低碳背景下建筑電氣供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)簡(jiǎn)析

李興葆

（中國(guó)建筑技術(shù)集團(tuán)有限公司）

0 引言

供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)是建筑電氣設(shè)計(jì)工作中的主要內(nèi)容，供配電系統(tǒng)的正確搭建是整個(gè)項(xiàng)目能夠正常運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，在國(guó)家大力倡導(dǎo)2030碳達(dá)峰和2060碳中和的“雙碳”目標(biāo)的背景下，廣大電氣設(shè)計(jì)工作者在進(jìn)行供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將低碳設(shè)計(jì)理念融入到整個(gè)設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，在合理搭建供配電系統(tǒng)的同時(shí)，結(jié)合正確的負(fù)荷計(jì)算與滿足節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備選型，來實(shí)現(xiàn)整個(gè)供配電系統(tǒng)的節(jié)能減碳目標(biāo)。

1 電氣系統(tǒng)方案

1.1 電壓選擇

電源引入端供電電壓的確定一般需要考慮多種因素，主要包括用電設(shè)備特性、用電容量、供電距離、供電回路數(shù)量、用電單位遠(yuǎn)景規(guī)劃、當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)情況、引入電源的經(jīng)濟(jì)合理性等。一般情況下，當(dāng)設(shè)備安裝容量在250kW及以上時(shí)應(yīng)考慮采用10kV或20kV系統(tǒng)供電［1］。

在經(jīng)濟(jì)技術(shù)合理的情況下，提高電壓等級(jí)可以提高電網(wǎng)輸送能力，增大供電半徑，降低系統(tǒng)損耗，實(shí)現(xiàn)減碳目標(biāo)。設(shè)計(jì)中如果出現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)電壓等級(jí)可選的情況時(shí)，在滿足技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理的情況下，應(yīng)優(yōu)先選用高電壓等級(jí)電源。如暖通專業(yè)在選用制冷機(jī)組時(shí)，電氣專業(yè)應(yīng)提出合理建議，對(duì)容量較大的制冷機(jī)組，建議直接采用10kV機(jī)組，以降低變壓過程中產(chǎn)生的損耗。

1.2 負(fù)荷中心與供電半徑

變電所宜設(shè)在負(fù)荷中心或靠近大功率的用電設(shè)備處，以縮短供電半徑。當(dāng)建筑物內(nèi)有多個(gè)負(fù)荷中心時(shí)，應(yīng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，合理設(shè)置變電所。

民用建筑低壓供電半徑一般不宜超過300m。供電半徑過大可能造成電壓損失過大或保護(hù)開關(guān)不能保護(hù)線路末端短路。對(duì)于建筑高度超過100m的超高層建筑，可以通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選合理確定變電所的位置，超高層建筑的變電所可分散設(shè)置在地下室、避難層等場(chǎng)所。

1.3 負(fù)荷平衡

在進(jìn)行設(shè)備選型時(shí)，盡量選擇三相對(duì)稱的用電設(shè)備。如單相設(shè)備較多時(shí)，應(yīng)盡量將單相負(fù)荷均勻分布在三相上，使得三相負(fù)荷的不平衡度小于15%。對(duì)于容量較大的供電線路（一般線路電流大于60A時(shí)），建議采用三相供電方式。

1.4 雙回路或多回路供電情況

當(dāng)系統(tǒng)方案為雙回路或多回路供電時(shí)，宜選擇由雙回路或多回路電源在平時(shí)正常使用時(shí)同時(shí)承擔(dān)負(fù)荷，相當(dāng)于增加了承載電流的線纜截面，降低了線纜上的能源損耗。

2 電氣負(fù)荷計(jì)算

對(duì)于不同設(shè)計(jì)階段，電氣負(fù)荷計(jì)算所采用的計(jì)算方式是不同的。方案設(shè)計(jì)階段的電氣負(fù)荷計(jì)算可采用單位指標(biāo)法確定變壓器的容量和數(shù)量；初步設(shè)計(jì)和施工圖階段則應(yīng)采用需要系數(shù)法進(jìn)行更詳細(xì)的計(jì)算［2］。

2.1 單位指標(biāo)法

單位指標(biāo)法即采用規(guī)范或技術(shù)措施等技術(shù)文件所列出的典型場(chǎng)所的經(jīng)驗(yàn)用電指標(biāo)，乘以項(xiàng)目的建筑面積，用以估算出整個(gè)項(xiàng)目的用電容量或變壓器裝機(jī)容量。

對(duì)于單位指標(biāo)法應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意，規(guī)范或技術(shù)措施中所列的用電指標(biāo)是一個(gè)范圍值，該指標(biāo)數(shù)值受地理位置、氣候條件、建筑規(guī)模、能源種類、地區(qū)發(fā)展水平等多因素影響，在實(shí)際使用過程中，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目具體情況來選取。

2.2 需要系數(shù)法

在工業(yè)與民用建筑電氣設(shè)計(jì)中，進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算時(shí)，需要系數(shù)法是常用的一種方法，通過設(shè)備功率乘以需要系數(shù)和同時(shí)系數(shù)，以求得計(jì)算負(fù)荷。需要系數(shù)法在進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)問題：

1）照明負(fù)荷在進(jìn)行統(tǒng)計(jì)容量時(shí)，應(yīng)加上其附屬設(shè)備的容量。比如氣體放電燈、金屬鹵化物燈的容量應(yīng)為燈泡的功率加上鎮(zhèn)流器的功耗。

2）用電設(shè)備組的設(shè)備在進(jìn)行負(fù)荷統(tǒng)計(jì)時(shí)，不應(yīng)包括備用設(shè)備的容量。但在選擇變壓器時(shí)，應(yīng)校核備用設(shè)備投入后對(duì)變壓器容量的影響，應(yīng)保證備用負(fù)載投入后，變壓器可以在規(guī)定時(shí)間內(nèi)正常使用。

3）常規(guī)項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中，消防設(shè)備負(fù)荷容量會(huì)低于正常設(shè)備用電容量，因此在進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算時(shí)，可以不計(jì)入消防設(shè)備用電容量。但此處應(yīng)注意，這里所述的消防設(shè)備容量為平時(shí)不使用而僅火災(zāi)情況下開啟的消防設(shè)備，對(duì)于平時(shí)使用的消防負(fù)荷，比如消防控制室，消防電梯，平時(shí)和消防時(shí)均使用的風(fēng)機(jī)等，在進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算時(shí)應(yīng)列入計(jì)算范圍。

4）季節(jié)性負(fù)荷，如冬季采暖設(shè)備和夏季制冷設(shè)備，在實(shí)際使用過程中不會(huì)同時(shí)開啟，這時(shí)在進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算時(shí)，應(yīng)選擇其中較大的負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算。

5）對(duì)于單相負(fù)荷較多的情況，應(yīng)盡量將三相負(fù)荷平均分配到三相上，當(dāng)不對(duì)稱度較大時(shí)，應(yīng)將單相負(fù)荷換算為等效的三相負(fù)荷后（最大相乘3），再與其他三相負(fù)荷相加求得。

6）由于需要系數(shù)法在計(jì)算過程中是分別統(tǒng)計(jì)不同設(shè)備的功率，未考慮這些設(shè)備的同時(shí)使用情況以及設(shè)備容量的動(dòng)態(tài)變化，因此在進(jìn)行配電干線及變電所負(fù)荷計(jì)算時(shí)，應(yīng)為各個(gè)用電設(shè)備組的計(jì)算負(fù)荷之和再乘以同時(shí)系數(shù)，同時(shí)系數(shù)根據(jù)設(shè)備使用情況確定，一般可以選取0.8～0.9。

2.3 節(jié)能指標(biāo)

對(duì)于變壓器裝機(jī)容量，應(yīng)根據(jù)建筑實(shí)際用電需求進(jìn)行計(jì)算后確定，不應(yīng)設(shè)置過大。根據(jù)大量建筑建成后的運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，目前項(xiàng)目中變壓器安裝容量偏高的情況還是大量存在的［3］，變壓器長(zhǎng)時(shí)間空載或低負(fù)載率運(yùn)行，將造成大量的能源損耗，為了降低這部分能源損耗，在設(shè)計(jì)過程中就應(yīng)盡量使設(shè)置的變壓器容量在合理的節(jié)能范圍內(nèi)，對(duì)于規(guī)范明確節(jié)能限制的部分建筑類型，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行校核。變壓器容量指標(biāo)限制如下表所示。

表 變壓器容量指標(biāo)

應(yīng)用此表進(jìn)行節(jié)能評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)注意如為商業(yè)綜合體建筑，則應(yīng)按照其中各建筑類型的面積比例進(jìn)行核算；如建筑內(nèi)包括數(shù)據(jù)中心，則數(shù)據(jù)中心部分應(yīng)單獨(dú)核算。同時(shí)也不能將此表內(nèi)數(shù)據(jù)作為單位面積指標(biāo)直接進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算使用。

3 功率因數(shù)補(bǔ)償

3.1 功率因數(shù)補(bǔ)償對(duì)供配電系統(tǒng)節(jié)能的影響

對(duì)于變壓器來說，功率因數(shù)補(bǔ)償可以降低變壓器的銅損，從而降低變壓器損耗。功率因數(shù)補(bǔ)償后提高了功率因數(shù)，可以降低無功電流，使得流過變壓器和線路的電流降低，這樣可以減少線路及變壓器的線路損耗和電壓損失。功率因數(shù)補(bǔ)償后，供給同一負(fù)荷所需的視在功率減少，提高了變壓器的帶載能力。

3.2 功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)南嚓P(guān)要求

對(duì)于35kV及以下變配電系統(tǒng)，宜在配電變壓器低壓側(cè)集中補(bǔ)償。有高壓負(fù)荷時(shí)宜考慮設(shè)置高壓無功補(bǔ)償裝置。對(duì)于氣體放電燈，應(yīng)采取單燈就地?zé)o功補(bǔ)償?shù)姆绞健?duì)于容量較大、負(fù)荷平穩(wěn)且經(jīng)常使用的用電設(shè)備的無功功率在條件允許時(shí)可考慮單獨(dú)設(shè)置補(bǔ)償裝置。對(duì)于三相不平衡線路，應(yīng)采用分相補(bǔ)償方式。

4 諧波控制

4.1 諧波的危害

諧波在配電系統(tǒng)內(nèi)能夠產(chǎn)生有危害的過電壓或過電流，進(jìn)而損壞用電設(shè)備。諧波電壓和電流在電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生附加損耗，引起電機(jī)機(jī)械振動(dòng)和噪聲。諧波電壓會(huì)使變壓器銅耗增大，還會(huì)使變壓器絕緣材料承受較大的應(yīng)力。諧波會(huì)在線路上產(chǎn)生附加損耗，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起中性線過熱或燒斷。諧波含量較多的電流將使斷路器的遮斷能力降低，影響斷路器的正常工作。諧波電流還會(huì)對(duì)通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，影響計(jì)量系統(tǒng)測(cè)量和計(jì)量精度，對(duì)電力網(wǎng)保護(hù)和自動(dòng)保護(hù)裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)。

4.2 諧波源

用戶向公共電網(wǎng)注入諧波電流的電氣設(shè)備或在公共電網(wǎng)中產(chǎn)生諧波電壓的電氣設(shè)備，統(tǒng)稱為諧波源。常見的諧波源主要有換流設(shè)備、電弧爐、鐵心設(shè)備、照明設(shè)備、某些生活日用電器等非線性設(shè)備。民用建筑中主要有電動(dòng)機(jī)用的變頻裝置、變壓器的鐵心、照明氣體放電燈和LED燈的驅(qū)動(dòng)電源、電視機(jī)、計(jì)算機(jī)、電烤箱、電磁爐、變頻空調(diào)等家用電器。

4.3 諧波的預(yù)防與治理

（1）諧波預(yù)防

在電氣設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)考慮諧波對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響，通過合理的系統(tǒng)配置和設(shè)備選型，來預(yù)防諧波的產(chǎn)生。普通民用建筑建議采用D，yn11型接線的配電變壓器以及合理選用諧波含量低的用電設(shè)備來減少諧波的產(chǎn)生。

（2）諧波治理

供配電系統(tǒng)的諧波含量或設(shè)備的諧波含量不得超出相關(guān)國(guó)家或地方標(biāo)準(zhǔn)的限定值，如含量超標(biāo)，需采取一定的治理措施：如設(shè)備采用電源隔離、屏蔽、接地等措施；加裝交流電抗器和直流電抗器；加裝有源或無源濾波裝置；加裝無功功率靜止無功補(bǔ)償裝置；將非線性負(fù)荷與線性負(fù)荷分開供電；電路盡量多重化、多元化等。

5 電氣設(shè)備選型

5.1 電力變壓器的選擇

1）電力變壓器的能效水平應(yīng)高于能效限定值或能效等級(jí)3級(jí)的要求［4］。

2）合理選擇變壓器容量，不應(yīng)使變壓器長(zhǎng)期過載或過低負(fù)載狀態(tài)下運(yùn)行。根據(jù)GB／T 13462—2008《電力變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》規(guī)定，對(duì)雙繞組變壓器而言，變壓器最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間為1.33β2～0.75，其中β為變壓器綜合功率經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)?？紤]到根據(jù)此式計(jì)算出的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行下限值較小，建議將經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間修訂為β～75%范圍內(nèi)。

3）對(duì)于有一二級(jí)負(fù)荷，且設(shè)置兩臺(tái)及以上變壓器的供電系統(tǒng)，當(dāng)其中一臺(tái)變壓器故障時(shí)，其余變壓器容量應(yīng)能夠滿足全部一級(jí)及二級(jí)負(fù)荷的供電要求。

4）對(duì)于不同時(shí)使用的負(fù)荷，在計(jì)算變壓器容量的計(jì)算時(shí)，應(yīng)選擇其中較大者計(jì)算，且宜合用變壓器，以平衡變壓器的負(fù)載率，降低變壓器的損耗率，以減少碳排放量。

5）一般情況下，動(dòng)力和照明負(fù)荷宜共用變壓器。如對(duì)于照明質(zhì)量要求較高或有較大沖擊負(fù)荷的場(chǎng)所，應(yīng)考慮設(shè)置專用變壓器。

6）一般情況下應(yīng)選用D，yn11型接線的變壓器，使變壓器容量在三相不平衡負(fù)荷情況下得到充分利用，并有利于抑制三次諧波電流。

5.2 電動(dòng)機(jī)的選擇

1）電動(dòng)機(jī)的能效水平應(yīng)高于能效限定值或能效等級(jí)3級(jí)的要求，宜采用滿足節(jié)能評(píng)價(jià)值的電動(dòng)機(jī)。同時(shí)，風(fēng)機(jī)在選型時(shí)應(yīng)注意其效率不應(yīng)低于現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB19761《通風(fēng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》規(guī)定的通風(fēng)機(jī)能效等級(jí)的2級(jí)。水泵選型時(shí)應(yīng)注意其效率不應(yīng)低于現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB19762《清水離心泵能效限定值及節(jié)能評(píng)價(jià)值》規(guī)定的節(jié)能評(píng)價(jià)值。

2）額定功率大于200kW的電動(dòng)機(jī)宜采用高壓電動(dòng)機(jī)。

3）恒負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行，功率在250kW及以上的電動(dòng)機(jī)，宜采用同步電動(dòng)機(jī)，同步電機(jī)可在一定程度上改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。

4）應(yīng)合理選擇電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)調(diào)速方式：當(dāng)電機(jī)工作在兩個(gè)不同工況時(shí)，在滿足工藝要求的前提下，宜通過調(diào)整電動(dòng)機(jī)極數(shù)進(jìn)行調(diào)速（如雙速風(fēng)機(jī)的應(yīng)用）；當(dāng)電機(jī)的工況大于兩個(gè)時(shí)，宜采用電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速方式。

5.3 交流接觸器的選擇

交流接觸器應(yīng)按照GB21518《交流接觸器能效限定值及能效等級(jí)》的分級(jí)，滿足能效水平應(yīng)高于能效限定值或能效等級(jí)3級(jí)的要求。

6 配電線路選擇

在進(jìn)行電氣整體方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將降壓變壓器盡量設(shè)于負(fù)荷中心，這樣可以減小出線線路上的損耗。盡量選用電導(dǎo)率較高的銅導(dǎo)體。在滿足導(dǎo)體載流量和線路電壓降等技術(shù)條件下，按經(jīng)濟(jì)電流選擇導(dǎo)體截面可降低線路運(yùn)行損耗，雖然按此方法選擇導(dǎo)體截面會(huì)使初投資加大，但只要使用年限超過回收年限，則經(jīng)濟(jì)上仍然是比較合理的。

7 結(jié)束語

現(xiàn)階段正是國(guó)家實(shí)現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”的關(guān)鍵時(shí)期，要實(shí)現(xiàn)節(jié)能減碳的目標(biāo)，作為與日常生活息息相關(guān)的供配電系統(tǒng)能耗應(yīng)當(dāng)更加予以重視。作為電氣設(shè)計(jì)人員應(yīng)了解和掌握建筑電氣供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵要點(diǎn)，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)秉承綠色、節(jié)能、環(huán)保的理念，將低碳設(shè)計(jì)融入到建筑電氣的設(shè)計(jì)工作中來，為早日實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)貢獻(xiàn)自己的一份力量。