郭宏祥

(山東建筑大學(xué)建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

隨著國內(nèi)學(xué)校的辦學(xué)規(guī)模逐漸的壯大發(fā)展，以及師生員工的生活水平不斷提高，學(xué)校的配套供電容量也在急速增長，對(duì)供配電系統(tǒng)的要求也越來越高，設(shè)計(jì)工作的難度加大[1－3]。教育建筑電氣設(shè)計(jì)對(duì)保障師生健康、滿足教學(xué)科研要求、建設(shè)節(jié)約型校園等都起著關(guān)鍵作用[4－5]。如何保證學(xué)校供配電系統(tǒng)處于安全、穩(wěn)定、科學(xué)、高效的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，成為供配電設(shè)計(jì)人員急需思考與解決的問題[6－7]。國內(nèi)新建高等學(xué)校大部分由雙重電源供電，系統(tǒng)安全可靠;還有一些中小型學(xué)校，用電負(fù)荷稍小或建設(shè)位置偏遠(yuǎn)，無法實(shí)現(xiàn)雙重電源供電。在只有一回10 kV電源供電的情況下，一旦線路故障或檢修停電，將給學(xué)校正常的教學(xué)生活帶來較大的影響。自備應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的設(shè)置緩解了以上問題，但由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不足，使得備用電源的功能遠(yuǎn)未得到充分發(fā)揮?，F(xiàn)階段一般的設(shè)計(jì)方案是，由市電電源供給校區(qū)建筑物主電，由自備電源供給校區(qū)建筑物內(nèi)消防負(fù)荷以及重要的二級(jí)負(fù)荷，市電母線段與應(yīng)急母線段之間沒有聯(lián)絡(luò)，雖然滿足規(guī)范要求，但存在一些缺陷。在市電停電、自備應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)且有裕量的前提下，大量的三級(jí)負(fù)荷(靈活、適量的需求)無法從此供配電系統(tǒng)中獲得電源。針對(duì)以上問題，文章以章丘市職成教中心的供配電系統(tǒng)為例，對(duì)已建成同類學(xué)校的供配電系統(tǒng)進(jìn)行總結(jié)、分析，綜合業(yè)主的供配電需求，探討了供配電方案的改進(jìn)措施。在不改變通常設(shè)計(jì)方案大框架的前提下，應(yīng)急母線段與市電低壓母線段之間設(shè)計(jì)雙斷路器聯(lián)絡(luò)開關(guān)并設(shè)置聯(lián)鎖，可以避免系統(tǒng)缺陷，提高供配電系統(tǒng)的靈活性和可靠性。方案可供同類型教育建筑供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)借鑒、參考。

1 工程概況

章丘市職成教中心占地為26.68為 hm2，位于較為狹長的山坡地帶，東西方向長約為920 m，南北方向最窄處約為136 m，最寬處約為532 m。主入口在西側(cè)，校園內(nèi)地勢東高西低，最大高差約為55 m，規(guī)劃專業(yè)根據(jù)豐富的地形變化做了較多的擋土墻。

職成教中心總建筑面積約為12萬m2，分職專區(qū)(建筑面積為9.4萬 m2)、素質(zhì)教育及社會(huì)培訓(xùn)區(qū)(建筑面積為2.4萬m2)和配套用房(0.24萬m2)。其中職專區(qū)包括圖書辦公樓、教學(xué)樓、綜合實(shí)訓(xùn)樓、實(shí)訓(xùn)車間、1#餐廳、學(xué)生宿舍、后勤服務(wù)樓、體育館及體育場看臺(tái);素質(zhì)教育及社會(huì)培訓(xùn)區(qū)包括綜合樓、教學(xué)樓、學(xué)生宿舍及2#餐廳;配套用房包括學(xué)校大門、變電所、發(fā)電機(jī)房、開水房、水泵房、換熱站、中水站等。

2 供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

依據(jù) GB 50052—2009，《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]供配電系統(tǒng)應(yīng)遵循以下設(shè)計(jì)原則:

(1)應(yīng)保障人身安全、供電可靠、技術(shù)先進(jìn)和經(jīng)濟(jì)合理。

(2)應(yīng)按照負(fù)荷性質(zhì)、用電容量、工程特點(diǎn)和地區(qū)供電條件，統(tǒng)籌兼顧，合理確定設(shè)計(jì)方案。

(3)應(yīng)根據(jù)工程特點(diǎn)、規(guī)模和發(fā)展規(guī)劃，做到遠(yuǎn)近期結(jié)合，在滿足近期使用要求的同時(shí)，兼顧未來發(fā)展的需要。

2.2 職成教中心負(fù)荷分級(jí)及供電要求

根據(jù)現(xiàn)行國家規(guī)范的相關(guān)規(guī)定[9－11]，職成教中心建筑的主要用電負(fù)荷分級(jí)為二級(jí)負(fù)荷。根據(jù)業(yè)主提供的供電條件并與當(dāng)?shù)毓╇姽緶贤?，校園附近沒有雙重電源，也無法做到一回10 kV專用架空線路供電，最后確定校區(qū)由一回10 kV電源供電，另設(shè)自備應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組，作為消防及重要用電負(fù)荷的備用電源，正常電源停電時(shí)通過倒閘操作靈活供給任何有需要的用電負(fù)荷。

2.3 變壓器容量估算

職成教中心是由幾所職業(yè)中專合并組建的，籌建辦幾位具有豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的老師為我們提供了每個(gè)單體建筑較為詳細(xì)的用電負(fù)荷資料，為負(fù)荷估算帶來很大幫助。文章以職專圖書樓、辦公樓、教學(xué)樓為例，對(duì)本區(qū)域1#變電所變壓器容量進(jìn)行估算。

依據(jù)JGJ 310—2013《教育建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》表4.4.1，不設(shè)空調(diào)的教學(xué)樓單位面積用電指標(biāo)取20 W/m2[10];圖書樓、辦公樓、教學(xué)樓內(nèi)均安裝分體電空調(diào)，根據(jù)《全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施—節(jié)能專篇(電氣)》，圖書樓、辦公樓的單位面積用電指標(biāo)取50 W/m2[12];分體電空調(diào)的單位面積用電指標(biāo)取50 W/m2，考慮全樓的空調(diào)覆蓋面積70%，需要系數(shù)取0.4，教學(xué)樓的空調(diào)單位面積用電指標(biāo)為50×0.7 ×0.4=14(W/m2)，此時(shí)教學(xué)樓的單位面積用電指標(biāo)為34 W/m2。圖書樓、辦公樓面積A1+A2+A3+A4=14288 m2，教學(xué)樓面積 B1+B2=13899 m2。

對(duì)圖書樓、辦公樓計(jì)算的有功功率為Pjs1=50 W/m2×14288 m2=714400 W=714.40 kW;

對(duì)教學(xué)樓計(jì)算的有功功率為Pjs2=34 W/m2×13899 m2=472600 W=472.60 kW;

本區(qū)域變電所其余用電:中水站預(yù)留150 kW，水泵房預(yù)留100 kW，噴泉景觀、傳達(dá)室、路燈等預(yù)留50 kW，對(duì)以上用電負(fù)荷求和，得出總負(fù)荷為1487 kW。

1#變電所計(jì)算的有功功率為Pjs=1487 kW×0.8(同時(shí)系數(shù))=1189.60(kW)

計(jì)算視在容量為Sjs=1189.60 kW÷0.92(功率因數(shù)補(bǔ)償至 0.92)=1293.04(kVA)

1293.04 ÷0.85(變壓器最高負(fù)載率)=1521.23(kVA)

可以選擇2×800(kVA)變壓器，此時(shí)變壓器負(fù)載率為80.82%。

同理，可以計(jì)算出其他變電所供電區(qū)域的計(jì)算負(fù)荷，選擇合適容量的變壓器，變電所設(shè)置及變壓器容量見表1。

表1 變電所設(shè)置及變壓器容量

在負(fù)荷計(jì)算中，需要重視以下幾個(gè)方面:

(1)因?yàn)榧泄彷^短時(shí)期內(nèi)無法實(shí)現(xiàn)，業(yè)主要求學(xué)生宿舍安裝帶電輔助加熱功能的分體空調(diào)，計(jì)算負(fù)荷比單冷分體空調(diào)幾乎加倍，而且學(xué)生宿舍內(nèi)空調(diào)負(fù)荷同時(shí)啟動(dòng)的概率較大，綜合這些因素，3#變電所變壓器由最初的2×800(kVA)調(diào)整為2×1000(kVA)。

(2)一般建筑物的負(fù)荷估算比較容易，對(duì)于實(shí)訓(xùn)車間，想要算出較為準(zhǔn)確的計(jì)算負(fù)荷，則需要細(xì)致、耐心的分析計(jì)算，如常見的機(jī)加工車間與焊接車間。機(jī)加工車間的設(shè)備安裝功率較大，但需要系數(shù)及功率因數(shù)均較低，應(yīng)與業(yè)主協(xié)商按照小批量還是大批量，冷加工還是熱加工選擇合適的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算;焊接車間內(nèi)應(yīng)分清不同焊機(jī)的種類，其需要系數(shù)和功率因數(shù)差異較大，并將其額定容量換算到負(fù)載持續(xù)率為100%時(shí)的有功功率。

(3)餐廳的計(jì)算負(fù)荷一般較大，方案階段可按照單位面積用電指標(biāo)進(jìn)行估算。本工程業(yè)主提供了廚具公司設(shè)計(jì)的工藝流程布置及用電負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表，負(fù)荷計(jì)算時(shí)乘上合適的需要系數(shù)，再加上照明、空調(diào)、其他動(dòng)力等的計(jì)算負(fù)荷，即可得出較為準(zhǔn)確的計(jì)算數(shù)據(jù)。

由表1可以看出，整個(gè)校區(qū)共安裝9臺(tái)變壓器，總安裝容量為7260 kVA。根據(jù)《城市電力規(guī)劃規(guī)范》，負(fù)荷同時(shí)率的大小，應(yīng)根據(jù)各地區(qū)電網(wǎng)負(fù)荷具體情況確定，但均應(yīng)小于1[13]。教育建筑的負(fù)荷特征非常明顯，各變電所最大負(fù)荷峰值出現(xiàn)的時(shí)間不同，負(fù)荷同時(shí)率取0.66，則7260 ×0.66≈4800(kVA)，開關(guān)站10 kV高壓電源進(jìn)線柜可按此數(shù)據(jù)進(jìn)行整定。此時(shí)，職成教中心總配變電站變壓器容量指標(biāo)約為40 VA/m2，在《教育建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》供配電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)推薦的30～45 VA/m2的范圍以內(nèi)[10]。

2.4 變電所設(shè)計(jì)

根據(jù)校園用地比較狹長、高差較大的現(xiàn)狀，結(jié)合校園規(guī)劃功能分區(qū)，變電所最初規(guī)劃了4座[14－15]。1#變電所(兼開關(guān)站，靠近主入口)設(shè)置在職專區(qū)圖書館，供電范圍為圖書樓、辦公樓、教學(xué)樓;2#變電所設(shè)置在職專區(qū)實(shí)訓(xùn)綜合樓地下室，供電范圍為實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)區(qū)、體育館;3#變電所設(shè)置在職專區(qū)宿舍樓地下室，供電范圍為學(xué)生生活區(qū);4#變電所設(shè)置在素質(zhì)教育辦公綜合樓，供電范圍為素質(zhì)教育及社會(huì)培訓(xùn)區(qū)。

2014年4月1日，《教育建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》頒布實(shí)施，其中4.3.3條指出，附設(shè)在教育建筑內(nèi)的變電所，不應(yīng)與教室、宿舍相貼鄰[10]。根據(jù)條文要求，原規(guī)劃變電所位置做了相應(yīng)調(diào)整，將3#、4#變電所調(diào)至鄰近的校園空地上，與學(xué)校自備應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)房合建。另外，業(yè)主確定在體育館安裝中央空調(diào)系統(tǒng)，用電負(fù)荷較大，故在體育館內(nèi)設(shè)計(jì)了5#專用變電所。

調(diào)整以后的變電所分布合理，供電范圍清晰，供電半徑符合規(guī)范要求，與當(dāng)?shù)毓╇姽緶贤ê蟮玫酱_認(rèn)，校園變電所平面分布圖如圖1所示。

圖1 校園變電所平面分布圖

1#變電所兼開關(guān)站，內(nèi)設(shè)10 kV高壓電源進(jìn)線柜、計(jì)量柜、出線柜、直流屏，2臺(tái)800 kVA變壓器及相應(yīng)的低壓配電柜，并預(yù)留自備應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組的區(qū)域配電裝置，占地面積較大，約需要240 m2，1#變電所兼開關(guān)站平面布置圖如圖2所示。

圖2 1#變電所兼開關(guān)站平面布置圖/mm

2#～5#變電所均采用負(fù)荷開關(guān)環(huán)網(wǎng)柜、變壓器、低壓柜組成的供配電系統(tǒng)，接線簡單，運(yùn)行可靠。每座變電所均需預(yù)留從自備應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)房引來的供給本區(qū)域建筑的自備應(yīng)急電源配電裝置，安裝2臺(tái)變壓器的變電所大約需要100～120 m2。3#、4#變電所合并后，由于4#變電所供電區(qū)域相對(duì)獨(dú)立，需要單獨(dú)核算，故沒有選擇2臺(tái)較大容量的變壓器，仍然各選擇2臺(tái)容量適中的變壓器。

2.5 自備電源設(shè)計(jì)

根據(jù)業(yè)主要求，校區(qū)設(shè)計(jì)自備應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組，以保證二級(jí)負(fù)荷的供電及正常的教學(xué)活動(dòng)。為了避免對(duì)師生產(chǎn)生噪聲干擾，發(fā)電機(jī)房設(shè)置在校園空地上，與3#、4#變電所合建。

確定柴油發(fā)電機(jī)組容量時(shí)，至少應(yīng)保證消防負(fù)荷最大的1棟單體建筑加上校區(qū)消防泵房(2處)、消防控制中心、信息機(jī)房等，并略加裕量，或由業(yè)主根據(jù)實(shí)際需要提出機(jī)組容量，取其大者。經(jīng)初步估算，校區(qū)消防計(jì)算負(fù)荷約為250 kW;平時(shí)需要保證的生活泵房、換熱站、中水站、主要通道照明、部分廚房設(shè)備等計(jì)算負(fù)荷約為500 kW。初定2臺(tái)常載功率300 kW的柴油發(fā)電機(jī)組，單臺(tái)啟動(dòng)時(shí)可保證校區(qū)消防負(fù)荷，負(fù)荷需求較大時(shí)可啟動(dòng)2臺(tái)發(fā)電機(jī)組。校區(qū)用電為二級(jí)負(fù)荷，建議采用手動(dòng)啟動(dòng)裝置。市電恢復(fù)時(shí)，機(jī)組應(yīng)自動(dòng)退出工作，并延時(shí)停機(jī)。

發(fā)電機(jī)房設(shè)置校區(qū)應(yīng)急電源總配電裝置，至各變電所均敷設(shè)應(yīng)急電源主干電纜，變電所至本區(qū)域供電各單體建筑敷設(shè)應(yīng)急電源干線電纜。

2.6 供配電系統(tǒng)主接線改進(jìn)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述供電方案，即可繪制出各變電所的供配電系統(tǒng)主接線圖[16]。文章以2#變電所為例，簡要介紹其主接線組成及運(yùn)行情況。

圖3為2#變電所供配電系統(tǒng)主接線圖。2#變電所位于實(shí)訓(xùn)綜合樓(C)地下室，設(shè)2臺(tái)800 kVA變壓器，設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組供電的應(yīng)急母線段。兩臺(tái)變壓器的低壓母線段設(shè)母聯(lián)開關(guān)，低壓母線段與應(yīng)急母線段設(shè)雙斷路器聯(lián)絡(luò)開關(guān)，運(yùn)行狀態(tài)如下:

圖3 2#變電所供配電系統(tǒng)主接線圖

正常情況下，3QF、5QF、6QF 斷開，1QF、2QF、4QF合閘。1T、2T變壓器分列運(yùn)行，1T向I段母線供電，2T向II段母線供電，I段及II段母線只供給建筑物普通負(fù)荷、消防及二級(jí)負(fù)荷的主電;實(shí)訓(xùn)綜合樓的消防及二級(jí)負(fù)荷的備電由應(yīng)急母線段多回路配出，其他樓座如 D、E、F1、F2、N 等的備電由應(yīng)急母線段單回路配出干線。

1T變壓器檢修時(shí)，1QF斷開，I段母線三級(jí)負(fù)荷回路失壓脫扣，II段母線部分三級(jí)負(fù)荷手動(dòng)斷開，3QF合閘，2T變壓器通過3QF向I段母線的二級(jí)負(fù)荷供電。1T變壓器檢修完畢，3QF斷開，1QF合閘，1T恢復(fù)向I段母線供電，手動(dòng)恢復(fù)三級(jí)負(fù)荷用電。同理，2T變壓器檢修時(shí)，運(yùn)行狀態(tài)與前述類似。當(dāng)1QF或2QF因過載或短路故障分閘時(shí)，3QF不允許自動(dòng)合閘。當(dāng)過渡季節(jié)或假期負(fù)荷較小時(shí)，可切除一臺(tái)變壓器，由另一臺(tái)變壓器給I、II段母線供電。

當(dāng)市電停電時(shí)，手動(dòng)啟動(dòng)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組，消防及二級(jí)負(fù)荷由應(yīng)急母線段供電。此時(shí)，應(yīng)急照明系統(tǒng)及允許中斷供電時(shí)間為毫秒級(jí)的重要場所應(yīng)分別配置應(yīng)急電源裝置(EPS)及不間斷電源裝置(UPS)，并應(yīng)滿足容量及備用時(shí)間的要求;當(dāng)市電停電應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)以后，業(yè)主希望在發(fā)電機(jī)不過載的前提下，將應(yīng)急電源盡可能接到需要的供電末端，減少臨時(shí)停電對(duì)正常教學(xué)活動(dòng)的影響。此時(shí)，將1QF、2QF均斷開，I段、II段母線上的三級(jí)負(fù)荷回路失壓脫扣，5QF、6QF依次手動(dòng)合閘，3QF視需要確定是否合閘，需要供電的三級(jí)負(fù)荷回路手動(dòng)合閘，就可以通過倒閘操作，將應(yīng)急電源供到任意用戶末端;當(dāng)市電恢復(fù)時(shí)，5QF、6QF手動(dòng)斷開，3QF斷開，1QF、2QF合閘，1T、2T變壓器恢復(fù)向各自母線段供電，柴油發(fā)電機(jī)組延時(shí)停機(jī)。設(shè)置5QF、6QF兩只斷路器并同時(shí)手動(dòng)通斷，可有效避免市電與發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行。為了保證系統(tǒng)運(yùn)行安全，5QF、6QF平時(shí)均斷開。

1QF、2QF、3QF之間必須設(shè)置可靠聯(lián)鎖，任何時(shí)候最多有2個(gè)斷路器合閘。5QF、6QF與1QF、2QF之間必須設(shè)置可靠聯(lián)鎖，1QF、2QF均斷開，且I段及II段母線上三級(jí)負(fù)荷回路均失壓脫扣后，5QF、6QF才能手動(dòng)合閘;5QF、6QF均斷開后，1QF、2QF才能合閘。

2.7 與其他方案的比較

與上述方案不同的是，一般設(shè)計(jì)方案是在圖3主接線圖基礎(chǔ)上去掉5QF、6QF聯(lián)絡(luò)斷路器，市電母線段與應(yīng)急母線段完全分開。配電設(shè)計(jì)時(shí)從市電母線段供消防負(fù)荷及二級(jí)負(fù)荷的主電，從應(yīng)急母線段供消防負(fù)荷及二級(jí)負(fù)荷的備電，兩路電源在合適的配電末端進(jìn)行雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換，供配電系統(tǒng)符合當(dāng)前設(shè)計(jì)規(guī)范。不足之處是，應(yīng)急母線段配出的干線主要是規(guī)范規(guī)定的消防負(fù)荷及二級(jí)負(fù)荷，不考慮三級(jí)負(fù)荷，在市電停電、自備應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)且有裕量的前提下，大量的三級(jí)負(fù)荷(靈活、適量的需求)無法從此供配電系統(tǒng)中獲得電源。與之相反，前述推薦方案則可以通過靈活倒閘操作將備用電源通過市電低壓母線段供電到任意單體建筑的任意末端負(fù)荷，大大提高了學(xué)校供配電系統(tǒng)的可靠性和靈活性，主進(jìn)開關(guān)與聯(lián)絡(luò)開關(guān)的聯(lián)鎖關(guān)系保證了整個(gè)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

3 結(jié)語

文章對(duì)章丘市職成教中心的單體建筑用電負(fù)荷進(jìn)行了估算，校園建筑的主要用電負(fù)荷分級(jí)為二級(jí)負(fù)荷，由一回10 kV電源供電，開關(guān)站變壓器容量指標(biāo)約為40 VA/m2;結(jié)合校園規(guī)劃功能分區(qū)，確定了校區(qū)各變電所位置，區(qū)域分布合理，供電范圍清晰，供電半徑符合規(guī)范要求;對(duì)學(xué)校的供配電系統(tǒng)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)和分析，在只有一路10 kV電源的情況下，設(shè)置自備應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組作為消防及重要用電負(fù)荷的備用電源，既保證了二級(jí)負(fù)荷備用電源的可靠性，又增加了業(yè)主使用的靈活性。

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