高层供配电系统设计

摘要

要提高高层建筑配电系统的可靠性，要正确选择各类配电设备的容量，就必须科学、合理的进行负荷计算。本文对符合计算中的相关问题进行了分析和探讨，就重要设备的容量选择做了较为详细的论述，提出了一些进一步提高配电系统可靠性的措施，并结合工程实例进行负荷计算，计算结果证明本文所述方法是正确合理，可在实际中应用。高层建筑比一般建筑遭受雷击的概率要大得多，而一旦遭受雷击，损失将非常严重。另外，普通建筑物防雷系统不但不能保护高层建筑物内的电子设备与计算机系统，反而可能会引入雷电。因此，高层建筑的防雷保护就越显重要，相应地对防雷保护提出了更高的要求。本文对于高层建筑物的防雷保护措施做了较为仔细的分析。

本设计主要包括强电部分设计、弱电部分设计及安防部分设计。即完成对小区的综合布线系统、照明系统、供配电系统、消防报警系统以及防雷接地系统的设计。设计的侧重点是该居民楼电气系统中供配电系统设计和照明系统设计，其中供配电系统主要包括负荷等级、负荷计算、变压器选择、互感器的选择、电缆的选择等。照明系统主要包括照明系统简介、照度方式种类、照度计算、电气照明设计等。

关键词：配电系统，照明，防雷接地

Abstract

To improve the reliability of the distribution system of high-rise buildings To correct choice of the capacity of various types of distribution equipmentMust be scientific, reasonable load calculation Right to comply with the issues related to the calculation of the analysis and discussion, a more detailed discussion on the capacity of choice for critical equipment, and made a number of measures to further improve distribution system reliability, and load calculation, with an engineering example calculationsto prove that the approach described here is correct and reasonable, can be applied in practice High-rise buildings the probability of being subjected to lightning is much greater than the average building, and once being struck by lightning, the loss will be very serious In addition, ordinary building lightning protection system will not only fail to protect the electronic equipment and computer systems in the high-rise buildings, but may introduce lightning. Therefore, the high-rise buildings Lightning protection of the more significant and important, and accordingly put forward higher requirements for lightning protection. Lightning protection measures for high-rise buildings, a more careful analysis.

In this essay there are mainly focusing on the design of forceful electric power design of security automation system and light current. Complete cell integrated wiring system lighting system ,power supply and distribution system fire alarm systems and lightning protection and grounding system design The design focus is the residential building electrical systems for power distribution system design and lighting system design supply and distribution system including load level, load calculations transformer selection choice of transformer cable choice the lighting system consists mainly of the introduction of lighting systems illumination mode types illumination calculations electrical and lighting design

Keywords: Distribution system Illumination Lighting protection and grounding

目录

摘要................................................................... I

Abstract................................................................... I 1绪论.. (1)

1.1设计概况 (1)

1.2设计内容 (1)

2供配电系统设计 (3)

2.1负荷等级 (3)

2.2供电电源 (3)

2.3变配电所系统 (3)

2.4负荷计算的依据和目的 (4)

2.5需要系数法计算 (4)

2.6系统无功补偿计算 (6)

2.7变压器选择 (7)

2.8高压断路器的选择 (7)

2.9低压断路器选择 (9)

2.10互感器的选择 (10)

2.11电缆的选择 (11)

3电气照明设计 (13)

3.1照明系统的概述 (13)

3.1.1照明系统的发展现状 (13)

3.1.2照明计量单位 (13)

3.2照度方式和种类 (13)

3.2.1照明方式 (13)

3.2.2照明种类 (14)

3.3照度计算 (14)

3.3.1利用系数法 (14)

3.3.2单位容量法 (15)

3.4 该小区的电气照明设计 (17)

3.4.1电气照明设计的基本原则 (17)

3.4.2电气照明详细设计计算 (17)

3.5 插座系统 (22)

3.5.1插座系统的概述 (22)

3.5.2一般规定 (23)

3.5.3插座的安装 (23)

3.5.4该小区住宅的插座系统设计 (24)

4综合布线（弱电）系统设计 (26)

4.1综合布线系统的组成及设计 (26)

4.2电视系统设计 (26)

4.3电话、网络系统组成 (27)

4.4公共广播系统 (27)

5消防系统 (29)

5.1火灾自动报警系统 (29)

5.2火灾探测器的选择原则 (29)

5.3火灾探测器安装间距的确定 (30)

5.4探测器平面布置的步骤 (30)

6防雷接地系统设计 (32)

6.1防雷与接地系统概述 (32)

6.1.1 防雷系统概述 (32)

6.1.2 建筑物的防雷等级 (32)

6.1.3高层建筑物的防雷措施 (33)

6.1.4接地系统概述 (33)

6.2接地设计 (35)

结论 (36)

致谢 (37)

参考文献 (38)

1 绪论

1.1设计概况

本设计是某居民楼电气设计，该工程系实际工程。针对本工程的情况本设计共七章，包含的内容主要有供配电系统（第4章）、电气照明系统（第5章）和消防报警（第6章）。由于时代的需求要在电气方面做到以人为本，环保节能，在设计深度和广度上都具有很好的研究价值。

本设计通过设计计算和图纸绘制就现代建筑中的主要部分—综合布线、防雷接地根据建筑屋的使用性质和用途按照国家制定的规范和其需求做到科学设计合理布局。再者对所有建筑屋内的用电耗能设备采用国家推荐的节能设备同时在设计时追求了节能的理念。近年来，我国建筑电气的发展极为迅猛，并且要求不断提高，技术先进，控制体系丰富多样，更新换代特别快。于是，多高层的建筑电气的工程设计也便成为工程院校教学环节的重点。

本次设计的意义是通过具体的实例工程设计，初步掌握高层建筑电气设计的基本方法,更好的将理论和实践相结合,将大学四年来所学的课程及知识应用到自己的专业中去,也为将来的工作打下良好的基础。同时也可以更加详细地学习建筑规范，提高自己独立完成工程设计的实际操作和研究能力。

1.2设计内容

本论文主要阐述了该小区各系统电气设计的设计依据、原则和方法及设计选择的结论等。论文共包括如下内容：

（1）第一章为绪论部分。

（2）第二章为供配电系统设计，主要说明负荷等级的划分及对应的供电要求，负荷计算以及配电方式等内容的相关原理、原则、方法等，并用单位容量法进行了负荷计算，确定各个系统照明负荷的容量、计算电流，以此选择出了断路器，导线。。

（3）第三章电气照明设计，主要说明光源、灯具选择，照度计算，一般照明及应急照明等内容，并依据《电气照明技术》《建筑照明设计规范》等进行照度计算，选择出各个房间合适的灯具数量。

（4）第四章为综合布线系统设计，主要说明系统组成、公共广播系统、电视系统的设计及电话系统设计等内容，本次设计从市区有线电视网引入至小区控制室，经分配

后引至各栋住宅楼。主要说明系统组成，主要功能，功放选择等。

（5）第五章为消防报警系统设计，主要介绍消防报警的组成、火灾探测器的设置和选择及探测器平面的布置。

（6）第六章为为防雷接地系统设计，主要说明设计的组成和设计结果。

2 供配电系统设计

2.1负荷等级

本工程中消防系统设施电源、应急照明等为一级负荷。生活水泵、普通客梯等为二级负荷，普通照明为三级负荷。

2.2供电电源

由市电网引一路10KV电源至地下室高压配电柜作为主电源（采用一个800kVA干式变压器SCB9-800kVA/10/0.4 D,yn11，和一台SCB9-630 kVA/10/0.4 D,yn11另设地下室发电机组一套，高压柜电源进线采用ZR-YJV22—3 70电缆埋地引来、线制采用TN-S 系统。

地下一层设有变电所。本工程采用混合式供电（放射式加树干式）。

我们对电气主接线拟订了3个方案进行比较。

A方案：两台干式变压器（10/0.4KV）直接接入电力系统，高压侧母线分

段联络，低压母线不分段，大楼的应急照明和相关消防用电来自于自备柴油发电机组的电源母线。

B方案：两台干式变压器（10/0.4KV）直接接入电力系统，高压侧母线分段不联络，低压侧分段联络，每台变压器均能承担相应部分负荷，其中一级和二级负荷均有一用一备电源，大楼的应急照明和相关消防用电来自于自备柴油发电机组的电源母线。

C方案：选用两台干式变压器（10/0.4KV）直接接入电力系统，高压侧母线分段联络，其中两台变压器低压母线分段联络，每台变压器除能承担相应部分负荷外还可以承担另外一台变压器回路中的重要负荷，能保证电源和变压器都互为备用；大楼的应急照明和相关消防用电来自于自备柴油发电机组的电源母线。

三种方案比较：最佳方案应选择C方案

2.3变配电所系统

（1）高压供配电系统中，为了保证整个系统的供电可靠性，拟采用高压母线分段联络的供电方式。

（2）低压配电系统中为保证本工程的一、二级负荷供电可靠性，拟采用低压母线

分段联络的供电方式，并拟用TN-S系统。

（3）为保证本工程一级负荷的供电可靠性，单独设立柴油发电机低压配电系统，此系统与低压配电系统采用分裂运行的方式，不联络。

（4）根据本工程实际需要拟将变电所设置在地下一层。

（5）根据相关规定，同时为了提高在变配电所工作的安全可靠性，拟采用接地线同基础主筋可靠焊接的方法，对整个变配电室采用等电位系统。

2.4负荷计算的依据和目的

系统的构成依赖于系统中的每个设备的确定，以及这些设备必须满足在正常负荷电流作用下长时间安全运行的要求。

在负荷计算中，除了以存在的同类型负荷为依据外，还应考虑由于经济的发展，人们生活水平提高所带来的用电量的增加。

2.5需要系数法计算

本建筑等级为一级，电气符合估算采用了符合密度法并考虑其最大符合的同期系数。本工程采用低压电容器作为无功补偿，以提高符合的同期系数。电气符合计算结果: 用电设备安装总容量：

T1: 设备功率Pe=155.5KW；需要系数kx=0.9，计算容量Pjs=kx?Pe=120.96KW,无功功率Qc=47.9Kvar,功率因数cosφ=0.93,计算视在功率 Sc=130.1kV·A ，计算电流Ic=197.7A,

其中：一级负荷：100kW; 二级负荷：55.5Kw。

T2: 设备功率Pe=971.9KW；需要系数kx=0.9，计算容量Pjs=kx?Pe=400.1KW,功率因数cosφ=0.93, 无功功率Qc=159.9Kvar,视在功率Sc =430.9kV·A ，计算电流Ic=654.6A,

其中：一级负荷：97.9kW; 三级负荷：874 kW

柴油发电机柴油发电机Cummins(康明斯)——KTA50—G3—400kW/0.4/0.23kV。

供电电源：本工程市政引两路专用10kV电源供电，低压侧单母线分段结线，互为备用，任一路电源均能负担全部负荷。高压系统电压等级为10kV，低压系统电压等级为220V/380V。

2.6 系统无功补偿计算

本工程采用自动补偿的方式对系统进行无功补偿。由于采用的是单相无功功率补偿，因此每相的电容器台数应该相等。

补偿容量计算公式：

c

C C CC q P P Q ==)φtan -φ(tan 21

电容器所使用台数应满足

r

/Q Q N CC >

N ——电容器台数 CC

Q ——需要补偿的无功功率，kvar CC

P ————计算负荷，kW 1φCOS ——补偿器功率因数

2φCOS ——补偿后功率因数 （1） 计算有功功率：取同期系数K ∑=0.9

∑1

1Σn

i N d C P K K P =??=

电容补偿：采用ABB （盈泰）电容CLMD43/15 KVAR 400V 50HZ 电容器补偿。欲使补

偿后cos φ达到0.93以上，则补偿后的无功功率为：c Q '=c P ×tan（arccos0.93）。即：需要补偿的无功功率为：T1：QC1 = QC-c Q '=74Kva,实际补偿5?15Kvar=75Kvar,功率因

数为0.93满足要求。T2：QC2= QC-c Q '=133.9Kvar ，实际补偿9?15Kvar=135Kvar,功率

因数为0.93，满足要求。

（2） 补偿后的视在功率：c S =

T1: Sc=129.7KV A. T2: Sc=430.5KV A

（3） 计算电流：I C =

U

S C

3. T1 : Ic=197A. T2 : Ic=654A. （4） 电容补偿后的功率因数：T1 : cos φ'=0.93. T2 : cos φ'=0.93. 其它补偿选择也按以上方法。

2.7变压器选择

由公式： Sc=Pc/βcos φ

β=SC/Sr

式中 SC ——变压器计算容量kVA Sr ——变压器额定容量 PC ——计算负荷kW

β——变压器负荷率（本次设计按照有关规定变压器负荷率应该取值应小于70%） cos φ——补偿后的功率因数 拿2#变压器选用为例：

根据前面计算 S CT2=430.5kVA S r =

β

c

S =

430.5

0.7

=614.9KVA 因此选用型号为SCB9-800/10/0.4干式变压器，额定容量为800kVA ，该型号变压器每台高2200mm,宽800mm ，深800mm 。

2.8 高压断路器的选择

高压断路器除了进行正常的投切操作外，还必须能够对故障的短路电流进 切断操作，所以必须能够承受的住短路冲击电流和短路过程中的热能作用。工程采

用安全系数较高的VD4高压真空断路器。选择原则

(一)满足正常工作条件 1.满足工作电压要求 即：

r N U U =

m W U U ≥

式中 m U ——电流互感器最高工作电压；

W

U ——电流互感器装设处的最高电压；

r U

——电流互感器额定电流； N

U ——系统标称电压；

2.满足工作电流要求 即：

r c I I ≥

式中r I ——开关电器额定电流；

c

I ——开关电器装设处的计算电流；

2.满足工作环境要求 选择电气设备时,应考虑其适合运行环境条件要求,如:温度、风速、湿度、污秽、海拔、地震烈度等。

(二)满足短路故障时的动、热稳定条件

1．满足动稳定要求 短路时电器设备能受到的电动力，与导体间形状系数、间距、长度、材料以及通过导体的电流大小有关。对于开关电器而言，一旦制造出来，无论用于系统何处，其导体间间距、长度及形状系数都不会改变，因此通过导体的电流的大小就成为决定该开关电器能否达到动稳定要求的唯一因素，即只要满足： mas sh i i ≥或

mas sh I I ≥

式中 mas

i ——开关电器的极限通过电流峰值； mas I ——开关电器的极限通过电流有效值；

sh i ——开关电器安装处的三相短路冲击电流；

sh

I ——开关电器安装处的三相短路冲击电流有效值；

2.满足热稳定要求 开关电器自身可以承受的热脉冲应大于短路时最大可能出现的热脉冲,称为满足热稳定要求,即:

22t im I t I t ∞?≥?

式中 t I

——开关电器的t 秒热稳定电流有效值；

I

∞——开关电器安装处的三相短路电流有效值； im

t ——假想时间；

(三)满足天关电器分断能力的要求

开关电器分断能力用极限分断能力和额定分断能力两个参数来表达.极限分断能力是指在该条件下开关断后,不考虑开关电器继续承载额定电流,即不考虑其是否还能正常使用;额定分断能力是指在该条件下开关分断后,开关电器还能继续承载额定电流正常运行,并能反复分断该条件电路多次.

断路器 断路器应能分断最大短路电流

(3)br k.max I I ≥

(

)3br k.max

S S ≥

式中 br

I ——断路器的额定分断电流； br S ——断路器的额定分断容量；

(3)

.k max

I

——断路器安装处最大运行方式下三相短路电流有效值； ()

3.k max

S

——断路器安装处最大运行方式下的短路容量.

选择结果

以电源S1进线段为典型分析所用设备及导线的选择 i sh

2.9低压断路器选择

低压断路器必须满足上下级间配合

1.瞬时过电流脱扣器整定电流 对于配电线路和照明线路应分别考虑。 （1）对于配电线路，瞬时过电流脱扣器整定电流应大于负荷的尖峰电流：

1max ()op st c I K I I ≥+

式中

3

K ——低压断路器瞬时脱扣器可靠系数，考虑电动机起动电流误差和断路器

瞬时电流误差，取1.2；

max st I

——线路所供负荷中最大一台电动机的全起动电流，它包括了周期分量

和非周期分量，其值为电动机起动电流st I

的2倍；

c I

——除起动电流最大的一台电动机以外的线路上的其他负荷的计算电流。

（2）对于照明电路，低压断路器的瞬时过电流脱扣器整定电流3op I

为：

33op c I K I ≥

式中c I

——照明线路的计算电流； 3

K ——照明用低压断路器瞬时过电流脱扣器可靠系数。

2.短延时过电流脱扣器的整定电流 应大于可持续一定时间的负荷尖峰电流，

()22op st c I K I I ≥+

式中

2

K ——低压断路器短延时脱扣器可靠系数，取1.2

3.长延时过电流脱扣器的整定电流

11op c I K I ≥

式中 1

K ——低压断路器长延时脱扣器可靠系数，取1.1

2.10 互感器的选择

1）满足工作电压要求即：

Ur=U N Um ≧Uw

式中 Um ——电流互感器最高工作电压； Uw ——电流互感器装设处的最高电压； Ur ——电流互感器额定电压； UN ——系统标称电压；

2）满足工作电流要求，应对一、二次侧电流进行考虑。 （a ）一次侧额定电流Ir1：

I r1≧I c

式中Ic ————线路计算电流。

（b）二次侧额定电流Ir2：

I

r2

=5A

3）准确度等级

由于考虑到仪表指针在仪表盘1/2～2/3左右较易准确读数，因此：

I

r1=（1.25～1.5）I

c

以低压配电系统图WP3回路为例：

由于 U

r

=380V

I

c

=45.6A

I r1=（1.25～1.5）I

c

=57～68.4

本工程供配电系统的电流互感器主要用于测量，因此准确级选0.5

级，因此选用电流互感器LQJ10-100/5。其它电流互感器选择按以上方法选择，具体见本工程供配电系统图。

电压互感器的选择

1）满足工作电压要求对一、二次侧分别考虑如下：

（a）一次侧电压：

Ur

1=U

N

Um

1

≧Uw

式中 Um1——电压互感器最高工作电压

Uw ——电压互感器装设处的最高工作电压

Ur1——电压互感器额定电压

UN ——系统的标称电压

（b）二次侧电压Ur2:

Ur

2

=100V

本工程高压供配电系统中Ur1=10kV,因此选用电压互感器JDZ-10/0.1KV。其它电压互感器选择按照以上方法，具体见系统图。

2.11电缆的选择

电缆选择至少要满足三个条件：

1）满足发热条件：Ial≧Ic；

2）满足电压损失ΔU%≦5%；

3）满足机械强度条件铜芯电缆Smin≧1mm2；

低压柜AL9柜的WP3回路的电缆选择：

○1经计算IC=45.6A，因此拟定ZRYJV- 4x10+1x10的电缆、实测50m，Ial=77A，则

满足要求;

○2ΔU%=（PR+QX）/U2=（24×0.001754×50+18×0.000094×50）/3802=1.52%，1.52%≦5%,则满足要求；

○3所选导线横截面积是10mm2，显然满足机械强度的要求。

根据前面计算，故选用ZRYJV- 4x10+1x10作为输出回路电缆。其它电缆选择

按照以上方法,具体电缆选择见本工程的照明系统图。

2-1照明系统图

3 电气照明设计

3.1照明系统的概述

3.1.1照明系统的发展现状

在照明上不再是60-70年代住宅2W/㎡，办公室4 W/㎡，而是各类建筑物的照度在适应国情下尽可能与国际接轨，如体育馆的拳击厅照度为1000-2000 lx，乒乓球台面照度为500-1000 lx；住宅也按不同用途，照度自20-300 lx变化；一般办公室的照度为100-200 lx；绘图、设计、打字室工作面照度为300-500 lx等。

在同一栋建筑物中，照明的种类也增多了，有一般的工作照明、局部工作照明、备用照明、安全照明、疏散指示照明、值班照明、障碍照明、节日照明等。不同的照明类别，其供电要求也不同，控制方式也各异。如备用照明应有二路电源；安全照明、疏散指示照明、障碍照明不仅应有二路电源，而且还应在末级配电设备上设置备电自投装置。大面积的工作照明，要求集中控制或按工作时间自动开启及关闭。为节约电能，外围有自然采光部分的灯具，还应设置按照明度标准自动调光的装置；疏散指示照明在火警时消防控制室可按需要进行控制；障碍照明应按日照照度进行自动控制等。

由此可见，照明在照度、照明质量、照明方式、灯具外型、供电要求及控制上，都有不同程度的发展和更高的要求。

3.1.2照明计量单位

当前各种量都逐步实现采用国际单位制，简称SI。光学计量基本单位为光强I（坎德拉cd），导出单位有光通Φ（流明lm）﹑照度E（勒克斯lx）﹑出射度M（流明/米2lm/m2）、亮度L（坎德拉/米2cd/m2）等。

3.2照度方式和种类

3.2.1照明方式

⑴一般照明

为使整个照明场地获得均匀明亮的水平照度，使用照明器在整个照明场所基本均匀布置的照明方式。

⑵分区一般照明

根据需要提高特定区域照度的一般照明称为分区一般照明。根据工作面布置的实际

情况，将照明器集中或分区集中均匀地布置在工作区上方，使室内不同被照面上产生不同的照度，可以有效地节约能源。

⑶局部照明

以满足照明范围内某些部位的特殊需要而设置的照明称为局部照明。它仅限于照亮一个有限的工作区，通常采用从最适宜的方向装设台灯、射灯或反射型灯泡。起优点是灵活、方便、节电，能有效地突出重点。

⑷混合照明

有一般照明和局部照明共同组成的照明称为混合照明。其实质是在一般照明的基础上，在另外需要提供特殊照明的局部，采用局部照明。

3.2.2照明种类

⑴正常照明

为满足正常工作而设置的室内外照明称为正常照明。它起着满足人们基本视觉要求的功能，是照明设计中的主要照明。它一般可单独使用，也可与应急照明和值班照明同时使用，但控制线路必须分开。

⑵应急照明

在正常照明因事故熄灭后，供事故情况下继续工作、人员安全或顺利疏散的照明称为应急照明。它包括备用照明、安全照明、和疏散照明三种。应急照明的设置原则，从安全角度考虑，应在较多的建筑内设置应急照明，而从经济的观点出发，只能在一些最需要的建筑内设置。

⑶值班照明

在非工作时间供值班人员观察用的照明称为值班照明。可利用正常照明中能单独控制的一部分或应急照明的一部分或全部作为值班照明。

3.3照度计算

照度计算方法有利用系数法、单位容量法和逐点法等3种[1]。任何一种计算方法，都只能做到基本准确。

3.3.1利用系数法

此法适用于灯具均匀布置的一般照明以及利用墙和天棚作为光线反射面的场合。当选用反射式、半反射式或漫射式等主要利用反射光通的照明灯具时，必须采用此法计算在工作面上的平均照度E系由光源光通的直射分量以及经房间多次反射的分射分量所造