章丘市职成教中心供配电系统设计

郭宏祥

(山东建筑大学建筑规划设计研究院，山东 济南 250101)

0 引言

随着国内学校的办学规模逐渐的壮大发展，以及师生员工的生活水平不断提高，学校的配套供电容量也在急速增长，对供配电系统的要求也越来越高，设计工作的难度加大[1－3]。教育建筑电气设计对保障师生健康、满足教学科研要求、建设节约型校园等都起着关键作用[4－5]。如何保证学校供配电系统处于安全、稳定、科学、高效的运转状态，成为供配电设计人员急需思考与解决的问题[6－7]。国内新建高等学校大部分由双重电源供电，系统安全可靠;还有一些中小型学校，用电负荷稍小或建设位置偏远，无法实现双重电源供电。在只有一回10 kV电源供电的情况下，一旦线路故障或检修停电，将给学校正常的教学生活带来较大的影响。自备应急柴油发电机组的设置缓解了以上问题，但由于系统设计的不足，使得备用电源的功能远未得到充分发挥。现阶段一般的设计方案是，由市电电源供给校区建筑物主电，由自备电源供给校区建筑物内消防负荷以及重要的二级负荷，市电母线段与应急母线段之间没有联络，虽然满足规范要求，但存在一些缺陷。在市电停电、自备应急柴油发电机组启动且有裕量的前提下，大量的三级负荷(灵活、适量的需求)无法从此供配电系统中获得电源。针对以上问题，文章以章丘市职成教中心的供配电系统为例，对已建成同类学校的供配电系统进行总结、分析，综合业主的供配电需求，探讨了供配电方案的改进措施。在不改变通常设计方案大框架的前提下，应急母线段与市电低压母线段之间设计双断路器联络开关并设置联锁，可以避免系统缺陷，提高供配电系统的灵活性和可靠性。方案可供同类型教育建筑供配电系统设计时借鉴、参考。

1 工程概况

章丘市职成教中心占地为26.68为 hm2，位于较为狭长的山坡地带，东西方向长约为920 m，南北方向最窄处约为136 m，最宽处约为532 m。主入口在西侧，校园内地势东高西低，最大高差约为55 m，规划专业根据丰富的地形变化做了较多的挡土墙。

职成教中心总建筑面积约为12万m2，分职专区(建筑面积为9.4万 m2)、素质教育及社会培训区(建筑面积为2.4万m2)和配套用房(0.24万m2)。其中职专区包括图书办公楼、教学楼、综合实训楼、实训车间、1#餐厅、学生宿舍、后勤服务楼、体育馆及体育场看台;素质教育及社会培训区包括综合楼、教学楼、学生宿舍及2#餐厅;配套用房包括学校大门、变电所、发电机房、开水房、水泵房、换热站、中水站等。

2 供配电系统设计方案

2.1 供配电系统设计原则

依据 GB 50052—2009，《供配电系统设计规范》[8]供配电系统应遵循以下设计原则:

(1)应保障人身安全、供电可靠、技术先进和经济合理。

(2)应按照负荷性质、用电容量、工程特点和地区供电条件，统筹兼顾，合理确定设计方案。

(3)应根据工程特点、规模和发展规划，做到远近期结合，在满足近期使用要求的同时，兼顾未来发展的需要。

2.2 职成教中心负荷分级及供电要求

根据现行国家规范的相关规定[9－11]，职成教中心建筑的主要用电负荷分级为二级负荷。根据业主提供的供电条件并与当地供电公司沟通，校园附近没有双重电源，也无法做到一回10 kV专用架空线路供电，最后确定校区由一回10 kV电源供电，另设自备应急柴油发电机组，作为消防及重要用电负荷的备用电源，正常电源停电时通过倒闸操作灵活供给任何有需要的用电负荷。

2.3 变压器容量估算

职成教中心是由几所职业中专合并组建的，筹建办几位具有丰富实践经验的老师为我们提供了每个单体建筑较为详细的用电负荷资料，为负荷估算带来很大帮助。文章以职专图书楼、办公楼、教学楼为例，对本区域1#变电所变压器容量进行估算。

依据JGJ 310—2013《教育建筑电气设计规范》表4.4.1，不设空调的教学楼单位面积用电指标取20 W/m2[10];图书楼、办公楼、教学楼内均安装分体电空调，根据《全国民用建筑工程设计技术措施—节能专篇(电气)》，图书楼、办公楼的单位面积用电指标取50 W/m2[12];分体电空调的单位面积用电指标取50 W/m2，考虑全楼的空调覆盖面积70%，需要系数取0.4，教学楼的空调单位面积用电指标为50×0.7 ×0.4=14(W/m2)，此时教学楼的单位面积用电指标为34 W/m2。图书楼、办公楼面积A1+A2+A3+A4=14288 m2，教学楼面积 B1+B2=13899 m2。

对图书楼、办公楼计算的有功功率为Pjs1=50 W/m2×14288 m2=714400 W=714.40 kW;

对教学楼计算的有功功率为Pjs2=34 W/m2×13899 m2=472600 W=472.60 kW;

本区域变电所其余用电:中水站预留150 kW，水泵房预留100 kW，喷泉景观、传达室、路灯等预留50 kW，对以上用电负荷求和，得出总负荷为1487 kW。

1#变电所计算的有功功率为Pjs=1487 kW×0.8(同时系数)=1189.60(kW)

计算视在容量为Sjs=1189.60 kW÷0.92(功率因数补偿至 0.92)=1293.04(kVA)

1293.04 ÷0.85(变压器最高负载率)=1521.23(kVA)

可以选择2×800(kVA)变压器，此时变压器负载率为80.82%。

同理，可以计算出其他变电所供电区域的计算负荷，选择合适容量的变压器，变电所设置及变压器容量见表1。

表1 变电所设置及变压器容量

在负荷计算中，需要重视以下几个方面:

(1)因为集中供热较短时期内无法实现，业主要求学生宿舍安装带电辅助加热功能的分体空调，计算负荷比单冷分体空调几乎加倍，而且学生宿舍内空调负荷同时启动的概率较大，综合这些因素，3#变电所变压器由最初的2×800(kVA)调整为2×1000(kVA)。

(2)一般建筑物的负荷估算比较容易，对于实训车间，想要算出较为准确的计算负荷，则需要细致、耐心的分析计算，如常见的机加工车间与焊接车间。机加工车间的设备安装功率较大，但需要系数及功率因数均较低，应与业主协商按照小批量还是大批量，冷加工还是热加工选择合适的参数进行计算;焊接车间内应分清不同焊机的种类，其需要系数和功率因数差异较大，并将其额定容量换算到负载持续率为100%时的有功功率。

(3)餐厅的计算负荷一般较大，方案阶段可按照单位面积用电指标进行估算。本工程业主提供了厨具公司设计的工艺流程布置及用电负荷统计表，负荷计算时乘上合适的需要系数，再加上照明、空调、其他动力等的计算负荷，即可得出较为准确的计算数据。

由表1可以看出，整个校区共安装9台变压器，总安装容量为7260 kVA。根据《城市电力规划规范》，负荷同时率的大小，应根据各地区电网负荷具体情况确定，但均应小于1[13]。教育建筑的负荷特征非常明显，各变电所最大负荷峰值出现的时间不同，负荷同时率取0.66，则7260 ×0.66≈4800(kVA)，开关站10 kV高压电源进线柜可按此数据进行整定。此时，职成教中心总配变电站变压器容量指标约为40 VA/m2，在《教育建筑电气设计规范》供配电系统总体设计推荐的30～45 VA/m2的范围以内[10]。

2.4 变电所设计

根据校园用地比较狭长、高差较大的现状，结合校园规划功能分区，变电所最初规划了4座[14－15]。1#变电所(兼开关站，靠近主入口)设置在职专区图书馆，供电范围为图书楼、办公楼、教学楼;2#变电所设置在职专区实训综合楼地下室，供电范围为实验、实训区、体育馆;3#变电所设置在职专区宿舍楼地下室，供电范围为学生生活区;4#变电所设置在素质教育办公综合楼，供电范围为素质教育及社会培训区。

2014年4月1日，《教育建筑电气设计规范》颁布实施，其中4.3.3条指出，附设在教育建筑内的变电所，不应与教室、宿舍相贴邻[10]。根据条文要求，原规划变电所位置做了相应调整，将3#、4#变电所调至邻近的校园空地上，与学校自备应急柴油发电机房合建。另外，业主确定在体育馆安装中央空调系统，用电负荷较大，故在体育馆内设计了5#专用变电所。

调整以后的变电所分布合理，供电范围清晰，供电半径符合规范要求，与当地供电公司沟通后得到确认，校园变电所平面分布图如图1所示。

图1 校园变电所平面分布图

1#变电所兼开关站，内设10 kV高压电源进线柜、计量柜、出线柜、直流屏，2台800 kVA变压器及相应的低压配电柜，并预留自备应急柴油发电机组的区域配电装置，占地面积较大，约需要240 m2，1#变电所兼开关站平面布置图如图2所示。

图2 1#变电所兼开关站平面布置图/mm

2#～5#变电所均采用负荷开关环网柜、变压器、低压柜组成的供配电系统，接线简单，运行可靠。每座变电所均需预留从自备应急柴油发电机房引来的供给本区域建筑的自备应急电源配电装置，安装2台变压器的变电所大约需要100～120 m2。3#、4#变电所合并后，由于4#变电所供电区域相对独立，需要单独核算，故没有选择2台较大容量的变压器，仍然各选择2台容量适中的变压器。

2.5 自备电源设计

根据业主要求，校区设计自备应急柴油发电机组，以保证二级负荷的供电及正常的教学活动。为了避免对师生产生噪声干扰，发电机房设置在校园空地上，与3#、4#变电所合建。

确定柴油发电机组容量时，至少应保证消防负荷最大的1栋单体建筑加上校区消防泵房(2处)、消防控制中心、信息机房等，并略加裕量，或由业主根据实际需要提出机组容量，取其大者。经初步估算，校区消防计算负荷约为250 kW;平时需要保证的生活泵房、换热站、中水站、主要通道照明、部分厨房设备等计算负荷约为500 kW。初定2台常载功率300 kW的柴油发电机组，单台启动时可保证校区消防负荷，负荷需求较大时可启动2台发电机组。校区用电为二级负荷，建议采用手动启动装置。市电恢复时，机组应自动退出工作，并延时停机。

发电机房设置校区应急电源总配电装置，至各变电所均敷设应急电源主干电缆，变电所至本区域供电各单体建筑敷设应急电源干线电缆。

2.6 供配电系统主接线改进设计

根据上述供电方案，即可绘制出各变电所的供配电系统主接线图[16]。文章以2#变电所为例，简要介绍其主接线组成及运行情况。

图3为2#变电所供配电系统主接线图。2#变电所位于实训综合楼(C)地下室，设2台800 kVA变压器，设置柴油发电机组供电的应急母线段。两台变压器的低压母线段设母联开关，低压母线段与应急母线段设双断路器联络开关，运行状态如下:

图3 2#变电所供配电系统主接线图

正常情况下，3QF、5QF、6QF 断开，1QF、2QF、4QF合闸。1T、2T变压器分列运行，1T向I段母线供电，2T向II段母线供电，I段及II段母线只供给建筑物普通负荷、消防及二级负荷的主电;实训综合楼的消防及二级负荷的备电由应急母线段多回路配出，其他楼座如 D、E、F1、F2、N 等的备电由应急母线段单回路配出干线。

1T变压器检修时，1QF断开，I段母线三级负荷回路失压脱扣，II段母线部分三级负荷手动断开，3QF合闸，2T变压器通过3QF向I段母线的二级负荷供电。1T变压器检修完毕，3QF断开，1QF合闸，1T恢复向I段母线供电，手动恢复三级负荷用电。同理，2T变压器检修时，运行状态与前述类似。当1QF或2QF因过载或短路故障分闸时，3QF不允许自动合闸。当过渡季节或假期负荷较小时，可切除一台变压器，由另一台变压器给I、II段母线供电。

当市电停电时，手动启动应急柴油发电机组，消防及二级负荷由应急母线段供电。此时，应急照明系统及允许中断供电时间为毫秒级的重要场所应分别配置应急电源装置(EPS)及不间断电源装置(UPS)，并应满足容量及备用时间的要求;当市电停电应急柴油发电机组启动以后，业主希望在发电机不过载的前提下，将应急电源尽可能接到需要的供电末端，减少临时停电对正常教学活动的影响。此时，将1QF、2QF均断开，I段、II段母线上的三级负荷回路失压脱扣，5QF、6QF依次手动合闸，3QF视需要确定是否合闸，需要供电的三级负荷回路手动合闸，就可以通过倒闸操作，将应急电源供到任意用户末端;当市电恢复时，5QF、6QF手动断开，3QF断开，1QF、2QF合闸，1T、2T变压器恢复向各自母线段供电，柴油发电机组延时停机。设置5QF、6QF两只断路器并同时手动通断，可有效避免市电与发电机并列运行。为了保证系统运行安全，5QF、6QF平时均断开。

1QF、2QF、3QF之间必须设置可靠联锁，任何时候最多有2个断路器合闸。5QF、6QF与1QF、2QF之间必须设置可靠联锁，1QF、2QF均断开，且I段及II段母线上三级负荷回路均失压脱扣后，5QF、6QF才能手动合闸;5QF、6QF均断开后，1QF、2QF才能合闸。

2.7 与其他方案的比较

与上述方案不同的是，一般设计方案是在图3主接线图基础上去掉5QF、6QF联络断路器，市电母线段与应急母线段完全分开。配电设计时从市电母线段供消防负荷及二级负荷的主电，从应急母线段供消防负荷及二级负荷的备电，两路电源在合适的配电末端进行双电源自动转换，供配电系统符合当前设计规范。不足之处是，应急母线段配出的干线主要是规范规定的消防负荷及二级负荷，不考虑三级负荷，在市电停电、自备应急柴油发电机组启动且有裕量的前提下，大量的三级负荷(灵活、适量的需求)无法从此供配电系统中获得电源。与之相反，前述推荐方案则可以通过灵活倒闸操作将备用电源通过市电低压母线段供电到任意单体建筑的任意末端负荷，大大提高了学校供配电系统的可靠性和灵活性，主进开关与联络开关的联锁关系保证了整个系统的安全性和稳定性。

3 结语

文章对章丘市职成教中心的单体建筑用电负荷进行了估算，校园建筑的主要用电负荷分级为二级负荷，由一回10 kV电源供电，开关站变压器容量指标约为40 VA/m2;结合校园规划功能分区，确定了校区各变电所位置，区域分布合理，供电范围清晰，供电半径符合规范要求;对学校的供配电系统方案进行了设计和分析，在只有一路10 kV电源的情况下，设置自备应急柴油发电机组作为消防及重要用电负荷的备用电源，既保证了二级负荷备用电源的可靠性，又增加了业主使用的灵活性。

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