当前民用高层建筑供配电系统电气设计的研究

2023-10-30付文沛

建材与装饰 2023年30期

关键词：民用断路器配电

付文沛

（太原供水设计研究院有限公司，山西太原 030000）

0 引言

供、配电网设计复杂、烦琐，以保证其正常运行，要充分利用其在高层建筑中的优越性，做好供、配电网的电气设计。

1 工程概况

该项目为居住用地，占地15000m2，其中1、2 层为商铺，3 层以上为居住小区。以8、9 号楼为例，其中一楼和二楼为商用，地下室的主要用途是用作地下停车，战时也可以用作人民防护。该项目一期的消防负荷以消防供水系统为主，二次负荷以一、二楼为商用为主，其余负荷等级为三级。该项目的供电、配电系统的设计应遵循下列基本原则。

首先，在选址时应以邻近负荷中心为优先，但从施工方便的角度出发，应选用材料设备运输方便、设备吊装方便的场所。为防止配电装置的腐蚀，应选在远离灰尘、水雾、腐烂气体的地方，如条件所限，不能避开上述地区，尽量选择污染较小的场所，另外，卫生间周围的空气浓度较高，会对配电设备造成腐蚀，因此配电房必须与厕所保持一定的距离。若必须紧靠洗手间，必须做好防水，防潮措施。配电房应单独布置，不能设在地势较低的地方。其次，对配电网的电气设备、管线等进行了合理的选择，并对管线的布线进行了合理的规划。由于该项目属于高层建筑，线路长度较长，因此为减少输电过程中发生的损失，可以将供电、配电系统的主要设备配置在中层。

2 高层建筑供配电系统概述及现状

2.1 设计内容

目前，我国民用高层建筑的施工高度普遍偏高。一般来说，大楼的总楼层都会超过20 层，因为大楼的高度限制了大楼的安全，所以消防是高层建筑必须要考虑到的问题，所以高层住宅的设计和施工单位在设计的时候，都要考虑到建筑物的消防问题，最大限度地降低了建筑物的火灾风险，确保了住宅的安全[1]。在建筑的电力系统中，一般都会采用UPS 供电，以增加电力平台的电压负载，以保证大楼的电力供应。为了减少安全风险，附加UPS 供电系统的设计方案，主要用于保障连续供电或在很短的停电时段内，能够将其作用最大程度地发挥出来。

在我国的高层住宅工程中，确保其安全、可靠是其首要的原则，为了确保整个大楼的供电可靠性，为了提高电力系统的整体效能，在电力系统中，一般都会采用应急电源。根据有关的数据，如果大楼的供电线路发生故障，那么紧急的发电机就会在最短的时间内启动，为大楼供电。由于其独特的特性，在需要高停电时间的情况下，该系统具有很大的局限性，如果是因为电网内部的线路出现了故障，而不是因为电网外的电力供应出现了问题，那么这个时候，应急发电机系统就无法正常工作，整个大楼的火灾系统都会处于停电状态。

我国民用高层建筑在运行过程中，不可避免地存在着各类线路的安全隐患，因此，有关部门要尽量减少事故的发生，在供电、配电系统中，采用两个供电电源的独立供电方式。它的工作原理是通过开关把两个电源分开，把它分为灭火和不灭火，当火灾时，它会自动切断非灭火电源，另外一台灭火系统可以在同一时间内进行，以增加大楼的电力供应的可靠性和效率[2]。

2.2 用电设备多

目前，高层建筑的主要功能是居住和商业，所以需要更多的辅助设施，比如供暖、通风、给水泵、排污泵、消防泵等，这些都需要电力供应，所以在高层建筑中，需要的配电的设备种类和数量都很多，对电力的要求也各不相同，增加了电力系统的供电和配电系统的设计难度。

3 民用高层建筑供配电系统电气设计基本原则

民用高层建筑由于其自身特点，其配电网的设计应遵循国家标准与规范，并遵循下列原则。

3.1 可靠性原则

在民用高层建筑中，由于其人数多、人口密集等原因，其影响范围较广。在供电、配电系统的设计中，应坚持安全、可靠的原则，在具体的规划与设计中，应对电力系统的用电量进行科学的分析；确保电力供应的稳定、可靠。

3.2 简洁性原则

在高层建筑中，需要大量的电力设备来进行日常运行和维护。因此，在进行设计时应尽可能地简化，把这些电器设备尽可能地少用。在电气设备的设计上，为方便使用和操作，并能在运行中出现故障时及时进行处理。

3.3 保障安全性原则

由于民用高层建筑对电器和功能有很高的要求，在日常工作中常常要进行维护，因此，要保证其安全，保证其正常的运行和维护。

4 民用高层建筑供配电系统电气设计基本思路

在点检系统的设计中，应确保电力系统的安全运行，在保证其性能的前提下，为电力系统和线路的运行和维修提供安全、可靠的保证，以有效地预防和消除电力事故。

4.1 根据供电需要计算电力负荷

在实际应用中，由于电力负载事故的发生，造成了一定的经济损失，并对社会造成了很大的负面影响。按照有关的电气设计标准和其他有关规定，应考虑建筑的性质、规模和供电的实际状况，以及电压等级、供电回路数和自备电源的设定[3]。

当电力负载非常重要时，应充分考虑下列问题：一种电源系统因故障而不能提供电力，而另一种电源正在维修或发生故障时，要在其他地方安装紧急电源，以防止突发事件。它的设定应充分考虑电网条件、负荷允许中断的时间等因素，并以独立的发电机进行连续供电。二次复合供电系统在发生变压器、线路故障、无法切断电源的情况下，必须立即进行修复。

4.2 综合详细考察来确定供电电压

在民用高层建筑中，供电电压直接影响供、配电网供电的稳定性，供电电压的高低取决于供电负荷、供电距离、供电线路环数。通常，由于高层建筑的供电能力不强，所以可以采取两路电网供电、一路电网供电、应急机组供电。通常情况下，它的电源都是10kV 的电压，然后导入大楼的开关室[4]。为了满足消防设施的需要，应在低压配电网中配置柴油发电机，当电网用电负荷有特别要求时，采用柴油机作为供电保证。

4.3 高压配电网的科学设计

在民用高层建筑的供、配电系统中，包括高压供、配电系统、低压配电系统，在进行系统的设计时，应充分考虑技术、规范等方面的因素，同时满足用户的日常使用、管理和维修需要。

住宅区的高压配电根据小区的总面积，选择合适的配电站，保证供电的需要。在单个建筑面积大，用电负荷分散的条件下，可以使用多个变压器进行分布。在民用高层建筑中，底层、顶层以及电力负载密集的中层等都要安装变压器。在某些建筑中，为了确保电力的可靠度和电力负荷的要求，可以采用双电源供电模式。

4.4 根据实际需求进行低压配电网的设计

低压配电系统在民用高层建筑的日常生活中起到了很大的作用，它还起到了变压器的运行、维修以及紧急情况下电力供应的作用。所以，在低压配电系统设计中，必须保证其负载下的实际用电需求，即使出现了故障，也能继续提供电力。在紧急情况下，为了防止发生安全事故，必须及时处理故障，并设置紧急供电[5]。通常在民用高层建筑中，都会选用柴油发电机，即使停电也能迅速启动，负载平稳，及时恢复供电。

5 供配电系统设计

5.1 电源选择和设计

一种是电力系统在大修期间的后备电源，可以确保整个大楼的电力供应，并且不能在同一时间断电。本工程因建筑面积大，电力设施多，因此在设备维修时，必须考虑到紧急情况下的供电。在条件许可的情况下，可以采用柴油机作为应急电源，以确保电力系统的安全性和连续性。

5.2 确定该小区负荷计算与变压器容量

变压器是配电系统设计中的一个关键环节。在变压器选型中，技术参数的选取直接影响到整个配电系统的稳定和可靠。在选用技术参数时，必须与工程实际相结合。一般来讲，变压器有两类，一种是干式，一种是密封油浸式。首先，在选用变压器的额定电压时，要注意在技术指标上，高电压和外部输入的电压是一致的。居民小区的供电设计要达到国家有关规范的要求，并在此基础上完善电力计算表和负载等级。在变压器容量的选取中，特变容量不仅要考虑负载的种类，而且要使其具有较好的系数。经测算，并按照有关住宅建筑用电的有关规定，本工程采用800kVA 的变压器。

5.3 高低压一次系统图设计

在低压一次系统的设计中，配线的设计是供电、配电设计中的一个重要环节。

该项目10kV 高压配电系统主接线采用单母线分段接线，两段10kV 母线之间设置联络。各公用、专用变配电所10kV 电源均从开闭所引来。在正常运行时，仅有一条入线供电，并配有环网开关和两台变压器分断柜。本项目采用干式变压器，接线组别为D，Yn11，10kV/0.4kV，带强制风冷系统及温控显示装置，保护等级IP20。按技术要求设定下列参数：高温预警，重瓦斯动作跳闸，超温动作跳闸。10kV/0.4kV 变电所低压侧为两台变压器单母线分段运行，采用单母线分段接入设定框架断路器，在主进线开关之间设置母线联络开关，并将母线断开。母线联络开关设自投自复/自投手复/手动转换3 种状态的位置选择开关，在自投运过程中要有一定的延迟，为了确保变压器的正常运行，必须在不保护负载的情况下，自动关断。低压主、备进线和联络开关之间有电联锁，在任意条件下，仅有两个开关可以关闭。低压主进断路器设有过负载长延时、短路、短延时和单相接地保护，其他低压断路器按要求设置过载长延时、短路、短延时跳闸，局部回路设置分励或失压保护，当自动互投时，可以卸载一定的负载；既能有效地保护变压器的超载，又能在发生火灾时，切断与火灾有关的非灭火装置的供电。为了便于管理，提高供电可靠性，变配电室设置智能化监控系统，监控范围：10kV 计算机综合保护系统，低压侧各主断路器、母联断路器及各出线断路器的电气参数、直流屏监视状态、变压器运行状态监测等。监控系统通过监控模块及多功能仪表等采用现场总线技术对变配电室各种运行参数（电压、电流、功率、频率、开关状态）进行监视。

根据绝缘介质的不同，开关柜有3 种类型：真空开关柜、空气绝缘负荷开关柜、SF6 负荷开关柜。通过3 种不同类型的开关柜技术参数的比较，得出六氟化硫箱结构简单，占地面积小，使用寿命长，成本低，分散性强，真空断路器的保护功能比较丰富，如过流保护、速度保护、零序保护等。从这一点可以看出，这两类开关柜在电力系统中的应用非常广泛。按项目要求，选用SF6 负荷柜和真空断路器柜为输入和输出。

在此项目中，采用母线开关将两个独立的电源分开，并提供两条供电线路，当正常的电力供应时，主供电源进线总柜闭合，分段断路器柜断开，备供电源进线总柜断开；当需要维修或发生故障时，分段断路器柜断开，备供电源进线总柜闭合，这时，由2#变压器独立提供电源。主供电源进线总柜、备供电源进线总柜之间加装可靠的电气及机械闭锁装置。

在本项目的供电、配电系统中未设置1 台50kW 的柴油发电机组，以备应急，主要负载出现故障，本紧急电源能在不间断的情况下自动开机。通常，主要负载为紧急照明、消防用电。当城市电力供应出现问题时，紧急发电机会由主电源开关发出的信号，从开始到持续工作的时间不得超过30s，以保证持续可靠的功能。

5.4 供配电系统设计分析

配电间的设计：高压、低压两条线路共用配电间，按工程要求和有关技术要求进行设计，采用单母线连接两种供电方式。门控开关：在仪表柜内或仪表箱内安装门控开关，通过RS-485 信号线路连接到负载管理终端。在低压开关和测量箱之间、靠近低压开关的那一侧保留跳闸控制线，并根据遥控拉闸的要求，判定该测量设备的控制线是否与负载管理终端相连接。电力分配系统的设计。在配电网的设计中，电缆的选取是一个非常重要的问题。10kV 线路宜选用YJV-10kV 高压电缆，电缆铺设时应沿室外电缆沟铺设，并严格按照有关规定进行。高压柜和变压器的连接线也宜选用高压电缆，而在低压配电箱和变压器间，可以采用总线桥或低压电缆，根据客户的要求来确定。在该工程的辅助电源方面，如灯箱、通风负载电源盒等，与低压配电柜采用辐射和主干线相结合的方式。在设计时必须对低电压线路的负荷进行控制。从安全性和可靠性的角度来看，电缆选用的是阻燃聚氯乙烯电缆，沿电缆沟敷设或架设桥架敷设。