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关于民用建筑电梯供配电问题的探讨
蒋光中
摘要:笔者提出了如何正确选择电梯配电保护设备和导线、电梯的配电方式、变压器负荷计算中电梯负荷的计算方法等问题的探讨和观点。
关键词:曳引电机、工作制、负载持续率、附属设备功率。
一、前言
在民用建筑中,如何合理选择电梯配电的电气保护设备和导线,在变压器负荷计算中如何计算电梯负荷等问题,也许是笔者才疏学浅,在有关设计规范、电气技术措施、设计手册或电梯供应商提供的资料中总觉得缺些什么,感到有些不踏实。
如,全国民用建筑工程设计技术措施《电气》2003(简称电气技术措施)中列出了3个电梯保护设备及导线选择表:
表6.10.2-1中只列出了各种规格直流客梯总耗电功率,这个总耗电功率包括哪些设备功率没有明确,笔者认为直流客梯应给出变流机组或整流器连续工作制额定输出功率、效率、功率因数、电梯附属设备功率等具体数据,以便能准确算出电梯计算电流,合理选择配电保护设备和导线。
表6.10.2-2中列出了各种交流客货梯总耗电功率,这个总耗电功率包括哪些设备功率没有明确,笔者认为应明确采用什么类型曳引电机,是JTD型、YTD型变极数调速电机还是变频变压调速电机。因为不同类型曳引电机在同样功率下其额定电流差别较大,根据某厂电梯专用电机样本举例,7.5kW电机最大额定电流:JTD型22A、YTD型18A、YVF型变频变压调速电机15.5A;7.5kW电机最大启动电流:JTD型88A、YTD型100A、YVF型变频变压调速电机约为额定电流1.25~2.5倍。该表由于缺乏必须的具体数据而无法应用。
表6.10.2-4中虽然列出了交流客梯采用JTD型和YTD型曳引电机各种额定功率、附属设备功率和电流,长期工作制(即连续工作制)和反复短时工作制供电容量、计算电流、尖峰电流等,经笔者查阅了上述电梯曳引电机制造厂提供的数据与表中所列数据对照后,发现如下几个问题:
- 关于电机工作制问题,表中所列长期工作制一栏,实际应为FC=60%反复短时工作制(FC为负载持续率),而反复短时工作制一栏列出FC=25%、FC=100%,这显然是搞错了。
- 关于电机型号问题,在JTD系列中没有JTD250S 15kW电机,只有YTD250S系列中有相同功率的电机,估计是笔误。
- 关于YTD225M、YTD250M、YTD280S计算电流问题,发现表6.10.3-6列出的电机数据和制造厂提供的数据有出入,见下面数据对比表:表1。在对比表中,因为从现在制造厂提供的
数据对比表 表1
型号 |
极数 |
额定功率
(kW) |
转速
(r/min) |
额定电流
(A) |
效率
(%) |
功率因数
cos? |
启动电流
(A) |
表6.10.3-6数据
|
YTD225M |
6 |
11 |
932 |
24.4 |
|
|
12.4 |
24 |
2.3 |
189 |
30.3 |
|
|
34.8 |
YTD250M |
6 |
22 |
936 |
46.2 |
|
|
254 |
24 |
5 |
212 |
50.6 |
|
|
70 |
YTD280S |
6 |
30 |
938 |
60.8 |
|
|
358 |
24 |
7 |
215 |
67.2 |
|
|
99 |
制造厂提供的数据 |
YTD225M2 |
6 |
11 |
920 |
25 |
85 |
0.82 |
140 |
24 |
2.3 |
190 |
19 |
53 |
0.36 |
26 |
YTD250M3 |
6 |
22 |
920 |
49 |
87 |
0.82 |
246 |
24 |
5 |
190 |
38 |
60 |
0.38 |
50 |
YTD280M2 |
6 |
30 |
940 |
60.5 |
89 |
0.87 |
420 |
24 |
6.4 |
210 |
31.5 |
67 |
0.47 |
48 |
YTD系列中找不到YTD280S电机,故选取与其相近的YTD280M2作对比(其后缀仅是代表机座长短尺寸有些差异,对于同型号系列电机不同厂家的产品数据也略有不同,但差别不会很大)。从对比表中分析出几个问题:
- 表6.10.3-6中数据YTD225M高转速时启动电流比额定电流小许多,这里显然有误,其它项的额定电流低转速时均比高转速时大,而制造厂提供的数据则相反,按电机变速运行一般原理,低转速时应是恒转矩运行,其输出功率相对较小,其电流不会大于高转速额定值,因此笔者认为制造厂提供的数据是正确的。
- 表6.10.2-4中YTD型电机计算电流取表6.10.3-6中低速转时的启动电流,这也是违背电机配电的一般规定。按制造厂提供的电梯专用交流变极数调速电机一般是0.5h或1h短时工作制,这种工作制通过热等效换算后即可用于电梯的反复短时工作制(换算后的功率必须大于或等于电梯相应负载持续率下的曳引功率,同时应满足曳引力矩的要求),虽然电梯的运行情况比较复杂,但决不会超过S5工作制的范畴,这种电机低速运行时按制造厂的规定不得大于3min,仅在电梯减速制动和自动平层时用,这段时间很短(一般在8~10S内),所以用低转速运行时的启动电流作为计算电流是不合理的。
- 表6.10.2-4中,电源开关仅推荐刀熔开关,熔断器保护,这是不妥当的,笔者认为应该采用断路器保护。
目前民用建筑中选用的客梯,一般均为交流变频变压调速曳引电机,采用微机集选控制。对于这类电梯如何合理选择配电保护设备和导线,很少有这方面的推荐资料,制造厂一般只提供电机功率和开关整定电流,缺少电梯的详细电气参数。笔者认为制造厂对于配电设计不一定很熟悉,仅按制造厂提供的开关整定电流选择开关和导线不尽合理。如某工程设计中选用某电梯厂的电梯,厂方提供的技术数据仅下列几项:额定载重量900kg(12人)、额定梯速1.5m/s、拖动方式为变频变压调速(VVVF)、电机功率15kW,空气开关整定值40A。由于没有提供电机的额定电流,无法确认厂方开关整定值的准确性,为此查阅了相关变频电机的电流值,按规范取1.4倍额定电流再加电梯附属设备额定电流(一般为单相2~2.5kVA)最终计算电流为49.7~52A,选择断路器脱扣器整定电流还应乘1.1~1.2可靠系数,应选63A,如按厂方开关整定值40A,整定电流显然是偏小了。
二、如何合理选择电梯配电的电气保护设备和导线
1.电梯分交流电梯和直流电梯两类。交流电梯又分交流双速电机变极数调速串电阻启动和制动、交流双速电机变极数调速能耗制动、交流双速电机变极数调速涡流制动、交流电机晶闸管变频变压调速等。直流电梯又分电动发电机组供电,晶闸管励磁调速;晶闸管供电,调压调速等。电梯的控制和拖动方式如此之多,各电梯厂商提供的电梯电气参数不尽相同,并且电梯型号和规格需通过招标后方能确定。在施工图设计阶段一般是得不到所需技术资料,这给设计造成较大困难。
2.鉴于上述原因笔者考虑
(1)如果在施工图阶段能索取到电梯的技术资料,主要是拖动方式;曳引电机额定工作制、负载持续率、额定功率、额定电流、启动电流、效率、功率因数;电梯附属设备功率等。按相关设计规范规定确定计算电流:单台交流电梯取连续工作制额定电流的1.4倍或短时工作制0.5h(或1h)额定电流的0.9倍,再加电梯附属设备额定电流得出计算电流Ijs,按此计算电流选择断路器。断路器长延时脱扣器整定电流Izd1≥k*Ijs(k为断路器长延时脱扣器的可靠系数,一般热磁脱扣器取1.2,电子脱扣器取1.1),断路器瞬时脱扣整定电流Izd3≥2~2.5Iq(电机启动电流)。对于单台直流电梯的计算电流应取变流机组(拖动直流发电机的交流电机)或整流器连续工作制额定输入电流的1.4倍,后续的计算与单台交流电梯相同,此处不再赘述。对于多台电梯应将各电梯计算电流之和乘以同时系数(查阅相关设计规范中多台电梯同时系数表)得出总计算电流,按此总计算电流选择断路器,确定断路器长延时脱扣器整定电流和断路器瞬时脱扣整定电流的方法与上述相同,此处不再赘述。
(2)如果在施工图阶段未能索取到电梯的技术资料,可向建筑设计专业取得下列资料进行估算,因为在进行建筑设计时电梯井道尺寸、机房尺寸、电梯载重量和速度(m/s)等,事先都必须确定的。按交流电梯进行估算,估算方法如下:
Pd=(1-Kp)QV/102η
式中 Pd—曳引电机功率(kW);Kp—平衡系数;Q—载重量(kg);V—梯速(m/s);η—传动效率。
上述估算的说明:
a.Pd值认为是连续工作制的;Kp取0.4~0.5;η取0.4~0.6。
b.计算曳引电机额定电流时,对于变频变压调速电机平均功率因数和效率分别取0.85。对于变极数调速电机YTD型平均功率因数和效率分别取0.82;JTD型分别取0.72。
c.以这种方法估算出的曳引电机功率与实际相比,最大偏差不会超过电机的一个功率级差,对设计不会造成很大的修改。笔者对比不同厂家电梯产品发现相同梯速和载重量所选用的曳引电机的功率不尽相同,这是由于其曳引机构有所不同,一般上下相差一个电机功率级差,因此在后期必须按已定购的电梯数据进行校核和修正。
例1.某电梯厂的电梯技术数据:电梯种类为客梯;型号EP-STK;控制方式为微机集选控制;拖动方式为交流变频器,晶闸管变频变压调速(VVVF);额定载重量900kg;额定速度1.5m/s;电源电压380V;电机功率15kW(有的厂家为13kW)。按上述方法估算为15.88kW(Kp取0.4,η取0.5)。
例2.某电梯厂的电梯技术数据:电梯种类为客梯;拖动方式为交-直-交变频器,变频变压调速(VVVF);额定载重量1000kg;额定速度1.75m/s;电源电压380V;电机功率15kW。按上述方法估算为15.6kW(Kp取0.5,η取0.55),由于采用交-直-交变频器,需将电机估算值除以变频器容量系数(平均值为0.65)得出变频器的输入容量为24kVA以此算出额定输入电流。
从上述两个例子看出估算准确性决定于Kp和η取值,建议按电梯的不同速度和载重量分别取值,见下面Kp和η取值表:表2。按估算方
Kp和η取值表 ?表2
电梯速度(m/s) |
载重量(kg) |
Kp |
η |
1 |
600~800 |
0.4 |
0.4 |
1 |
900~1500 |
0.4 |
0.5 |
1.5 |
600~1500 |
0.4 |
0.6 |
1.75 |
600~900 |
0.4 |
0.6 |
1.75 |
1000~1500 |
0.5 |
0.55 |
2 |
800~900 |
0.5 |
0.55 |
2 |
1000~1500 |
0.5 |
0.6 |
2.5 |
800~1500 |
0.5 |
0.6 |
法计算出曳引电机功率后可按最接近的电机标准功率等级靠,计算出电机额定电流,按上述(1)方法确定电梯计算电流和断路器,此处不再赘述。
d.电梯速度3m/s及以上为高速电梯,不适用此估算方法。
3.电梯配电导线选择
(1)按断路器长延时脱扣器整定电流选择导线截面:
Izd1≤I2 ;I2—导线在相应环境温度(一般按35~40oC)及敷设条件下的额定载流量。
(2)按电梯运行允许电压降校核导线截面:
a.电梯满载运行时电机端电压降不大5%;
b.电梯加速或启动时电机端电压降不大于10%。对于变频变压调速电梯,曳引电机启动电流最大不会超过额定电流的2.5倍,电梯加速时曳引电机的电流约是额定电流的3~4倍,应按加速时的电流校核电压降。对于采用变极数双速曳引电机的电梯,曳引电机启动电流约是额定电流的6~7倍,应按启动电流校核电压降。
(3)按三相短路电流校核导线的热稳定。
4.关于电梯附属设备
电梯附属设备主要包括轿厢照明、通风、门启闭,轿厢内及站厅的层灯光显示等。电梯附属设备用电功率估算:豪华客梯取2.5kVA;一般客梯取2kVA;货梯取1kVA。电梯附属设备电源均为AC220V。
变电所或配电间的电梯配电保护设备应选用断路器,选择断路器的计算电流应包括电梯附属设备功率。
5.电梯配电方式
(1)电梯供电按相关规范规定,分一、二、三级负荷。一级负荷以二个独立电源专用回路双电源末端自切供电;二级负荷以二个电源专用回路或其中一个回路必须是专用回路的双电源末端自切供电;三级负荷以一个专用回路单电源供电。
(2)对于消防电梯在电源末端需加剩余电流报警(可用防火剩余电流报警系统的剩余电流模块、带剩余电流模块的断路器、独立的剩余电流继电器等,延时1~3S,100~300mA),报警信号应传送至消防控制室或24小时有人值班的场所。对于非消防电梯有的审图机构提出也要加剩余电流保护,但相关规范均未明示,笔者认为如果要加也只能加剩余电流报警,防止剩余电流保护误动作切断电梯电源。
(3)关于电梯照明电源和电梯机房配电箱电源如何取电的问题,相关规范均未明示。笔者解读了相关规范和条文解释以及有关的设计指南和应用指南,得出下列概念:
按相关规范规定,电梯主电源开关不应切断轿厢照明和通风以及机房配电箱(机房和滑轮间照明、井道检修照明、机房空调和通风设施、检修插座等)的电源。由于电梯成套控制柜其主电源(包含控制电源)和照明电源是分开进线的,所以机房内应分别设置电梯的主电源开关、电梯轿厢照明(包括通风)电源开关、机房配电箱电源开关。电梯运行过程中发生故障或主电源开关断开时,轿厢照明和通风电源不能断,这对稳定乘客的心理很重要 (轿厢照明还应设自带蓄电池的应急灯,持续时间一般不低于90 min)。同时机房配电箱的电源也不能断,便于及时抢修和救援,另外平时检修时可能要断开电梯控制柜的全部电源,需利用机房配电箱电源进行检修。根据《通用用电设备配电设计规范》GB50053-93第3.3.6条 轿厢的照明电源,可从电梯的动力电源隔离电器前取得,并应装设隔离电器和短路保护电器。另外原《电梯电气装置施工及验收规范》GB50182-1993已作废,由《电梯工程施工质量验收规范》
GB50310-2002代替,此规范不再强调机房照明,应与电梯电源分开。根据上述的概念与规范条
文相结合,笔者给出下列电梯配电示意图供同行讨论。
电梯配电示意图A(二台电梯布置在一个机房内采用双电源末端自切供电)

电梯配电示意图B(一台电梯采用双电源末端自切供电)

说明:
a.图A与图B的电源配电开关应按电梯曳引电机、电梯附属设备、电梯机房配电箱设备容量之和的计算电流进行选择和整定。
b.图A的电梯主电源开关、电梯照明开关、电梯机房配电箱电源开关应与其供电的负荷特性相配合,同时应与上级电源配电开关有选择性的配合,这在设计上是完全可以做到的,其供电可靠性也是满足要求的。
c.图B与图A相比较,存在一个问题,由于仅对一台电梯配电,上级电源配电开关与下级电梯主电源开关之间的级差不可能按选择性配合来选择和整定,如上级电源配电开关选大,势必要增大供电电缆的截面,这样会不经济,因此笔者认为可以不考虑选择性配合,但要保证电梯主电源开关下游过载或短路时先于上级电源配电开关分断或同时分断,由于电梯主电源开关分断,切断了下游故障,使备用电源能正常投入,保证电梯照明和电梯机房配电箱的电源,便于抢修和救援。另外设单台电梯的建筑一般属于二类高层住宅建筑或中高层住宅建筑,属于二级或三级负荷,其可靠性要求也相对低一些,因此图B的供电可靠性也是可以满足要求的。
d.ATSE(自切开关)必须延时切换,建议3S左右,这样可以避开下游故障尚未分断时ATSE动作,保证备用电源可靠投入。
三、采用需要系数法计算变压器容量时电梯的负荷计算
根据需要系数计算法的规定,反复短时工作制的设备容量应统一换算至FC=25%下的功率,参考相关的需要系数表,如《建筑电气常用数据》04DX101-1/3-15页表3.24电梯一栏中的数据进行计算。我发现有些同行直接采用选择电梯断路器计算功率(电流)列入变压器负荷计算中,这样会使变压器计算容量偏大。一般客梯FC=60%,货梯FC=40%。换算公式如下:
P(25%)=P(60%)*1.55;P(25%) =P(40%)*1.26。式中:P(25%)—换算至FC=25%的功率。P(60%)—FC=60%的功率;P(40%)—FC=40%的功率。
请注意电梯附属设备功率及电梯机房配电箱的设备功率不属于反复短时工作制,应按连续工作制取相应的需要系数进行计算。
四、结束语
电梯的种类很多,运行工况复杂,笔者对电梯的认识很肤浅,借此抛砖引玉。诚望行家和电梯专业厂商一起来关心电梯的供配电问题,使电梯供配电设计能符合可靠、准确、经济、实用等方面的要求。
主要参考资料:
?? 《通用用电设备配电设计规范》GB50055-93
《电梯工程施工质量验收规范》GB50310-2002
《民用建筑电气设计规范》??? JGJ16-2008
《民用建筑电气设计规范实施指南》中国建筑
学会建筑电气分会编,中国电力出版社出版发行。
《住宅设计标准应用指南》由上海沪标工程建设咨询有限公司编制,上海市建设和交通委员会审核,上海大学出版社出版发行。
全国民用建筑工程设计技术措施《电气》2003由建设部工程质量安全监督与行业发展司、中国建筑标准设计研究所编,中国计划出版社出版发行。
蒋光中
上海大境建筑设计事务所
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