西湖大學(xué)云棲校區(qū)實(shí)驗(yàn)樓二次改造工程配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

余海闊， 盧鵬程

（西湖大學(xué)，杭州310024）

1 概況

1.1 工程概況

西湖大學(xué)云棲校區(qū)坐落于杭州市西湖區(qū)云棲小鎮(zhèn)，原為工業(yè)廠房建筑，配電干線系統(tǒng)（從10kV配電室至各棟樓樓層總箱的0.4kV干線）已完成施工。總建筑面積約10萬m2，地下1層，地上為7棟高層建筑，均為7層，建筑高度29.8m，一次改造工程將其改造為4棟科研樓、1棟行政辦公樓及2棟公寓樓。

其中，行政辦公樓和公寓用戶明確、功能確定，不在本文探討范圍內(nèi)；4棟科研樓平面區(qū)位見圖1。

變配電室位于3#樓地下一層，安裝變壓器6臺(tái)，總?cè)萘? 200kVA，投入使用前的負(fù)荷表見表1。

科研樓普通用電的配電方式為樹干式和放射式相結(jié)合，采用三相五線密集型母線槽作為低壓干線系統(tǒng)，由變配電室經(jīng)電井引至各層總配電箱，再放射式配至各區(qū)。各實(shí)驗(yàn)區(qū)設(shè)計(jì)負(fù)荷密度在200W／m2左右。以上內(nèi)容在二次改造設(shè)計(jì)前均已完成施工并通電運(yùn)行。圖2為投入使用時(shí)2#樓的局部干線系統(tǒng)圖（南樓電井A普通用電部分）。

二次改造前變壓器負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表 表1

圖1 西湖大學(xué)云棲校區(qū)科研樓平面區(qū)位

4棟科研樓共包含130個(gè)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室及數(shù)十個(gè)公共實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，總用戶數(shù)量預(yù)計(jì)200個(gè)左右，主要學(xué)科為生物學(xué)、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、工學(xué)、理學(xué)等。而在一次改造設(shè)計(jì)時(shí)，能夠確定的用戶僅十余個(gè)。在投入使用后的幾年內(nèi)，其余用戶將無規(guī)律的陸續(xù)入駐，其實(shí)際的用電需求要根據(jù)用戶最終采購的實(shí)驗(yàn)設(shè)備來確定，故沒有確定且明顯的規(guī)律可循。

1.2 配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的困難

本工程配電系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)面臨一些特殊的困難，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）一次改造已完成施工，總配電容量不足且無法擴(kuò)大，各棟樓的低壓配電干線改造難度較大、改造空間也有限。但一些重要實(shí)驗(yàn)室（如先進(jìn)微納加工與測試平臺(tái)、冷凍電鏡平臺(tái)、合成化學(xué)實(shí)驗(yàn)室等）用電需求極大，雖然部分樓棟配置的容量有富余，但限于樓棟距離和施工空間，很難考慮借用。如考慮由低壓柜放射式配出，又缺少足夠的出線開關(guān)。

圖2 2#樓（工學(xué)樓）局部干線系統(tǒng)圖

（2）科研樓涉及眾多學(xué)科，且涉及許多前沿學(xué)科和交叉學(xué)科，用電需求無明顯規(guī)律可循，差異極大，只能根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

目前各區(qū)域設(shè)計(jì)容量基本為均勻配置，用電需求較大的工學(xué)樓、理學(xué)樓離配電室較遠(yuǎn)，由于改造工程的緊迫性，每次改造設(shè)計(jì)都是以實(shí)驗(yàn)室為單位進(jìn)行單個(gè)考量，很難統(tǒng)籌考慮。在進(jìn)行每個(gè)子項(xiàng)改造的時(shí)候，還需要盡可能減小對(duì)周邊已投入使用區(qū)域用電的影響。

（3）母線槽容量有限且無預(yù)留插口，母線槽上的增容空間有限。而隨著用戶的增多，越往后越可能面臨新的困難，如變配電室總?cè)萘坎蛔恪⒌蛪撼鼍€柜出線數(shù)量不足、電纜通道不足、施工過程中鄰近區(qū)域停電有限制等。

（4）用戶無法預(yù)估實(shí)驗(yàn)設(shè)備同時(shí)使用率，需要設(shè)計(jì)人員靈活選取需要系數(shù)。

2 低壓配電系統(tǒng)的二次改造

基于以上情況，設(shè)計(jì)人員在每一個(gè)單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)室改造工程中，均需根據(jù)實(shí)際情況合理制定低壓配電系統(tǒng)改造方案。

2.1 二次改造方案分析

工程投入使用后，因區(qū)域用電容量不足需要增容時(shí)，通常有以下方案可供選擇。

方案一：在母線槽上增加出線，因無預(yù)留插口，本工程不適用。

方案二：擴(kuò)大或增加區(qū)域配電箱容量，樓層總配電箱容量不變，僅適用于容量增加量較小的情況。

方案三：更換母線插接箱及樓層總配電箱內(nèi)的相關(guān)元件，擴(kuò)大樓層總配電箱的容量并增配出線，適用于容量增加量較大的情況。

方案四：采用放射式配電方式從變配電房增加出線，適用于容量增加量非常大的情況。

受制于各種條件，不同的解決方案將會(huì)面臨不同的困難。下面筆者將結(jié)合二次改造實(shí)例對(duì)以上方案進(jìn)行分析，并回溯一次設(shè)計(jì)，探討其中的經(jīng)驗(yàn)和不足之處。

2.2 二次改造實(shí)例

（1）改造工程一：較小量增容（對(duì)本工程為0～50kW）

某實(shí)驗(yàn)室在本層最先入駐，用電需求增容30kW，本樓層總箱額定功率 110kW，取Kx＝0.6，cosφ＝0.85，Ijs＝118A。

因增量較小，現(xiàn)按方案二核算：樓層總箱額定功率Pe＝140kW， 仍取Kx＝0.6，cosφ＝0.85，得Ijs＝150.2A；配電母線（P16-7回路）總?cè)萘縋e＝350kW，仍取Kx＝ 0.5，cosφ ＝ 0.85，則有Ijs＝312.9A，如其余樓層不再增加P16-7回路負(fù)荷，母線容量可滿足要求。

對(duì)于較小量的增容（0～50kW），一般采用此方案，需核算樓層總箱的容量增加量及配電母線容量。因樓層總箱需要系數(shù)已取較低值，本層后續(xù)入駐用戶不宜再通過本層總箱增容；如條件允許，應(yīng)安排用電需求較小的實(shí)驗(yàn)室選用本層（如研究課題為數(shù)學(xué)、理論物理等方向的實(shí)驗(yàn)室）。

（2）改造工程二：較大量增容（對(duì)本工程為50～100kW）

2#樓某實(shí)驗(yàn)室位于西南角，在本層最先入駐，需增容70kW，配電母線為圖2中P16-6回路，已有負(fù)載455kW，取Kx＝0.5，cosφ＝0.85，計(jì)算電流Ijs＝406.7A。本樓層總箱額定容量125kW。

如采用方案二，在本層其余房間需求未定的情況下，本樓層總配電箱的總?cè)萘繉O有可能超過設(shè)計(jì)值，存在將來需要再次改動(dòng)樓層總配電箱的可能性，且施工時(shí)還會(huì)造成本層所有區(qū)域用電中斷。而此區(qū)域在整個(gè)地塊內(nèi)距離變配電房的距離最遠(yuǎn)，如采用方案四，成本及施工難度均較大。

故本次改造采用方案三，并做以下改造設(shè)計(jì)：樓層總箱增加出線，插接箱內(nèi)斷路器更換（整定值250A／3P），樓層總箱及進(jìn)線電纜相應(yīng)更換。則樓層總箱額定功率Pe＝195kW，取Kx＝0.7，cosφ＝0.85，得Ijs＝244A；P16-6回路母線總負(fù)荷 325kW，取Kx＝0.5，cosφ＝0.85，得計(jì)算電流Ijs＝290.6A。如本樓層后續(xù)用戶及本回路其他樓層用電不再增加，則滿足要求。

（3）改造工程三：超大量增容（對(duì)本工程為100kW以上）

4#樓一層2間實(shí)驗(yàn)室各需增容200kW，屋頂增加潔凈空調(diào)設(shè)備500kW，增加容量過大，只能選擇方案四。經(jīng)核算，選擇在相對(duì)負(fù)載率較低的2臺(tái)1 600kVA變壓器所帶出線柜中，配出2路800A出線。

（4）改造工程四：先進(jìn)微納加工與測試平臺(tái)配電系統(tǒng)

先進(jìn)微納加工與測試平臺(tái)位于2#樓北樓一層，占地面積462m2，因?qū)諝鉂崈舳取貪穸鹊戎笜?biāo)的要求較高，根據(jù)擬采購設(shè)備參數(shù)和空調(diào)設(shè)備等參數(shù)統(tǒng)計(jì)，本工程普通用電功率為821kW，負(fù)荷密度高達(dá)1 777kW／m2。其配電干線系統(tǒng)如圖3所示，圖中負(fù)荷均為新增。因增加功率過大，全部考慮由配電室放射式配至現(xiàn)場。此區(qū)域在改造前將原有的配電設(shè)備拆除，母線槽上可以多出一些容量供2～4層實(shí)驗(yàn)室取用。

圖3 先進(jìn)微納加工與測試平臺(tái)配電干線系統(tǒng)圖

為配合改造工程三、四，需在配電室內(nèi)增加低壓出線柜。因T3和T4變壓器所承擔(dān)的辦公樓、公寓樓實(shí)際負(fù)荷密度比科研樓小很多，容量有一定富余；而且一旦變壓器容量不足時(shí)，選擇性切除辦公和公寓用電可以將學(xué)校損失降到最低，又考慮到兩路10kV電源的均勻配置以及一路10kV電源停電的情況，本次增加的2臺(tái)低壓出線柜分別由T3和T4變壓器提供電源。

雖然T1變壓器的設(shè)計(jì)負(fù)載率也較低，但考慮到工學(xué)樓用電負(fù)荷較大且面積較大，盡量不考慮新增出線。在地下車庫增加電纜橋架，在樓棟內(nèi)選取角落區(qū)域重新開辟電纜通道。經(jīng)過與相關(guān)區(qū)域協(xié)調(diào)停電施工時(shí)間，工程得以順利實(shí)施。

在2019年夏季的用電高峰期，學(xué)校的配電系統(tǒng)運(yùn)行可靠，且在管理人員的配合下，在一次單路10kV停電和一次主開關(guān)故障的情況下仍保證了正常供電。目前看來，本次電力改造保證了各實(shí)驗(yàn)室的順利運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到了預(yù)期目的。

2.3 輔助性措施

（1）配電系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測因?qū)嶋H情況所限，改造中在計(jì)算樓層總配電箱和母線槽的容量時(shí)，往往需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將需要系數(shù)取得較低。但本工程對(duì)用電可靠性的要求較高，計(jì)劃外的停電往往會(huì)造成貴重設(shè)備損壞或重要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)丟失，存在隱患。

因此，本工程設(shè)置了一套電力計(jì)量管理系統(tǒng)，采用多功能表及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，對(duì)高低壓系統(tǒng)各級(jí)的電氣參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并設(shè)置報(bào)警和短信通知功能，在異常情況下及時(shí)提醒管理人員，同時(shí)方便設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)能夠最合理地分配容量。

（2）合理分配用戶空間

在給用戶分配空間時(shí)，應(yīng)根據(jù)其使用功能統(tǒng)籌考慮，將用電需求較大的用戶分配到不同的樓層、樓棟。如本層存在用電量較大的實(shí)驗(yàn)室，則考慮將余下區(qū)域用作用電需求較小的數(shù)學(xué)、理論物理及數(shù)據(jù)分析等方向的實(shí)驗(yàn)室，保證樓層的預(yù)留容量充足且不浪費(fèi)。

除此之外，通過管理手段錯(cuò)開用電時(shí)間、對(duì)于大電量設(shè)備采取提前報(bào)備的方式以減少用電浪費(fèi)等措施，對(duì)整個(gè)配電系統(tǒng)可靠運(yùn)行也起到了一定作用。

2.4 分析

從實(shí)測數(shù)據(jù)來看，本工程出現(xiàn)了部分樓棟、樓層容量嚴(yán)重不足而其余樓棟、樓層容量又有較大富余的現(xiàn)象。究其原因，筆者認(rèn)為是由于一次設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員在總用電容量不足、需求不夠明確的前提下，未能根據(jù)學(xué)科差異預(yù)估容量配置，而是均攤配電容量導(dǎo)致的，這種方法建議不可取。從已投入使用的幾十個(gè)實(shí)驗(yàn)室用電情況來看，可將不同方向的實(shí)驗(yàn)室用電需求大致歸納如表2所示。

不同研究方向?qū)嶒?yàn)室實(shí)際負(fù)荷密度統(tǒng)計(jì) 表2

3 結(jié)束語

根據(jù)以上分析，本文對(duì)此類科研建筑的配電系統(tǒng)一次設(shè)計(jì)和二次改造設(shè)計(jì)總結(jié)了以下經(jīng)驗(yàn)。

（1）對(duì)于用戶需求漸次確定的科研類建筑，在一次設(shè)計(jì)時(shí)，配電干線不宜采用預(yù)分支電纜或者T接形式，應(yīng)采用密集型母線槽，且應(yīng)預(yù)留一定容量并在每層預(yù)留插口，以供后期改造之需。

（2）應(yīng)注意搜集已運(yùn)行的同類型建筑的運(yùn)行參數(shù)，在計(jì)算區(qū)域和樓層用電量時(shí)可以作為最接近實(shí)際情況的參照，據(jù)此合理選取功率密度和需要系數(shù)。

（3）設(shè)置電力計(jì)量管理系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，為改造提供準(zhǔn)確可靠的依據(jù)，使設(shè)計(jì)人員無后顧之憂，同時(shí)也降低各級(jí)配電系統(tǒng)發(fā)生過載跳閘的風(fēng)險(xiǎn)。

（4）在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)深度了解現(xiàn)場情況，做好預(yù)期，盡量全盤考慮。尤其在前期，應(yīng)特別注意選擇合理的改造方案，盡量做到不浪費(fèi)，否則各項(xiàng)微小的浪費(fèi)累積到最后可能造成變壓器增加、電氣用房增加等較大改動(dòng)，增加后期改造難度的同時(shí)也造成了不必要的浪費(fèi)。建議設(shè)計(jì)師多駐場設(shè)計(jì)，或者配備專業(yè)的管理人員深度參與設(shè)計(jì)。

（5）應(yīng)結(jié)合管理措施，綜合考慮，合理規(guī)劃，降低設(shè)計(jì)難度。