某高校科研实训楼电气设计

陈涛

（华南理工大学建筑设计研究院有限公司，广东 广州 510640）

0 引言

科研实训建筑在设计时较一般建筑各专业的设计难度较大，对土建专业和设备专业都有较高的要求，这主要由于其内部功能复杂、竖向管井以及设备（尤其暖通专业）管线众多，如何设计好一栋科研实训建筑需要各专业的紧密配合，同时每个专业内部也需要整体统筹考虑。

从电气设计的角度来看，科研实训建筑的设计有别于其他建筑，具有其特殊及复杂性。本文主要从实际工程设计的角度出发，结合参与的项目设计全程，总结本类建筑电气设计的要点、注意事项以及笔者的一点经验，以供同行参考。

1 项目概况

本工程为某高校的科研实训楼，位于江苏省宜兴市，总建筑面积为31450m2，无地下室，地上20 层，建筑高度为90.25m，属于一类高层公共建筑。首层门厅为两层通高、其余场所为值班室、会议室以及开闭所、变电所、水泵房等配套设备用房。二层至顶层均为各类实验实训室、配套用房以及教师休息室等。

2 电气设计分析

2.1 负荷分级

按照《民用建筑电气设计标准》（GB 51348—2019）的负荷等级划分相关条文，本项目最高负荷等级为一级负荷。详细分类为：本项目的消防风机、消防水泵、消防电梯、防火卷帘、应急照明等消防设备用电，值班照明；警卫照明；航空障碍照明；主要业务和计算机系统用电；其他弱电系统设备用电；客梯用电；排水泵用电；生活水泵用电等属于一级负荷；主要通道及楼梯间照明，精密空调用电等属于二级负荷；其他普通照明用电、景观照明用电、普通动力等均属于三级负荷[1]。

2.2 容量计算

在方案设计阶段，因建筑内部功能不完全确定，并且业主方参与还不够深入，本阶段一般是电气设计人员按照单位功率密度的方法大致估算设备安装容量，确定变压器的台数以及容量，但此时非常考验设计人员的水平，如前所述，实训实验用的电典型特点就是用电负荷的不确定性和增长性[2]。具体来说，对于一栋实训大楼在投入使用前是没法完全掌握内部有哪些实验科目以及实验设备的，因此，就导致了用电的不确定。同时，又因为一栋实验楼从建成至完全投入运行是需要一段时间的，在全部实验设备均投入运行时，肯定用电负荷也最大。如果前期估算偏小，会导致后期用电紧张、变压器处于过负荷运行状态，使用过程中末端甚至会出现经常跳闸的情况；如长期使用，会加速电缆及设备老化，增加了安全隐患。按照《建筑电气常用数据》（19DX101-1）表3.16，方案规范阶阶段，公共建筑的用电单位负荷指标为30～120VA/m2，考虑到本项目的规模以及性质，初步按110VA/m2进行估算，得出总容量约为3200kVA，故可选用2 台1600kVA 的干式变压器。

在初步设计阶段，对于空调主机、主要水泵、风机、电梯、充电桩等设备功率均可按照各专业的提资进行计算，有了较为准确的数字，此阶段一般按设备安装容量采用需要系数法进行计算；该阶段业主参与也已经较为深入，对于实验实训负荷能够提供一些参考数据，能够对于负荷计算有一定的参照作用；但对照明等无确切设备安装容量的负荷来说，需按单位面积功率法进行估算。

在施工图设计阶段，各专业已经能够准确地给电气专业提供设备功率参数以及使用属性等参数。同时，一般此阶段，业主方也会收集较多的试验设备数据，有些实验室负责人也会从实验设备厂家等渠道获得相对准确的设备数据，提出具体的实验用电需求。若对于仍无要求的，电气专业应该给出实验用电建议指标，并按此指标进行施工图设计。特别提醒，对于以上实验用电的条件，建议均以单位盖章发函的形式确定并留底保存，对校方有特殊使用需求的来往资料等也应做好留底保存，以避免后期扯皮。因为很多时候，具体实验室的负责人不是电气专业，完全按照实验设备厂家提供的功率简单累加，并乘以较大余量系数，盖章提资给了设计单位，因具体实验工艺等情况设计人员是不知的，这种情况下，电气专业也没法直接反驳，一般只能沟通，若沟通无果只能按要求设计，做出来往往是一个很大落地式配电柜，放在实验室内很占位置，比较突兀，与实验室明显不搭。当实验室负责人看到实物时，通常会有为什么配电箱（柜）要这么大的疑问，如没保存来往函件就没法解释，或者解释说服力就没那么强了。对本工程，施工图阶段的设备安装总容量为5146kW，总计算负荷为2483kW，对于纯消防负荷的消防泵、消防风机总功率为493kW 未计入变压器容量内。经计算，2台1600kVA 干式变压器的负载率分别为82.1%和84.5%，说明方案阶段选择的变压器容量合理。

2.3 供配电系统

电源。根据项目的负荷分级以及容量估算情况，并对所在地的市政电源进行分析，结合业主与属地供电部门沟通纪要，该项目所在地电网情况良好，可提供双重10kV 供电电源。故本项目计划从周边两个市政变电站各引一路10kV 电源，两路10kV 电源同时工作，互为备用方式，满足双重电源供电需求，且每路电源均能承担全部一、二级负荷的供电要求，提高了一、二级负荷的用电可靠性。

配电系统结先形式和运行方式。低压采用分段单母线，二台变压器分列运行，设置低压母线联络。正常情况下，联络开关处于断开位置，变压器分列运行。当一台变压器故障或检修退出运行时，切除三级负荷和部分二级负荷（视变压器负载情况）后，手动合上联络开关，向故障段母线供电，以维持一级负荷和二级负荷供电。两主进线开关与联络开关设电气和机械联锁（三锁两钥匙），任何情况下只能闭合其中的两个开关，以确保变压器不并列运行。

试验动力配电。对于大型实验场所或车间应采用放射式供电（提高供电可靠），其他可采用树干式供电模式（节省低压出线回路）。需要注意的是，实验实用电在末端配电箱应预留充足，整个树干集中到变电所低压出线回路侧的需要系数可尽量取小，这样既能满足各间实验室的用电要求，又不至于导致变压器的容量过大，造成不必要的浪费。另外，因很多实验室都对接地安全的要求较高，一般的做法是在各个实验室预留接地端子和局部等电位连接端子箱（LEB），然后就近接入本层接地装置。也有将本层所有实验室的接地端子箱通过专用接地扁钢（或满足规范要求的扁铁）连通后，统一引至本层电井专设的竖向PE 干线，由PE 干线直接与建筑物接地基础相连接[3]。

继电保护及信号装置。继电保护及信号装置分为以下两种：①10kV 中压系统。采用综合继电保护装置，中压进线设电流速断保护、定时限过电流保护、低电压保护，出线设电流速断保护、定时限过电流保护、零序电流保护及变压器高温报警、超温跳闸保护。各柜设操作钥匙，防止误操作。主进线柜设电磁锁，防止带电情况下打开柜门。各高压柜内均设温湿度控制器。②低压系统。低压进线、母联主断路器设过载长延时、短路短延时保护，低压出线设短路瞬时保护、过载保护。低压进线断路器设失压脱扣；非消防负荷出线回路设分励脱扣，以满足消防联动切断和三级负荷故障卸载之需要。

计量。中、低压系统各回路均装设智能数字仪表，以实现电流、电压、有功功率、功率因数、有功电能、开关状态、谐波等全电量监测与计量，并可远程集中监控和管理。电容补偿柜设功率因数测量。低压电流互感器选择，应尽量使主回路正常最大运行电流在互感器一次侧额定电流的2/3 以上。电流互感器精确度通常选用0.5 级。中压计量柜电流、电压互感器采用0.2 级。本工程，按业主要求，每间实验室均需计量、计量仪表集中设置于楼层强电间，采集信息还应远程传送至校区能源管理中心。

无功补偿及谐波控制，即采用低压集中自动补偿方式，在低压母线设电容自动补偿柜，要求补偿后功率因数在0.95 以上，低压无功补偿装置具有分补和共补的功能，且分相补偿容量不得小于总补偿容量的40%。采用串接电抗器的形式对高次谐波进行抑制，保护设备，节约能源。经与校方沟通，各实验室无产生较大谐波的设备，后期根据实际情况，在需要的场所设置就近无功补偿和电抗装置。

2.4 照明设计

本工程各区的照明分为普通照明、应急照明、景观照明。

普通照明：主要依据是《建筑照明设计标准》（GB 50034—2013）。尽可能选择高光效、高显色性、低眩光的光源和灯具[4]。鉴于实验室内一般会有较大试验设备，照明安装方式需要注意。当无吊顶时，可采用荧光灯管吸顶安装或敷设小照明线槽，灯具贴线槽安装，线槽应尽量高且应避开设备正上方；当时有吊顶时，一般采用格栅灯盘嵌入式安装，但灯具注意避开通风罩、通风橱等试验设备。

按各功能分区的环境特点和使用要求，确定各区主要场所的照度标准、功率密度指标及主要灯具、光源选择参数要求，部分场所参数如表1 所示。

表1 部分场所照明参数

应急照明：本项目设置集中电源集中控制型消防应急照明和疏散指示系统（电压等级：DC36V），应急照明控制器设置在消防控制室内，并且与火灾自动报警系统联动。按规范要求设置消防疏散照明、疏散指示标志和消防备用照明。消防应急照明灯和疏散指示标志灯满足《消防应急照明及疏散指示系统》（GB 17945—2010）、《消防安全标志 第1 部分：标志》（GB 13495.1—2015）及《安全标志及其使用导则》（GB 2894—2008）及国家认监委指定的“消防产品认证机构”颁发的CCC 认证的要求。

景观照明：包括建筑立面照明、庭院绿化及道路照明，业主明确本项为专业分包内容，本次设计仅预留总电量，后期专项深化设计。

3 电气消防

本工程消防用电设备均采用专用的供电回路，并在末端互投，当生产、生活用电被切断时，应仍能保证消防用电，消防配电及控制箱（柜）均应有明显的“消防”标志。消防泵房内的消防泵配电箱、控制箱不低于防护等级不低于IP55。消防干线采用矿物绝缘类电缆、支线采用低烟无卤耐火型电缆。消防用电设备的配电线路穿管保护，暗敷时，应穿管并应敷设在不燃烧体结构内且保护层厚度不应小于30mm。明敷时（包括敷设在吊顶内），应穿金属管或封闭式金属线槽，并应采取防火保护措施。消防用电设备及消防配电线路设置明显的标志，充电用断路器设不允许断开的明显标志[5]。

按规范要求，本工程设置集中型火灾自动报警系统，消防控制室设于首层北侧。消防控制室内设置火灾自动报警控制器、消防联动控制装置、彩色图形显示装置、消防专用电话总机、火灾应急广播主机、消防设备监控系统、防火门监控系统、电气火灾监控系统装置。

4 结语

科研实训建筑的电气设计是一项复杂在工作，需要全面、系统、多方位的综合考虑。本文主要结合笔者参与的科研实训建筑电气设计工作，对设计中容易错漏的情况及需要注意事项作简要梳理，以供大家做类似工程时参考。不妥之处欢迎指正。