低碳背景下建筑电气供配电系统设计要点简析

李兴葆

（中国建筑技术集团有限公司）

0 引言

供配电系统设计是建筑电气设计工作中的主要内容，供配电系统的正确搭建是整个项目能够正常运行的重要环节，在国家大力倡导2030碳达峰和2060碳中和的“双碳”目标的背景下，广大电气设计工作者在进行供配电系统设计时应将低碳设计理念融入到整个设计过程当中，在合理搭建供配电系统的同时，结合正确的负荷计算与满足节能标准的设备选型，来实现整个供配电系统的节能减碳目标。

1 电气系统方案

1.1 电压选择

电源引入端供电电压的确定一般需要考虑多种因素，主要包括用电设备特性、用电容量、供电距离、供电回路数量、用电单位远景规划、当地电网情况、引入电源的经济合理性等。一般情况下，当设备安装容量在250kW及以上时应考虑采用10kV或20kV系统供电［1］。

在经济技术合理的情况下，提高电压等级可以提高电网输送能力，增大供电半径，降低系统损耗，实现减碳目标。设计中如果出现两个或多个电压等级可选的情况时，在满足技术经济合理的情况下，应优先选用高电压等级电源。如暖通专业在选用制冷机组时，电气专业应提出合理建议，对容量较大的制冷机组，建议直接采用10kV机组，以降低变压过程中产生的损耗。

1.2 负荷中心与供电半径

变电所宜设在负荷中心或靠近大功率的用电设备处，以缩短供电半径。当建筑物内有多个负荷中心时，应进行技术经济比较，合理设置变电所。

民用建筑低压供电半径一般不宜超过300m。供电半径过大可能造成电压损失过大或保护开关不能保护线路末端短路。对于建筑高度超过100m的超高层建筑，可以通过技术经济比选合理确定变电所的位置，超高层建筑的变电所可分散设置在地下室、避难层等场所。

1.3 负荷平衡

在进行设备选型时，尽量选择三相对称的用电设备。如单相设备较多时，应尽量将单相负荷均匀分布在三相上，使得三相负荷的不平衡度小于15%。对于容量较大的供电线路（一般线路电流大于60A时），建议采用三相供电方式。

1.4 双回路或多回路供电情况

当系统方案为双回路或多回路供电时，宜选择由双回路或多回路电源在平时正常使用时同时承担负荷，相当于增加了承载电流的线缆截面，降低了线缆上的能源损耗。

2 电气负荷计算

对于不同设计阶段，电气负荷计算所采用的计算方式是不同的。方案设计阶段的电气负荷计算可采用单位指标法确定变压器的容量和数量；初步设计和施工图阶段则应采用需要系数法进行更详细的计算［2］。

2.1 单位指标法

单位指标法即采用规范或技术措施等技术文件所列出的典型场所的经验用电指标，乘以项目的建筑面积，用以估算出整个项目的用电容量或变压器装机容量。

对于单位指标法应用时应注意，规范或技术措施中所列的用电指标是一个范围值，该指标数值受地理位置、气候条件、建筑规模、能源种类、地区发展水平等多因素影响，在实际使用过程中，应根据项目具体情况来选取。

2.2 需要系数法

在工业与民用建筑电气设计中，进行负荷计算时，需要系数法是常用的一种方法，通过设备功率乘以需要系数和同时系数，以求得计算负荷。需要系数法在进行负荷计算时需要注意以下几点问题：

1）照明负荷在进行统计容量时，应加上其附属设备的容量。比如气体放电灯、金属卤化物灯的容量应为灯泡的功率加上镇流器的功耗。

2）用电设备组的设备在进行负荷统计时，不应包括备用设备的容量。但在选择变压器时，应校核备用设备投入后对变压器容量的影响，应保证备用负载投入后，变压器可以在规定时间内正常使用。

3）常规项目设计过程中，消防设备负荷容量会低于正常设备用电容量，因此在进行负荷计算时，可以不计入消防设备用电容量。但此处应注意，这里所述的消防设备容量为平时不使用而仅火灾情况下开启的消防设备，对于平时使用的消防负荷，比如消防控制室，消防电梯，平时和消防时均使用的风机等，在进行负荷计算时应列入计算范围。

4）季节性负荷，如冬季采暖设备和夏季制冷设备，在实际使用过程中不会同时开启，这时在进行负荷计算时，应选择其中较大的负荷进行计算。

5）对于单相负荷较多的情况，应尽量将三相负荷平均分配到三相上，当不对称度较大时，应将单相负荷换算为等效的三相负荷后（最大相乘3），再与其他三相负荷相加求得。

6）由于需要系数法在计算过程中是分别统计不同设备的功率，未考虑这些设备的同时使用情况以及设备容量的动态变化，因此在进行配电干线及变电所负荷计算时，应为各个用电设备组的计算负荷之和再乘以同时系数，同时系数根据设备使用情况确定，一般可以选取0.8～0.9。

2.3 节能指标

对于变压器装机容量，应根据建筑实际用电需求进行计算后确定，不应设置过大。根据大量建筑建成后的运行数据表明，目前项目中变压器安装容量偏高的情况还是大量存在的［3］，变压器长时间空载或低负载率运行，将造成大量的能源损耗，为了降低这部分能源损耗，在设计过程中就应尽量使设置的变压器容量在合理的节能范围内，对于规范明确节能限制的部分建筑类型，设计时应进行校核。变压器容量指标限制如下表所示。

表 变压器容量指标

应用此表进行节能评价时，应注意如为商业综合体建筑，则应按照其中各建筑类型的面积比例进行核算；如建筑内包括数据中心，则数据中心部分应单独核算。同时也不能将此表内数据作为单位面积指标直接进行负荷计算使用。

3 功率因数补偿

3.1 功率因数补偿对供配电系统节能的影响

对于变压器来说，功率因数补偿可以降低变压器的铜损，从而降低变压器损耗。功率因数补偿后提高了功率因数，可以降低无功电流，使得流过变压器和线路的电流降低，这样可以减少线路及变压器的线路损耗和电压损失。功率因数补偿后，供给同一负荷所需的视在功率减少，提高了变压器的带载能力。

3.2 功率因数补偿的相关要求

对于35kV及以下变配电系统，宜在配电变压器低压侧集中补偿。有高压负荷时宜考虑设置高压无功补偿装置。对于气体放电灯，应采取单灯就地无功补偿的方式。对于容量较大、负荷平稳且经常使用的用电设备的无功功率在条件允许时可考虑单独设置补偿装置。对于三相不平衡线路，应采用分相补偿方式。

4 谐波控制

4.1 谐波的危害

谐波在配电系统内能够产生有危害的过电压或过电流，进而损坏用电设备。谐波电压和电流在电机拖动系统内会产生附加损耗，引起电机机械振动和噪声。谐波电压会使变压器铜耗增大，还会使变压器绝缘材料承受较大的应力。谐波会在线路上产生附加损耗，严重时还会引起中性线过热或烧断。谐波含量较多的电流将使断路器的遮断能力降低，影响断路器的正常工作。谐波电流还会对通信系统产生干扰，影响计量系统测量和计量精度，对电力网保护和自动保护装置误动或拒动。

4.2 谐波源

用户向公共电网注入谐波电流的电气设备或在公共电网中产生谐波电压的电气设备，统称为谐波源。常见的谐波源主要有换流设备、电弧炉、铁心设备、照明设备、某些生活日用电器等非线性设备。民用建筑中主要有电动机用的变频装置、变压器的铁心、照明气体放电灯和LED灯的驱动电源、电视机、计算机、电烤箱、电磁炉、变频空调等家用电器。

4.3 谐波的预防与治理

（1）谐波预防

在电气设计过程中，应考虑谐波对整个系统的影响，通过合理的系统配置和设备选型，来预防谐波的产生。普通民用建筑建议采用D，yn11型接线的配电变压器以及合理选用谐波含量低的用电设备来减少谐波的产生。

（2）谐波治理

供配电系统的谐波含量或设备的谐波含量不得超出相关国家或地方标准的限定值，如含量超标，需采取一定的治理措施：如设备采用电源隔离、屏蔽、接地等措施；加装交流电抗器和直流电抗器；加装有源或无源滤波装置；加装无功功率静止无功补偿装置；将非线性负荷与线性负荷分开供电；电路尽量多重化、多元化等。

5 电气设备选型

5.1 电力变压器的选择

1）电力变压器的能效水平应高于能效限定值或能效等级3级的要求［4］。

2）合理选择变压器容量，不应使变压器长期过载或过低负载状态下运行。根据GB／T 13462—2008《电力变压器经济运行》规定，对双绕组变压器而言，变压器最佳经济运行区间为1.33β2～0.75，其中β为变压器综合功率经济负载系数。考虑到根据此式计算出的经济运行下限值较小，建议将经济运行区间修订为β～75%范围内。

3）对于有一二级负荷，且设置两台及以上变压器的供电系统，当其中一台变压器故障时，其余变压器容量应能够满足全部一级及二级负荷的供电要求。

4）对于不同时使用的负荷，在计算变压器容量的计算时，应选择其中较大者计算，且宜合用变压器，以平衡变压器的负载率，降低变压器的损耗率，以减少碳排放量。

5）一般情况下，动力和照明负荷宜共用变压器。如对于照明质量要求较高或有较大冲击负荷的场所，应考虑设置专用变压器。

6）一般情况下应选用D，yn11型接线的变压器，使变压器容量在三相不平衡负荷情况下得到充分利用，并有利于抑制三次谐波电流。

5.2 电动机的选择

1）电动机的能效水平应高于能效限定值或能效等级3级的要求，宜采用满足节能评价值的电动机。同时，风机在选型时应注意其效率不应低于现行国家标准GB19761《通风机能效限定值及能效等级》规定的通风机能效等级的2级。水泵选型时应注意其效率不应低于现行国家标准GB19762《清水离心泵能效限定值及节能评价值》规定的节能评价值。

2）额定功率大于200kW的电动机宜采用高压电动机。

3）恒负荷连续运行，功率在250kW及以上的电动机，宜采用同步电动机，同步电机可在一定程度上改善电网的功率因数。

4）应合理选择电动机启动调速方式：当电机工作在两个不同工况时，在满足工艺要求的前提下，宜通过调整电动机极数进行调速（如双速风机的应用）；当电机的工况大于两个时，宜采用电动机变频调速方式。

5.3 交流接触器的选择

交流接触器应按照GB21518《交流接触器能效限定值及能效等级》的分级，满足能效水平应高于能效限定值或能效等级3级的要求。

6 配电线路选择

在进行电气整体方案设计时，应将降压变压器尽量设于负荷中心，这样可以减小出线线路上的损耗。尽量选用电导率较高的铜导体。在满足导体载流量和线路电压降等技术条件下，按经济电流选择导体截面可降低线路运行损耗，虽然按此方法选择导体截面会使初投资加大，但只要使用年限超过回收年限，则经济上仍然是比较合理的。

7 结束语

现阶段正是国家实现“双碳目标”的关键时期，要实现节能减碳的目标，作为与日常生活息息相关的供配电系统能耗应当更加予以重视。作为电气设计人员应了解和掌握建筑电气供配电系统设计中的关键要点，在设计过程中应秉承绿色、节能、环保的理念，将低碳设计融入到建筑电气的设计工作中来，为早日实现“双碳”目标贡献自己的一份力量。