浅谈大型公建低压配电系统设计李志超

浅谈大型公建低压配电系统设计李志超

李志超

（广州市住宅建筑设计院北京公司北京市100102）

摘要：当今社会，科技飞速发展，人们的生活水平不断提高，传统的建筑已不能满足现今社会人们对它的要求，空气调节系统、净化系统、智能照明系统、智能楼宇控制系统、给水排水系统、消防系统等已成为当代建筑系统必不可少的组成部分。建筑电气低压配电系统作为其他各系统功能实现的基础，越来越受到人们重视。本文在对建筑工程中电气系统重要性进行简单分析的基础上，阐述了建筑低压配电系统的重要性，以实现安全、可靠、合理的向建筑物内供电为目的，结合工作中一实际工程设计案例配合说明，用负荷统计、持续电流计算、短路电流计算及电压损失计算结果作为数据支持，阐述建筑配电系统设计中容易忽视的问题，并提出相关的注意事项及应对方法。以数据计算和系统校验是整个配电系统设计过程中的不可或缺性为观点，以设计人员应重视配电系统各级保护的安全性、选择性、合理性、经济性为结论，以期更有效的为整个建筑供电，并为建筑内各个系统顺利运转做好坚实用电的准备。

关键词：低压配电，数据计算及校验，办公商业建筑

绪论

当今社会发展飞快，人们在忙于工作的同时，对生活、工作环境也提出了更高的要求，智能、舒适、环保、节能的大型公建已经成为一个合格的办公、休闲环境的标准，建筑供配电系统作为实现以上功能的基础，得到了更多人的重视。为了更好的阐述低压配电系统设计过程中各环节的计算及设置，本文结合一实际设计工程加以说明，该项目主要功能为办公及裙房商业，总建筑面积为58308平方米，地上裙房4层主要用作商业，塔楼22层主要用做办公，地下2层主要是车库及机电设备用房。

一、大型公建低压配电的特点

现代大型公建通常是集办公、娱乐、商业等功能于一身，具有多元化功能，同时与消防、空调、给排水等专业以及与现代化管理手段相配套的用电设备也相当多，且电餐饮商业的日益增加，使得整个建筑对电能的依赖十分明显，因此在对建筑进行供配电系统设计时应根据其本身性质、规模，并结合当地的供电网的实际情况，明确建筑相关电力负荷等级，确定大型公建供电电源的电压等级、电源回路数、专线电源还是公用电源以及是否设置自备电源等。除了考虑技术方面的因素外，还必须考虑工程投资、运行管理诸方面的因素对供配电系统的设计的制约。

二、负荷统计与计算

负荷的统计与计算是整个供配电设计的基础，其直接影响着电力系统的工作电流的大小、母线及电缆的选择、断路器长延时的设置、变压器的容量，而变压器、母线、电缆规格的确定又直接关系到短路电流的大小、电压损失的大小、断路器的灵敏性和分断能力等等，所以精确的负荷统计对配电系统的至关重要不言而喻。负荷统计过程中，应先向各个专业确认条件，主要包括向设备专业了解主要用电设备的功率及位置，确定大型的风机、水泵的容量；向建筑专业了解建筑业态并确认标准层及各业态的面积指标；以上两部分的负荷统计完成后，建筑内的用电负荷大小及位置也便基本确认，可以着手进行负荷计算。负荷计算过程主要应用的参数和公式如下：

本项目主要需供电负荷有冷冻机组、消防泵、建筑主体照明类负荷（其中办公标准层80w/m²、含电餐饮商业350w/m²）、其他动力负荷等。

三、低压配电系统

根据负荷统计步骤中确定好的负荷大小和位置，确定负荷等级及供电的接线方式，负荷较大且可靠性要求高的负荷采用放射式配电；负荷小分布分散的采用树干式配电；容量很小且彼此相距很近的设备，采用链式配电。整个建筑以放射、树干链式结合的方式将电能传送到末端用户，整个配电不超过三级，一级负荷末端互投供电，二级负荷适当位置互投供电，三级负荷单路供电。配电方式确定后，整个低压系统的构架便以确立，低压配电系统的设计应建立在全面、精确的计算之上，包括持续电流计算、短路电流计算、启动电流计算等，通过计算选择断路器整定、选择电缆、校验动热稳定性、检验选择性，构建一个安全、可靠、有选择性的低压配电系统。

1.回路持续电流计算

通过负荷统计后，建筑中主要的用电设备容量已经明确，通过需要系数法，得到持续电流，以作为断路器整定的依据，计算公式如下：

Kx：需要系数（根据不同负荷类型选择）

Pe:用电设备功率

Pc：计算功率（30min的最大平均负荷热效应）

Ur：额定电压

Cosφ：功率因数

Ic：计算电流

2.断路器整定选择

断路器起着保护电缆、通断电路的作用，配电系统是否安全可靠很大程度依赖于对断路器正确的设置，其设置主要包括过负荷长延时整定、短延时整定、瞬动整定、漏电保护整定。通过上一步计算，已经得到持续电流值，按照GB50054-20116.3.3的要求，Ib（持续电流值）≤In（断路器长延时整定值），即如果持续电流为20A，则断路器长延时整定可设置为20A，但设计中，总要为日后预留些余量，故整定值一般取持续电流的1.1-1.2倍，但设计时应切记，整定值不可过大于计算持续电流，否则断路器将无法对电缆过载进行保护。

3.短路电流及电压损失计算

在供配电系统中，由于绝缘老化或外界机械损伤、误操作、动植物误入等原因导致相导体之间或相导体与地之间发生电气连接，造成短路事故，短路会对导体产生电动力和热效应，使电气保护装置拒动，电缆放炮等。计算短路电流的大小，作为断路器分断能力、导体热稳定性、配电系统选择性的设计依据。在电气设计中，应取几个典型位置进行短路电流计算，本项目选择了4个典型位置，对变压器出口、配电室母线、电缆末端、母线等处进行计算，可判断变压器出口断路器分断能力、母线分段断路器的分断能力、电缆末端出线的灵敏度等。

配电系统末端电压的质量直接影响着用电设备工作的可靠性，电压过高或过低会造成用电设备的损坏，在配电系统设计的过程中，应予以考虑，对离变压器较远的末端设备进行电压损失的校验，以防止电能质量不佳造成的事故。校验过程通过计算回路持续电流，并查表（建筑电气常用数据或），计算出典型位置具体电压损失值，予以校核。

4.热稳定性校验

供配电系统内发生短路事故时，由于短路电流远远大于正常工作电流，短路电流产生热效应足以使电气设备受到破坏，故应选择几个典型位置，对配电系统内发生短路以后产生的热能进行校验。主要利用如下公式：

Krel3:过时限电流脱扣器可靠系数，取1.2

I`stM1：线路中最大一台电动机的全启动电流，A，取IstM1的2倍。

Ic(n-1):除启动电流最大的一台电动机以外的线路计算负载电流，A。

（2）脱扣器的灵敏度

当长延时、瞬动脱扣器的整定值选择的过大，而故障点流过的短路电流又相对较小时，可能发生短路但断路器不动作的问题，这就需要计算最小短路电流，并根据以下公式进行校验：

Id:接地故障电流，A；

Iset2：长延时脱扣器整定值，A；

Iset3：瞬时脱扣器整定值，A；

（3）断路器的级间配合

非选择性断路器之间的配合一般通过整定值的差距拉开级差，以满足选择性要求，选择性断路器与非选择性断路器之间，除了可以通过整定值拉开极差外，还可以通过动作时间的设置拉开差距，实现更加理想的选择性。

四、电气机房及竖井的设置

建筑中，机房的位置，路由的走向，竖井的设置直接影响着配电系统的合理性，合理的设置不但能够节约投资，还可保证电能质量。建筑内的电气机房主要为变配电室、消防控制室、安防控制室、弱电信息机房、电视机房。下面结合实际工程详述。

根据建筑形态、供电半径、市政10kV进线情况，总变配电室设置于地下一层东北角，邻建筑外墙，市政10kV进线方便，变压后低压出线由密集母线和有孔电缆托盘组成，可沿地下一层公共走道放射至个配电竖井及地下一层用电设备。变配电室不与烟道、热力管道、潮湿的场所比邻，无关管道均设置于公共走廊内，不从变配电室穿过。变配电室布置时，其地面应高于本层标高，且应特别要注意变压器、高低压柜等配电装置的运输问题，尤其是变压器的运输，应按照其包装尺寸大小确定变配电室门尺寸；运输通道的路由应提前考虑，本项目变压器由汽车坡道运至地下一层，经公共走廊送至变配电室。弱电相关机房的设置应结合现场情况考虑，本项目将消防控制室与安防控制室合用，设置于建筑物首层核心筒西侧，可集中值班人员，提高管理效率，控制室内设直通室外的安全出口，保证值班人员在火灾出现时有效逃生。信息机房及电视机房均设置于地下一层南侧，保证远离强磁场、振动源、噪声源、有毒有害污染源，且吊装、运输方便，以保证整栋建筑物信息数据传输的可靠性。弱电各机房的面积需要特别注意，由于现今弱电系统越来越多，机房内需要设置多种主机，且各种主机、盘柜都有操作距离规定，所以在设计初期向建筑专业提条件时应予以考虑，避免机房面积过小，无法布置。

电气竖井在整个建筑内起到血管的作用，保证电力、信息合理的放射至每一处用电点，如果设计不当，轻则导致信号质量、电能质量下降，电能损耗、电缆投资增加，重则导致电能无法传递、信号无法传输，所以在设计过程中应特别加以重视。该项目竖井设置于建筑负荷中心部位，由地下一层向上下贯通，与地上办公核心筒连接，中间不设置转换层，有效减少电缆弯曲，竖井不与烟道、热力管道及电梯井贴邻，只与楼梯间相邻，保证竖井内设备正常运转；井壁设置耐火极限不低于1h的非燃烧体，竖井在每层应设维护检修门并开向走道方向，门的耐火等级不低于丙级，楼层间钢筋混凝土楼板做防火密封隔离，线缆穿过楼板应进行防火封堵，有效的降低火灾发生时对竖井的破坏及火势沿竖井蔓延；各层竖井小间面积为：强电6㎡，弱电4㎡，并绘制设备平面布置图，保证操作距离要求，竖井内设置备用照明、五孔插座、局部等电位箱、接地干线及端子排，方便检修且有效减低预期接触电压。

五、电气缆线的选择及敷设

由于办公、商业建筑内人员活动密集，针对这类场所，应优先选用清洁型电缆，以防止在火灾发生时，电缆绝缘、护套被烧焦散发出毒气，严重影响人员的逃生。本项目电缆采用无卤低烟阻燃交联聚乙烯绝缘、护套电缆，电线采用低烟无卤聚乙烯电线，办公标准层干线采用插接母线槽，至各层竖井后转换为电缆。管线的敷设由变配电室引出，水平至各竖井，由竖井垂直引上至各层配电小间。其中水平敷设时，电缆、电线采用有孔托盘敷设，与穿钢管相比，方便施工，且利于电缆散热，垂直方向敷设时，采用梯架敷设，即有利于散热，有能更好的解决电缆自重固定的问题。为消防设备供电的电缆采用防火型金属封闭式线槽敷设，以满足规范对消防供电线路的要求。电缆的选择与敷设设计过程中，应特别考虑敷设方式、敷设环境多电缆、电线、母线载流量的影响，应根据敷设的方式（如直埋、穿管、桥架）、敷设的环境、电缆的间隔距离等考虑校正系数，最终选取电缆。选择电缆时还应考虑谐波的影响，尤其是三次谐波，当谐波含量过大时，应按照中性线的计算电流选择电缆。

六、低压配电系统中的经济、节能

配电系统作为传输管道，可以将电能传递至千家万户，但在传输的过程中，也会造成一定程度上的损失，形成能源和经济上的浪费，在设计时应予以特别考虑。

1.电容补偿

电能传输的过程中包含着有功、无功两部分功率，有功功率将电能转换为其他形式的能量释放，而无功功率仅是在电源与建筑物中感性负荷中来回交换，如不加以控制，会形成极大的浪费。利用电容补偿将来回交换的能量缩短距离，减少无功功率在线路上的损耗，可以大大的节约能源，减少电缆投资。本项目在低压配电室内配置低压电容柜，有效的降低了无功功率的容量，详细数据相见表-1~4

2.光源谐波

当今建筑中，非线性负荷与日增多，这些负荷会产生谐波，尤其是三次谐波，对电能质量的影响严重。照明作为一栋建筑中不可缺少的组成部分，占据着整个负荷的三分之一左右，其光源的质量直接影响着发光效率和谐波的干扰，建筑物内多采用气体放电灯作为光源，由于制造规范对低于25w的光源谐波控制不严，导致这类光源发光效率低，且三次谐波含量高，直接导致流过中性线的电流提高，依据规范应按照中性线电流选择电缆的截面，增加了电缆的投资。选择合格的、高效能的光源是一个建筑内不容忽视的。本项目在说明中明确要求采用稀土三基色荧光灯，照明设计时尽量提高每个光源功率，降低光源个数，以求达到更高的效率。

3.电缆

电缆作为配电系统必不可少的组成部分，直接影响着电气专业的经济和节能，电缆截面选择过大，浪费投资，电缆截面选择过小，产生过多的电能损耗，应根据项目情况，利用经济电流密度对建筑内典型部位的电缆进行校验，可更加合理的对电缆进行选型、设计。

结论

在实际建筑工程中，电气专业作为小专业经常不被重视，然而供配电系统是否完善合理，直接影响着整个建筑的使用效果，所以供配电设计至关重要，只有认真的统计，合理的计算，加上不可或缺的校验，才能做到安全、可靠、经济、合理，使电能在建筑中更好的发挥其应有的作用。除了要注重计算、校验外，同时需要电气设计人员更加努力的学习，借鉴一些先进的设计经验提升自己的专业水平从而将建筑电气配电系统的设计做得更加科学、完善，使建筑供配电系统的设计不断优化，更好地顺应时代的发展。

参考文献：

[1]GB50052-2009供配电设计规范.

[2]GB50054-2011低压配电设计规范.

[3]GB50055-2011通用用电设备配电设计规范.

[4]GB50217-2007电力工程电缆设计规范.

[5]JGJ16-2008民用建筑电气设计规范.

[6]建筑电气专业技术措施-2003.

[7]工业与民用配电设计手册（第三版）.