低碳背景下建筑電氣供配電系統設計要點簡析

李興葆

（中國建筑技術集團有限公司）

0 引言

供配電系統設計是建筑電氣設計工作中的主要內容，供配電系統的正確搭建是整個項目能夠正常運行的重要環節，在國家大力倡導2030碳達峰和2060碳中和的“雙碳”目標的背景下，廣大電氣設計工作者在進行供配電系統設計時應將低碳設計理念融入到整個設計過程當中，在合理搭建供配電系統的同時，結合正確的負荷計算與滿足節能標準的設備選型，來實現整個供配電系統的節能減碳目標。

1 電氣系統方案

1.1 電壓選擇

電源引入端供電電壓的確定一般需要考慮多種因素，主要包括用電設備特性、用電容量、供電距離、供電回路數量、用電單位遠景規劃、當地電網情況、引入電源的經濟合理性等。一般情況下，當設備安裝容量在250kW及以上時應考慮采用10kV或20kV系統供電［1］。

在經濟技術合理的情況下，提高電壓等級可以提高電網輸送能力，增大供電半徑，降低系統損耗，實現減碳目標。設計中如果出現兩個或多個電壓等級可選的情況時，在滿足技術經濟合理的情況下，應優先選用高電壓等級電源。如暖通專業在選用制冷機組時，電氣專業應提出合理建議，對容量較大的制冷機組，建議直接采用10kV機組，以降低變壓過程中產生的損耗。

1.2 負荷中心與供電半徑

變電所宜設在負荷中心或靠近大功率的用電設備處，以縮短供電半徑。當建筑物內有多個負荷中心時，應進行技術經濟比較，合理設置變電所。

民用建筑低壓供電半徑一般不宜超過300m。供電半徑過大可能造成電壓損失過大或保護開關不能保護線路末端短路。對于建筑高度超過100m的超高層建筑，可以通過技術經濟比選合理確定變電所的位置，超高層建筑的變電所可分散設置在地下室、避難層等場所。

1.3 負荷平衡

在進行設備選型時，盡量選擇三相對稱的用電設備。如單相設備較多時，應盡量將單相負荷均勻分布在三相上，使得三相負荷的不平衡度小于15%。對于容量較大的供電線路（一般線路電流大于60A時），建議采用三相供電方式。

1.4 雙回路或多回路供電情況

當系統方案為雙回路或多回路供電時，宜選擇由雙回路或多回路電源在平時正常使用時同時承擔負荷，相當于增加了承載電流的線纜截面，降低了線纜上的能源損耗。

2 電氣負荷計算

對于不同設計階段，電氣負荷計算所采用的計算方式是不同的。方案設計階段的電氣負荷計算可采用單位指標法確定變壓器的容量和數量；初步設計和施工圖階段則應采用需要系數法進行更詳細的計算［2］。

2.1 單位指標法

單位指標法即采用規范或技術措施等技術文件所列出的典型場所的經驗用電指標，乘以項目的建筑面積，用以估算出整個項目的用電容量或變壓器裝機容量。

對于單位指標法應用時應注意，規范或技術措施中所列的用電指標是一個范圍值，該指標數值受地理位置、氣候條件、建筑規模、能源種類、地區發展水平等多因素影響，在實際使用過程中，應根據項目具體情況來選取。

2.2 需要系數法

在工業與民用建筑電氣設計中，進行負荷計算時，需要系數法是常用的一種方法，通過設備功率乘以需要系數和同時系數，以求得計算負荷。需要系數法在進行負荷計算時需要注意以下幾點問題：

1）照明負荷在進行統計容量時，應加上其附屬設備的容量。比如氣體放電燈、金屬鹵化物燈的容量應為燈泡的功率加上鎮流器的功耗。

2）用電設備組的設備在進行負荷統計時，不應包括備用設備的容量。但在選擇變壓器時，應校核備用設備投入后對變壓器容量的影響，應保證備用負載投入后，變壓器可以在規定時間內正常使用。

3）常規項目設計過程中，消防設備負荷容量會低于正常設備用電容量，因此在進行負荷計算時，可以不計入消防設備用電容量。但此處應注意，這里所述的消防設備容量為平時不使用而僅火災情況下開啟的消防設備，對于平時使用的消防負荷，比如消防控制室，消防電梯，平時和消防時均使用的風機等，在進行負荷計算時應列入計算范圍。

4）季節性負荷，如冬季采暖設備和夏季制冷設備，在實際使用過程中不會同時開啟，這時在進行負荷計算時，應選擇其中較大的負荷進行計算。

5）對于單相負荷較多的情況，應盡量將三相負荷平均分配到三相上，當不對稱度較大時，應將單相負荷換算為等效的三相負荷后（最大相乘3），再與其他三相負荷相加求得。

6）由于需要系數法在計算過程中是分別統計不同設備的功率，未考慮這些設備的同時使用情況以及設備容量的動態變化，因此在進行配電干線及變電所負荷計算時，應為各個用電設備組的計算負荷之和再乘以同時系數，同時系數根據設備使用情況確定，一般可以選取0.8～0.9。

2.3 節能指標

對于變壓器裝機容量，應根據建筑實際用電需求進行計算后確定，不應設置過大。根據大量建筑建成后的運行數據表明，目前項目中變壓器安裝容量偏高的情況還是大量存在的［3］，變壓器長時間空載或低負載率運行，將造成大量的能源損耗，為了降低這部分能源損耗，在設計過程中就應盡量使設置的變壓器容量在合理的節能范圍內，對于規范明確節能限制的部分建筑類型，設計時應進行校核。變壓器容量指標限制如下表所示。

表 變壓器容量指標

應用此表進行節能評價時，應注意如為商業綜合體建筑，則應按照其中各建筑類型的面積比例進行核算；如建筑內包括數據中心，則數據中心部分應單獨核算。同時也不能將此表內數據作為單位面積指標直接進行負荷計算使用。

3 功率因數補償

3.1 功率因數補償對供配電系統節能的影響

對于變壓器來說，功率因數補償可以降低變壓器的銅損，從而降低變壓器損耗。功率因數補償后提高了功率因數，可以降低無功電流，使得流過變壓器和線路的電流降低，這樣可以減少線路及變壓器的線路損耗和電壓損失。功率因數補償后，供給同一負荷所需的視在功率減少，提高了變壓器的帶載能力。

3.2 功率因數補償的相關要求

對于35kV及以下變配電系統，宜在配電變壓器低壓側集中補償。有高壓負荷時宜考慮設置高壓無功補償裝置。對于氣體放電燈，應采取單燈就地無功補償的方式。對于容量較大、負荷平穩且經常使用的用電設備的無功功率在條件允許時可考慮單獨設置補償裝置。對于三相不平衡線路，應采用分相補償方式。

4 諧波控制

4.1 諧波的危害

諧波在配電系統內能夠產生有危害的過電壓或過電流，進而損壞用電設備。諧波電壓和電流在電機拖動系統內會產生附加損耗，引起電機機械振動和噪聲。諧波電壓會使變壓器銅耗增大，還會使變壓器絕緣材料承受較大的應力。諧波會在線路上產生附加損耗，嚴重時還會引起中性線過熱或燒斷。諧波含量較多的電流將使斷路器的遮斷能力降低，影響斷路器的正常工作。諧波電流還會對通信系統產生干擾，影響計量系統測量和計量精度，對電力網保護和自動保護裝置誤動或拒動。

4.2 諧波源

用戶向公共電網注入諧波電流的電氣設備或在公共電網中產生諧波電壓的電氣設備，統稱為諧波源。常見的諧波源主要有換流設備、電弧爐、鐵心設備、照明設備、某些生活日用電器等非線性設備。民用建筑中主要有電動機用的變頻裝置、變壓器的鐵心、照明氣體放電燈和LED燈的驅動電源、電視機、計算機、電烤箱、電磁爐、變頻空調等家用電器。

4.3 諧波的預防與治理

（1）諧波預防

在電氣設計過程中，應考慮諧波對整個系統的影響，通過合理的系統配置和設備選型，來預防諧波的產生。普通民用建筑建議采用D，yn11型接線的配電變壓器以及合理選用諧波含量低的用電設備來減少諧波的產生。

（2）諧波治理

供配電系統的諧波含量或設備的諧波含量不得超出相關國家或地方標準的限定值，如含量超標，需采取一定的治理措施：如設備采用電源隔離、屏蔽、接地等措施；加裝交流電抗器和直流電抗器；加裝有源或無源濾波裝置；加裝無功功率靜止無功補償裝置；將非線性負荷與線性負荷分開供電；電路盡量多重化、多元化等。

5 電氣設備選型

5.1 電力變壓器的選擇

1）電力變壓器的能效水平應高于能效限定值或能效等級3級的要求［4］。

2）合理選擇變壓器容量，不應使變壓器長期過載或過低負載狀態下運行。根據GB／T 13462—2008《電力變壓器經濟運行》規定，對雙繞組變壓器而言，變壓器最佳經濟運行區間為1.33β2～0.75，其中β為變壓器綜合功率經濟負載系數。考慮到根據此式計算出的經濟運行下限值較小，建議將經濟運行區間修訂為β～75%范圍內。

3）對于有一二級負荷，且設置兩臺及以上變壓器的供電系統，當其中一臺變壓器故障時，其余變壓器容量應能夠滿足全部一級及二級負荷的供電要求。

4）對于不同時使用的負荷，在計算變壓器容量的計算時，應選擇其中較大者計算，且宜合用變壓器，以平衡變壓器的負載率，降低變壓器的損耗率，以減少碳排放量。

5）一般情況下，動力和照明負荷宜共用變壓器。如對于照明質量要求較高或有較大沖擊負荷的場所，應考慮設置專用變壓器。

6）一般情況下應選用D，yn11型接線的變壓器，使變壓器容量在三相不平衡負荷情況下得到充分利用，并有利于抑制三次諧波電流。

5.2 電動機的選擇

1）電動機的能效水平應高于能效限定值或能效等級3級的要求，宜采用滿足節能評價值的電動機。同時，風機在選型時應注意其效率不應低于現行國家標準GB19761《通風機能效限定值及能效等級》規定的通風機能效等級的2級。水泵選型時應注意其效率不應低于現行國家標準GB19762《清水離心泵能效限定值及節能評價值》規定的節能評價值。

2）額定功率大于200kW的電動機宜采用高壓電動機。

3）恒負荷連續運行，功率在250kW及以上的電動機，宜采用同步電動機，同步電機可在一定程度上改善電網的功率因數。

4）應合理選擇電動機啟動調速方式：當電機工作在兩個不同工況時，在滿足工藝要求的前提下，宜通過調整電動機極數進行調速（如雙速風機的應用）；當電機的工況大于兩個時，宜采用電動機變頻調速方式。

5.3 交流接觸器的選擇

交流接觸器應按照GB21518《交流接觸器能效限定值及能效等級》的分級，滿足能效水平應高于能效限定值或能效等級3級的要求。

6 配電線路選擇

在進行電氣整體方案設計時，應將降壓變壓器盡量設于負荷中心，這樣可以減小出線線路上的損耗。盡量選用電導率較高的銅導體。在滿足導體載流量和線路電壓降等技術條件下，按經濟電流選擇導體截面可降低線路運行損耗，雖然按此方法選擇導體截面會使初投資加大，但只要使用年限超過回收年限，則經濟上仍然是比較合理的。

7 結束語

現階段正是國家實現“雙碳目標”的關鍵時期，要實現節能減碳的目標，作為與日常生活息息相關的供配電系統能耗應當更加予以重視。作為電氣設計人員應了解和掌握建筑電氣供配電系統設計中的關鍵要點，在設計過程中應秉承綠色、節能、環保的理念，將低碳設計融入到建筑電氣的設計工作中來，為早日實現“雙碳”目標貢獻自己的一份力量。