城市居住区供配电系统设计

王琚玮

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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 配电系统分类

配电系统的设计需要综合考虑建筑用电负荷分类、供电可靠性、经济性等多样化的因素，确保所设计的系统适用该建筑。配电系统常见的形式有树干式、放射式两类布线形式，树干式接线方式，出线电缆少，降低了对开关、电缆的需求数量，但也增加了上级开关故障后的影响范围；放射式接线，电缆由配电柜直接一对一至用电设备，提高了供电可靠性，但同时也增加了开关、电缆的用量，经济性不高[1]。故一般情况下，可将两种配电形式相结合，大容量的和重要用电设备采用放射式供电，一般负荷、小容量负荷采用树干式供电，经济性和供电可靠性兼顾，以保证配电系统的合理性。根据接地方式不同，配电系统可分为TN系统、TT系统、IT系统，其中TN又可细分为TN-C系统、TN-C-S系统、TN-S系统3种。其中TN系统用电设备金属外壳通过PE线与电源中性点连接，放生接地故障时，电流通过PE线流回，TN系统常用于建筑物内的配电，在我国当前的设计行业中，是主流的配电系统接地形式。TT系统电源端一点接地，用电设备金属外壳直接接地，常用于室外场所用电设备的供电；IT系统电源端不接地或经高阻抗接地，多用于对供电可靠性要求高的场所，如手术室、抢救室等。在实际应用过程中需要结合建筑及用电设备的实际情况对接地系统进行选择。

2 电气系统方案

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。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。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。

3 城市居住区供配电系统设计

3.1 配电系统硬件设计

系统低压断路器在结构方面分为两类：一类是框架式结构，另一类是封闭式结构。民用建筑与其他建筑具有一定的差异性，通常情况下选择直流封闭式低压断路器。民用建筑电气工程配电系统的变压器能够有效降低能源消耗，采用负荷率在65%～80%范围内的变压器[2]。根据电气工程配电系统的实际应用情况，调节变压器的容量。配电系统中的电力监控仪表作为采集电力数据的重要仪器，对配电系统的运行具有一定的影响。选用开关电源控制电力监控仪表，实时转换民用建筑电气工程所用的交流电，扩大电压的输入范围，使配电系统能够应用于各项民用建筑电气工程。采用FSTN液晶显示，提高电表控制的精确度，结合温度补偿芯片，获取配电系统运行的温度变化。配电系统电表的核心控制器采用MCU型号，具有16位指令芯片，外接扩展接口种类丰富，在家用电器中应用广泛，具有运算速度快、内存存储量大的优势。

3.2 导线截面的选择

整个配电系统的设计中，导线截面积的选择也至关重要，选择过大，会增大一次投资，选择过小，容易发生线路故障，增大安全隐患，因此，它的选择问题不容忽视。选择合适的导线截面积，需要考虑导线的发热条件、满足一定的机械强度、降低电压损失并且要经济合理。低压动力线路，由于其通过的负荷电流大，线路的线径小，加之同个槽盒内敷设的电缆较多，散热条件差，因此，导线发热量大成为该线路的不可忽视的问题。针对这一特点，在选择导线合适的载流量的同时，需考虑导线的散热，按不同的敷设形式、导线根数等情况选择导线的安全系数，适当提高导线截面。低压照明线路，由于其通过的负荷电流小，线路总长度长，末端灯具的电压降比较大，光源照明质量可能会偏低。

3.3 供电系统的设计

在实际进行配电设计时，供电系统始终都处在重要地位当中，消防配电的实际应用质量直接与供电系统有着密切稳定的关联性，在优化设计供电系统时，应增强对消防系统供电的支持，使消防系统安全地使用。此阶段在对高压电路进行设计时经常会出现不科学的现象，为了增强电气系统的安全性，需要首先设计一级负荷供电系统，由于二级回路主要设计的是高压电路，所以应使电力资源具有独立性，严禁与任何供电系统进行混合使用。此类设计还会经常性使用到电池，所以需要把高压母线当作连锁输入电气系统来予以支持。使用此供电方法进行供电，也会产生一定的安全隐患，所以必须设计出独立的供电线路系统。并且还要使所设计的供电系统布设双向电源，但是很多设计会选用单向电源来予以供电支持，这样很容易出现不够稳定的供电现象。在针对电缆负荷应用方面，则需要针对二级负荷采取有效的承载措施，要使其耐压值超过450V。明敷管线时需要选用密封式的金属线槽，增加管套来进行防护；在采取暗敷管线时，需要对管线的选材进行严格把控。为了增强建筑内部的防燃效果，需要夹套管予以保护，采取暗敷时可以适当缩减投入成本，增强防护性能，这样才能够达到建筑工程中的消防管理规定。

3.4 弱电系统的优化

弱电系统主要包括地下一层预留电信机房、有线电视机房及各栋楼内弱电管井。具体优化方式如下[3]：①对于电话及信息系统，将垂直电缆设置内弱电井通信线槽内；住户内设计信息配线箱并将线路沿地面及墙暗敷；在住户内根据不同功能需求，从信息配线箱引出，合理布设信息终端。②对于综合布线系统，在小区内布设整套综合布线系统，支持数据和电话系统，根据每栋楼具体功能需求，合理设置数据接口和电话系统端口数量；建筑物每层设置配线区，将语音和数据主干缆线分别设置；将设备布置于总电信机房内，与所有楼层配线间相连，能够满足通讯、数据和图像业务传输需求。③访客智能对讲系统，作为小区物业和居住户安全管理需要，当前多数智能建筑都是采用视频访客对讲系统，并与物业和报警系统连接，满足用户多种场景下访客管理需要。

3.5 变配电室高压柜和低压柜安装

例如某新建住宅小区供配电工程变配电室，其高压柜共有18面，分别为1面提升柜、2面PT柜、13面出线柜以及2面进线柜。同时还包括两台变压器，其可以互为备用。低压柜共有21面，具体为4面出线柜、2面直流屏柜、1面联络柜以及14面开关柜。在安装这些高低压柜时需要做好前期检验工作，具体需要在变配电室摆放高压柜前开展相关检验，这样可以有效检查变配电室的相关项目。在具体落实检查工作时，需要明确变配电室作业情况以及室内门窗尺寸，这样可以确保在完成施工操作后的高低压柜安装工作质量，避免有阻滞或返工问题产生。在具体安装时，首先需要检查变压器、高低压柜柜体是否有损坏，确保设备质量满足设计蓝图要求，然后开展现场安装工作，结合高压柜的18个面对各个面的位置进行调节，同时还需要结合高压柜柜体图纸，对基础型钢进行摆放。相关施工人员主要采用液压小车或滚筒来辅助相关施工操作，对于高压柜18个面间需要保留一定缝隙，如果在安装过程中有空间问题产生，则需要将这些柜面在型钢上放置，并从第1个面开始进行定位，并依次靠拢各个柜面，确保偏差处于施工和电力验收范围内，使各个柜面能够与盘面有效连接，从而有效固定基础盘。

图1 变配电室高压柜和低压柜示意图

3.6 系统预警功能设计

电气工程配电系统预警功能主要包括两个部分：配电系统的预警显示部分与显示控制部分。其中，预警显示部分主要以供电网络报警功能为主，包括过压报警、过流报警及故障报警，当配电系统运行出现异常，系统自动检测异常状况及相关信息，并发出对应的报警提示，方便工作人员及时解决问题。配电系统的显示控制部分主要由A、B两个供电区组成，两个供电区提供的支路电流不同，根据具体的应用情况，供电区自动调节电流的变化。设置调节按钮，实时控制供电区各个支路的接通与关断状态。在显示界面中，设计3个不同的模块，第一个模块主要显示配电系统的总电流变化状况；第二个模块显示各个供电区的电流变化状况；第三个模块显示供电区内各个支路的电流变化状况。3个显示模块能够为用户提供清晰的电流变化信息，提高了用户查找信息的效率。

3.7 加强柴油发电机供配电的设想

现如今很多高层建筑都会在双电源的基础之上增设柴油发电机来当作应急电源，需要符合一级负荷供电的要求，由于选用柴油机供电会在我国北方地区受到气候条件的制约，所以低温条件下很难启用柴油发电机来进行供电，有时延迟很长时间也很难达到供电要求，所以可以用双电源来安装柴油发电机组另外再加设一个季节电源，这样可以达到独立供电的效果，可以在冬季气温较低时来进行试用。当气温升高之后，再向供电部门报告停用季节电源，这样可以节省不少电费。气温升高之后可把变电站中一路具有10kV的高压电源当作季节电源，或者在附近高层建筑变压器高压的一段引出一路10kV或者低压一段引出一路380/220V当作季节电源，还可以从市网中引入380/220V当作季节电源，这样也能够使建筑中的消防供配电系统得以长久化运行，同时在高层建筑中配置柴油发电机组，还具有投资小，符合相关规范要求的特点，非常值得被推广和采纳。

4 结束语

总而言之，未来城市发展与资源供给会面临巨大矛盾。建筑供配电线路优化可以有效降低矛盾所带来的负面影响，缩短矛盾所导致的发展停滞期。