沙特哈立德國王大學電氣深化設計

楊 征

（廣東省建科建筑設計院，廣東 廣州 510500）

0 引言

深化設計，又名Shopping Drwaing Design，是在原設計的基礎上對圖紙進行細化。深化設計是對原設計圖紙而言。電氣專業(yè)的深化設計包括照明系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、防雷接地系統(tǒng)、通信與網(wǎng)絡系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、門禁控制系統(tǒng)、閉路電視和時鐘系統(tǒng)等。由于采用的規(guī)范標準存在差異，國外工程在某些節(jié)點的做法與國內存在一些不同。不能說哪種做法更好，只是在特定的氣候和地質條件下采用最合適的方式。終究其做法背后的設計原理是一致的。

在變配電系統(tǒng)深化設計里，配電變壓器與主接線在原設計圖紙里就已基本確定。但其一些節(jié)點的參數(shù)、設計是否合理，仍需在深化設計中進行優(yōu)化。低壓配電系統(tǒng)的深化設計是整個電氣專業(yè)深化設計的核心內容。分斷能力，短路電流等參數(shù)，需經(jīng)過仔細嚴格的驗算，只有確定了這些參數(shù)才能保證其穩(wěn)定性和安全性。

作為中國公司在沙特阿拉伯取得的第一個總承包資格的建筑項目，即便在施工階段，仍需根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行必要的復核及優(yōu)化。

1 項目概況

沙特哈立德國王大學（以下簡稱KKU）位于沙特艾卜哈城附近20 km，建設投資由沙特政府承擔。該項目是中國公司中標承接的首個大型建設項目，也是在兩國政府框架下第一個在沙特取得總承包資格的項目。

沙特哈立德國王大學一期項目為男子教學區(qū)，含11間男子教學樓（共14幢建筑物），另加一幢中央圖書館和一幢院長辦公樓共16幢建筑物。其中11幢建筑物是3層高另加一至二層地下室，4幢是4層高，1幢是5層高，地下室層數(shù)相若。各幢建筑物層高均為4.5 m，面積界乎12 700 m2至83 382 m2不等。

2 配電系統(tǒng)

以其中一棟MC01為例，論述其低壓配電系統(tǒng)的設計內容。

2.1 配電室

配電室總面積約118 m2，位于MASTER SUB TERRAIN FLOOR樓層（如圖1所示）。

2.2 高壓進線部分

圖1 配電室平面布置圖

從室外引入高壓進線，經(jīng)過兩個高壓環(huán)網(wǎng)柜RMU1、RMU2，分成兩路高壓出線，傳輸?shù)絻膳_變壓器，RMU1供給TR1-1變壓器，RMU2供給TR1-2變壓器。高壓進線通過電纜溝地面敷設，其中高壓電纜采用鎧裝電纜，經(jīng)過電纜溝下進線到兩臺變壓器，兩臺變壓器采用上出線方式，見圖2。和國內不同的是，高壓進線為13.8 kV，而不是10 kV高壓進線。工頻為60 Hz。

圖2 變壓器剖面圖

2.3 低壓配電部分

低壓配電房的低壓側，由兩臺主配電屏組成MDP1&MDP2。兩臺主配電柜間通過一臺額定電流為3 200 A，分斷能力為50 kA的斷路器聯(lián)絡。其中MDP1設備安裝容量為1 148.21 kVA，MDP2設備安裝容量為1 162.98 kVA。兩臺主配電屏MDP1&MDP2并不直接接末端配電箱，而是再分為若干個子配電屏：DP1,DP2,DP3,DP4,DP5,DP6,EMDP1,EMDP2。其中EMDP1,EMDP2為二級負荷，備用電源來自一臺303 kW的發(fā)電機。見圖3。

圖3 低壓配電柜MDP1豎向干線圖

MDP與其下級配電柜之間亦采用母線連接，視末端容量不同，采用250 A、500 A、800 A、1 000 A、1 250 A、1 500 A四種規(guī)格的母線槽。配電柜之間均采用上進上出的接線方式。

從主配電柜MDP1、MDP2到分配電柜DP1~DP6，再到末端配電箱，采用的是典型的樹干式配電方式。按照配電級數(shù)不宜超過3級的設計原則，MC01的配電方式是可靠且符合要求。

3 該項目電氣設計的幾個特點

3.1 防雷接地系統(tǒng)

國內對天面接地網(wǎng)格有要求，而且要求接閃桿對閃電進行引導。對于KKU這類的大型建筑物，如果在國內例如廣州這種多雨的潮濕的土壤利用其結構鋼筋完全可以達到接地電阻的要求。等電位設置在配電房內。

KKU各棟的接地形式不利用建筑物結構，全部打人工接地銅棒及接地極。天面避雷網(wǎng)的截面積約為100 mm2。沒有突出屋面的接閃桿來引導閃電。

當?shù)氐臍夂驅е履昀讚舸螖?shù)很少，天面的引雷裝置要求并不高。土壤沙化較嚴重，且石頭子較多。這樣的土壤電阻率大，利用結構鋼筋很難達到接地電阻的要求,而是直接打人工接地極,人工接地銅棒從基礎直接延伸到屋面,來滿足接地電阻的要求。

國內規(guī)范中,采用接閃桿（既避雷針）的方式也是第二類防雷建筑物外部防雷措施之一。

3.2 照明系統(tǒng)

根據(jù)工料規(guī)范“小于4.0 mm2的導體不可用于照明設備的安裝和小型/設備供電安裝。布管時作外部照明使用或其他用途的直埋電纜直徑都不應小于4.0mm2。”相比國內設計，由于使用規(guī)范的不同，這邊使用導線較粗，照明配電最小使用4 mm2電線。而且照明照度、功率密度也沒有明確規(guī)定，相比國內規(guī)范嚴重超標，說明國內規(guī)范制定時更好地考慮了建筑的照明節(jié)能,而該設計更強調使用的方便及耐久性,留有較大余地。

3.3 消防報警系統(tǒng)

與國內設計理念有所不同的是，KKU項目火災自動報警系統(tǒng)圖紙設計范圍只包含了火災探測部分,其他與消防聯(lián)動的設備，如風機、消火栓泵等接入BMS系統(tǒng)進行控制，沒有設置單獨的聯(lián)動控制裝置。

4 低壓柜熱穩(wěn)定性校驗及短路電流的計算

4.1 熱穩(wěn)定性的定義

在一定時間內能承受短路電流（或規(guī)定的等值電流）的熱作用而不發(fā)生熱損壞的能力。

在實際施工中，電纜一般采取暗敷或者套管敷設。假如發(fā)生短路，電纜被高溫熔斷，維修較復雜。

1）瞬時脫扣器的全分斷時間（包括滅弧時間）極短，一般為10～20 ms，甚至更短。雖然短路電流很大，一般能符合要求。但當配電變壓器容量很大，從低壓配電屏直接引出截面很小的饋線時，難以達到熱穩(wěn)定要求，應對其進行校驗。

2）短延時脫扣器的動作時間一般為0.1~0.8 s，根據(jù)經(jīng)驗，可選用帶短延時脫扣器的斷路器所保護的配電干線截面不會太小，一般能滿足要求，可不校驗。

KKU建筑MC01單體采用2臺2 000 kVA的變壓器，單臺容量很大，為保證其電纜安全，對其進行熱穩(wěn)定校驗很有必要。

4.2 熱穩(wěn)定性的公式

熱穩(wěn)定性的公式為：

式中：K：計算系數(shù)；S：絕緣導體線芯截面(mm2)；t：在已到達允許最高持續(xù)工作溫度的導體內短路電流持續(xù)作用的時間（s）；I：短路電流。

I2t中t的取值，按照瞬時脫扣的時間，一般為10～20 ms。

4.3 如何計算某一點的預期短路電流

預期短路電流公式為：

變壓器P=2 000 kW,Usc=6%,U20=400。計算出變壓器二次側短路電流Isc=46.9 kA

由于有兩臺變壓器，但其中間有聯(lián)絡開關，母線上某一點短路電流可不必計算其并聯(lián)時的短路電流。

所以低壓柜中聯(lián)絡柜，及主開關采用50 kA分斷能力的斷路器，滿足要求。

這里忽略了斷路器和母線的阻抗及感抗，雖然有誤差，但計算后得到的精度也完全滿足選型的要求。

KKU采用的是施耐德的產(chǎn)品，屬于高端產(chǎn)品，查看其斷路器時間-電流特性曲線，脫扣時間t=0.01 s是比較合理的。

計算出，S>32 mm2。

兩臺主配電柜MDP1、MDP2出線均為母線，最小規(guī)格都為250 A，截面積比35 mm2的XLPE銅線電纜大許多，完全滿足熱穩(wěn)定性的要求。

4.4 二級配電柜短路電流計算

主配電柜的短路電流已經(jīng)算出，其下級配電柜DP1~DP6的短路電流可采用合成法計算短路電流。

式中：Isc(A):上級短路電流；Isc(B)：線路末端短路電流；Zc：回路阻抗；U：系統(tǒng)標稱相電壓。

以DP4配電柜為例，其到MDP2的距離為10 m。母線的電阻通?？梢院雎圆挥?，這樣低壓母線的阻抗實際上都為感抗，其值約為0.15 MΩ/m(如果母線的間距擴大為原來的2倍，其感抗值僅僅增加10%左右)，即Zc=1.5 MΩ。

計算得Isc（B）=36.6 kA，采用40 kA分斷能力的斷路器符合設計要求。

DP4出線的熱穩(wěn)定性套用前面的公式，計算出S=25 mm2，考慮到施耐德產(chǎn)品具有限流作用，上級斷路器可幫助下游短路承擔一部分滅弧功能，導線截面采用16 mm2基本能滿足要求。

4.5 末端配電箱短路電流計算

DP低壓柜下一級接末端配電箱，其短路電流與導線截面積及長度有直接關系，通常采用的是XLPE電纜。采用傳統(tǒng)的套用公式，再查找電阻率的方法，計算出的短路電流精確，但是費時費力。經(jīng)過前人總結出來一套圖表法，在具體做設計時可提高工作效率，也可滿足設計的精度要求。

圖4 低壓柜剖面圖

以PPB1B配電箱為例，其上級配電柜為DP1，電纜長度110 m，截面積為4×150+95，滿足DP1熱穩(wěn)定性要求。前面驗算過，上游DP1配電柜Isc值為40 kA。PPB1B的短路電流Isc=10.6 kA。在滿足載流量的情況下選擇分斷能力為15kA的斷路器作為保護。

5 結束語

KKU項目中，原設計圖紙的設計深度與國內工程比較，介于擴初設計圖與施工圖紙之間。所謂設計圖紙深化，就是在甲方提供的原設計圖紙的基礎上，根據(jù)技術標書、施工規(guī)范的要求和現(xiàn)場實際情況，完善設計意圖，繪制成能夠正確指導施工的施工圖紙。深化設計也是對原設計的一種檢驗,通過深化設計，及時解決原設計存在的問題，以及根據(jù)業(yè)主要求進行修改和補充設計。

在檢驗一些電氣參數(shù)時，國外的電氣設計與國內相比并無不同。短路電流的計算是正確選擇斷路器的分斷能力，進而正確選擇配線柜出線電纜的前提。為提高設計效率，亦可采用諸如ID-SPEC、ECODIAL這類的軟件優(yōu)化設計。