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1、论文高层建筑的电气设计及其节能措施研究申请人：王龙学科（专业）：电气工程及其自动化指导教师：徐正红 2019年8月45网络教育学院毕 业 设 计 (论 文) 任 务 书专业班级 电气工程及其自动化 层次 专升本 姓名 王龙 学号317091283540451 一、毕业设计（论文）题目 高层建筑的电气设计及其节能措施研究 二、毕业设计（论文）工作自 2019 年06月21日起至2019年8月20日止三、毕业设计（论文）基本要求： 指导教师： 网络教育学院毕业设计(论文)考核评议书指导教师评语：建议成绩： 指导教师签名： 年 月 日答辩小组意见：负责人签名 年 月 日答辩小组成员 毕业设计（论文）
2、答辩委员会意见： 负责人签名： 年 月 日摘要论文题目：高层建筑的电气设计及其节能措施研究学科（专业）：电气工程及其自动化申请人：王龙指导教师：徐正红摘要依照目前国内小区供配电的发展现状，以供配电系统设计规范GB 50052-2009和相关设计规范为依据，对苏州某小区进行供配电工程设计。本设计采用的基本要求为安全、可靠、优质、经济，兼顾现代小区智能舒适的要求，共分为六章，包括小区负荷分级及用电要求、负荷计算及无功补偿、变压器的选择及主接线的设计、短路电流的计算、电气设备的选择与校验和防雷与接地设计。并根据负荷计算所得结果确定好变压器的台数、型号，从而确定了主接线的设计，并熟练使用Visio软件
3、画出电气主接线图。在后续电气设备选择、防雷保护等章节中确定主接线元件的型号，进一步完善主接线图并且使本次设计更加的安全、可靠。通过查找阅读很多住宅电气的资料及相关书籍，注重设计的实用性、安全性等方面，设计中考虑到小区未来扩建时可能遇到的负荷发展情况，顾全当前和长远的发展，并配合我国供配电技术的发展，使得此次设计更加专业、规范。关 键 词：负荷计算 主接线 短路电流 电气设备 防雷与接地论文类型：应用研究目录目 录摘要I1 负荷分级与供电要求71.1 原始资料71.2 负荷等级确定81.2.1 负荷等级81.2.2 用电负荷分级91.3 供电电源要求101.4 本章小结102 负荷计算与无功补偿
4、112.1 负荷计算112.1.1计算负荷的意义112.1.2 负荷计算的方法112.1.3 用电设备负荷计算的确定112.2 无功补偿172.2.1 功率因数对供配电系统的影响172.2.2 无功补偿的依据182.2.3 无功补偿容量的确定192.3 高低压侧总负荷计算的确定192.4 本章小结203 变压器的选择及主接线方案的确定213.1变压器的选择213.1.1变压器台数的选择213.1.2变压器容量的选择213.1.3变压器型号的选择213.2变电所电气主接线的设计223.2.1 主接线的概述223.2.2 变电所电气主接线设计223.2.3 高层低压配电方式设计233.3 本章小结
5、244 短路电流计算254.1 短路发生的原因和危害254.1.1 短路发生的原因254.1.2 短路的危害254.2 短路的类型及短路电流计算的目的254.2.1 短路的种类254.2.2 短路电流计算的目的254.3 短路电流的计算264.3.1 短路电流计算步骤264.3.2 本工程短路电流计算274.4 本章小结295 电气设备的选择305.1 电气设备选择的一般性问题305.1.1 电气设备选择的基本原则305.1.2 按正常工作条件选择设备参数305.1.3 按短路动、热稳定性能校验设备参数305.1.4 开关电器断流能力校验315.1.5 主要电气设备的选择和校验项目315.2
6、高压电器设备的选择与校验315.2.1 高压断路器315.2.2 高压隔离开关325.2.3 高压熔断器325.2.4 高压互感器335.3 低压电器设备的选择与校验345.3.1 低压进线部分345.3.2 低压出线部分355.4 母线、电缆的选择与校验365.4.1 电力电缆的比较365.4.2 母线、电力电缆选择与校验375.5 继电保护395.6 本章小结406 防雷与接地设计416.1防雷416.1.1 建筑物的防雷416.1.2 防雷装置416.2 接地系统426.2.1 接地方式426.2.2 接地要求436.3 本章小结44总 结44致 谢47参考文献49声明预览中看不见即可）
7、：Equation Chapter (Next) Section 11 负荷分级与供电要求在经济、科技水平高速发展的今天，国家综合国力的不断提升，人们对小区舒适程度的要求也在不断提高。我国的住宅小区已从之前的商品化住宅渐渐转变为智能、节能、绿色和生态的小区。这在促使智能、自动化住宅小区的建成，推动行业经济效益的同时，对供配电的要求更加严格。进入21世纪，随着社会现代文明程度的不断提高，特别是计算机和建筑智能化系统的应用程度的不断提高，对电能的需求和依赖程度也越来越高1。在当今倡导低碳经济的大背景下，我国人口众多，现代住宅小区供配电系统的主接线和运行方式比较繁杂，各类电器设备的数量和种类繁多，大
8、量现代化家电进入普通老百姓的家中，以及现代智能化住宅系统的星级建设，造成小区的用电负荷与之前比大大提高。因此，本设计旨在探究当代智能化小区供配电设计，在设计过程中必须遵循安全、可靠、优质、经济的原则2。也就是说在进行小区供配电系统的设计时，在保证电能在供配电过程中的可靠安全的同时，尽可能的节电节能，提高能源的利用率3。因此，在本设计中对智能化小区的供配电设计时，必须遵循安全、可靠、优质、经济的原则。同时也要兼顾小区的智能化和居民的居住舒适度，在供配电设计时，在保证其过程的安全可靠的同时，合理分配各用电设备，尽可能绿色节能，提高能源利用率4。在对小区的发展中，需要考虑未来一段时间的情况，做到近期
9、与远期相结合。1.1 原始资料本设计的小区位于苏州相城区，总建筑面积92366m，住宅面积为91359.75m，本小区共有9栋高层住宅，其中住宅面积不小于120 m的为816户，用电负荷为8kW；面积在120 m150 m的为72户，用电负荷为12kW；在4#的1、2层为小区物业，7#的1层为小区居委会。在小区高层的地下装设地下车库、泵房、电视电信机房，每栋楼都有高层电梯和消防电梯以及基础的楼道照明、应急照明，在3#地下还有消防指挥室。为了使住户居住舒适安全，小区还配有门卫和景观照明。苏州市位于北纬3119，东经12038，海拔5.8m，极端最高温度为38.8，极端最低温度为-9.8，最冷月平
10、均气温为3.1，最热月平均气温为28.2，最热月相对湿度为83%，30年一遇最大风速为25.3m/s，7月的0.8m深土壤温度为25.2，全年雷暴日数为28.1d/a5。小区的住宅居民部分负荷和非居民部分负荷具体明细分别如表1-1和表1-2所示。表1-1 小区住宅居民部分负荷明细楼号层数单元数住宅面积（m/户数）单户容量/kW合计容量/kW120 m120150 m118110888642181108886431827212864418196876851811088864618110888647231888704823192873691811088864合计8167273921.2 负荷等级确
11、定1.2.1 负荷等级为确保供配电系统的电能质量和供电可靠性，电力负荷应根据要求及中断供电在对人身安全和经济上所造成的影响的严重程度进行分级，分为一级负荷、二级负荷和三级负荷。在针对不同的负荷等级确定其对供电电源的要求，应遵循如下规定1：表1-2 小区住宅非居民部分负荷明细负荷名称容量（照明/电梯）/kW单/双路电源负荷名称容量（照明/电梯）/kW单/双路电源1#单元公共负荷96（18/27）双地下车库动力398（10/0）双2#单元公共负荷96（18/27）双地下车库动力498（10/0）双3#单元1公共负荷78（12/27）双人防车库动力97（20/0）双3#单元1公共负荷78（12/27
12、）双地下室消防泵81双4#单元公共负荷96（18/27）双地下室生活泵90双5#单元公共负荷96（18/27）双电视电信机房20双6#单元公共负荷96（18/27）双消防控制室15双7#单元公共负荷96（18/27）双物业65单8#单元公共负荷96（18/27）双居委会35单9#单元公共负荷96（18/27）双门卫10单地下车库动力185（10/0）双景观路灯60双地下车库动力298（10/0）双泛光照明48双1. 一级负荷一级负荷是指在发生意外造成中断供电时会造成人身伤害、会造成经济上很严重的损失或者影响一些重要用电单位的正常运作的电力负荷。一级负荷中某些情况下将视为一级负荷中特别重要的负荷
13、，即当中断供电将造成人员伤亡或重大设备损坏或发生中毒、爆炸和火灾等情况的负荷，以及特别重要场所中不允许供电中断的负荷。2. 二级负荷二级负荷是指在发生意外造成供电中断时在经济上造成较大损失或者影响比较重要用电单位的正常运作的电力负荷。3. 三级负荷除一级和二级负荷以外的负荷。1.2.2 用电负荷分级表1-3规定了住宅建筑中主要用电负荷的分级，其他未列入表1-3中的住宅建筑用电负荷的等级皆为三级。严寒和寒冷地区住宅建筑采用集中供暖时，热交换系统的用电负荷等级应高于或等于二级。建筑高度为100m或不低于35层的住宅建筑的消防用电设备的负荷、应急照明、航空障碍照明、水泵类宜设自备电源用电6。由原始资
14、料可知，本设计的小区在苏州，不是寒冷地区；此次涉及的小区住宅的层高为18层或23层，无100m或35层以上，所以不考虑热交换系统和自备电源用电。其中，7#、8#为23层高的一类高层，上述在资料中涉及到的主要用电设备采用一级负荷；其余7栋楼属于18层二类高层，主要用电设备采用二级负荷；其余居民用电皆为三级负荷。表1-3 住宅建筑中主要用电负荷等级建筑规模主要用电设备负荷等级建筑高度为100m或35层以上的住宅建筑消防用电设备、应急照明、航空障碍照明、走道照明、值班照明、安防系统、电子信息设备机房、客梯、排污泵、生活水泵7一级建筑高度为50100m或1934层一类高层住宅建筑消防用电设备、应急照明
15、、航空障碍照明、走道照明、值班照明、安防系统、客梯、排污泵、生活水泵1018层的二类高层住宅建筑消防用电设备、应急照明、走道照明、值班照明、安防系统、客梯、排污泵、生活水泵二级1.3 供电电源要求由供配电系统设计规范 GB50052-2009相关规定可知，一级负荷应由双电源供电，二级负荷应由两回线路供电，三级负荷对供电电源没有特殊要求8。在本设计的小区用电负荷中，大部分非居民用电负荷属于二级负荷，如：电梯、消防泵、生活泵、安防系统等；7#、8#个别电梯负荷为一级，其余的皆为三级负荷。在整体设计时考虑二、三级负荷混合供电。此工程设计是由市电源引出10kV采用双电源供电，一备一用，满足设计的要求。
16、10kV侧应采用单母线分段，以保证在一个电源发生故障时，备用电源能及时给小区供电，确保居民的日常生活不受太大影响。1.4 本章小结本章是通过对原始资料的分析，从负荷等级分级和供电电源的要求这两个方面着手，将原始资料中的各类负荷分类，以及通过分类后确定小区的供电电源。为负荷计算等提供基础。2 负荷计算与无功补偿2.1 负荷计算2.1.1计算负荷的意义在对建筑供配电进行设计时，先会确定一个假想负荷，即为计算负荷。它为选择供配电系统电压等级、变压器的规格、电气设备，选择和整定保护元件，进行无功补偿，统计电网、变压器损耗，电能质量控制等提供依据1。根据这些原始资料及设备的工作特性，选择适当的计算方法，
17、通过计算将设计中的用电设备的容量变成计算负荷。计算负荷并不能简单地用设备的额定容量确定，选择导体和各种电气设备，因为所安装的设备并非都同时运行，即使在运行中的设备也不是每时每刻都在额定功率条件下工作，而是在不超过额定容量的范围内上下波动。所以若直接用额定容量来选择供电设备和供电系统，估算将会过高，并导致有色金属的无端消耗和工程投资的提高。反之，估算得太低，将使系统的线路及电气设备承受不了超过实际负荷的电流，加速线路及设备的绝缘老化，降低使用寿命，甚至发生供电系统事故，影响正常供配电系统的可靠的运行。在计算时应在各类负荷变化中找寻一定的规律，还需要将设备的性能、生产的组织及供电电网的情况等多种因
18、素考虑在负荷计算中，力求最大程度接近实际电气设备运行的最大负荷1。2.1.2 负荷计算的方法负荷计算的方法主要有需要系数法、利用系数法、二项式法和单位面积功率法等6。1. 需要系数法 用需要系数和同时系数乘以设备功率，可直接求出计算负荷。此方法相对比较简单，主要用于用电设备数量比较多但单个设备容量小的供电系统以及供配电所干线的负荷计算。2. 利用系数法 利用系数以概率论为基础求得计算负荷。计算时，先将设备的总容量乘以利用系数求得用电设备组在最大负荷班的平均负荷，再通过求得的平均利用系数和用电设备的台数，来确定最大系数，以此来求得计算负荷。这种方法的计算结果接近于实际，但计算过程相对复杂，适用于
19、计算机对工业企业的电力负荷计算。3. 二项式法 将负荷分为平均负荷部分和附加负荷部分，后者考虑一定数量的容量较大的设备的影响，适用于用电设备内设备容量差异较大的机修类用电设备的负荷计算，但此方法的局限性较大9。4. 单位面积功率法 大多为粗略的估算，多用于可行性研究和方案设计阶段的电力负荷估算。建筑电气负荷的特点是负荷容量小、数量多且分散的特点，以上的方法比较适合建筑电气的负荷计算。根据民用建筑电气设计规范的规定，负荷计算方法选取原则为：一般情况下，需要系数法用于初步设计及施工图设计阶段的负荷计算；单位面积法和用于方案设计阶段进行电力负荷估算10。2.1.3 用电设备负荷计算的确定本设计中采用
20、需要系数法确定计算负荷。具体的计算公式如下1：1. 单组用电设备组的计算负荷及计算电流 (2-1) (2-2) (2-3) (2-4)式中Pc有功功率(kW);Kd需要系数，见表2-1；Pe单组用电设备组的安装容量(kW)；Qc无功功率(kvar)； 单组用电设备组的功率因数角的正切值； Sc视在功率(kVA)； Ic计算电流(A)； Ur用电设备额定线电压 (kV)。2. 多个用电设备组的计算负荷在供配电系统低压侧上，经常存在多个用电设备组同时工作，但各个用电设备组的最大负荷并不是同时出现，因此在求供配电系统低压侧的计算负荷时，应再计入一个同时系数。具体计算公式如下1： (2-5) (2-6
21、) (2-7) (2-8)以上式中n组用电设备的有功功率之和(kW)； n组用电设备的无功功率之和(kvar)； 、有功功率、无功功率的同时系数。考虑到本设计的是住宅小区，在同一时间段不是所有的用户的用电负荷都达到最大值，同时系数相对可以取低一点，涉及到此类计算时，、分别取0.8、0.85。表2-1 住宅用电负荷需要系数按单相配电计算时所连接的基本户数按三相配电计算时所连接的基本户数需要系数通用值推荐值391.001.004120.950.956180.750.808240.660.7010300.580.6512360.500.5514420.480.5516480.470.5518540.
22、450.5021630.430.5024720.410.4525100753000.400.451252003756000.330.352603007809000.260.30 注：1.表中通用值是采用的住宅需要系数，推荐值是为计算方便而提出，为了计算结果比 较符合实际，在本设计的负荷计算中选用通用值11。2.住宅用电中涉及到安防系统、消防用电、生活泵以及小区的泛光照明的需要系数，按1选取；电梯的需要系数一般为0.180.22，在本设计中选为0.2；其他的比如单元公共照明及单元公用电力负荷等需要系数，一般选为0.8。3.住宅、照明、物业、景观以及安防系统的功率因数按0.9选取；消防泵、生活泵的
23、功率因数取0.65；电梯的功率因数按0.5计算；其余负荷的功率因数均取0.8。3. 本小区的负荷计算(1) 居民用电部分在小区的每一层都配置一个电表箱，确保小区供电的安全可靠，每一栋楼都从临近的地下配电间引出几条配电干线，每条配电干线连接35个楼层的电表箱；其中3#的两单元每单元引出3条，每条连接着6层的12户住户；4#引出4条，每条连接4层的电表箱共24户；7#引出6条两种配电干线，一种为4条，每条配电干线连接4个楼层的电表箱共16户，另一种有2条，每条连接3层的电表箱有12户住宅；8#也引出两种配电干线，一种为5条，每条配电干线连接4个楼层的电表箱共16户，另一种有1条，每条连接3层的电表
24、箱有12户住户；其余楼都引出6条配电干线，每条连接着3层的电表箱共18户。现以1#的配电干线为例进行单条配电干线的负荷计算，其余的计算负荷见表2-2。查表2-1可知，1#的每条配电干线：0.45，0.9，0.48，由公式(2-5)至(2-8)可知计算负荷为：表2-2 小区居民用电部分负荷计算结果负荷回路名称（单条）条数额定容量/kW需要系数功率因数有功功率/kW无功功率/kvar视在功率/kVA计算电流/A1#配电干线61440.450.964.8031.1071.88109.212#配电干线61440.450.964.8031.1071.88109.213#配电干线61440.500.972
25、.0034.5679.86121.334#配电干线41920.410.978.7237.7987.32132.675#配电干线61440.450.964.8031.1071.88109.216#配电干线61440.450.964.8031.171.88109.217#配电干线141280.470.960.1628.8866.73101.397#配电干线22960.500.948.0023.0453.2480.898#配电干线151280.470.960.1628.8866.73101.398#配电干线21960.500.948.0023.0453.2480.899#配电干线61440.450.
26、964.8031.1071.88109.21合计5273923376.261618.763744.265688.81(2) 非居民用电部分本小区的非居民用电部分包括：每栋楼每单元的公共负荷，公共负荷中包括电梯、照明以及其他动力负荷；四个地下车库以及一个人防车库的动力、照明负荷；地下室生活泵、消防泵的负荷；安防系统的负荷以及物业、居委会、景观照明等的负荷。现以1#的单元公共负荷为例进行对此单元的照明、电梯、其他部分的负荷进行负荷计算：根据表2-1部分的注解可知，照明部分：0.8，0.9，0.48；电梯部分：0.2，0.5，1.73；其他部分：0.8，0.8，0.75。由公式(2-5)至(2-8)
27、可知计算负荷：照明部分： 电梯部分： 其他部分： (3) 小区总的计算负荷本小区总的计算负荷是居民用电部分的负荷与非居民用电负荷之和，由计算多组用电设备组负荷的要求可知：0.8，0.85。具体计算如下：表2-3 小区楼栋单元公共负荷计算结果负荷回路名称额定容量/kW需要系数功率因数有功功率/kW无功功率/kvar视在功率/kVA计算电流/A1#单元公共负荷照明180.80.914.46.9115.9724.26电梯270.20.55.49.3410.7916.39其他510.80.840.830.6051.0077.492#单元公共负荷照明180.80.914.46.9115.9724.26电
28、梯270.20.55.49.3410.7916.39其他510.80.840.830.6051.0077.493#单元公共负荷照明240.80.919.29.2221.3032.36电梯540.20.510.818.6821.5732.77其他780.80.862.446.8078.00118.514#单元公共负荷照明180.80.914.46.9115.9724.26电梯270.20.55.49.3410.7916.39其他510.80.840.830.6051.0077.495#单元公共负荷照明180.80.914.46.9115.9724.26电梯270.20.55.49.3410.79
29、16.39其他510.80.840.830.6051.0077.496#单元公共负荷照明180.80.914.46.9115.9724.26电梯270.20.55.49.3410.7916.39其他510.80.840.830.6051.0077.497#单元公共负荷照明180.80.914.46.9115.9724.26电梯270.20.55.49.3410.7916.39其他510.80.840.830.6051.0077.498#单元公共负荷照明180.80.914.46.9115.9724.26电梯270.20.55.49.3410.7916.39其他510.80.840.830.60
30、51.0077.499#单元公共负荷照明180.80.914.46.9115.9724.26电梯270.20.55.49.3410.7916.39其他510.80.840.830.6051.0077.49合计924577.2449.5731.581111.52表2-3、表2-4分别是对小区居民用电部分和非居民用电部分负荷进行计算的结果的列表。根据表格的结果计算出的小区总的计算负荷的视在功率为4059.43kVA。对于小区供配电的设计，在本设计中若选用单台或两台变压器，变压器的容量都过大；同时考虑到变压器在实际运行时从节能以及提高经济效益的角度，变压器应有一定的负载率，应选用多台变压器。因此，初
31、选5台等容量的变压器，将计算负荷分为5组，每组的计算负荷详见表2-5至2-9。表2-4 小区地下车库及安防系统等负荷计算结果负荷回路名称额定容量/kW需要系数功率因数有功功率/kW无功功率/kvar视在功率/kVA计算电流/A人防地下车库照明200.80.916.07.6817.7526.97动力770.80.861.646.2077.00116.99地下车库1照明100.80.98.03.848.8713.38动力750.80.860.045.0075.00113.95地下车库2照明100.80.98.03.848.8713.38动力880.80.870.452.8088.00133.70地
32、下车库3照明100.80.98.03.848.8713.38动力880.80.870.452.8088.00133.70地下车库4照明100.80.98.03.848.8713.38动力880.80.870.452.8088.00133.70地下室消防泵8110.6581.094.69124.61189.33地下室生活泵9010.6590.0105.21138.45210.35电视、电信机房2010.920.09.6022.1833.70消防控制室1510.915.07.2016.6425.28物业650.80.952.024.9657.6887.64居委会350.80.928.013.443
33、1.0647.19门卫100.80.98.03.848.8713.48景观路灯600.80.948.023.0426.6280.89泛光照明4810.948.023.0426.6280.89合计900770.80577.66963.241463.49表2-5 变压器T1的回路负荷负荷回路名称额定容量/kW同时系数有功功率/kW无功功率/kvar视在功率/kVA计算电流/A1#配电干线864388.80186.62431.27655.252#配电干线864388.80186.62431.27655.251#单元公共负荷9660.6046.8576.6116.382#单元公共负荷9660.6046
34、.8576.6116.38地下车库18568.0054.8487.36132.73合计20050.800.85773.44443.51891.581354.772.2 无功补偿2.2.1 功率因数对供配电系统的影响功率因数是衡量供配电系统能否经济运行的重要指标之一11。感性用电设备需要从电网中吸收无功功率，这样会降低整个系统的功率因数，功率因数太低将会造成供配电系统的电能损耗和电压损耗升高，同时降低供电设备的利用率。这就要求电力用户功率因数必须达到一定数值，若低于某一值时就必须对其进行补偿。表2-6 变压器T2的回路负荷负荷回路名称额定容量/kW同时系数有功功率/kW无功功率/kvar视在功率
35、/kVA计算电流/A3#配电干线864432.00207.36479.19728.053#单元公共负荷15692.4074.70118.82180.53人防地下车库9777.6053.8894.47143.53地下室生活泵9090.00105.21138.45210.35地下室消防泵8181.0094.69124.61189.33电视、电信房2020.009.6022.1833.70消防控制室1515.007.2016.6425.28门卫108.003.848.8713.48景观路灯6048.0023.0453.2480.89泛光照明4848.0023.0453.2480.89合计14410.
36、800.85729.60512.18891.431354.39表2-7 变压器T3的回路负荷负荷回路名称额定容量/kW同时系数有功功率/kW无功功率/kvar视在功率/kVA计算电流/A4#配电干线768314.88151.16349.28530.685#配电干线864388.80186.62431.27655.254#单元公共负荷9660.6046.8576.60116.385#单元公共负荷9660.6046.8576.60116.38地下车库29878.4056.6496.72146.95物业6552.0024.9657.6887.64合计19870.800.85764.22436.128
37、79.911336.88表2-8 变压器T4的回路负荷负荷回路名称额定容量/kW同时系数有功功率/kW无功功率/kvar视在功率/kVA计算电流/A6#配电干线864388.80186.62431.27655.258#配电干线736348.8167.44386.71587.556#单元公共负荷9660.6046.8576.60116.388#单元公共负荷9660.6046.8576.60116.38地下车库39878.4056.6496.72146.95合计18900.800.85749.76428.74863.691312.242.2.2 无功补偿的依据 我国供电营业规则的第四十一条规定：除电网有特殊要求的用户外，不低于10