李岩
北京海格润建筑装饰工程有限公司101100
摘要：
随着国民经济的飞速发展，人民生活水平的提高，高层建筑应运而生，城市中各类高层建筑如雨后春笋般拔地而起。高层建筑符合了人们对居住环境、信息的获取、娱乐、教育等方面的要求，所以在21世纪得以飞速的发展。其中高层住宅楼，因其为住户提供的安全、舒适、高效、节能的居住环境，受到了越来越多的人的青睐，也成为现代人主要的居住方式。一栋好的高层住宅楼，在为居住者提供良好居住环境的同时，必须保证住户用电的安全可靠。因此研究如何确定高层住宅楼电气设计方案，保证系统安全、稳定、经济运行，就显得尤为重要。
供配电系统设计首先需要考虑的是供电的可靠性，同时还要保证电能质量。在保证供配电以及电能质量的同时，尽量确保供配电系统的方便性和灵活性。对于供配电系统设计，还需要考虑供配电系统的经济性以及后期扩建的可能性。本文以某公寓为研究对象，结合高层住宅楼电气设计方案，详细论述了高层住宅供配电系统设计的具体内容，在低压配电系统设计中，通过负荷计算及合理的负荷预测选用性能可靠、经济合理的电气设备，如配电柜、开关设备等。为居民创造一个良好的休息环境。
关键词：高层公寓；低压配电；配电设计
前言
改革开放，加速了中国经济和科技的发展，同时促进人们对城市住宅区的开发力度。自从上世纪七八十年代以来，对于城市的住宅区的开发有了快速发展。住宅小区的高层、密集等特征已经成为现在小区建设的主要特点。对于居住者来说小区环境优美，设施齐全，交通方便等成为它们购房的前提。随着经济和科技的快速发展，人们生活水平的不断提高，推动了家用电器的发展。因此，对住宅小区供配电要求也逐步提高。供配电设施一定要有超前意识以及能够不断适应社会发展的新形势。文明城及文明小区的创建对小区供配电设施要求非常高，例如供配电设施要遵循科学规范、合理布局的原则；对于供配电设施还需要维护小区形象、美化城市。否则，供配电设施会造成重复建设，浪费了资金与资源，不符合当今节约型社会的建设要求，还对居住的用户在生活上造成严重影响。因此，对高层供配电系统设计很有现实意义及应用价值。
1.工程案例
1.1工程概况
本次设计的是一个集生活与住宅为一个整体的一栋综合性的高层建筑——高层大学生公寓楼。它建筑面积大约为20000平方米，分为地上十六层，地下二层；共分为两个区，其中一个为住宅区，另一个为生活区。生活区位于高层的地下二层到地上二层，其余剩下的楼层为住宅区，其中，
地下二层包括：水处理间、风机房等。
地下一层包括：水泵房、配电室等。
地上一层包括：一个弱电机房、一个消防控制室、一个值班室，超市也位于这层。
地上二层包括：食堂（操作间及餐厅）。
地上三层到十五层：学生公寓。
地上十六层为顶层，面积较小，包括：电梯机房和水箱间。
动力设备包括：排烟风机、水泵、大门空气幕、电梯等。
1.2高层民用建筑的特点
（1）高层民用建筑供电电压可以采用10kV或380V；
（2）对于民用高层建筑，要选择质量高的电气设备；
（3）消防系统安全系数高，可靠性也比较高；
（4）具有较高的防雷接地系统；
（5）弱点部分依赖多，因而智能化水平较高。
2.低压配电系统设计
2.1低压配电设计要求
2.1.1负荷等级及供电措施
1．对于学生公寓在经济性、实用性上的重要程度，以及对供电设备的可靠性要求，可以把公寓建筑的用电负荷分成3个级别，即：一级负荷和二级负荷跟三级负荷。
本工程设计的大学生公寓的设计主要采用二级电负荷，其中主要包括应急照明、排烟风机、消防中心、消防栓泵和消防电梯等，生活负载和普通照明真的是三级负荷。
2．本工程结合供电部门所建议的方案来设计学生公寓的电源还有就是供电配置系统。学生公寓里面的供电设备还有每个耗电用户的各级负荷，均与公寓之外部电源有很大的关系，但是公寓外部电源供电的要求被本地供电部门提供的“供电方案”所决定。
（1）一级负荷用电用户及其供电设备措施
设计分段运行的目的主要是为系统提供备用选择。而属于一级负荷的供电设备必须使用双电源电压供电措施，但必须是在保证完成自动切换状态的情况下，在最后一级配电装置完成切换。
（2）二级负荷用电用户及其供电设备措施
二级负荷的供电系统应当立刻保障供电系统的正常供电，电力变压器或者电路线路发生一般比较小的故障时，在二级负荷的用户供电系统中，或者保证停止供电部分的电路能够及时恢复。对于较为分散的小容量负荷供电系统，比如应急照明装置。
（3）三级负荷用电用户及其供电设备措施
在通常情况下，假如说在供电技术又经济又合理的情况下，应当最大程度地缩小电源电压偏差还有就是电源电压变化状态。三级负荷用电对供电设施没有特别的条件约束，通常三级负荷采用的是单回路供电措施，一定要尽可量地让三级负荷的配电系统非常简单，让人一看就明白是怎么回事，特别容易上手，好操作，然后再增加它的可靠性，降低供配电的级别，而低压配电的配电级数小于4级。
2.1.2配电系统的原则
住户供电系统的可靠性和电压质量是配电系统的基本设计原则。配电系统的设计通常采用三级保护措施。配电系统的设计结构要求简单，不能过于复杂，除了必须具有配电操作的安全指导、方便检修的操作等注意事项，还应具有一定的操作灵活性。为了最大限度地减少电能损耗，在负荷供电中心应当安装相应的电路线路或者是配电室配电箱，从而可以缩减导线截面的面积。
必须提供单独的用电支路进行供电。在三相供电线路中，单相的用电设备必须要在不等分的情况下分配到三相线路中，尽量保持三相线路的平衡。对于单相负荷电路的不平均分配所导致的中性线电流，规定不得超过标准额定电流的25%；在满载时，对于任意相的电流均不能超过标准额定电流值。
对于用户用电的配电系统中的配电屏或配电箱，应该留出相应的备用回路。在选择导线截面时，也应该相应地留出余量。
2.2本工程的负荷计算
2.2.1计算负荷的目的
通常情况下，我们将计算负荷看作需要的负荷量。我们把按照发热的多少当作计算负荷的条件，以此来选择相关的导体和我们需要的电气设备。当计算不便时，通常我们就会采用假象的一个负荷来进行使用测量。计算负荷的主要目的是使系统在按照计算结果运行时，产生的热效应与实际系统运行产生的热量相同。因此，一般把负荷计算的理论数据当作发热原则，进行挑选导线、选择电气设备和整定二次保护装置的依据。
2.2.2计算负荷的方法
1．系数确定法
负荷系数的确定方法是将负荷所需要系数乘以设备所产生的功率。我们采用计算方法的优势在于方法比较简单、应用范围特别广。通常情况下，我们在计算变电、配电所所需要的负荷时就会采用这种方法。
2．利用系数法
在利用系数方法中，优先考虑设备的有效台数与有效设备所产生的功率差异所造成的影响，用系数求出最大负荷的平均负荷量。然后，我们将平均负荷量与相关设备台数的最大系数相乘，从而达到我们原设定的目的，即得出计算负荷量。由于这种计算方法是基于概率论与数理统计，因此计算结果比较接近于实际值。但在采用这种方法时，统计测量和实际系数的测量特别困难，我们在绝大多数的建筑设计过程中一般不采用这种系数计算方式。
多数情况下，设计方案的过程中可以使用单位指标法。可以采用需要系数法对方案进行设计，并对施工图进行针对性的绘制。但对于住宅区域来说，在设计方案中的任意阶段都必须严格的按照规定使用单位指标法。
本工程我们采用的负荷计算方法，可以优先选择单位面积功率法。通过采用这种方法，我们可以大致估计出设计需要计算的负荷量。然后，为了保证工程上的准确性，我们在利用需要系数法进行精确计算。
2.2.3本工程高层公寓楼的负荷计算
1．容量计算
在方案设计过程中，我们首先要确定容量的大小，在通过单位指标法测量。通过单位指标法测量出的结果，可以确定出由电力变压器所需要用到的变压器台数。
各类建筑物的用电指标如表2-1所示。
表2-1各类建筑物的用电指标
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本工程采用估算法：单位面积容量×面积=总负荷
本工程的总负荷估为50×20000=1000kW
2．计算设备容量
在计算设备容量多少的需求时，首先需要对所用到的用电设备组或单台用电设备装置进行详细的处理，然后在与处理过后的结果相加，从而得到设备容量值。下面我们对用电设备进行的相应处理，而这些处理就包括：
（1）当在考虑短时间工作的电动机时，我们就必须考虑电动机的使用系数。
（2）对于那些一整套的用电设备，我们就需要特别注意，不能将备用设备的容量大小计入设备容量的大小。
（3）当在考虑单台设备容量的多少时，可以根据自身铭牌上的数字进行设备容量大小的设置。
（4）当发生火灾时，我们就必须去掉设备容量大小，然后将最大的容量值计入到总设备的容量中。
（5）当考虑连续工作的电动机时，就可以将自身铭牌上的标准数量大小作为设备容量进行设置。但由于设备转轴上输出的功率是有功功率，所以我们不能计算出电动机自身的功率消耗。
（6）当计算照明设备的容量值时，我们可以将照明光源的标准功率与附属设备的标准功率之和看作是照明设备的容量大小。而低压钠灯等设备容量的多少设置为灯泡的标准额定功率与变压器功率消耗总和。
有功功率（有功负荷）：
式中Kx——需要系数；
Pe——设备容量；
Pjs——计算容量，单位为千瓦；
视在功率（视在容量），单位为kVA：
无功功率（无功负荷）：
将单相负荷的大小平均分配到三相供电线路上，若分配方式不能使三相供电线路保持绝对平衡，并且在三相供电线路中最大一相的负荷大小与最小一相的负荷大小之差不低于三相供电线路总负荷量的10%时，便在设计过程中选取负荷量最大的一相。
计算同一类型的负荷容量大小时，设计过程中需要将设备容量的算数值与需要系数的大小相乘。而在计算不同类型的设备容量的视在功率时，就需要将设备容量的有功负荷大小与无功负荷大小求和，在将所得之和求其均方根。如果需要，设计可以查询需要系数和功率因数如表2-2所示。
宿舍负荷计算：由公式（2-1）到公式（2-4）可得，
已知宿舍工作容量为468kW，Kx=0.6，cosφ=0.9
则：有功负荷Pjs=K×*Pe=468×0.6=280.8(kW)
视在容量Sjs=Pjs/cosφ=280.8/0.9=312(kW)
同理，高层公寓楼的所有楼层负荷量的计算结果如表2-3所示。
3．电流的计算
（1）380/220V三相平衡负荷的计算电流（A）：
式中Ue——三相设备的额定电压,在本设计中Ue选取0.38kV。
表2-2需要系数及功率因数表
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注：动力设备装置不得多于3台，若大于或等于3台时，设计就需要选取Kx=1。
（2）220V单相负荷的计算电流（A）：
（3）电力变压器低压侧的额定电流：
式中Set——变压器的额定容量(kVA)；
Uet——变压器低压侧的额定电压，本设计中Uet可以选取0.4kV。
表2-3公寓楼的总负荷计算表
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2.3本工程电气设备的选择
2.3.1低压断路器的选择
1．低压断路器的选取原则如下：
（1）低压断路器的标准额定电压不能超过电气设备线路的标准额定电压。
（2）低压断路器中欠电压脱扣器的标准额定电压值要与设备线路中的标准额定电压差不多。
（3）低压断路器的标准额定电流与过电流脱扣器的标准额定电流不能大于或等于设备线路计算的负载电流值。
（4）低压断路器的标准额定短路通断能力要能允许设备线路中的最大短路电流通过。在设计过程中，我们需要留格外意输入与输出端的短路通断能力是否控制在误差允许范围内。
（5）在选取配电断路器时，我们需要认真考察该设备在短时间内的延时特性，需要格外注意的是在设计时，需要将延迟时间跟短路通断配合使用。
（6）在设计直流快速低压断路器时，我们必须将电流脱扣器的运动方向等因素考虑到内，同时还必须格外注意短路电流的上升率。
（7）选用灭磁断路器时，需要清楚了解发电机的励磁线圈的时间常数值、强励电压值以及断开强励电流的能力。
（8）选取用来保护低压断路器的电动机时，需要考虑电动机起动时的电流大小，并且需要保证低压断路器在刚刚启动时能够相对地静止。
2．选择结果
通过低压断路器的选取原则来选择低压断路器，本工程设计的所有低压断路器都采用HUM8系列塑料外壳式断路器及HUM18微型断路器。
HUM8系列塑料外壳式断路器它通常可以用在标准额定绝缘电压为690V、标准额定工作电压为380V或者400V、交流频率50Hz（或60Hz）、标准额定电流为100A至1250A或低于标准电压以下的配电线路。HUM8系列塑料外壳式断路器可应用于分配电能和线路、电源设备的过载过程、以及短路和欠电压保护方面。
这系列断路器主要由四大部分组成：绝缘体外壳、操作机构、触头系统和脱扣器。断路器的操作机构具有触头快速合闸和分开的功能，这些功能的位置以手柄位置为基准进行区分。
以水泵房为例，此回路负荷计算方法如下：
由计算结果显示，整定电流应为40A。通过查询断路器主要技术参数表，我们在本工程回路中将HUM8-100S（100A）选作低压断路器型号，本断路器的主要技术参数如表2-4所示。而关于其它的低压断路器具体应该选取什么型号可见附录低压配电系统图。
表2-4断路器主要技术参数
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2.3.2低压开关柜的选取标准
在选取低压开关柜的时，我们需要严格的进行比较，其中GGD1型低压固定组合式开关柜可适用于本工程的设计方案。GGD1型低压开关柜的特点是适用于交流频率的50Hz与60Hz之间，正常工作的额定电压为380V。当发生火灾时，额定绝缘电压为660V、2000kV，GGD1型低压开关柜还拥有低于绝缘标准电压范围以下的配电变压器的电力系统，可以在紧急情况下发挥重大的作用。它的工作范围还适用于配电系统、照明设施、电动机控制等方面的内容，能够极大限度的满足不同用户的不同使用要求，方便用户的使用。
在选取低压开关柜时，必须严格要求开关柜的外部结构均是按照一定数量的螺丝钉一个接一个的紧密连接组成，并且在指定的元件室内部，均要安装低压开关柜中所有开关柜所用到的全部元件。而电缆室也需要采用钢板将母线室与元件室进行隔开设计，或者电缆室也可用钢板或绝缘板将其与垂直母线分隔开来，这样做的目的是可以在保障安全的情况下，保证各个单元的功能模块可以独立运行，并且进行正常的维护工作，进而可以达到不会因某一单元的突发故障而影响其他单元模块正常工作的目的。
本工程的设计主要采用的方式是单元式。在单回路的设计方案中，若塑料外壳开关的电流范围超出100A以上的，则所采用的塑料外壳均必须使用柜外旋转式操作结构。其中，在单元式的操作机构与各楼之间的门板之间还特殊设计了闭合与断开门锁的装置。一旦单元式开关打开时，则不能同时打开各楼之间的门板装置；因此只有在单元式开关闭合时，各楼层之间的门板才会打开，并及时进行各项设备的维护工作，以确保在维护过程操作中的安全可靠性。同时，可以有效地预防在单元式开关闭合时，因电流或电压线路短路所造成的人体伤害。开关柜的主要技术参数如表2-5所示。
表2-5开关柜主要技术参数
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使用开关柜的条件主要有以下几条：
（1）开关柜周围的空气必须保证清洁，尽可能减少污染程度，在最高温度达到+40摄氏度时，相对湿度不能高于50%。而在温度较低的时候，相对湿度才可以提高，如+20摄氏度时，相对湿度可达到90%。
（2）开关柜的周围不能存在易发生火灾、存放易燃危险品、拥有严重污染、化学侵蚀环境以及常有土地晃动等危险场所。
（3）临海地区的海拔深度不得超过2000米。
（4）若温度临近于-25～+55摄氏度之间时，开关柜可以进行物品的运输和储存，但要保证在一天之内，控制在+70摄氏度以下。
综上所述，本工程选用了低压固定组合式开关，以满足设计要求，达到设计的目标。
2.3.3导线型号及截面的选择
1．导线型号的选取
（1）导体材料的选择
选取导线材料时，选取原则是可以提高导线节省能源的材料，目的是可以在进行电能传输时，尽最大限度地减少导体在线路上的电能损耗，同时削减导体对电流的部分阻抗。通过对各种材料的比较，铜的电流阻抗要相对小于铝的电流阻抗，因此在本工程的设计中，所选用的导体电缆材料均选取了铜芯导线，可以尽量满足工程设计的目标。
（2）导线绝缘材料及护套材料的选择
1）导线规格的选取
选用导线的规格是塑料绝缘导线，选用塑料导线的原因是塑料的绝缘性能较好，而且购买方便、便宜，并且塑料的制作方法非常简单，操作起来十分容易，无论是铺设在明显的地方还是将塑料导线进行穿管，塑料绝缘导线均可以替换成橡皮绝缘导线来使用。但塑料绝缘导线也存有不足之处，它对于温度的适应性较差，当塑料绝缘导线在高温情况下时，容易挥发，可以将包裹在内部的导线裸露于空气之中；而在低温的情况下，容易变脆，轻轻一碰就会裂开。因此，在选用塑料绝缘导线时，应当首先考虑周围空气温度的变化问题，只有解决了温度问题，才可以安全使用塑料绝缘导线。
2）选取电力电缆导线
电力电缆导线的特点主要有：比较方便操作，在使用过程中几乎不存在敷设高低值之间的限制；在弯曲程度上有较好的柔韧性，质量较轻，方便挪动；并具有内部装饰的结构，可以达到在内部装饰中不会轻易发生腐蚀内部结构的效果，并拥有能抵抗油质以及酸碱性腐蚀物品的能力，具有一定时间范围内的燃烧点，可应用于火灾发生的重要场所。并且，各种各样的交联聚乙烯、绝缘聚氯乙烯护套电力电缆导线还具有防水、防潮等特点，可适用于较为潮湿，或有少许积水的特殊环境。
2．选择导线截面
由于在电路接通正常运行时，导线有可能会产生一部分电能损耗，从而导线有发热。若流通过绝缘导线截面和电缆导线截面时发生过细微的摩擦，则会使温度升高，此时便会有可能损坏绝缘导线的表面，情况严重的话甚至会引起不可预想的火灾发生。因此在选用导线截面时，就先根据不同材料的导线截面来判断出最大载流量，然而这个最大载流量可以在导线发生升温现象时，及时准确地控制温度的变化，使导线可以在最大载流量中正常运行。
（1）线截面的保护
在选取保护线截面时，只有在满足导线短路的情况下才会对线截面进行保护，保护线截面能够达到温度在一定条件下处于稳定的要求，按照低压配电设备装置的相关规范规定：
1）当相线截面的面积低于16平方毫米时，保护线截面的面积需要大致相似于相线截面的面积大小，此时才能够满足相应的大小设计。
2）当相线截面的面积处于16平方毫米至35平方毫米之间时，保护线截面的面积的选定不能超过相线截面的面积。
3）当相线截面的面积高于35平方毫米时，保护线截面的面积应该大于相线截面面积的一半，这样在使用材料时才不会有材料浪费的现象。按照这些相关的规定选取出的保护线截面，就可以在本工程的设计中进行应用。
（2）中性线截面
在三相四线制系统中，选取中性线截面的面积大小时，需要考虑在中性线截面中存在的不平衡电流大小及其流动方向、零序电流大小及其流动方向以及谐波电流大小及其流动方向对中性线截面的影响。这些影响主要包括：
1）在三相四线制系统中，我们对中性线截面的面积选取应该控制在相线截面面积的一半以下，否则会出现中性线截面的浪费情况。
2）由于三相四线制线路的三次谐波电流的大小及流动方向十分明显，以至于谐波电流的流动方向在流回到中性线截面中时都可以得到很好的控制效果。此时，中性线截面的面积大小就应该等同于相线截面面积的大小，或者可以大于相线截面面积的大小，以至于在工程设计中达到预期的效果。
遵从这些原则标准，选择各中性线截面的面积大小均取自于相线截面面积的一半，尽量满足中性线截面的规则，使工程设计尽量满足预想的成果。
本次对学生公寓电气设计，依据《全国民用建筑工程设计技术措施》等相关规定，对于相线截面，当它截面大于352mm时，那么各个保护线的截面至少选择为相线截面的一半。对于那些截面小于352mm时，选择相线截面和保护截面相同。除消防电缆用的NH-YJV型，别的都用的YJV型的；导线都选择的BV型。
以水泵房回路BF-0为例，为地下室照明，其计算电流为67.6A，整定电流为100A。102mm的聚氯乙烯电缆载流量至少为100A，因此本回路电缆选聚氯乙烯电缆YJV-10004×25+1×16型号的即可。
结束语：
人口的逐年增长以及土地资源有限，导致高层、超高层住宅逐渐增多。对于高层住宅楼，能为用户提供舒适、节能、安全的居住环境，受到了很多人的喜爱，也成为当代人最主要的居住方式。对于住着很多人的高层住宅楼，保证住户安全是必须要考虑的，尤其是住户的用电安全。对于一栋好的高层建筑，供配电系统设计必须服务和服从于文明小区和文明城建设的要求，对它们的设计一定要科学规范，合理布局，并且一定要有超前意识以及能够不断适应社会发展的需要。否则，供配电系统会造成重复建设，浪费了资金与资源，不符合当今节约型社会的建设。
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