沙特哈立德国王大学电气深化设计

杨 征

（广东省建科建筑设计院，广东 广州 510500）

0 引言

深化设计，又名Shopping Drwaing Design，是在原设计的基础上对图纸进行细化。深化设计是对原设计图纸而言。电气专业的深化设计包括照明系统、动力系统、防雷接地系统、通信与网络系统、消防系统、门禁控制系统、闭路电视和时钟系统等。由于采用的规范标准存在差异，国外工程在某些节点的做法与国内存在一些不同。不能说哪种做法更好，只是在特定的气候和地质条件下采用最合适的方式。终究其做法背后的设计原理是一致的。

在变配电系统深化设计里，配电变压器与主接线在原设计图纸里就已基本确定。但其一些节点的参数、设计是否合理，仍需在深化设计中进行优化。低压配电系统的深化设计是整个电气专业深化设计的核心内容。分断能力，短路电流等参数，需经过仔细严格的验算，只有确定了这些参数才能保证其稳定性和安全性。

作为中国公司在沙特阿拉伯取得的第一个总承包资格的建筑项目，即便在施工阶段，仍需根据现场实际情况进行必要的复核及优化。

1 项目概况

沙特哈立德国王大学（以下简称KKU）位于沙特艾卜哈城附近20 km，建设投资由沙特政府承担。该项目是中国公司中标承接的首个大型建设项目，也是在两国政府框架下第一个在沙特取得总承包资格的项目。

沙特哈立德国王大学一期项目为男子教学区，含11间男子教学楼（共14幢建筑物），另加一幢中央图书馆和一幢院长办公楼共16幢建筑物。其中11幢建筑物是3层高另加一至二层地下室，4幢是4层高，1幢是5层高，地下室层数相若。各幢建筑物层高均为4.5 m，面积界乎12 700 m2至83 382 m2不等。

2 配电系统

以其中一栋MC01为例，论述其低压配电系统的设计内容。

2.1 配电室

配电室总面积约118 m2，位于MASTER SUB TERRAIN FLOOR楼层（如图1所示）。

2.2 高压进线部分

图1 配电室平面布置图

从室外引入高压进线，经过两个高压环网柜RMU1、RMU2，分成两路高压出线，传输到两台变压器，RMU1供给TR1-1变压器，RMU2供给TR1-2变压器。高压进线通过电缆沟地面敷设，其中高压电缆采用铠装电缆，经过电缆沟下进线到两台变压器，两台变压器采用上出线方式，见图2。和国内不同的是，高压进线为13.8 kV，而不是10 kV高压进线。工频为60 Hz。

图2 变压器剖面图

2.3 低压配电部分

低压配电房的低压侧，由两台主配电屏组成MDP1&MDP2。两台主配电柜间通过一台额定电流为3 200 A，分断能力为50 kA的断路器联络。其中MDP1设备安装容量为1 148.21 kVA，MDP2设备安装容量为1 162.98 kVA。两台主配电屏MDP1&MDP2并不直接接末端配电箱，而是再分为若干个子配电屏：DP1,DP2,DP3,DP4,DP5,DP6,EMDP1,EMDP2。其中EMDP1,EMDP2为二级负荷，备用电源来自一台303 kW的发电机。见图3。

图3 低压配电柜MDP1竖向干线图

MDP与其下级配电柜之间亦采用母线连接，视末端容量不同，采用250 A、500 A、800 A、1 000 A、1 250 A、1 500 A四种规格的母线槽。配电柜之间均采用上进上出的接线方式。

从主配电柜MDP1、MDP2到分配电柜DP1~DP6，再到末端配电箱，采用的是典型的树干式配电方式。按照配电级数不宜超过3级的设计原则，MC01的配电方式是可靠且符合要求。

3 该项目电气设计的几个特点

3.1 防雷接地系统

国内对天面接地网格有要求，而且要求接闪杆对闪电进行引导。对于KKU这类的大型建筑物，如果在国内例如广州这种多雨的潮湿的土壤利用其结构钢筋完全可以达到接地电阻的要求。等电位设置在配电房内。

KKU各栋的接地形式不利用建筑物结构，全部打人工接地铜棒及接地极。天面避雷网的截面积约为100 mm2。没有突出屋面的接闪杆来引导闪电。

当地的气候导致年雷击次数很少，天面的引雷装置要求并不高。土壤沙化较严重，且石头子较多。这样的土壤电阻率大，利用结构钢筋很难达到接地电阻的要求,而是直接打人工接地极,人工接地铜棒从基础直接延伸到屋面,来满足接地电阻的要求。

国内规范中,采用接闪杆（既避雷针）的方式也是第二类防雷建筑物外部防雷措施之一。

3.2 照明系统

根据工料规范“小于4.0 mm2的导体不可用于照明设备的安装和小型/设备供电安装。布管时作外部照明使用或其他用途的直埋电缆直径都不应小于4.0mm2。”相比国内设计，由于使用规范的不同，这边使用导线较粗，照明配电最小使用4 mm2电线。而且照明照度、功率密度也没有明确规定，相比国内规范严重超标，说明国内规范制定时更好地考虑了建筑的照明节能,而该设计更强调使用的方便及耐久性,留有较大余地。

3.3 消防报警系统

与国内设计理念有所不同的是，KKU项目火灾自动报警系统图纸设计范围只包含了火灾探测部分,其他与消防联动的设备，如风机、消火栓泵等接入BMS系统进行控制，没有设置单独的联动控制装置。

4 低压柜热稳定性校验及短路电流的计算

4.1 热稳定性的定义

在一定时间内能承受短路电流（或规定的等值电流）的热作用而不发生热损坏的能力。

在实际施工中，电缆一般采取暗敷或者套管敷设。假如发生短路，电缆被高温熔断，维修较复杂。

1）瞬时脱扣器的全分断时间（包括灭弧时间）极短，一般为10～20 ms，甚至更短。虽然短路电流很大，一般能符合要求。但当配电变压器容量很大，从低压配电屏直接引出截面很小的馈线时，难以达到热稳定要求，应对其进行校验。

2）短延时脱扣器的动作时间一般为0.1~0.8 s，根据经验，可选用带短延时脱扣器的断路器所保护的配电干线截面不会太小，一般能满足要求，可不校验。

KKU建筑MC01单体采用2台2 000 kVA的变压器，单台容量很大，为保证其电缆安全，对其进行热稳定校验很有必要。

4.2 热稳定性的公式

热稳定性的公式为：

式中：K：计算系数；S：绝缘导体线芯截面(mm2)；t：在已到达允许最高持续工作温度的导体内短路电流持续作用的时间（s）；I：短路电流。

I2t中t的取值，按照瞬时脱扣的时间，一般为10～20 ms。

4.3 如何计算某一点的预期短路电流

预期短路电流公式为：

变压器P=2 000 kW,Usc=6%,U20=400。计算出变压器二次侧短路电流Isc=46.9 kA

由于有两台变压器，但其中间有联络开关，母线上某一点短路电流可不必计算其并联时的短路电流。

所以低压柜中联络柜，及主开关采用50 kA分断能力的断路器，满足要求。

这里忽略了断路器和母线的阻抗及感抗，虽然有误差，但计算后得到的精度也完全满足选型的要求。

KKU采用的是施耐德的产品，属于高端产品，查看其断路器时间-电流特性曲线，脱扣时间t=0.01 s是比较合理的。

计算出，S>32 mm2。

两台主配电柜MDP1、MDP2出线均为母线，最小规格都为250 A，截面积比35 mm2的XLPE铜线电缆大许多，完全满足热稳定性的要求。

4.4 二级配电柜短路电流计算

主配电柜的短路电流已经算出，其下级配电柜DP1~DP6的短路电流可采用合成法计算短路电流。

式中：Isc(A):上级短路电流；Isc(B)：线路末端短路电流；Zc：回路阻抗；U：系统标称相电压。

以DP4配电柜为例，其到MDP2的距离为10 m。母线的电阻通常可以忽略不计，这样低压母线的阻抗实际上都为感抗，其值约为0.15 MΩ/m(如果母线的间距扩大为原来的2倍，其感抗值仅仅增加10%左右)，即Zc=1.5 MΩ。

计算得Isc（B）=36.6 kA，采用40 kA分断能力的断路器符合设计要求。

DP4出线的热稳定性套用前面的公式，计算出S=25 mm2，考虑到施耐德产品具有限流作用，上级断路器可帮助下游短路承担一部分灭弧功能，导线截面采用16 mm2基本能满足要求。

4.5 末端配电箱短路电流计算

DP低压柜下一级接末端配电箱，其短路电流与导线截面积及长度有直接关系，通常采用的是XLPE电缆。采用传统的套用公式，再查找电阻率的方法，计算出的短路电流精确，但是费时费力。经过前人总结出来一套图表法，在具体做设计时可提高工作效率，也可满足设计的精度要求。

图4 低压柜剖面图

以PPB1B配电箱为例，其上级配电柜为DP1，电缆长度110 m，截面积为4×150+95，满足DP1热稳定性要求。前面验算过，上游DP1配电柜Isc值为40 kA。PPB1B的短路电流Isc=10.6 kA。在满足载流量的情况下选择分断能力为15kA的断路器作为保护。

5 结束语

KKU项目中，原设计图纸的设计深度与国内工程比较，介于扩初设计图与施工图纸之间。所谓设计图纸深化，就是在甲方提供的原设计图纸的基础上，根据技术标书、施工规范的要求和现场实际情况，完善设计意图，绘制成能够正确指导施工的施工图纸。深化设计也是对原设计的一种检验,通过深化设计，及时解决原设计存在的问题，以及根据业主要求进行修改和补充设计。

在检验一些电气参数时，国外的电气设计与国内相比并无不同。短路电流的计算是正确选择断路器的分断能力，进而正确选择配线柜出线电缆的前提。为提高设计效率，亦可采用诸如ID-SPEC、ECODIAL这类的软件优化设计。