某高校新建校区供配电系统设计

冯 百 乐

(浙江大学建筑设计研究院有限公司, 浙江 杭州 310028)

0 引 言

某高校新建校区总建筑面积约40万m2,其中地下面积约6万m2。校内新建的建筑单体包括图书信息中心、基础教学中心、文理学院、学生配套服务综合体(含食堂、配套设施等)、理农医大楼、工信大楼、科研成果转移和交叉研究中心、基础实验楼、公共教学楼、行政中心、人文社科大楼、学术大讲堂、书院区(含宿舍、相关配套建筑)、体育中心、教师公寓、医院以及其他后勤配套用房等。校园规模较大,建筑功能多样,设备系统复杂。

1 供配电系统前期规划

供配电系统需根据校园的负荷等级、负荷特性、用电容量、使用功能、管理模式及当地电源条件,合理确定实施方案。用电方案可为项目前期的论证、审查、决策提供依据,并为后续的设计工作做好准备[1]。

1.1 负荷等级

根据JGJ 16—2008《民用建筑电气设计规范》(设计阶段该规范尚未废止)、GB 50016—2014《建筑设计防火规范》、JGJ 310—2013《教育建筑电气设计规范》及其他相关规范的规定,按各单体建筑性质和重要性,结合校园规模及用户需求,该校区的最高用电负荷等级为一级。

1.2 负荷分析与负荷预测

用电负荷的大小是选择供电电源、配置变压器的重要依据。由于供电线路的载流量限制,当用电总负荷较大时,供电线路的电压等级相应较高,需要的进线回路越多。对于各变电所,若变压器容量配置偏小,不能满足正常使用,并造成安全隐患;若变压器容量配置偏大,初期投资浪费,后续运行空载损耗大[2]。

建筑群的总体规模、单体建筑的使用功能、建筑内用电设备的特性、空调形式等因素均与用电负荷的大小紧密相关。据调研,高校内的普通教学楼、行政楼的用电负荷普遍较低,学生食堂、特殊实验楼(如动物实验中心)的用电负荷普遍较高。同时,高校的用电负荷还有如下特点:学生宿舍用电存在一定的周期性,一年中寒、暑假为用电低谷,一天中晚间为用电高峰;会堂、体育场馆在举办会议、演出、大型活动、比赛时负荷较大,平时负荷很小;动物实验中心、网络数据中心的用电负荷全年基本稳定;整个校园的用电同时率较低。

1.2.1 负荷指标法估算

根据JGJ 310—2013《教育建筑电气设计规范》[3]表3.2.5,普通高等学校(理工科为主)的校园总配变电站的变压器单位容量指标为30～60 VA/m2。该新建校区以理工科为主,变压器单位容量指标考虑取上述范围内的较大值,即50～60 VA/m2,相应粗略估算变压器总安装容量为2.0万～2.4万kVA。

1.2.2 详细估算

根据各单体建筑的规模、功能,参考相关资料进行详细估算。该校区的总计算负荷为17 392.4 kW,变压器总安装容量为21 615 kVA,负荷预测如表1所示。变压器单位容量指标为54.1 VA/m2,预测结果在负荷指标法估算值范围内。

表1 负荷预测

1.2.3 发展预留

该校区内预留有部分用地作为今后发展建设用,预估建筑面积10万m2。变压器单位容量指标按55 VA/m2考虑,相应需预留容量5 500 kVA。

1.2.4 负荷预测值

详细预测值是根据各单体的负荷指标汇总而成,且其结果可作为布置配、变电所的依据,故以其作为校园总用电负荷的预测结果。考虑今后发展预留所需用电,该校区变压器远期总安装容量为27 115 kVA。

1.3 供电电源

经调研,该校区地块附近有多座110/10 kV变电站,且均留有足够的容量及10 kV出线间隔。结合负荷预测结果,确定校园的供电电压等级为10 kV。

以负荷预测值为依据,经与当地供电部门沟通,由附近2座110/10 kV变电站各引入2路独立的10 kV专线,作为校区用电的供电电源,4路10 kV电源同时工作。当引自其中一座110/10 kV变电站的电源故障时,引自另一座110/10 kV变电站的电源可承担校园内二级及以上全部负荷。此供电电源满足为一级负荷用电单位供电的可靠性要求。

1.4 高压配电系统

根据负荷预测结果及供电电源条件,校内规划设置2座10 kV高配所,分别承担相应区域的供配电。校园供配电自成系统,与市政电网的分界点为高配所10 kV进线开关的进线端。

校内10 kV配电系统可采用放射式或环网式。放射式供电系统简单可靠,故障发生后影响范围小,便于操作管理;环网式供电系统可靠性较高,运行较为灵活,但切换操作复杂。由于当地供电部门不允许10 kV配电系统采用环网式供电,因此确定10 kV配电系统采用放射式供电。

2 供配电系统深化设计

项目进入初步设计及施工图设计阶段后,建筑平面已明确,使用功能已定型,结构、给排水、暖通、智能化等专业的设计也已逐步深化。根据各专业提供的设计条件,结合供配电系统的前期规划方案,对该校区的供配电系统进行深化设计。

2.1 负荷计算

初步设计及施工图设计阶段,负荷计算采用需要系数法。对空调、风机、电梯、水泵等用电设备按其设备安装容量进行统计,对照明、插座等设备的用电负荷按单位容量法进行统计。

深化设计后变压器总安装容量为25 310 kVA,较方案规划阶段增加3 695 kVA;变压器单位容量指标为63.3 VA/m2,较方案规划阶段增加9.2 VA/m2。

经分析,造成变压器安装容量变化的主要原因如下:

(1)各单体建筑的建筑指标、平面布置、使用功能更为准确,如书院戊为旅馆功能,湖东综合体区域部分为餐饮、商业功能。

(2)给排水、暖通、智能化等专业的设计条件更为具体、详细,如湖东综合体设置冷冻机房,且设备安装容量较大,相应设置一组变压器专供冷冻机房使用。

(3)与校方充分沟通后,考虑其使用需求,如综合体育馆区域需要举办大型活动,体育中心变电所相应增加用电容量。

(4)部分区域根据建设周期的需要,变压器预留后续建设的用电容量,如教师公寓变电所。

2.2 配、变电所

在确定配、变电所的数量、所址时,需考虑安全可靠、绿色环保、易于安装维护等原则;同时,配、变电所也应与校园总体、单体布局相协调。深化设计后,在校园内共设置2座10 kV高配所、13座10/0.4 kV变电所。配、变电所设置如表2所示。

表2 配、变电所设置

除满足各项规范要求外,设计在配、变电所的数量、所址选择上,还有如下特点:高校用电同时率较低,各变电所按区域尽量集中设置、减少数量,相应降低投资,方便管理,也节省机房面积;配、变电所均设置在1F,并设有排水措施,提高了供电可靠性,便于维护检修。

2.3 供电电源及高压配电系统

前期规划阶段,与建设方、使用方及供电部门进行充分的沟通,故施工图阶段未对该部分内容的前期方案做调整。高压配电系统根据10/0.4 kV变电所的设置进行了深化设计,高压配电系统整体示意图(一)、(二)分别如图1、图2所示。

图1 高压配电系统整体示意图(一)

图2 高压配电系统整体示意图(二)

2.4 高、低压供电系统接线型式及运行方式

高压为单母线分段运行方式,中间不设联络开关。平时,各高配所的两路电源分列运行,当一路电源故障时,由另一路电源承担相应高配所供电区域的二级及以上全部负荷。

低压为单母线分段运行,设联络开关。投切前应断开非保证负荷,以保证变压器正常工作。低压主进开关与联络开关之间设电气联锁及“三锁二钥匙”机械联锁,任何情况下只能有两个开关处在闭合状态。

2.5 光伏发电系统

在教学北区学术大讲堂屋顶设置一套太阳能光伏发电系统,发电峰值容量为19.4 kWp。该系统采用并网系统,光伏组件产生的直流电经逆变为0.4 kV交流电后直接并入电网。

2.6 线路敷设

室内采用母线槽和电缆沿电气竖井、槽盒敷设。对于实验楼等用电设备变动较大的建筑,母线槽在设计时预留了一定裕量,以备后续扩容改造。

室外电力电缆采用穿CPVC专用电缆保护管埋地敷设,在车行道下敷设时采用混凝土包封。该方式具有受外力影响小、占地少、能承受较大荷载、电缆敷设互不影响、施工方便等优点。设计时还考虑一定的备用管和预留管线通道,尽量避免今后的路面开挖。

3 结 语

高校的校园规模大、在校师生多,承担着重要的教学科研任务。供配电系统是保证校园正常运行的重要环节,是电气设计的核心内容。本文对某高校新建校区的供配电系统的设计过程进行了介绍,并对设计中的部分环节进行了分析,可为类似项目的电气设计提供参考。