3.4 应急电源
3.4.1 应急电源
1.应急电源种类
（1）独立于正常电源的发电机组。包括应急燃气轮机发电机组，应急柴油发电机组。快速自启动的发电机组使用于允许中断供电时间为15s以上的供电。
（2）UPS不间断电源。使用于允许中断供电时间为毫秒级的负荷。
（3）EPS应急电源。一种把蓄电池的直流电能逆变成交流电能的应急电源。适用于允许中断供电时间为0.25s以上的负荷。
（4）有自动投入装置的有效地独立于正常电源的专用馈电线路。适用于允许中断供电时间1.5s或0.6s以上的负荷。
（5）蓄电池。适用于容量不大的特别重要负荷，有可能采用直流电源者。
2.应急电源系统
（1）工程设计中，对于其他专业提出的特别重要负荷，应仔细研究，并尽可能减少特别重要负荷的负荷量，但需要双重保安措施者除外。
（2）为确保对特别重要负荷的供电，研究将其他负荷接入应急供电系统。
（3）应急电源与正常电源之间必须采取可靠措施防止并列运行。目的在保证应急电源的专用性，更重要的是防止向系统反送电。
（4）防止或类似的重要用电设备的两回电源线路应在最末一级配电箱处自动切换。
大型企业及重要的民用建筑中往往同时使用几种应急电源，应使各种应急电源设备密切配合，充分发挥作用。应急电源接线图如图3.15所示。
某医院外科综合楼供电系统方案如图3.16所示。市电与发电机之间的切换设自动连锁控制，由自动转换开关ATS完成。
图3.15 应急电源系统接线图
图3.16 某医院外科综合楼供电系统接线图
3.4.2 柴油发电机组
柴油发电机组具有热效高、启动迅速、结构紧凑、燃料存储方便、占地面积小、工程量小、维护操作简单等特点。是在工程建筑中作为备用电源或应急电源首选的设备。
1.应急柴油发电机组的功能要求
应急电源应选用2级以上自动化柴油发电机组，应具有以下功能：
（1）自动维持准备运行状态。机组应急启动和快速加载时的机油压力、机油温度、冷却水温度应符合产品技术条件的规定。
（2）自动启动和加载。接自控或遥控指令或市电供电中断时，机组能自动启动并供电。机组允许三次自动启动，每次启动时间8~12s，启动间隔5~10s。启动次数大于3次，第三次启动失败时，应发出启动失败的声光报警信号。设有备用机组时，应能自动地将启动信号传递给备用机组，机组自启动的成功率不低于98%，市电失电后恢复向负荷供电时间一般为8~20s。
对于额定功率不大于250kW的柴油发电机，首次加载量不小于50%额定负荷，大于250kW柴油发电机按产品技术条件规定。
（3）自动停机。接自控或遥控停机指令后，机组能自动停机；当电网恢复正常后，机组应能延时自动切换和自动停机，有电网向负载供电。具体如图3.17所示。
图3.17 发电机组运行流程图
（4）自动补给机组的燃油、机油，冷却水能够自动补充，机组起动用蓄电池自动充电。
（5）有过载、短路、过速度（或过频率）、冷却水温度过高、机油压力过低等保护装置，并根据需要选设过电压、欠电压、失电压、欠速度、机油温度过高、启动空气压力过低、燃油箱油面过低、发电机绕组温度过高等方面的保护装置。
（6）有表明正常运行或非正常运行的声光信号系统。自备应急柴油发电机组的设计应符合下列规定。
符合下列情况之一时，宜设自备应急柴油发电机组：
1)为保证一级负荷中特别重要的负荷用电时。
2)用电负荷为一级负荷，但从市电取得第二电源有困难或技术经济不合理时。
2.柴油发电机组容量选择
为了确保建筑内大楼供电的可靠、安全，设置自备柴油发电机作为应急电源系统。自备发电机容量：第一类负荷必须考虑在内，第二类负荷应视城市电网情况及大楼的功能而定。第一类保安型负荷，即保证大楼人身安全及大楼内智能化设备安全，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。
第二类保障型负荷，即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。
在方案及初步设计阶段，柴油发电机容量可按配电变压器总容量的10%~20%进行估算。在施工图设计阶段，可根据一级负荷、消防负荷以及某些重要二级负荷的容量，按下列方法计算的最大容量确定：
1)按稳定负荷计算发电机容量。
2)按最大的单台电动机或成组电动机启动的需要，计算发电机容量。
3)按启动电动机时，发电机母线允许电压降计算发电机容量。当运行发电机端电压瞬时压降为20%时，发电机直接启动异步电动机的能力为每1kW电动机功率，需要5kW柴油发电机功率。若电动机降压起动或软起动，由于启动电流较小，柴油发电机容量也按相应比例减少。
4）当有电梯负荷时，在全电压启动最大容量笼型电动机情况下，发电机母线电压不应低于额定电压的80%；当无电梯负荷时，其母线电压不应低于额定电压的75%。当条件允许时，电动机可采用降压启动方式。
多台机组时，应选择型号、规格和特性相同的机组和配套设备。
按稳定负荷计算发电机容量：
式中 SG1——按稳定负荷计算的发电机视在功率，kVA；
P∑——发电机总负荷计算功率，kW；
η∑——所带负荷的综合效率，一般取η∑=0.82~0.88；
cosφ——发电机额定功率因数，一般取cosφ=0.8。
另外还有按尖峰负荷、按发电机母线允许压降计算发电机容量，这里不再介绍。
3.机组的设置
机组宜靠近一级负荷或配变电所设置。柴油发电机房可布置于建筑物的首层、地下一层或地下二层，不应布置在地下三层及以下。当布置在地下层时，应有通风、防潮，机组的排烟、消声和减振等措施并满足环保要求。
机房宜设有发电机间、控制及配电室、储油间、备品备件储藏间等。设计时可根据工程具体情况进行取舍、合并或增添。
当机组需遥控时，应设有机房与控制室联系的信号装置。当有要求时，控制柜内宜留有通信接口，并可通过BAS系统对其实时监控。
当电源系统发生故障停电时，对不需要机组供电的配电回路应自动切除。
发电机间、控制室及配电室不应设在厕所、浴室或其他经常积水场所的正下方或贴邻。
设置在高层建筑内的柴油发电机房，应设置火灾自动报警系统和除卤代烷1211、1301以外的自动灭火系统。除高层建筑外，火灾自动报警系统保护对象分级为一级和二级的建筑物内的柴油发电机房，应设置火灾自动报警系统和移动式或固定式灭火装置。
3.4.3 不间断电源UPS
UPS不间断电源适用于向用户的关键设备，如互联网数据中心、银行清算中心和通存通取网络系统等提供高质量电压频率、波形的无时间中断的交流电源。
1.不间断电源UPS的工作原理
UPS一般由整流器、蓄电池、逆变器、静态开关和控制系统组成。通常采用的是在线UPS。它首先将市电输入的交流电变成稳压直流电源，供给蓄电池和逆变器，再经逆变器重新被变成稳定的、纯洁的、高质量的交流电源。它可以完全消除在输入电源中可能出现的任何电源问题（电压波动、频率波动、谐波失真和各种干扰）。其工作原理如图3.18所示。
图3.18 在线式UPS工作原理框图
2.不间断电源的功能要求
（1）静态旁路开关的切换时间一般为2~10ms，并应具有如下功能：
1）当逆变装置故障或需要检修时，应及时切换到电网（市电备用）电源供电。
2）当分支回路突然故障短路，电流超过预定值时，应切换到电网电源，以增加短路电流，使保护装置迅速动作，待切除故障后，再启动返回逆变器供电。
3）带有频率跟踪环节的不间断电源装置，当电网频率波动或电压波动超过额定值时，应自动与电网解列，频率与电压恢复正常时再自动并网。
（2）用市电旁路时，逆变器的频率和相位应与市电锁相同步。
（3）对于三相输出的负荷不平衡度，最大一相与最小一相负载的基波均方根电流只差，不应超过不间断电源额定电流的25%，而且最大线电流不超过其额定值。
（4）三相输出系统输出电压的不平衡系数（负序分量与正序分量之比）应不超过5%。输出电压的总波形失真度不应超过5%（单相输出运行10%）。
3.不间断电源设备的选择
（1）不间断电源设备输出功率，应按下列条件选择。
1）不间断电压设备给电子计算机供电时，单台UPS的输出功率应大于电子计算机设备功率总和的1.5倍。对其他用电设备供电时，为最大计算负荷的1.3倍。
2）负荷的最大冲击电流不应大于不间断电压设备的额定电流的150%。
（2）UPS的应急供电时间，应按下列条件选择。
1）为保证用电设备按照操作顺序停机，其蓄电池的额定放电时间可按停机所需最长时间来确定，一般可取8~15min。
2）当有备用电源时，为保证用电设备的供电连续性，其蓄电池额定放电时间按等待备用电源投入考虑，一般可取10~30min。设有应急发电机时，UPS应急供电时间可以短一些。
3）如有特殊要求，其蓄电池额定放电时间应根据负荷特性来确定。
3.4.4 应急电源EPS
EPS（Emergency Power Supply）是利用IGBT大功率模块及相关的逆变技术而开发的一种把直流电能逆变成交流电能的大型应急电源，它的容量为0.5~400kW，是一种静态无公害的免维护无人值守的安全可靠的集中供电式应急电源装置。
1.应急电源EPS的工作原理
EPS应急电源由充电器、逆变器、蓄电池、隔离变压器、切换开关、监控器和显示、保护等装置及机箱组成。一般分为不可变频应急电源和可变频应急电源。不可变频应急电源EPS工作原理如图3.19所示。
图3.19 不可变频应急电源EPS工作原理
可变频应急电源EPS工作原理如图3.20所示。当电网有电时QF吸合，经整流给逆变器提供直流电，同时充电器对电池组充电。当电网断电时或低于380V的15%时，KM吸合由电池组给逆变器提供直流电。当需要电机负载工作时，给予起动信号，逆变器立即输出，从0~50Hz，电动机进行变频启动，其频率达到50Hz后保持正常运行，在手动位置可进行本机操作，此时远程控制和消防联动不能进行操作，运行信号和手动或者自动位置消防中心可监控。
图3.20 可变频应急电源EPS工作原理
2.应急电源EPS的切换时间和供电时间
应急电源EPS的应急供电切换时间为0.1~0.25s，应急供电时间一般为60min、90min、120min 3种规格，还可以根据用户需要选择更长的。
3.应急电源EPS的容量选择
选用EPS的容量必须同时满足以下条件：
（1）负载中最大的单台直接启动的电机容量，只占EPS容量的1/7以下。
（2）EPS容量应使所供负载中同时工作容量总和的1.1倍以上。
（3）直接起动风机、水泵时，EPS的容量应为同时工作的风机、水泵容量的5倍以上。
（4）若风机、水泵为变频启动，则EPS的容量为同时工作的电机总容量的1.1倍。
（5）若风机、水泵采用星—三角降压启动，则EPS的容量应为同时工作的设计容量的3倍以上。