章丘市職成教中心供配電系統設計

郭宏祥

(山東建筑大學建筑規劃設計研究院，山東 濟南 250101)

0 引言

隨著國內學校的辦學規模逐漸的壯大發展，以及師生員工的生活水平不斷提高，學校的配套供電容量也在急速增長，對供配電系統的要求也越來越高，設計工作的難度加大[1－3]。教育建筑電氣設計對保障師生健康、滿足教學科研要求、建設節約型校園等都起著關鍵作用[4－5]。如何保證學校供配電系統處于安全、穩定、科學、高效的運轉狀態，成為供配電設計人員急需思考與解決的問題[6－7]。國內新建高等學校大部分由雙重電源供電，系統安全可靠;還有一些中小型學校，用電負荷稍小或建設位置偏遠，無法實現雙重電源供電。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，將給學校正常的教學生活帶來較大的影響。自備應急柴油發電機組的設置緩解了以上問題，但由于系統設計的不足，使得備用電源的功能遠未得到充分發揮。現階段一般的設計方案是，由市電電源供給校區建筑物主電，由自備電源供給校區建筑物內消防負荷以及重要的二級負荷，市電母線段與應急母線段之間沒有聯絡，雖然滿足規范要求，但存在一些缺陷。在市電停電、自備應急柴油發電機組啟動且有裕量的前提下，大量的三級負荷(靈活、適量的需求)無法從此供配電系統中獲得電源。針對以上問題，文章以章丘市職成教中心的供配電系統為例，對已建成同類學校的供配電系統進行總結、分析，綜合業主的供配電需求，探討了供配電方案的改進措施。在不改變通常設計方案大框架的前提下，應急母線段與市電低壓母線段之間設計雙斷路器聯絡開關并設置聯鎖，可以避免系統缺陷，提高供配電系統的靈活性和可靠性。方案可供同類型教育建筑供配電系統設計時借鑒、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，校園內地勢東高西低，最大高差約為55 m，規劃專業根據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(建筑面積為9.4萬 m2)、素質教育及社會培訓區(建筑面積為2.4萬m2)和配套用房(0.24萬m2)。其中職專區包括圖書辦公樓、教學樓、綜合實訓樓、實訓車間、1#餐廳、學生宿舍、后勤服務樓、體育館及體育場看臺;素質教育及社會培訓區包括綜合樓、教學樓、學生宿舍及2#餐廳;配套用房包括學校大門、變電所、發電機房、開水房、水泵房、換熱站、中水站等。

2 供配電系統設計方案

2.1 供配電系統設計原則

依據 GB 50052—2009，《供配電系統設計規范》[8]供配電系統應遵循以下設計原則:

(1)應保障人身安全、供電可靠、技術先進和經濟合理。

(2)應按照負荷性質、用電容量、工程特點和地區供電條件，統籌兼顧，合理確定設計方案。

(3)應根據工程特點、規模和發展規劃，做到遠近期結合，在滿足近期使用要求的同時，兼顧未來發展的需要。

2.2 職成教中心負荷分級及供電要求

根據現行國家規范的相關規定[9－11]，職成教中心建筑的主要用電負荷分級為二級負荷。根據業主提供的供電條件并與當地供電公司溝通，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，最后確定校區由一回10 kV電源供電，另設自備應急柴油發電機組，作為消防及重要用電負荷的備用電源，正常電源停電時通過倒閘操作靈活供給任何有需要的用電負荷。

2.3 變壓器容量估算

職成教中心是由幾所職業中專合并組建的，籌建辦幾位具有豐富實踐經驗的老師為我們提供了每個單體建筑較為詳細的用電負荷資料，為負荷估算帶來很大幫助。文章以職專圖書樓、辦公樓、教學樓為例，對本區域1#變電所變壓器容量進行估算。

依據JGJ 310—2013《教育建筑電氣設計規范》表4.4.1，不設空調的教學樓單位面積用電指標取20 W/m2[10];圖書樓、辦公樓、教學樓內均安裝分體電空調，根據《全國民用建筑工程設計技術措施—節能專篇(電氣)》，圖書樓、辦公樓的單位面積用電指標取50 W/m2[12];分體電空調的單位面積用電指標取50 W/m2，考慮全樓的空調覆蓋面積70%，需要系數取0.4，教學樓的空調單位面積用電指標為50×0.7 ×0.4=14(W/m2)，此時教學樓的單位面積用電指標為34 W/m2。圖書樓、辦公樓面積A1+A2+A3+A4=14288 m2，教學樓面積 B1+B2=13899 m2。

對圖書樓、辦公樓計算的有功功率為Pjs1=50 W/m2×14288 m2=714400 W=714.40 kW;

對教學樓計算的有功功率為Pjs2=34 W/m2×13899 m2=472600 W=472.60 kW;

本區域變電所其余用電:中水站預留150 kW，水泵房預留100 kW，噴泉景觀、傳達室、路燈等預留50 kW，對以上用電負荷求和，得出總負荷為1487 kW。

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

計算視在容量為Sjs=1189.60 kW÷0.92(功率因數補償至 0.92)=1293.04(kVA)

1293.04 ÷0.85(變壓器最高負載率)=1521.23(kVA)

可以選擇2×800(kVA)變壓器，此時變壓器負載率為80.82%。

同理，可以計算出其他變電所供電區域的計算負荷，選擇合適容量的變壓器，變電所設置及變壓器容量見表1。

表1 變電所設置及變壓器容量

在負荷計算中，需要重視以下幾個方面:

(1)因為集中供熱較短時期內無法實現，業主要求學生宿舍安裝帶電輔助加熱功能的分體空調，計算負荷比單冷分體空調幾乎加倍，而且學生宿舍內空調負荷同時啟動的概率較大，綜合這些因素，3#變電所變壓器由最初的2×800(kVA)調整為2×1000(kVA)。

(2)一般建筑物的負荷估算比較容易，對于實訓車間，想要算出較為準確的計算負荷，則需要細致、耐心的分析計算，如常見的機加工車間與焊接車間。機加工車間的設備安裝功率較大，但需要系數及功率因數均較低，應與業主協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進行計算;焊接車間內應分清不同焊機的種類，其需要系數和功率因數差異較大，并將其額定容量換算到負載持續率為100%時的有功功率。

(3)餐廳的計算負荷一般較大，方案階段可按照單位面積用電指標進行估算。本工程業主提供了廚具公司設計的工藝流程布置及用電負荷統計表，負荷計算時乘上合適的需要系數，再加上照明、空調、其他動力等的計算負荷，即可得出較為準確的計算數據。

由表1可以看出，整個校區共安裝9臺變壓器，總安裝容量為7260 kVA。根據《城市電力規劃規范》，負荷同時率的大小，應根據各地區電網負荷具體情況確定，但均應小于1[13]。教育建筑的負荷特征非常明顯，各變電所最大負荷峰值出現的時間不同，負荷同時率取0.66，則7260 ×0.66≈4800(kVA)，開關站10 kV高壓電源進線柜可按此數據進行整定。此時，職成教中心總配變電站變壓器容量指標約為40 VA/m2，在《教育建筑電氣設計規范》供配電系統總體設計推薦的30～45 VA/m2的范圍以內[10]。

2.4 變電所設計

根據校園用地比較狹長、高差較大的現狀，結合校園規劃功能分區，變電所最初規劃了4座[14－15]。1#變電所(兼開關站，靠近主入口)設置在職專區圖書館，供電范圍為圖書樓、辦公樓、教學樓;2#變電所設置在職專區實訓綜合樓地下室，供電范圍為實驗、實訓區、體育館;3#變電所設置在職專區宿舍樓地下室，供電范圍為學生生活區;4#變電所設置在素質教育辦公綜合樓，供電范圍為素質教育及社會培訓區。

2014年4月1日，《教育建筑電氣設計規范》頒布實施，其中4.3.3條指出，附設在教育建筑內的變電所，不應與教室、宿舍相貼鄰[10]。根據條文要求，原規劃變電所位置做了相應調整，將3#、4#變電所調至鄰近的校園空地上，與學校自備應急柴油發電機房合建。另外，業主確定在體育館安裝中央空調系統，用電負荷較大，故在體育館內設計了5#專用變電所。

調整以后的變電所分布合理，供電范圍清晰，供電半徑符合規范要求，與當地供電公司溝通后得到確認，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#變電所兼開關站，內設10 kV高壓電源進線柜、計量柜、出線柜、直流屏，2臺800 kVA變壓器及相應的低壓配電柜，并預留自備應急柴油發電機組的區域配電裝置，占地面積較大，約需要240 m2，1#變電所兼開關站平面布置圖如圖2所示。

圖2 1#變電所兼開關站平面布置圖/mm

2#～5#變電所均采用負荷開關環網柜、變壓器、低壓柜組成的供配電系統，接線簡單，運行可靠。每座變電所均需預留從自備應急柴油發電機房引來的供給本區域建筑的自備應急電源配電裝置，安裝2臺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#變電所供電區域相對獨立，需要單獨核算，故沒有選擇2臺較大容量的變壓器，仍然各選擇2臺容量適中的變壓器。

2.5 自備電源設計

根據業主要求，校區設計自備應急柴油發電機組，以保證二級負荷的供電及正常的教學活動。為了避免對師生產生噪聲干擾，發電機房設置在校園空地上，與3#、4#變電所合建。

確定柴油發電機組容量時，至少應保證消防負荷最大的1棟單體建筑加上校區消防泵房(2處)、消防控制中心、信息機房等，并略加裕量，或由業主根據實際需要提出機組容量，取其大者。經初步估算，校區消防計算負荷約為250 kW;平時需要保證的生活泵房、換熱站、中水站、主要通道照明、部分廚房設備等計算負荷約為500 kW。初定2臺常載功率300 kW的柴油發電機組，單臺啟動時可保證校區消防負荷，負荷需求較大時可啟動2臺發電機組。校區用電為二級負荷，建議采用手動啟動裝置。市電恢復時，機組應自動退出工作，并延時停機。

發電機房設置校區應急電源總配電裝置，至各變電所均敷設應急電源主干電纜，變電所至本區域供電各單體建筑敷設應急電源干線電纜。

2.6 供配電系統主接線改進設計

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

圖3為2#變電所供配電系統主接線圖。2#變電所位于實訓綜合樓(C)地下室，設2臺800 kVA變壓器，設置柴油發電機組供電的應急母線段。兩臺變壓器的低壓母線段設母聯開關，低壓母線段與應急母線段設雙斷路器聯絡開關，運行狀態如下:

圖3 2#變電所供配電系統主接線圖

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荷、消防及二級負荷的主電;實訓綜合樓的消防及二級負荷的備電由應急母線段多回路配出，其他樓座如 D、E、F1、F2、N 等的備電由應急母線段單回路配出干線。

1T變壓器檢修時，1QF斷開，I段母線三級負荷回路失壓脫扣，II段母線部分三級負荷手動斷開，3QF合閘，2T變壓器通過3QF向I段母線的二級負荷供電。1T變壓器檢修完畢，3QF斷開，1QF合閘，1T恢復向I段母線供電，手動恢復三級負荷用電。同理，2T變壓器檢修時，運行狀態與前述類似。當1QF或2QF因過載或短路故障分閘時，3QF不允許自動合閘。當過渡季節或假期負荷較小時，可切除一臺變壓器，由另一臺變壓器給I、II段母線供電。

當市電停電時，手動啟動應急柴油發電機組，消防及二級負荷由應急母線段供電。此時，應急照明系統及允許中斷供電時間為毫秒級的重要場所應分別配置應急電源裝置(EPS)及不間斷電源裝置(UPS)，并應滿足容量及備用時間的要求;當市電停電應急柴油發電機組啟動以后，業主希望在發電機不過載的前提下，將應急電源盡可能接到需要的供電末端，減少臨時停電對正常教學活動的影響。此時，將1QF、2QF均斷開，I段、II段母線上的三級負荷回路失壓脫扣，5QF、6QF依次手動合閘，3QF視需要確定是否合閘，需要供電的三級負荷回路手動合閘，就可以通過倒閘操作，將應急電源供到任意用戶末端;當市電恢復時，5QF、6QF手動斷開，3QF斷開，1QF、2QF合閘，1T、2T變壓器恢復向各自母線段供電，柴油發電機組延時停機。設置5QF、6QF兩只斷路器并同時手動通斷，可有效避免市電與發電機并列運行。為了保證系統運行安全，5QF、6QF平時均斷開。

1QF、2QF、3QF之間必須設置可靠聯鎖，任何時候最多有2個斷路器合閘。5QF、6QF與1QF、2QF之間必須設置可靠聯鎖，1QF、2QF均斷開，且I段及II段母線上三級負荷回路均失壓脫扣后，5QF、6QF才能手動合閘;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，一般設計方案是在圖3主接線圖基礎上去掉5QF、6QF聯絡斷路器，市電母線段與應急母線段完全分開。配電設計時從市電母線段供消防負荷及二級負荷的主電，從應急母線段供消防負荷及二級負荷的備電，兩路電源在合適的配電末端進行雙電源自動轉換，供配電系統符合當前設計規范。不足之處是，應急母線段配出的干線主要是規范規定的消防負荷及二級負荷，不考慮三級負荷，在市電停電、自備應急柴油發電機組啟動且有裕量的前提下，大量的三級負荷(靈活、適量的需求)無法從此供配電系統中獲得電源。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荷，大大提高了學校供配電系統的可靠性和靈活性，主進開關與聯絡開關的聯鎖關系保證了整個系統的安全性和穩定性。

3 結語

文章對章丘市職成教中心的單體建筑用電負荷進行了估算，校園建筑的主要用電負荷分級為二級負荷，由一回10 kV電源供電，開關站變壓器容量指標約為40 VA/m2;結合校園規劃功能分區，確定了校區各變電所位置，區域分布合理，供電范圍清晰，供電半徑符合規范要求;對學校的供配電系統方案進行了設計和分析，在只有一路10 kV電源的情況下，設置自備應急柴油發電機組作為消防及重要用電負荷的備用電源，既保證了二級負荷備用電源的可靠性，又增加了業主使用的靈活性。

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