关于中小学校电气设计几个问题的思考

马霄鹏

(中国建筑设计研究院有限公司，北京 100044)

1 新建校园建筑影响用电指标的因素

近期在设计新建中小学校园项目时，遇到的一个困扰就是用电指标问题，在JGJ 310-2013《教育建筑电气设计规范》中对中小学校用电指标有明确规定，即校园的总变电站变压器容量指标为20～30VA/m2，在实际设计中，根据机电设备专业、实验室工艺、厨房工艺、体育馆工艺、舞台工艺等相关专业提供的用电需求，其总量远高于规范中要求的用电指标。当进一步提出能否提供设备运行的需要系数时，几乎获得了完全一致的答案，“都用，最多取0.8～0.9为系数值”，但事实真的如此吗？需要系数到底该如何选取？基于这些疑问，笔者所在设计团队回访了北京某新建成的全日制中学(已投入使用两年)，了解日常人员的活动规律和运行情况，并调取了2018年一年用电运行记录，希望通过这些调研资料解除疑惑。

该校建筑面积4.4万m2，全年正常运行，暑假基本无休，空调型式为VRV多联机，设有教学楼、音乐厅、图书馆、体育馆、宿舍楼、食堂等功能建筑。人员活动规律见表1。

通过对上述调研资料的分析，对人员流动、设施使用情况得出以下结论。

(1)生活区、教学区及文娱区，其主要负荷在运行时间段上虽有交叉，但不同性质的负荷运行时间分段明显，在供电方案选择时，应充分利用这一特点，选取较小的同期系数(0.3～0.5)，有效降低总体变压器装机容量，但末端的需要系数需根据不同负荷功能选取，取值不宜过小。

(2)对于音乐厅、体育馆等大型人员密集场所，日常大型活动并不多，均为短期运行模式，一旦使用一定会影响其他区域用电负荷的使用，此部分的需要系数应选取较大系数，确保末端用电预留充足，在总变压器装机容量选择时，不应过分考虑这些区域的用电负荷，即选择较小的同期系数，以避免影响计算结果。

(3)实验室和普通教室使用上不完全重合，教室都是用来满足教学任务的，教学期间学生不可能同时出现在不同教学场所，因此只要班级人员固定，普通教学楼和实验楼各教室的使用数量就基本固定，不会出现全部同时使用的情况。故在这部分用电负荷计算时，笔者建议按同时使用的较大负荷计算，不应简单叠加。另外，实验室工艺用电性质均为短时工作制，用电需考虑较小的同期系数，根据不同功能实验室设置数量，同期系数的选取一般在0.3～0.6的范围。

人员活动规律表 表1

(4)图书馆虽然每天的运行时间最长(8:00～21:00)，但是由于白天大部分学生和老师都在上课，图书馆的使用率低，根据校方的反应，其用电负荷仅用到设计容量的20%，主要用电负荷集中在16:30～21:00时间段，此时间段教学用电和宿舍用电均降低，因此，可考虑较小的同期系数。

(5)厨房用电因为与教学用电重叠，应考虑一定的用电容量。

通过上述分析，可以得出，虽然学校规模增加，用电设备的安装容量大幅增加，但由于人员固定且活动区域较集中，只要供电方案选择合理，整个学校的用电负荷同期系数可以取很小的值，接近规范的用电指标。然而，需要注意的是，对于厨房、演艺工艺、体育工艺、大型实验室工艺等大型用电负荷，在末端的需要系数选取时，均需考虑较大值(0.8～1.0)，确保末端用电容量预留充足。

为了进一步验证分析结果，将该学校过去一年的日用电情况和年用电情况进行了图表分析，考虑到学校的使用特点，用电负荷基本平稳，每月抽取典型日作为样值进行统计。

统计结果发现，每日最高用电负荷(两台变压器用电叠加)主要集中出现在9:00～18:00，与学校的上课时间基本保持一致，全年最高用电峰值达到1 000A(该校安装了一个大型实验设备，此用电峰值出线在设备调试期间，之后一年该设备未运行过)，除此之外，学校白天平均用电在600～900A之间、夜间在500A以内，7、8月份的最高用电负荷在600A以内，全年最大用电负荷峰值为700kW，即15.7W/m2，与规范中要求的用电指标非常接近，如果考虑变压器的负载率，该校的运行指标接近规范提供的指标的上限值。由于前期设计阶段各工艺提供的用电需求比较高，又没能提供较准确的需要系数，加之对学校的运行情况不是很了解，同期系数按常规0.8～0.9的范围取的下限值，计算负荷与设备安装容量的综合比值达到0.6，选择了两台2 000kVA的变压器，计算负载率为70%，而实际运行中，变压器负载率几乎没有超过20%的情况，从实际运行情况看，其最大运行值在规范规定的变压器用电指标范围内。

根据上述的统计分析以及调研结果，可以发现项目的实际运行值与设计值存在很大偏差。究其原因，笔者总结了以下几点。

(1)在前期各设备专业及专项工艺设计给电专业提供用电需求时，为保险起见，都会习惯性的按用电负荷的上限值提需求，有些保守的设计师还会在此基础上再乘以保险系数(数值为1.1～1.2)。

(2)设备专业和专项工艺设计并不了解设备的实际使用情况，无法提供准确的需要系数，电气设计人员在对学校运行情况不了解的情况下，只能根据常规的同期系数取值选取，同期系数一般按0.8～0.9选取(可参见《工业与民用供配电设计手册》第四版)，由此造成计算结果与实际运行偏离较大。

(3)有些电气设计人员在设计时，为保险起见，还会在计算值的基础上增大设计值，导致设计值与实际值的进一步偏离。

(4)过分强调电源深入负荷中心，分区供电，导致变配电室设计分散，很难利用学校不同时段用电负荷的特点，降低总变压器的装机容量。变配电室设计的数量越多越分散，变压器总用电指标越难以接近规范中推荐的指标范围，因此在供电半径允许的条件下，变压器设计尽量合并，可以最大限度地利用设备运行时间差，提高变压器的利用率。

(5)由于中小学校用电负荷以三级负荷为主，设计计算时，变压器负载率可适当调高至75%～80%。

(6)在设备专业及工艺设计提供用电需求时，应向相关设计人尽可能多地了解设备的使用情况和设计思路，这能有效帮助判断需要系数合理的取值范围。

2 关于短路电流计算的重要应用

短路电流的计算方法在《工业与民用供配电设计手册》第四版有详细讲解，因此本文只在此再一次强调计算短路电流的重要性。众所周知，短路电流计算复杂，设计时，有时仅凭经验按“高分断能力选取断路器、适当放大一级电缆截面来规避短路电流”的计算方式，并不能有效避免断路器短路保护灵敏度和电缆热稳定问题的出现。

2.1 不可忽视的断路器短路保护的灵敏度校验

由于校园建筑变配电室设置相对集中，而各单体建筑设置比较分散，造成供电的低压电缆距离长，电缆末端的单相短路电流小，从而影响变配电室出线柜断路器短路保护动作的灵敏度，故需要对断路器做灵敏度校验，根据JGJ 16-2008《民用建筑电气设计规范》第7.6.3条的规定，低压断路器的灵敏度应为(TN系统)保护线路预期单相短路电流大于1.3倍断路器瞬时整定电流。在某实验中学的设计中，分别对该项目的5#办公楼、10#学生宿舍楼、11#教师宿舍楼、西大门进行了灵敏度校验的计算，其中西大门电源取自5#楼低压配电柜，计算结果如表2所示。

灵敏度校验计算 表2

在计算时，发现断路器长延时整定电流相同，电缆截面相同的5#楼和10#楼，由于供电距离不同，在灵敏度校验时，得到了完全不同的校验结果，西大门虽然总体供电距离长，但由于其电源由5#楼低压电源柜供电距离只有20m，故西大门电源侧上级开关可以满足灵敏度要求。

通过分析计算中对灵敏度校验结果有影响的几个因素，包括变压器高压侧系统短路容量、变压器安装容量、变压器短路阻抗值、供电距离、设备容量(断路器脱扣器长延时整定值)、脱扣器瞬动电流整定倍数，电缆截面等，可以得出：当低压配电系统设计确定后，除可以调整的就是瞬动电流整定倍数和电缆截面外，其他几个因素固定不变，可以通过调大电缆截面的方式减小单相短路电流值，即将电缆截面从185 mm2增加到240 mm2，发现对灵敏度系数有改善但不明显；当把开关的瞬动电流整定倍数由10倍调整到6倍时，即可满足灵敏度校验的要求。此外在整个校验过程中，一般在供电电缆长度超过100m后，断路器短路保护的灵敏度问题开始突显，因此，建议低压供电电缆长度超过100m以上的配电回路要特别注意进行断路器短路保护的灵敏度校验。

2.2 不可忽视的低压电缆热稳定校验

在计算过程中与灵敏度校验相辅相成的是电缆的热稳定校验，电缆热稳定校验与三相短路电流有效值有很大关系，根据JGJ 16-2008《民用建筑电气设计规范》第7.6.3条第1款的规定，导体允许通过短路电流的最小线芯截面与通过的三相短路电流有效值成正比，与绝缘材料K值成反比，与短路持续时间的平方根成正比。当导体和开关形式选定后，后两个参数基本固定，由此可知，电缆截面越大，允许通过的短路电流越大，换言之，短路电流越大，电缆截面就要越大，这也就是前面说到的，为了简化设计，通过放大电缆截面规避短路电流计算的“依据”。那么实际如何呢？

要满足电缆截面的热稳定，一种方法是增大电缆截面，一种方法是减小该处的短路电流。增大电缆截面很简单，但是电缆截面越大，短路电流越大，有时电缆截面放大两级都无法满足热稳定的校验，那么减小短路电流是不是一个有效的方法呢？又可以调整哪些参数来实现呢？

低压配电系统中影响短路电流的因素很多，主要包括：高压侧系统短路容量、变压器安装容量、变压器短路阻抗值、供电距离、导体类型、导体截面等，但当低压配电系统确定后，影响某处短路电流大小的可调节参数并不多，供电距离和导体截面可以有效调整某处的短路电流值。由于越靠近变压器，短路电流越大，对电缆截面热稳定要求越高，因此笔者所在单位重点校验了项目中变配电室内设置的配电箱，该项目变压器装机容量1 600kVA，变配电室内所用电源箱(20kW)，设置位置距低压出线柜的电缆长度8m，该回路低压断路器脱扣器长延时整定值50A，断路器动作时间取0.06s，电缆选用交联聚乙烯铜芯电力电缆，最初电缆截面选用16mm2,对其进行热稳定校验，校验结果如下如表3所示。

校验结果 表3

通过表3的计算结果可以看到，当用电设备距离变电室足够近时，简单利用放大电缆截面的方法是无法通过热稳定校验的，而增加供电电缆长度，可以有效调整热稳定的校验值。配电箱设置距离电源越近，电缆热稳定校验的问题越突出，因此，建议对靠近变配电室用电设备重点进行电缆的热稳定校验。

3 结束语