Electrical Concept Verification Based on SIMARIS Design

韓愚拙

(中衡設計集團股份有限公司，江蘇 蘇州 215021)

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Electrical Concept Verification Based on SIMARIS Design

基于SIMARIS design軟件的電氣方案校驗

韓愚拙

(中衡設計集團股份有限公司，江蘇 蘇州 215021)

Taking a preliminary design of Science&Technology Park as an example,In this design are selected unit area power method and unit index method are chose to calculate the equipment load and the capacity of transformer, low-voltage cireuit breakers and cables are slected under rated operating conditions to determine the power distributing.For above scheme,the SIMARIS design software is used to make the module of this system and simulation, and discuss the rationality of the test,upper and lower coordination of breaker,short circuit breaking capacity.

SIMARIS design software， simulation， module， power distribution scheme

0 引言

隨著現代項目體量的不斷增大，電氣設計的工作量也不斷增加，在時間緊、任務重的前提下，精細的供配電系統校驗及整定往往被簡化甚至忽略，而SIMARIS design軟件可以對配電系統進行快速建模和仿真，通過與設計順序相反的建模順序，可以很好地驗證電氣方案及各參數的合理性。

1 項目概述

本工程為無錫某科技園一期項目，總建筑面積27 409m2，擬建科研配套塔樓(公寓性質)2棟，面積共計10 680m2；研發辦公塔樓(辦公性質)2棟，面積共計10 472m2；四座塔樓共用裙房為配套商業用房，面積共計6 257m2。

2 供配電系統設計

2.1 負荷計算

在初步設計階段，通常采用單位面積功率法和單位指標法估算整個項目的負荷容量。

單位面積法計算有功功率的公式為：

(1)

單位指標法計算有功功率的公式為：

(2)

根據業主需求并結合《工業與民用供配電設計手冊》第一章內容可確定本工程的用電指標(見表1)。

表1 某科技園項目有功功率計算表

注：表中的需要系數參考《工業與民用供配電設計手冊》表1～13取值。

根據江蘇省電力公司規定，在變壓器低壓側設置電容補償后的功率因數應≥0.95，所以此處初步設計時不妨取cosφ=0.95，則本工程的計算負荷為：

(3)

考慮變壓器運行的安全、可靠及經濟性，取變壓器負荷率為0.85，則本項目一期工程變壓器安裝容量為：

(4)

綜上所述，本期工程擬設置2×1 250kVA變電所一座并預留后期變壓器位置。

2.2 供配電系統

本工程科研配套塔樓、研發辦公塔樓屬于二類高層公共建筑，其中應急照明、消防水泵、防火卷簾、消防控制中心等消防負荷屬二級負荷，采用雙路供電并在末端自投；弱電中心、生活水泵、普通電梯、地下潛污泵、塔樓主要通道等的公共區域照明也屬于二級負荷,采用雙路供電；其余普通照明、普通動力等負荷屬于三級負荷，采用單電源供電。本項目采用兩路20kV進線供電，高壓側不設聯絡開關，平時每路電源各承擔總用電負荷的50%左右，當任一路電源因故停電時，則通過0.4kV側的聯絡開關將全部一、二級負荷交由另一路20kV電源。本項目的供電系統示意圖如圖1所示。

圖1 供電系統示意圖

2.3 變電所低壓柜配置

各設備用房由變電所直配；裙房商業按區域設置計量總箱；兩棟科研配套塔樓和兩棟辦公塔樓各配置1根630A三相五線制密集母線，并按樓層設置計量總箱，樓層計量箱直接從母線上插接取電；每棟塔樓設置一個普通照明配電箱、一個保障照明配電箱和一個應急照明配電箱。變電所TA1變壓器低壓柜1AN1～4分別為低壓側主進線柜、電容補償柜(三相補償280kvar)、電容補償柜(單相分補160kvar)和母聯柜；TA2變壓器低壓柜2AN1～3分別為低壓側主進線柜、電容補償柜(三相補償280kvar)、電容補償柜(單相分補160kvar)。變壓器TA1和TA2的出線柜為1AN5～1AN8和2AN4～1AN7，詳細內容見表2～3。

3 基于 SIMARIS design的建模仿真

3.1 SIMARIS design軟件簡介

SIMARIS design是由西門子公司提供的一款專業電力系統設計及仿真軟件，能設計從中壓開始一直到墻壁開關插座的完整系統。整個設計環境全部基于真實的產品，并嚴格遵循所有相關標準(VDE, IEC)。同時，該軟件提供配電網絡計算功能(可以自由定義網絡運行方式和開關狀態)，內容包括短路電流、負荷電流、電壓降、能量消耗的計算，且在網絡計算過程中自動考慮了人身電擊防護、過載和短路保護。

3.2 配電系統模型搭建

SIMARIS design系統內提供了豐富的組件，如果不計算時間成本，建模可以做到盡可能的接近實際情況，將每個末端點位、每個分配電箱、每根電纜的長度都體現在模型中，但這樣的建模過程太過復雜，工作量較大，顯然和本文所希望達到的目標相悖。

表2 變壓器TA1出線柜參數明細

既然希望提高電氣校驗的效率，那么，在不犧牲太多精度的前提下，可以做如下簡化：1)建模時只到變電所直配的第一級配電箱；2)所有配電箱采用“虛擬負荷”代替；3)所有配出電纜按照本工程內變電所至最遠配電箱的距離考慮，取50m；4)將負荷特性都認為是阻抗性負載。

“虛擬負荷”是SIMARIS design中的一個模塊，模塊的設置如圖2所示，僅設置每個直配配電箱總的有功功率及功率因數來代替末端配出的所有點位及分箱。此處規定照明負荷的需要系數取0.8，功率因數cosφ=0.85；動力負荷的需要系數取0.85，功率因數cosφ=0.7。

圖2 虛擬負荷設置界面

根據上述規定，將表1及表2的參數用SIMARIS design系統內的模塊進行組合，可構成了本項目的仿真模型(部分模型見圖3)。

3.3 仿真結果分析

經過軟件自動的配電網絡選型計算可得整個網絡的設備選型、各個節點的短路電流及開關的上下級配合關系。對于仿真結果與初步設計的對比可分為兩類，一類是已驗證了初步設計，另一類是與初步設計有所出入。

表3 變壓器TA2出線柜參數明細

圖3 部分仿真模型截圖

圖4 仿真結果中的變壓器選型

1)得到仿真驗證的初步設計

根據圖4所示的變壓器選型可知，初步設計中選擇2×1 250kVA的變壓器配置是合理的。

以SS1-1AN5-5出線回路斷路器為例，圖5為該出線斷路器和變壓器低壓總斷路器之間的保護選擇性曲線圖，可以看出，在變壓器低壓柜這一級，斷路器上下級實現了完全選擇性。

圖5 斷路器選擇性曲線

通過一一對比仿真和初步設計參數后發現，大多數斷路器整定值和電纜截面是吻合的。

以SS1-1AN5-5出線回路為例，圖6為配電箱處電壓損失的計算，筆者檢查后發現，即便所有回路按照最遠供電距離50m計算，各回路電壓損失仍然能夠控制在絕對值的5%以內。

圖6 電壓損失計算結果

2)經過驗證產生出入的初步設計

根據仿真結果，變壓器低壓柜垂直母排處的短路電流為29.933kA，因此選用短路分斷能力為55kA的塑殼斷路器偏高，可改為選用36kA分斷能力的塑殼斷路器。

在對比仿真結果和初步設計時，筆者發現初步設計中所有截面積小于YJV-5×6mm2的電纜在仿真結果中都被改為YJV-5×10mm2，究其原因，筆者認為這是為了方便通過短路熱穩定的校驗。

低壓電纜熱穩定允許的最小截面積應按照式(5)計算。

(5)

式中，I為預期短路電流有效值(本文取29.933kA)；k為計算系數(本文取143)；t為短路電流持續時間(即短路分斷時間，本文考慮上下級級差后取0.1s)。經過計算可知最小電纜截面積應>6.7mm2，應選擇YJV-5×10mm2的線纜作為出線電纜。

SIMARIS design可將詳細的仿真結果進行輸出，整個仿真所做的計算參照的規范和標準會一一列出作為設計的可靠依據。

3.4 仿真誤差分析

由于在仿真時力求便捷，在建模的條件上做了諸多簡化，所以仿真的結果會存在一定的誤差，此處筆者列舉幾處做定性分析，供大家討論。

1)饋線電纜按照最遠距離選擇，會使得末端配電箱處的短路電流偏小，對末端微型斷路器的短路分斷能力的選擇可能會造成困擾，針對本項目，筆者觀察到末端配電箱處的短路電流在2～3.5kA范圍內，那么選擇常用的6kA分斷能力的微型斷路器仍然可在滿足要求的前提下留有很大的余量。

2)大量使用虛擬負荷對于功率因數的計算會造成影響，尤其是對電動機負荷較多的工業項目，這種方式并不一定適用，但是對于公建項目來說該方式尚可接受。

4 結束語

本文結合筆者所做的某科技產業園項目的初步設計，利用西門子公司SIMARIS design軟件對該初步設計進行建模仿真，通過對比并分析仿真結果與初步設計之間異同，達到對本初步設計進行電氣校驗的目的。筆者水平有限，僅在此提出一些思路供同行探討，未盡事宜還望指教。

[1] JGJ 16-2008 民用建筑電氣設計規范[S]. 北京: 中國建筑工業出版社, 2008.

[2] 中國航空工業規劃設計研究院. 工業與民用配電設計手冊(第三版)[M]. 北京: 中國電力出版社, 2012.

[3] 葛大麟，戴天鷹，何友林. 西門子SIMARIS design工具軟件及其在低壓配電系統設計中的應用[J]. 電氣應用，2007,26(3)：16-20.

[4] 張宗合，戴天鷹，何友林等. 西門子SIMARIS design工具軟件及其在低壓配電系統校核中的應用[J]. 低壓電氣，2007(18)：45-48.

Han Yuzhuo

以某科技園的初步設計為例，采用單位面積功率法和單位指標法進行對設備的負荷計算，確定變壓器的容量；按照額定工作條件選擇低壓斷路器及電纜，確定電氣供配電方案。針對上述方案，利用SIMARIS design軟件進行建模仿真，校驗方案的合理性及斷路器的上下級配合、短路分斷能力等重要電氣指標。

SIMARIS design軟件 仿真 模型 電氣供配電方案