關(guān)于中小學(xué)校電氣設(shè)計幾個問題的思考

馬霄鵬

(中國建筑設(shè)計研究院有限公司，北京 100044)

1 新建校園建筑影響用電指標(biāo)的因素

近期在設(shè)計新建中小學(xué)校園項目時，遇到的一個困擾就是用電指標(biāo)問題，在JGJ 310-2013《教育建筑電氣設(shè)計規(guī)范》中對中小學(xué)校用電指標(biāo)有明確規(guī)定，即校園的總變電站變壓器容量指標(biāo)為20～30VA/m2，在實(shí)際設(shè)計中，根據(jù)機(jī)電設(shè)備專業(yè)、實(shí)驗室工藝、廚房工藝、體育館工藝、舞臺工藝等相關(guān)專業(yè)提供的用電需求，其總量遠(yuǎn)高于規(guī)范中要求的用電指標(biāo)。當(dāng)進(jìn)一步提出能否提供設(shè)備運(yùn)行的需要系數(shù)時，幾乎獲得了完全一致的答案，“都用，最多取0.8～0.9為系數(shù)值”，但事實(shí)真的如此嗎？需要系數(shù)到底該如何選取？基于這些疑問，筆者所在設(shè)計團(tuán)隊回訪了北京某新建成的全日制中學(xué)(已投入使用兩年)，了解日常人員的活動規(guī)律和運(yùn)行情況，并調(diào)取了2018年一年用電運(yùn)行記錄，希望通過這些調(diào)研資料解除疑惑。

該校建筑面積4.4萬m2，全年正常運(yùn)行，暑假基本無休，空調(diào)型式為VRV多聯(lián)機(jī)，設(shè)有教學(xué)樓、音樂廳、圖書館、體育館、宿舍樓、食堂等功能建筑。人員活動規(guī)律見表1。

通過對上述調(diào)研資料的分析，對人員流動、設(shè)施使用情況得出以下結(jié)論。

(1)生活區(qū)、教學(xué)區(qū)及文娛區(qū)，其主要負(fù)荷在運(yùn)行時間段上雖有交叉，但不同性質(zhì)的負(fù)荷運(yùn)行時間分段明顯，在供電方案選擇時，應(yīng)充分利用這一特點(diǎn)，選取較小的同期系數(shù)(0.3～0.5)，有效降低總體變壓器裝機(jī)容量，但末端的需要系數(shù)需根據(jù)不同負(fù)荷功能選取，取值不宜過小。

(2)對于音樂廳、體育館等大型人員密集場所，日常大型活動并不多，均為短期運(yùn)行模式，一旦使用一定會影響其他區(qū)域用電負(fù)荷的使用，此部分的需要系數(shù)應(yīng)選取較大系數(shù)，確保末端用電預(yù)留充足，在總變壓器裝機(jī)容量選擇時，不應(yīng)過分考慮這些區(qū)域的用電負(fù)荷，即選擇較小的同期系數(shù)，以避免影響計算結(jié)果。

(3)實(shí)驗室和普通教室使用上不完全重合，教室都是用來滿足教學(xué)任務(wù)的，教學(xué)期間學(xué)生不可能同時出現(xiàn)在不同教學(xué)場所，因此只要班級人員固定，普通教學(xué)樓和實(shí)驗樓各教室的使用數(shù)量就基本固定，不會出現(xiàn)全部同時使用的情況。故在這部分用電負(fù)荷計算時，筆者建議按同時使用的較大負(fù)荷計算，不應(yīng)簡單疊加。另外，實(shí)驗室工藝用電性質(zhì)均為短時工作制，用電需考慮較小的同期系數(shù)，根據(jù)不同功能實(shí)驗室設(shè)置數(shù)量，同期系數(shù)的選取一般在0.3～0.6的范圍。

人員活動規(guī)律表 表1

(4)圖書館雖然每天的運(yùn)行時間最長(8:00～21:00)，但是由于白天大部分學(xué)生和老師都在上課，圖書館的使用率低，根據(jù)校方的反應(yīng)，其用電負(fù)荷僅用到設(shè)計容量的20%，主要用電負(fù)荷集中在16:30～21:00時間段，此時間段教學(xué)用電和宿舍用電均降低，因此，可考慮較小的同期系數(shù)。

(5)廚房用電因為與教學(xué)用電重疊，應(yīng)考慮一定的用電容量。

通過上述分析，可以得出，雖然學(xué)校規(guī)模增加，用電設(shè)備的安裝容量大幅增加，但由于人員固定且活動區(qū)域較集中，只要供電方案選擇合理，整個學(xué)校的用電負(fù)荷同期系數(shù)可以取很小的值，接近規(guī)范的用電指標(biāo)。然而，需要注意的是，對于廚房、演藝工藝、體育工藝、大型實(shí)驗室工藝等大型用電負(fù)荷，在末端的需要系數(shù)選取時，均需考慮較大值(0.8～1.0)，確保末端用電容量預(yù)留充足。

為了進(jìn)一步驗證分析結(jié)果，將該學(xué)校過去一年的日用電情況和年用電情況進(jìn)行了圖表分析，考慮到學(xué)校的使用特點(diǎn)，用電負(fù)荷基本平穩(wěn)，每月抽取典型日作為樣值進(jìn)行統(tǒng)計。

統(tǒng)計結(jié)果發(fā)現(xiàn)，每日最高用電負(fù)荷(兩臺變壓器用電疊加)主要集中出現(xiàn)在9:00～18:00，與學(xué)校的上課時間基本保持一致，全年最高用電峰值達(dá)到1 000A(該校安裝了一個大型實(shí)驗設(shè)備，此用電峰值出線在設(shè)備調(diào)試期間，之后一年該設(shè)備未運(yùn)行過)，除此之外，學(xué)校白天平均用電在600～900A之間、夜間在500A以內(nèi)，7、8月份的最高用電負(fù)荷在600A以內(nèi)，全年最大用電負(fù)荷峰值為700kW，即15.7W/m2，與規(guī)范中要求的用電指標(biāo)非常接近，如果考慮變壓器的負(fù)載率，該校的運(yùn)行指標(biāo)接近規(guī)范提供的指標(biāo)的上限值。由于前期設(shè)計階段各工藝提供的用電需求比較高，又沒能提供較準(zhǔn)確的需要系數(shù)，加之對學(xué)校的運(yùn)行情況不是很了解，同期系數(shù)按常規(guī)0.8～0.9的范圍取的下限值，計算負(fù)荷與設(shè)備安裝容量的綜合比值達(dá)到0.6，選擇了兩臺2 000kVA的變壓器，計算負(fù)載率為70%，而實(shí)際運(yùn)行中，變壓器負(fù)載率幾乎沒有超過20%的情況，從實(shí)際運(yùn)行情況看，其最大運(yùn)行值在規(guī)范規(guī)定的變壓器用電指標(biāo)范圍內(nèi)。

根據(jù)上述的統(tǒng)計分析以及調(diào)研結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)項目的實(shí)際運(yùn)行值與設(shè)計值存在很大偏差。究其原因，筆者總結(jié)了以下幾點(diǎn)。

(1)在前期各設(shè)備專業(yè)及專項工藝設(shè)計給電專業(yè)提供用電需求時，為保險起見，都會習(xí)慣性的按用電負(fù)荷的上限值提需求，有些保守的設(shè)計師還會在此基礎(chǔ)上再乘以保險系數(shù)(數(shù)值為1.1～1.2)。

(2)設(shè)備專業(yè)和專項工藝設(shè)計并不了解設(shè)備的實(shí)際使用情況，無法提供準(zhǔn)確的需要系數(shù)，電氣設(shè)計人員在對學(xué)校運(yùn)行情況不了解的情況下，只能根據(jù)常規(guī)的同期系數(shù)取值選取，同期系數(shù)一般按0.8～0.9選取(可參見《工業(yè)與民用供配電設(shè)計手冊》第四版)，由此造成計算結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行偏離較大。

(3)有些電氣設(shè)計人員在設(shè)計時，為保險起見，還會在計算值的基礎(chǔ)上增大設(shè)計值，導(dǎo)致設(shè)計值與實(shí)際值的進(jìn)一步偏離。

(4)過分強(qiáng)調(diào)電源深入負(fù)荷中心，分區(qū)供電，導(dǎo)致變配電室設(shè)計分散，很難利用學(xué)校不同時段用電負(fù)荷的特點(diǎn)，降低總變壓器的裝機(jī)容量。變配電室設(shè)計的數(shù)量越多越分散，變壓器總用電指標(biāo)越難以接近規(guī)范中推薦的指標(biāo)范圍，因此在供電半徑允許的條件下，變壓器設(shè)計盡量合并，可以最大限度地利用設(shè)備運(yùn)行時間差，提高變壓器的利用率。

(5)由于中小學(xué)校用電負(fù)荷以三級負(fù)荷為主，設(shè)計計算時，變壓器負(fù)載率可適當(dāng)調(diào)高至75%～80%。

(6)在設(shè)備專業(yè)及工藝設(shè)計提供用電需求時，應(yīng)向相關(guān)設(shè)計人盡可能多地了解設(shè)備的使用情況和設(shè)計思路，這能有效幫助判斷需要系數(shù)合理的取值范圍。

2 關(guān)于短路電流計算的重要應(yīng)用

短路電流的計算方法在《工業(yè)與民用供配電設(shè)計手冊》第四版有詳細(xì)講解，因此本文只在此再一次強(qiáng)調(diào)計算短路電流的重要性。眾所周知，短路電流計算復(fù)雜，設(shè)計時，有時僅憑經(jīng)驗按“高分?jǐn)嗄芰x取斷路器、適當(dāng)放大一級電纜截面來規(guī)避短路電流”的計算方式，并不能有效避免斷路器短路保護(hù)靈敏度和電纜熱穩(wěn)定問題的出現(xiàn)。

2.1 不可忽視的斷路器短路保護(hù)的靈敏度校驗

由于校園建筑變配電室設(shè)置相對集中，而各單體建筑設(shè)置比較分散，造成供電的低壓電纜距離長，電纜末端的單相短路電流小，從而影響變配電室出線柜斷路器短路保護(hù)動作的靈敏度，故需要對斷路器做靈敏度校驗，根據(jù)JGJ 16-2008《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》第7.6.3條的規(guī)定，低壓斷路器的靈敏度應(yīng)為(TN系統(tǒng))保護(hù)線路預(yù)期單相短路電流大于1.3倍斷路器瞬時整定電流。在某實(shí)驗中學(xué)的設(shè)計中，分別對該項目的5#辦公樓、10#學(xué)生宿舍樓、11#教師宿舍樓、西大門進(jìn)行了靈敏度校驗的計算，其中西大門電源取自5#樓低壓配電柜，計算結(jié)果如表2所示。

靈敏度校驗計算 表2

在計算時，發(fā)現(xiàn)斷路器長延時整定電流相同，電纜截面相同的5#樓和10#樓，由于供電距離不同，在靈敏度校驗時，得到了完全不同的校驗結(jié)果，西大門雖然總體供電距離長，但由于其電源由5#樓低壓電源柜供電距離只有20m，故西大門電源側(cè)上級開關(guān)可以滿足靈敏度要求。

通過分析計算中對靈敏度校驗結(jié)果有影響的幾個因素，包括變壓器高壓側(cè)系統(tǒng)短路容量、變壓器安裝容量、變壓器短路阻抗值、供電距離、設(shè)備容量(斷路器脫扣器長延時整定值)、脫扣器瞬動電流整定倍數(shù)，電纜截面等，可以得出：當(dāng)?shù)蛪号潆娤到y(tǒng)設(shè)計確定后，除可以調(diào)整的就是瞬動電流整定倍數(shù)和電纜截面外，其他幾個因素固定不變，可以通過調(diào)大電纜截面的方式減小單相短路電流值，即將電纜截面從185 mm2增加到240 mm2，發(fā)現(xiàn)對靈敏度系數(shù)有改善但不明顯；當(dāng)把開關(guān)的瞬動電流整定倍數(shù)由10倍調(diào)整到6倍時，即可滿足靈敏度校驗的要求。此外在整個校驗過程中，一般在供電電纜長度超過100m后，斷路器短路保護(hù)的靈敏度問題開始突顯，因此，建議低壓供電電纜長度超過100m以上的配電回路要特別注意進(jìn)行斷路器短路保護(hù)的靈敏度校驗。

2.2 不可忽視的低壓電纜熱穩(wěn)定校驗

在計算過程中與靈敏度校驗相輔相成的是電纜的熱穩(wěn)定校驗，電纜熱穩(wěn)定校驗與三相短路電流有效值有很大關(guān)系，根據(jù)JGJ 16-2008《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》第7.6.3條第1款的規(guī)定，導(dǎo)體允許通過短路電流的最小線芯截面與通過的三相短路電流有效值成正比，與絕緣材料K值成反比，與短路持續(xù)時間的平方根成正比。當(dāng)導(dǎo)體和開關(guān)形式選定后，后兩個參數(shù)基本固定，由此可知，電纜截面越大，允許通過的短路電流越大，換言之，短路電流越大，電纜截面就要越大，這也就是前面說到的，為了簡化設(shè)計，通過放大電纜截面規(guī)避短路電流計算的“依據(jù)”。那么實(shí)際如何呢？

要滿足電纜截面的熱穩(wěn)定，一種方法是增大電纜截面，一種方法是減小該處的短路電流。增大電纜截面很簡單，但是電纜截面越大，短路電流越大，有時電纜截面放大兩級都無法滿足熱穩(wěn)定的校驗，那么減小短路電流是不是一個有效的方法呢？又可以調(diào)整哪些參數(shù)來實(shí)現(xiàn)呢？

低壓配電系統(tǒng)中影響短路電流的因素很多，主要包括：高壓側(cè)系統(tǒng)短路容量、變壓器安裝容量、變壓器短路阻抗值、供電距離、導(dǎo)體類型、導(dǎo)體截面等，但當(dāng)?shù)蛪号潆娤到y(tǒng)確定后，影響某處短路電流大小的可調(diào)節(jié)參數(shù)并不多，供電距離和導(dǎo)體截面可以有效調(diào)整某處的短路電流值。由于越靠近變壓器，短路電流越大，對電纜截面熱穩(wěn)定要求越高，因此筆者所在單位重點(diǎn)校驗了項目中變配電室內(nèi)設(shè)置的配電箱，該項目變壓器裝機(jī)容量1 600kVA，變配電室內(nèi)所用電源箱(20kW)，設(shè)置位置距低壓出線柜的電纜長度8m，該回路低壓斷路器脫扣器長延時整定值50A，斷路器動作時間取0.06s，電纜選用交聯(lián)聚乙烯銅芯電力電纜，最初電纜截面選用16mm2,對其進(jìn)行熱穩(wěn)定校驗，校驗結(jié)果如下如表3所示。

校驗結(jié)果 表3

通過表3的計算結(jié)果可以看到，當(dāng)用電設(shè)備距離變電室足夠近時，簡單利用放大電纜截面的方法是無法通過熱穩(wěn)定校驗的，而增加供電電纜長度，可以有效調(diào)整熱穩(wěn)定的校驗值。配電箱設(shè)置距離電源越近，電纜熱穩(wěn)定校驗的問題越突出，因此，建議對靠近變配電室用電設(shè)備重點(diǎn)進(jìn)行電纜的熱穩(wěn)定校驗。

3 結(jié)束語