某高校科研實訓樓電氣設計

陳濤

（華南理工大學建筑設計研究院有限公司，廣東 廣州 510640）

0 引言

科研實訓建筑在設計時較一般建筑各專業的設計難度較大，對土建專業和設備專業都有較高的要求，這主要由于其內部功能復雜、豎向管井以及設備（尤其暖通專業）管線眾多，如何設計好一棟科研實訓建筑需要各專業的緊密配合，同時每個專業內部也需要整體統籌考慮。

從電氣設計的角度來看，科研實訓建筑的設計有別于其他建筑，具有其特殊及復雜性。本文主要從實際工程設計的角度出發，結合參與的項目設計全程，總結本類建筑電氣設計的要點、注意事項以及筆者的一點經驗，以供同行參考。

1 項目概況

本工程為某高校的科研實訓樓，位于江蘇省宜興市，總建筑面積為31450m2，無地下室，地上20 層，建筑高度為90.25m，屬于一類高層公共建筑。首層門廳為兩層通高、其余場所為值班室、會議室以及開閉所、變電所、水泵房等配套設備用房。二層至頂層均為各類實驗實訓室、配套用房以及教師休息室等。

2 電氣設計分析

2.1 負荷分級

按照《民用建筑電氣設計標準》（GB 51348—2019）的負荷等級劃分相關條文，本項目最高負荷等級為一級負荷。詳細分類為：本項目的消防風機、消防水泵、消防電梯、防火卷簾、應急照明等消防設備用電，值班照明；警衛照明；航空障礙照明；主要業務和計算機系統用電；其他弱電系統設備用電；客梯用電；排水泵用電；生活水泵用電等屬于一級負荷；主要通道及樓梯間照明，精密空調用電等屬于二級負荷；其他普通照明用電、景觀照明用電、普通動力等均屬于三級負荷[1]。

2.2 容量計算

在方案設計階段，因建筑內部功能不完全確定，并且業主方參與還不夠深入，本階段一般是電氣設計人員按照單位功率密度的方法大致估算設備安裝容量，確定變壓器的臺數以及容量，但此時非常考驗設計人員的水平，如前所述，實訓實驗用的電典型特點就是用電負荷的不確定性和增長性[2]。具體來說，對于一棟實訓大樓在投入使用前是沒法完全掌握內部有哪些實驗科目以及實驗設備的，因此，就導致了用電的不確定。同時，又因為一棟實驗樓從建成至完全投入運行是需要一段時間的，在全部實驗設備均投入運行時，肯定用電負荷也最大。如果前期估算偏小，會導致后期用電緊張、變壓器處于過負荷運行狀態，使用過程中末端甚至會出現經常跳閘的情況；如長期使用，會加速電纜及設備老化，增加了安全隱患。按照《建筑電氣常用數據》（19DX101-1）表3.16，方案規范階階段，公共建筑的用電單位負荷指標為30～120VA/m2，考慮到本項目的規模以及性質，初步按110VA/m2進行估算，得出總容量約為3200kVA，故可選用2 臺1600kVA 的干式變壓器。

在初步設計階段，對于空調主機、主要水泵、風機、電梯、充電樁等設備功率均可按照各專業的提資進行計算，有了較為準確的數字，此階段一般按設備安裝容量采用需要系數法進行計算；該階段業主參與也已經較為深入，對于實驗實訓負荷能夠提供一些參考數據，能夠對于負荷計算有一定的參照作用；但對照明等無確切設備安裝容量的負荷來說，需按單位面積功率法進行估算。

在施工圖設計階段，各專業已經能夠準確地給電氣專業提供設備功率參數以及使用屬性等參數。同時，一般此階段，業主方也會收集較多的試驗設備數據，有些實驗室負責人也會從實驗設備廠家等渠道獲得相對準確的設備數據，提出具體的實驗用電需求。若對于仍無要求的，電氣專業應該給出實驗用電建議指標，并按此指標進行施工圖設計。特別提醒，對于以上實驗用電的條件，建議均以單位蓋章發函的形式確定并留底保存，對校方有特殊使用需求的來往資料等也應做好留底保存，以避免后期扯皮。因為很多時候，具體實驗室的負責人不是電氣專業，完全按照實驗設備廠家提供的功率簡單累加，并乘以較大余量系數，蓋章提資給了設計單位，因具體實驗工藝等情況設計人員是不知的，這種情況下，電氣專業也沒法直接反駁，一般只能溝通，若溝通無果只能按要求設計，做出來往往是一個很大落地式配電柜，放在實驗室內很占位置，比較突兀，與實驗室明顯不搭。當實驗室負責人看到實物時，通常會有為什么配電箱（柜）要這么大的疑問，如沒保存來往函件就沒法解釋，或者解釋說服力就沒那么強了。對本工程，施工圖階段的設備安裝總容量為5146kW，總計算負荷為2483kW，對于純消防負荷的消防泵、消防風機總功率為493kW 未計入變壓器容量內。經計算，2臺1600kVA 干式變壓器的負載率分別為82.1%和84.5%，說明方案階段選擇的變壓器容量合理。

2.3 供配電系統

電源。根據項目的負荷分級以及容量估算情況，并對所在地的市政電源進行分析，結合業主與屬地供電部門溝通紀要，該項目所在地電網情況良好，可提供雙重10kV 供電電源。故本項目計劃從周邊兩個市政變電站各引一路10kV 電源，兩路10kV 電源同時工作，互為備用方式，滿足雙重電源供電需求，且每路電源均能承擔全部一、二級負荷的供電要求，提高了一、二級負荷的用電可靠性。

配電系統結先形式和運行方式。低壓采用分段單母線，二臺變壓器分列運行，設置低壓母線聯絡。正常情況下，聯絡開關處于斷開位置，變壓器分列運行。當一臺變壓器故障或檢修退出運行時，切除三級負荷和部分二級負荷（視變壓器負載情況）后，手動合上聯絡開關，向故障段母線供電，以維持一級負荷和二級負荷供電。兩主進線開關與聯絡開關設電氣和機械聯鎖（三鎖兩鑰匙），任何情況下只能閉合其中的兩個開關，以確保變壓器不并列運行。

試驗動力配電。對于大型實驗場所或車間應采用放射式供電（提高供電可靠），其他可采用樹干式供電模式（節省低壓出線回路）。需要注意的是，實驗實用電在末端配電箱應預留充足，整個樹干集中到變電所低壓出線回路側的需要系數可盡量取小，這樣既能滿足各間實驗室的用電要求，又不至于導致變壓器的容量過大，造成不必要的浪費。另外，因很多實驗室都對接地安全的要求較高，一般的做法是在各個實驗室預留接地端子和局部等電位連接端子箱（LEB），然后就近接入本層接地裝置。也有將本層所有實驗室的接地端子箱通過專用接地扁鋼（或滿足規范要求的扁鐵）連通后，統一引至本層電井專設的豎向PE 干線，由PE 干線直接與建筑物接地基礎相連接[3]。

繼電保護及信號裝置。繼電保護及信號裝置分為以下兩種：①10kV 中壓系統。采用綜合繼電保護裝置，中壓進線設電流速斷保護、定時限過電流保護、低電壓保護，出線設電流速斷保護、定時限過電流保護、零序電流保護及變壓器高溫報警、超溫跳閘保護。各柜設操作鑰匙，防止誤操作。主進線柜設電磁鎖，防止帶電情況下打開柜門。各高壓柜內均設溫濕度控制器。②低壓系統。低壓進線、母聯主斷路器設過載長延時、短路短延時保護，低壓出線設短路瞬時保護、過載保護。低壓進線斷路器設失壓脫扣；非消防負荷出線回路設分勵脫扣，以滿足消防聯動切斷和三級負荷故障卸載之需要。

計量。中、低壓系統各回路均裝設智能數字儀表，以實現電流、電壓、有功功率、功率因數、有功電能、開關狀態、諧波等全電量監測與計量，并可遠程集中監控和管理。電容補償柜設功率因數測量。低壓電流互感器選擇，應盡量使主回路正常最大運行電流在互感器一次側額定電流的2/3 以上。電流互感器精確度通常選用0.5 級。中壓計量柜電流、電壓互感器采用0.2 級。本工程，按業主要求，每間實驗室均需計量、計量儀表集中設置于樓層強電間，采集信息還應遠程傳送至校區能源管理中心。

無功補償及諧波控制，即采用低壓集中自動補償方式，在低壓母線設電容自動補償柜，要求補償后功率因數在0.95 以上，低壓無功補償裝置具有分補和共補的功能，且分相補償容量不得小于總補償容量的40%。采用串接電抗器的形式對高次諧波進行抑制，保護設備，節約能源。經與校方溝通，各實驗室無產生較大諧波的設備，后期根據實際情況，在需要的場所設置就近無功補償和電抗裝置。

2.4 照明設計

本工程各區的照明分為普通照明、應急照明、景觀照明。

普通照明：主要依據是《建筑照明設計標準》（GB 50034—2013）。盡可能選擇高光效、高顯色性、低眩光的光源和燈具[4]。鑒于實驗室內一般會有較大試驗設備，照明安裝方式需要注意。當無吊頂時，可采用熒光燈管吸頂安裝或敷設小照明線槽，燈具貼線槽安裝，線槽應盡量高且應避開設備正上方；當時有吊頂時，一般采用格柵燈盤嵌入式安裝，但燈具注意避開通風罩、通風櫥等試驗設備。

按各功能分區的環境特點和使用要求，確定各區主要場所的照度標準、功率密度指標及主要燈具、光源選擇參數要求，部分場所參數如表1 所示。

表1 部分場所照明參數

應急照明：本項目設置集中電源集中控制型消防應急照明和疏散指示系統（電壓等級：DC36V），應急照明控制器設置在消防控制室內，并且與火災自動報警系統聯動。按規范要求設置消防疏散照明、疏散指示標志和消防備用照明。消防應急照明燈和疏散指示標志燈滿足《消防應急照明及疏散指示系統》（GB 17945—2010）、《消防安全標志 第1 部分：標志》（GB 13495.1—2015）及《安全標志及其使用導則》（GB 2894—2008）及國家認監委指定的“消防產品認證機構”頒發的CCC 認證的要求。

景觀照明：包括建筑立面照明、庭院綠化及道路照明，業主明確本項為專業分包內容，本次設計僅預留總電量，后期專項深化設計。

3 電氣消防

本工程消防用電設備均采用專用的供電回路，并在末端互投，當生產、生活用電被切斷時，應仍能保證消防用電，消防配電及控制箱（柜）均應有明顯的“消防”標志。消防泵房內的消防泵配電箱、控制箱不低于防護等級不低于IP55。消防干線采用礦物絕緣類電纜、支線采用低煙無鹵耐火型電纜。消防用電設備的配電線路穿管保護，暗敷時，應穿管并應敷設在不燃燒體結構內且保護層厚度不應小于30mm。明敷時（包括敷設在吊頂內），應穿金屬管或封閉式金屬線槽，并應采取防火保護措施。消防用電設備及消防配電線路設置明顯的標志，充電用斷路器設不允許斷開的明顯標志[5]。

按規范要求，本工程設置集中型火災自動報警系統，消防控制室設于首層北側。消防控制室內設置火災自動報警控制器、消防聯動控制裝置、彩色圖形顯示裝置、消防專用電話總機、火災應急廣播主機、消防設備監控系統、防火門監控系統、電氣火災監控系統裝置。

4 結語

科研實訓建筑的電氣設計是一項復雜在工作，需要全面、系統、多方位的綜合考慮。本文主要結合筆者參與的科研實訓建筑電氣設計工作，對設計中容易錯漏的情況及需要注意事項作簡要梳理，以供大家做類似工程時參考。不妥之處歡迎指正。