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新聞主題 |
柴油發(fā)電機的母線槽和電纜連接方案對比 |
摘要：本文結合康明斯公司以往超高層項目的工程實際案例，從負荷分級、柴油發(fā)電機容量指標、柴發(fā)的設置、供配電系統(tǒng)方案選擇、豎向配電干線系統(tǒng)等方面探討發(fā)電機房供配電系統(tǒng)設計中的關鍵技術要點。本論文是對已完成的柴油發(fā)電機組工程項目的經驗總結以及在柴發(fā)連接方案選擇時設計思路的分享，希望能為柴油發(fā)電機行業(yè)在做類似超高層項目時提供有效借鑒。
一、供電特點與負載分級
柴油發(fā)電機房的供配電系統(tǒng)分布如圖1所示，安裝實例如圖2所示。
1. 供配電系統(tǒng)特點
通常超高層建筑的供配電系統(tǒng)有以下特點:
（1）建筑體量大用電量大供電半徑長；
（2）至少需要2路市政獨立電源，甚至多路市政電源；
（3）建筑功能多樣，供配電系統(tǒng)設計需考慮滿足多個物業(yè)運營管理模式的需要；
（4）需考慮備用電源和應急電源的設置。
2. 用電負荷分級
超高層建筑的供電負荷等級應為一級，對于建筑內的消防安防用電負荷計算機通信網絡設施保障建筑正常運營的重要設備重要場所中不允許中斷供電的負荷等應作為一級負荷中的特別重要負荷。表1列舉了超高層建筑主要用電負荷分級。
對于超高層建筑一級負荷中特別重要的負荷，電氣設計師應該考慮設置應急電源，當超高層建筑為四級及以上酒店或者大型商業(yè)時，會有一部分負荷在酒店管理公司或者商業(yè)顧問提供的設計標準中被列為保障性負荷，對于這部分負荷，也應該考慮設置備用電源。
因此，在進行超高層建筑供配電系統(tǒng)設計時，除雙重市政電源外，需要選擇獨立于正常電源的柴油發(fā)電機組作為是備用電源及應急電源。
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圖1 發(fā)電機房供配電系統(tǒng)功能分布圖 |
圖2 柴油發(fā)電機房供電方案實例 |
二、供配電系統(tǒng)組成
供配電系統(tǒng)是從電源線路進用戶起經過高/低壓供配電設備到負載止的整個電路系統(tǒng)，將主要包括市電引入、變電站、高壓配電設備——高壓變配電系統(tǒng)、柴油發(fā)電機系統(tǒng)、自動轉換開關系統(tǒng)、輸入低壓配電系統(tǒng)、不間斷電源系統(tǒng)、列頭柜/母線槽配電系統(tǒng)和機架配電系統(tǒng)。
1、高壓變配電系統(tǒng)
主要是將市電通過該變壓器轉換成380V，供后級低壓設備用電。常規(guī)情況下，柴發(fā)機房主要采用市電配電，一般可靠性要求柴發(fā)機房引入兩路市電電源，每一路市電電源的供電容量，都需要完全滿足柴發(fā)機房的全部電力需求，兩路電源負荷設備輸入端自動切換，正常時同時供電運行。
2、柴油發(fā)電機系統(tǒng)
主要用作后備電源，一旦市電失電，迅速啟動為后級低壓設備提供備用電源。
3、自動轉換開關系統(tǒng)
主要是自動完成市電與市電或市電與柴油發(fā)電機之間的備用切換，電路連接如圖3所示。
4、輸入低壓配電系統(tǒng)
主要作用是電能分配，將前級的電能按照要求、標準與規(guī)范分配給各種類型的用電設備，如UPS、空調、照明設備等。
5、不間斷電源系統(tǒng)
不間斷電源UPS，是一種將蓄電池與主機相連接，通過主機逆變器等模塊電路將直流電轉換成市電（交流電）的系統(tǒng)設備。主要作用是電能凈化、電能后備，為IT負載提供純凈、可靠的用電保護。在柴發(fā)機房，UPS一般采用一用一備容錯配置，且任何一路都可以帶起整個核心負載。
6、智能小母線管理系統(tǒng)
小母線系統(tǒng)是端母線供配電系統(tǒng)的俗稱，系統(tǒng)組成如圖4所示。智能小母線系統(tǒng)具有電流小、插接方便、智能化程度高等特點，即插式插接箱給各個機柜內的PDU分配電。始端箱和插接箱內可設置監(jiān)測模塊，將數(shù)據(jù)上傳至動環(huán)監(jiān)控中心。
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圖3 雙電源轉換開關電路連接圖 |
圖4 智能小母線管理系統(tǒng)圖 |
三、母線和電纜連接方式對比分析
1、柴發(fā)機組配電連接方式
（1）柴油發(fā)電機母線槽，就是通過合理、安全的結構，將幾根導體包裹在金屬外殼內，組成一個整體的具有電氣連續(xù)性的輸配電系統(tǒng)。普通母線槽一般分為密集絕緣型和空氣絕緣型兩種?？諝饨^緣型結構簡單、輸送電流大;密集絕緣型結構緊湊、散熱能力好。它們都有過載能力強、分接方便、占用空間小等特點。母線和母線槽連接示例如圖5、圖6所示。
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圖5 柴油發(fā)電機組母線槽連接結構圖 |
圖6 柴油發(fā)電機組母線連接內部結構圖 |
（2）電纜分為單芯電纜和多芯電纜。單芯電纜主要采用各種絕緣材料，將多股銅線包覆在絕緣層內，作為某一相電流導體。多芯電纜則是將多根絕緣線芯絞合在一起，在包上外護套而形成的一整根完整的電纜。電力電纜的絕緣線芯數(shù)，通常為1、2、3、4、5等芯，以及4+1和3+2芯。電纜的主要優(yōu)點是選用靈活多變，環(huán)境適應能力強，但也有著其固有的局限性。電纜安裝通常分為橋架和電纜溝兩種方式，分別如圖7、圖8所示。
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圖7 柴發(fā)電纜橋架安裝施工圖 |
圖8 柴發(fā)電纜溝安裝施工圖 |
2、母線槽與電纜性能對比
（1）載流量
低壓電纜的截面積最大為1000mm2，額定電流為1600A。這么大規(guī)格電纜因其體積和重量過大，很少應用于實際工程中。工程中一般常用的是400 mm2及以下規(guī)格電纜，這就要求使用多根電纜來實現(xiàn)同時供電。而母線槽額定電流最大可達6300A，其強大的載流能力是電纜根本無法比擬的。
表1 WDZ-GYJSYJ（F）電力電纜的持續(xù)載流量 （單位：A）
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型號
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WDZ-GYJSYJ(F)
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額定電壓/kV
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0.6/1
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導體工作溫度/℃
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90
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敷設方式
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敷設在隔熱墻中的導管內
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敷設在明敷的導管內
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敷設在空氣中
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|||||||||||||||||||||
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環(huán)境溫度/℃
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25
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30
|
35
|
40
|
25
|
30
|
35
|
40
|
25
|
30
|
35
|
40
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||||||||||||
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標稱截面面積/m㎡
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銅芯
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鋁芯
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銅芯
|
鋁芯
|
銅芯
|
鋁芯
|
銅芯
|
鋁芯
|
銅芯
|
鋁芯
|
銅芯
|
鋁芯
|
銅芯
|
鋁芯
|
銅芯
|
鋁芯
|
銅芯
|
鋁芯
|
銅芯
|
鋁芯
|
銅芯
|
鋁芯
|
銅芯
|
鋁芯
|
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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
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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
|
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150
|
264
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210
|
295
|
233
|
283
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224
|
268
|
212
|
347
|
277
|
340
|
272
|
326
|
261
|
309
|
248
|
465
|
310
|
399
|
304
|
383
|
292
|
363
|
277
|
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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
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417
|
538
|
409
|
516
|
393
|
490
|
372
|
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300
|
404
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319
|
396
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313
|
380
|
300
|
360
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285
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464
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371
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455
|
364
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437
|
349
|
414
|
331
|
633
|
480
|
621
|
471
|
596
|
452
|
565
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429
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（2）過載能力
不論電纜還是母線槽，過載能力都取決于所用絕緣材料的工作溫度。母線槽絕緣材料的工作溫度為105℃，現(xiàn)已開發(fā)出工作溫度為140℃以上的輻照交聯(lián)阻燃纏繞帶(PER)和輻射交聯(lián)聚烴熱收縮管。而目前電纜所用絕緣材料的常期工作溫度一般為90℃和105℃，輻照交聯(lián)電纜的最高工作溫度為125℃。因此，母線槽的過載能力遠遠大于電纜。
（3） 安裝分接
母線槽一般采用插接式安裝分接方法。所謂插接式母線槽，就是利用插接的方式把主干線的電源分接到支線去，每隔若干米就留有一個插接箱口，因此分接十分方便。而電纜需要在現(xiàn)場進行分接，可靠性差，即便是預制分支電纜，也有其缺陷。分支電纜明顯的缺點，主要是需要向工廠定制分支連接器材，通常采用開口的"C"型抱箍。時間久了，這種抱箍能否保證緊箍力也是問題。另外，分支電纜分支頭的價格不菲，因此預制分支電纜至今應用面仍不廣。安裝分支電纜時，需要切斷樓面電源，而安裝母線槽時無須斷電，只要在空載情況下，取下母線槽的插接箱即可。但要切斷預制分支電纜的分支電源，在帶電的情況下操作是十分危險的。
（4） 防火性能
普通電纜的絕緣層和外護套會燃燒。即使阻燃電纜在火焰下也會燃燒，只有在火焰離開后才燃燒。耐火電纜不會燃燒，但價格昂貴，只有在消防報警電路系統(tǒng)等不準停電的場合才使用耐火電纜。而母線槽外殼是金屬的，不會燃燒，即使銅排的絕緣材料發(fā)生燃燒，火苗也不會危機到母線槽外面。
（5）散熱性能
電纜的絕緣和外護套 既是絕緣層，又是隔熱層。因此，為了保持電纜散熱，當電纜在橋架內敷設時，最多允許敷設2層，其原因主要是考慮散熱問題。而母線槽利用空氣傳導散熱，并通過緊密接觸的鋼制外殼，把熱量散發(fā)出去，因此它的散熱性能比電纜優(yōu)越的多。
（6）運行維護
母線槽的維護比較簡單。母線槽日常維護時，通常是測量外殼和穿芯螺栓的溫升、進線箱的接頭溫升等，穿芯螺栓若采用4.8級則需要定期緊固，若采用8.8級的高強螺栓則不必定期堅固。而電纜因其材料易于磨損、易老化、壽命較短等因素限制，需要定期進行檢查和維護，甚至更換。
3、安裝使用方面的優(yōu)勢對比
（1）安裝施工
雖然電纜敷設安裝時在線路走向上靈活方便，但是工程中電纜一般都是要靠橋架支撐，所以電纜施工需要先安裝橋架，再經過電纜溝敷設電纜，分步進行。而母線槽的安裝確實需要專業(yè)的安裝技術，但卻只需要按照產品標準安裝程序即可，一次性完成安裝。另外，母線槽結構緊湊，占用空間相對較小，易于管道、線路空間布置，且安裝方便。當然，對于400A以下的小電流線路，因為所選用的電纜截面相對較小、根數(shù)較少，使用電纜則顯得更為靈活。
（2）供電系統(tǒng)
母線槽供電系統(tǒng)通常是主干線從配電中心引出以散射狀靈活供電，而電纜供電則受分接難度大、載流量小、難以分散控制等因素限制，通常是"點對點"供電，特別是在高層建筑供電系統(tǒng)中，母線槽相比電纜的優(yōu)越性尤為突出。
傳統(tǒng)電纜供電方式，每個樓層都需要單獨放線，電纜根數(shù)眾多。這樣的密集敷設方式，散熱性差、占用空間大、事故檢查難、維修難度大。而母線槽供電只要使用單一的中心母線槽系統(tǒng)，在每個樓層設置相應容量的插接箱進行分流，即可達到供電目的。這種方式使得分接異常靈活，而且每個分支都有插接箱對分流變容處的保護。因此，采用母線槽更加安全、更加簡單、更加可靠。
（3）經濟成本
母線槽相比電纜，總體來說，由于使用材料高檔，工藝相對復雜，首期投入成本一般比電纜要大。但是，從長遠來看，使用母線槽則優(yōu)越的多。當前，母線槽使用壽命一般在30年至40年，而普通電纜則只有15年左右的使用壽命。母線槽系統(tǒng)只要按照規(guī)范安裝和運行，基本上不需要更換部件，只需要對周邊環(huán)境例行檢查即可。而電纜則經常會出現(xiàn)接頭老化、絕緣層脫落等現(xiàn)象，需要對某一段電纜進行更換。另外，當今市場上已經有許多實力較大的母線槽廠家推出鋁導體母線槽，且已大規(guī)模應用于大型建筑。這類母線槽的采購價格遠比電纜橋架的價格低,，但使用性能卻高于電纜。對于首批投入資金緊張的用戶，完全可以選用此種母線槽。
四、兩種方案優(yōu)劣對比結論
（1）母線槽可滿足6300A額定電流，這一方面優(yōu)于電纜。
（2）安裝母線的保險費用比較低，而電纜相對較高。
（3）母線槽的分接口可增加分接回路，而電纜需在配電室開始敷設。
（4）母線配有標準的安裝支架，不需要其他支撐；電纜需用單獨的橋架或管道進行敷設。
（5）母線槽可在離設備最近的位置進行控制，而電纜需在配電室控制。
（6）母線槽壽命長，并可重復使用。而電纜壽命較短，不可以重復使用。
因此，從兩者對比可以明顯看出，電纜的經濟性優(yōu)于母線槽，特別是僅對比一次性投資，電纜也較母線方案節(jié)省投資造價。但經過全面分析比較，康明斯公司推薦方案為對于低壓配電系統(tǒng)中的重要干線選擇母線槽，顯然有其明顯優(yōu)勢。對于小電流分支線路，選擇電纜也有其靈活方便的優(yōu)點，這就需要專業(yè)配電設計人員以實際需要進行選擇配置。
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