管理用的一些智能型设备及一些重要部位的照明设备等均为一级负荷。根据电气设计规范，一级负荷要求有两路电源供电，二级负荷当条件许可时也可由两路电源供电，特别是属于消防用的二级负荷，按规定也应两路电源供电。因此，智能楼宇对供电的可靠性要求较高，一般都要求两路电源供电。

（5）自备发电机的容量和机组特点

①自备发电机的容量　实际运行中，当一路电源故障时往往另一路也会出现故障，因为再上一级电源往往是同一电源。因此，为了确保智能化大楼供电的可靠、安全，设置自备发电机是十分必要的。国外的有些大楼由城市电网供应了三路、四路电源，但仍然设置自备发电机组。自备发电机组容量的选择目前尚无统一的计算公式，因此在实际工作中所采用的方法也各不相同。有的简单地按照变压器容量的百分比确定，例如用变压器容量的10％～20％确定，有的根据消防容量相加，也有的根据业主的意愿确定。自备发电机的容量选得太大，会造成一次投资的消费过高，选得太小，事故时一则满足不了使用的要求，二则使大功率电动机启动困难。因此，应按自备发电机的计算负荷选择，并按大功率电动机的启动来检验。在计算自备发电机容量时，可将智能建筑用电负荷分为以下三类。

a.第一类负荷　即保安型负荷，保证大楼内人员的人身安全及智能化设备安全、可靠运行的负荷，有消防水泵、消防电梯、防排烟设备、应急照明及大楼设备的管理计算机监控系统设备、通信系统设备、从事业务用的计算机及相关设备等。

b.第二类负荷　即保障型负荷，保障大楼运行的基本设备负荷，也是大楼运行的基本条件，主要有工作区域的照明、部分电梯、通道照明等。

c.一般负荷　除上述负荷外的负荷，例如舒适用的空调、水泵及其他一般照明、电力设备等。

计算自备发电机容量时，第一类负荷必须考虑在内，第二类负荷是否考虑，应视城市电网情况及大楼的功能而定，若城市电网很稳定，能保证两路独立的电源供电，且大楼的功能要求不太高，则第二类负荷可以不计算在内。虽然城市电网稳定，能保证两路独立的电源供电，但大楼的功能要求很高或级别相当高，那么应将第二类负荷计算在内，或部分计算在内。例如银行、证券大楼的营业大厅的照明，主要职能部门房间的照明等。若将保安型负荷和部分保障型负荷相叠加，并依此来选择发电机容量，则其数据往往偏大。因为在城市电网停电，大楼并未发生火灾时，消防负荷设备不启动，自备发电机启动只需提供给保障型负荷供电即可。而发生火灾时，保障型负荷中只有计算机及相关设备仍供电，工作区域照明不需供电，而只需保证消防设备的用电。因此要考虑两者不同时使用，择其大者作为发电机组的设备容量。在初步设计时自备发电机容量可以取变压器总装机容量的10％～20％。

②自备发电机组特点　自备发电机组的工作形式有以下特点。

a.启动装置　由于自备发电机组为应急所用，因此首先要选有自启动装置的机组，一旦城市电网中断，应在15s内启动且供电。机组在市电停供后延时3s开始启动发电机，启动时间约10s（总计不大于15s，若第一次启动失败，第二次再启动，有三次自启动功能，总计不大于30s），发电机输出，主开关合闸供电。当市电恢复后，机组延时2～15min（可调）不卸载运行，5min后，主开关自动跳闸，机组再空载冷却运行约10min后自动停车。图2-5所示为机组运行流程图。

b.外形尺寸　机组的外形尺寸要小，结构要紧凑，重量要轻，辅助设备也要尽量减小，以缩小机房的面积和层高。

c.自启动方式　自启动方式尽量采用电启动，启动电压为直流24V，若用压缩空气启动时，则需要配备一套压缩空气装置，应尽量避免采用。

d.冷却方式　在有足够的进风、排风通道情况下，尽量采用闭式水循环及风冷的整体机组，耗水量少，每年只需更换几次水并加少量防锈剂。在没有足够进、排风通道的情况下，可将排风机、散热管与柴油机主体分开，单独放在室外，用水管将室外的散热管与室内地下层的柴油主机相连接。

e.发电机类型　发电机宜选用无刷型自动励磁的方式。

③供电系统设计

用电负荷分组配电的常见方案是，在市电停供时，供一般负荷的各分路开关均因失压而脱扣，这时备用电源或发电机组应投入或启动，但一般负荷应甩掉（或部分甩掉），以保证余下负荷的供电。为了避免火灾发生时切除一般负荷出现误操作，一级负荷可集中一段母线供电，以提高供电可靠性。如果一级负荷母线与一般负荷母线之间加设了防火间隔，还可减小相互影响。发电机机组作为大楼的自备应急电源，其配电系统应在正常电源故障停电后，能快速可靠地对重要负荷恢复供电，减小电源故障造成的损失。在低压配电系统中，不需要由发电机组供电的一般负荷不能接在应急母线上，对允许短时间停电但也重要的负荷（例如营业大厅的照明）可以手动合闸。以下是几种常用的配电方案。

图2-6所示为一路备用市电与一路自备电源负荷不分组方案，这种方案是负荷不按种类分组，备用电源接至同一母线上，非保证负荷采用失压脱扣方式甩掉。其特点是结线简单、供电可靠，用电设备末端市电和应急电源回路两路自切，正常情况下，两路电源只有市电回路带电，应急电源回路为备用，常用于一些重要负荷较少的建筑。图2-7所示为两路市电与自备电源一级负荷单独分组方案，这种方案是将消防用电等一级负荷单独分出，并集中一段母线供电，备用发电机组仅对此段母线提供备用电源。方案的特点为，两个电源的双重切换，正常情况下，消防设备等用电设备为两路市电同时供电，末端自切，应急母线的电源由其中一路市电供给，当两路市电中失去一路时，可以通过两路市电中间的联络开关合闸，恢复大部分设备的供电，当两路市电全部失去时，自动启动机组，应急母线由机组供电，保证消防设备等重要负荷的供电。此时，对大厅照明等稍重要的负荷，由于配电开关上装有失压脱扣器，在市电故障时已全部分闸，然后可以根据机组负荷情况手动合闸。假如此时无火灾，那么这些负荷可以全部合闸，若一旦发生火灾，这些回路开关应能根据消防发出的指令自动跳闸。这种方案适用于城市电网较稳定、大楼重要负荷较多的工程。

2.1.3　供配电系统监控

供配电系统是楼宇的动力系统，除确保楼宇动力系统的正常运行外，还可大大提高其工作效率，节省能源消耗。

（1）楼宇供配电系统的设备配置

大厦供配电系统主要由高压配电柜、低压配电柜、电力变压器、空调动力配电柜、应急柴油发电机组和直流操作柜等设备组成。通常大厦为一类用电负荷，采用两路高压供电，两路电源互为备用，当工作电源失电后，备用电源自动投入运行，确保整座大厦的供电。当两路电源均失电的情况下，自备发电机组自动投入，向大厦负载供电。

（2）供配电监控系统的功能

在电气设计中，对于采用双回路供电电源和自备发电机组的供配电系统，均应设置一整套完整的电气联锁启停和保护装置。当工作电源失电后，备用电源通过联锁装置的切换投入运行，担负起全部负载的供电，当两路供电电源都失电时，应急柴油发电机组将在最短的时间内（约10s）自动启动投入运行，担负起确保负载供电的任务。当外部供电电源恢复供电后，电气联锁装置将使柴油发电机组自动停机。因此，大厦供配电监控系统，主要是监测大厦供配电设备和柴油发电机组的运行状态。供配电监控系统具体的监控功能如下。

①高压进线、出线和中间联络断路器状态监测和故障报警，高压进线电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数等参数的检测。

②变压器断路器状态监测和故障报警，变压器温度检测和高温报警。

③低压进线，中间联络和重要出线回路断路器状态监测和故障报警，低压进线电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数和电量统计等参数的检测。

④直流操作柜断路器状态监测与报警，直流输出电压和电流等参数的检测。

⑤发电机运行状态、控制柜断路器状态与故障报警、电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率、油箱油位、进口油压、冷却出水水温和水箱水位等监测和故障/超限报警。

⑥火灾时，切断相关区域的非消防电源。

图2-8所示为供配电低压监控系统，该监控系统由现场设备即传感器、执行器以及直接数字控制器组成。对6～10kV高压线路的电压电流测量方法如图2-9所示。

低压端（380V/220V）的电压及电流测量方法与高压侧基本相同，只不过是电压互感器和电流互感器的电压等级不同。

（3）功率、功率因数的检测

通过测量电压与电流的相位差可测得功率因数，有了功率因数、电压、电流数值即可求得有功功率和无功功率。因此，可以先测量功率因数，然后间接得出功率数据，这是一种间接的测量功率的方法。

比较精确的测量功率方法是采用模拟乘法器构成的功率变送器，或者用数字化测量的方法（高速采样电压、电流数据，再对数字信号进行处理），直接测量功率数据。

（4）供电品质的监测

供电品质的指标通常是电压、频率和波形，其中尤以电压和频率最为重要。电压质量包括电压的偏移、电压的波动、电压的三相不平衡度等。

①频率　在电气设备的铭牌上都标有额定频率，我国电力工业的标准频率为50Hz。由于频率直接影响电子设备的正常工作，因此对于频率的偏差要求很严格，规定电力系统对用户的供电频率偏差范围为±0.5％。在电网频率偏差超过允许值时，监测系统应报警，必要时应切断市电供电，改用备用电源或应急发电机供电。

②电压偏移　在实际运行中由于电力系统负荷的变化或用户本身负荷的变化等原因，使用电设备端电压偏离额定值，当电压过高或过低时，监测系统应报警，同时需采取系统或局部的调压及保护措施。

③电压波动及谐波　电动机的启动，电梯、电焊类冲击负荷的工作，将使得供配电系统中的电压时高时低，这种短时间的电压变化称为电压波动。电力系统中交流电的波形从理论上讲应该是正弦波，但实际上由于三相电气设备的三相绕组不完全对称，带有铁心线圈的励磁装置，特别是大型晶闸管装置、电力电子设备的应用，在电力系统中产生了与50Hz基波成整数倍的高次谐波，于是电压的波形畸变成非正弦波，谐波对电气设备的正常运行、通信系统、计算机系统等有较大影响。

④电压的不平衡度　在低压系统采用三相四线制，单相负荷接于相电压上。由于单相负荷在三相系统中不可能完全平衡，因而三个相电压不可能完全平衡。电压的不平衡度可以通过测量三个相电压及三个相电流的数据，再经相互比较其差值来检测。差值越大则不平衡度越大。当这个不平衡电压加于三相电动机时，由于相电压的不平衡将使电动机中的负序电流增加，因而增加了转子内的热损失。应尽量使单相负荷平衡地分配在三相中，对相电压不平衡敏感的负荷（如电子计算机类设备）应采用分开回路的措施，同时监测系统应予报警。