某高校新建校區供配電系統設計

馮 百 樂

(浙江大學建筑設計研究院有限公司, 浙江 杭州 310028)

0 引 言

某高校新建校區總建筑面積約40萬m2,其中地下面積約6萬m2。校內新建的建筑單體包括圖書信息中心、基礎教學中心、文理學院、學生配套服務綜合體(含食堂、配套設施等)、理農醫大樓、工信大樓、科研成果轉移和交叉研究中心、基礎實驗樓、公共教學樓、行政中心、人文社科大樓、學術大講堂、書院區(含宿舍、相關配套建筑)、體育中心、教師公寓、醫院以及其他后勤配套用房等。校園規模較大,建筑功能多樣,設備系統復雜。

1 供配電系統前期規劃

供配電系統需根據校園的負荷等級、負荷特性、用電容量、使用功能、管理模式及當地電源條件,合理確定實施方案。用電方案可為項目前期的論證、審查、決策提供依據,并為后續的設計工作做好準備[1]。

1.1 負荷等級

根據JGJ 16—2008《民用建筑電氣設計規范》(設計階段該規范尚未廢止)、GB 50016—2014《建筑設計防火規范》、JGJ 310—2013《教育建筑電氣設計規范》及其他相關規范的規定,按各單體建筑性質和重要性,結合校園規模及用戶需求,該校區的最高用電負荷等級為一級。

1.2 負荷分析與負荷預測

用電負荷的大小是選擇供電電源、配置變壓器的重要依據。由于供電線路的載流量限制,當用電總負荷較大時,供電線路的電壓等級相應較高,需要的進線回路越多。對于各變電所,若變壓器容量配置偏小,不能滿足正常使用,并造成安全隱患;若變壓器容量配置偏大,初期投資浪費,后續運行空載損耗大[2]。

建筑群的總體規模、單體建筑的使用功能、建筑內用電設備的特性、空調形式等因素均與用電負荷的大小緊密相關。據調研,高校內的普通教學樓、行政樓的用電負荷普遍較低,學生食堂、特殊實驗樓(如動物實驗中心)的用電負荷普遍較高。同時,高校的用電負荷還有如下特點:學生宿舍用電存在一定的周期性,一年中寒、暑假為用電低谷,一天中晚間為用電高峰;會堂、體育場館在舉辦會議、演出、大型活動、比賽時負荷較大,平時負荷很小;動物實驗中心、網絡數據中心的用電負荷全年基本穩定;整個校園的用電同時率較低。

1.2.1 負荷指標法估算

根據JGJ 310—2013《教育建筑電氣設計規范》[3]表3.2.5,普通高等學校(理工科為主)的校園總配變電站的變壓器單位容量指標為30～60 VA/m2。該新建校區以理工科為主,變壓器單位容量指標考慮取上述范圍內的較大值,即50～60 VA/m2,相應粗略估算變壓器總安裝容量為2.0萬～2.4萬kVA。

1.2.2 詳細估算

根據各單體建筑的規模、功能,參考相關資料進行詳細估算。該校區的總計算負荷為17 392.4 kW,變壓器總安裝容量為21 615 kVA,負荷預測如表1所示。變壓器單位容量指標為54.1 VA/m2,預測結果在負荷指標法估算值范圍內。

表1 負荷預測

1.2.3 發展預留

該校區內預留有部分用地作為今后發展建設用,預估建筑面積10萬m2。變壓器單位容量指標按55 VA/m2考慮,相應需預留容量5 500 kVA。

1.2.4 負荷預測值

詳細預測值是根據各單體的負荷指標匯總而成,且其結果可作為布置配、變電所的依據,故以其作為校園總用電負荷的預測結果。考慮今后發展預留所需用電,該校區變壓器遠期總安裝容量為27 115 kVA。

1.3 供電電源

經調研,該校區地塊附近有多座110/10 kV變電站,且均留有足夠的容量及10 kV出線間隔。結合負荷預測結果,確定校園的供電電壓等級為10 kV。

以負荷預測值為依據,經與當地供電部門溝通,由附近2座110/10 kV變電站各引入2路獨立的10 kV專線,作為校區用電的供電電源,4路10 kV電源同時工作。當引自其中一座110/10 kV變電站的電源故障時,引自另一座110/10 kV變電站的電源可承擔校園內二級及以上全部負荷。此供電電源滿足為一級負荷用電單位供電的可靠性要求。

1.4 高壓配電系統

根據負荷預測結果及供電電源條件,校內規劃設置2座10 kV高配所,分別承擔相應區域的供配電。校園供配電自成系統,與市政電網的分界點為高配所10 kV進線開關的進線端。

校內10 kV配電系統可采用放射式或環網式。放射式供電系統簡單可靠,故障發生后影響范圍小,便于操作管理;環網式供電系統可靠性較高,運行較為靈活,但切換操作復雜。由于當地供電部門不允許10 kV配電系統采用環網式供電,因此確定10 kV配電系統采用放射式供電。

2 供配電系統深化設計

項目進入初步設計及施工圖設計階段后,建筑平面已明確,使用功能已定型,結構、給排水、暖通、智能化等專業的設計也已逐步深化。根據各專業提供的設計條件,結合供配電系統的前期規劃方案,對該校區的供配電系統進行深化設計。

2.1 負荷計算

初步設計及施工圖設計階段,負荷計算采用需要系數法。對空調、風機、電梯、水泵等用電設備按其設備安裝容量進行統計,對照明、插座等設備的用電負荷按單位容量法進行統計。

深化設計后變壓器總安裝容量為25 310 kVA,較方案規劃階段增加3 695 kVA;變壓器單位容量指標為63.3 VA/m2,較方案規劃階段增加9.2 VA/m2。

經分析,造成變壓器安裝容量變化的主要原因如下:

(1)各單體建筑的建筑指標、平面布置、使用功能更為準確,如書院戊為旅館功能,湖東綜合體區域部分為餐飲、商業功能。

(2)給排水、暖通、智能化等專業的設計條件更為具體、詳細,如湖東綜合體設置冷凍機房,且設備安裝容量較大,相應設置一組變壓器專供冷凍機房使用。

(3)與校方充分溝通后,考慮其使用需求,如綜合體育館區域需要舉辦大型活動,體育中心變電所相應增加用電容量。

(4)部分區域根據建設周期的需要,變壓器預留后續建設的用電容量,如教師公寓變電所。

2.2 配、變電所

在確定配、變電所的數量、所址時,需考慮安全可靠、綠色環保、易于安裝維護等原則;同時,配、變電所也應與校園總體、單體布局相協調。深化設計后,在校園內共設置2座10 kV高配所、13座10/0.4 kV變電所。配、變電所設置如表2所示。

表2 配、變電所設置

除滿足各項規范要求外,設計在配、變電所的數量、所址選擇上,還有如下特點:高校用電同時率較低,各變電所按區域盡量集中設置、減少數量,相應降低投資,方便管理,也節省機房面積;配、變電所均設置在1F,并設有排水措施,提高了供電可靠性,便于維護檢修。

2.3 供電電源及高壓配電系統

前期規劃階段,與建設方、使用方及供電部門進行充分的溝通,故施工圖階段未對該部分內容的前期方案做調整。高壓配電系統根據10/0.4 kV變電所的設置進行了深化設計,高壓配電系統整體示意圖(一)、(二)分別如圖1、圖2所示。

圖1 高壓配電系統整體示意圖(一)

圖2 高壓配電系統整體示意圖(二)

2.4 高、低壓供電系統接線型式及運行方式

高壓為單母線分段運行方式,中間不設聯絡開關。平時,各高配所的兩路電源分列運行,當一路電源故障時,由另一路電源承擔相應高配所供電區域的二級及以上全部負荷。

低壓為單母線分段運行,設聯絡開關。投切前應斷開非保證負荷,以保證變壓器正常工作。低壓主進開關與聯絡開關之間設電氣聯鎖及“三鎖二鑰匙”機械聯鎖,任何情況下只能有兩個開關處在閉合狀態。

2.5 光伏發電系統

在教學北區學術大講堂屋頂設置一套太陽能光伏發電系統,發電峰值容量為19.4 kWp。該系統采用并網系統,光伏組件產生的直流電經逆變為0.4 kV交流電后直接并入電網。

2.6 線路敷設

室內采用母線槽和電纜沿電氣豎井、槽盒敷設。對于實驗樓等用電設備變動較大的建筑,母線槽在設計時預留了一定裕量,以備后續擴容改造。

室外電力電纜采用穿CPVC專用電纜保護管埋地敷設,在車行道下敷設時采用混凝土包封。該方式具有受外力影響小、占地少、能承受較大荷載、電纜敷設互不影響、施工方便等優點。設計時還考慮一定的備用管和預留管線通道,盡量避免今后的路面開挖。

3 結 語

高校的校園規模大、在校師生多,承擔著重要的教學科研任務。供配電系統是保證校園正常運行的重要環節,是電氣設計的核心內容。本文對某高校新建校區的供配電系統的設計過程進行了介紹,并對設計中的部分環節進行了分析,可為類似項目的電氣設計提供參考。