沙特哈立德國王大學電氣深化設(shè)計

楊 征

（廣東省建科建筑設(shè)計院，廣東 廣州 510500）

0 引言

深化設(shè)計，又名Shopping Drwaing Design，是在原設(shè)計的基礎(chǔ)上對圖紙進行細化。深化設(shè)計是對原設(shè)計圖紙而言。電氣專業(yè)的深化設(shè)計包括照明系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、防雷接地系統(tǒng)、通信與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、門禁控制系統(tǒng)、閉路電視和時鐘系統(tǒng)等。由于采用的規(guī)范標準存在差異，國外工程在某些節(jié)點的做法與國內(nèi)存在一些不同。不能說哪種做法更好，只是在特定的氣候和地質(zhì)條件下采用最合適的方式。終究其做法背后的設(shè)計原理是一致的。

在變配電系統(tǒng)深化設(shè)計里，配電變壓器與主接線在原設(shè)計圖紙里就已基本確定。但其一些節(jié)點的參數(shù)、設(shè)計是否合理，仍需在深化設(shè)計中進行優(yōu)化。低壓配電系統(tǒng)的深化設(shè)計是整個電氣專業(yè)深化設(shè)計的核心內(nèi)容。分斷能力，短路電流等參數(shù)，需經(jīng)過仔細嚴格的驗算，只有確定了這些參數(shù)才能保證其穩(wěn)定性和安全性。

作為中國公司在沙特阿拉伯取得的第一個總承包資格的建筑項目，即便在施工階段，仍需根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行必要的復核及優(yōu)化。

1 項目概況

沙特哈立德國王大學（以下簡稱KKU）位于沙特艾卜哈城附近20 km，建設(shè)投資由沙特政府承擔。該項目是中國公司中標承接的首個大型建設(shè)項目，也是在兩國政府框架下第一個在沙特取得總承包資格的項目。

沙特哈立德國王大學一期項目為男子教學區(qū)，含11間男子教學樓（共14幢建筑物），另加一幢中央圖書館和一幢院長辦公樓共16幢建筑物。其中11幢建筑物是3層高另加一至二層地下室，4幢是4層高，1幢是5層高，地下室層數(shù)相若。各幢建筑物層高均為4.5 m，面積界乎12 700 m2至83 382 m2不等。

2 配電系統(tǒng)

以其中一棟MC01為例，論述其低壓配電系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容。

2.1 配電室

配電室總面積約118 m2，位于MASTER SUB TERRAIN FLOOR樓層（如圖1所示）。

2.2 高壓進線部分

圖1 配電室平面布置圖

從室外引入高壓進線，經(jīng)過兩個高壓環(huán)網(wǎng)柜RMU1、RMU2，分成兩路高壓出線，傳輸?shù)絻膳_變壓器，RMU1供給TR1-1變壓器，RMU2供給TR1-2變壓器。高壓進線通過電纜溝地面敷設(shè)，其中高壓電纜采用鎧裝電纜，經(jīng)過電纜溝下進線到兩臺變壓器，兩臺變壓器采用上出線方式，見圖2。和國內(nèi)不同的是，高壓進線為13.8 kV，而不是10 kV高壓進線。工頻為60 Hz。

圖2 變壓器剖面圖

2.3 低壓配電部分

低壓配電房的低壓側(cè)，由兩臺主配電屏組成MDP1&MDP2。兩臺主配電柜間通過一臺額定電流為3 200 A，分斷能力為50 kA的斷路器聯(lián)絡(luò)。其中MDP1設(shè)備安裝容量為1 148.21 kVA，MDP2設(shè)備安裝容量為1 162.98 kVA。兩臺主配電屏MDP1&MDP2并不直接接末端配電箱，而是再分為若干個子配電屏：DP1,DP2,DP3,DP4,DP5,DP6,EMDP1,EMDP2。其中EMDP1,EMDP2為二級負荷，備用電源來自一臺303 kW的發(fā)電機。見圖3。

圖3 低壓配電柜MDP1豎向干線圖

MDP與其下級配電柜之間亦采用母線連接，視末端容量不同，采用250 A、500 A、800 A、1 000 A、1 250 A、1 500 A四種規(guī)格的母線槽。配電柜之間均采用上進上出的接線方式。

從主配電柜MDP1、MDP2到分配電柜DP1~DP6，再到末端配電箱，采用的是典型的樹干式配電方式。按照配電級數(shù)不宜超過3級的設(shè)計原則，MC01的配電方式是可靠且符合要求。

3 該項目電氣設(shè)計的幾個特點

3.1 防雷接地系統(tǒng)

國內(nèi)對天面接地網(wǎng)格有要求，而且要求接閃桿對閃電進行引導。對于KKU這類的大型建筑物，如果在國內(nèi)例如廣州這種多雨的潮濕的土壤利用其結(jié)構(gòu)鋼筋完全可以達到接地電阻的要求。等電位設(shè)置在配電房內(nèi)。

KKU各棟的接地形式不利用建筑物結(jié)構(gòu)，全部打人工接地銅棒及接地極。天面避雷網(wǎng)的截面積約為100 mm2。沒有突出屋面的接閃桿來引導閃電。

當?shù)氐臍夂驅(qū)е履昀讚舸螖?shù)很少，天面的引雷裝置要求并不高。土壤沙化較嚴重，且石頭子較多。這樣的土壤電阻率大，利用結(jié)構(gòu)鋼筋很難達到接地電阻的要求,而是直接打人工接地極,人工接地銅棒從基礎(chǔ)直接延伸到屋面,來滿足接地電阻的要求。

國內(nèi)規(guī)范中,采用接閃桿（既避雷針）的方式也是第二類防雷建筑物外部防雷措施之一。

3.2 照明系統(tǒng)

根據(jù)工料規(guī)范“小于4.0 mm2的導體不可用于照明設(shè)備的安裝和小型/設(shè)備供電安裝。布管時作外部照明使用或其他用途的直埋電纜直徑都不應小于4.0mm2?！毕啾葒鴥?nèi)設(shè)計，由于使用規(guī)范的不同，這邊使用導線較粗，照明配電最小使用4 mm2電線。而且照明照度、功率密度也沒有明確規(guī)定，相比國內(nèi)規(guī)范嚴重超標，說明國內(nèi)規(guī)范制定時更好地考慮了建筑的照明節(jié)能,而該設(shè)計更強調(diào)使用的方便及耐久性,留有較大余地。

3.3 消防報警系統(tǒng)

與國內(nèi)設(shè)計理念有所不同的是，KKU項目火災自動報警系統(tǒng)圖紙設(shè)計范圍只包含了火災探測部分,其他與消防聯(lián)動的設(shè)備，如風機、消火栓泵等接入BMS系統(tǒng)進行控制，沒有設(shè)置單獨的聯(lián)動控制裝置。

4 低壓柜熱穩(wěn)定性校驗及短路電流的計算

4.1 熱穩(wěn)定性的定義

在一定時間內(nèi)能承受短路電流（或規(guī)定的等值電流）的熱作用而不發(fā)生熱損壞的能力。

在實際施工中，電纜一般采取暗敷或者套管敷設(shè)。假如發(fā)生短路，電纜被高溫熔斷，維修較復雜。

1）瞬時脫扣器的全分斷時間（包括滅弧時間）極短，一般為10～20 ms，甚至更短。雖然短路電流很大，一般能符合要求。但當配電變壓器容量很大，從低壓配電屏直接引出截面很小的饋線時，難以達到熱穩(wěn)定要求，應對其進行校驗。

2）短延時脫扣器的動作時間一般為0.1~0.8 s，根據(jù)經(jīng)驗，可選用帶短延時脫扣器的斷路器所保護的配電干線截面不會太小，一般能滿足要求，可不校驗。

KKU建筑MC01單體采用2臺2 000 kVA的變壓器，單臺容量很大，為保證其電纜安全，對其進行熱穩(wěn)定校驗很有必要。

4.2 熱穩(wěn)定性的公式

熱穩(wěn)定性的公式為：

式中：K：計算系數(shù)；S：絕緣導體線芯截面(mm2)；t：在已到達允許最高持續(xù)工作溫度的導體內(nèi)短路電流持續(xù)作用的時間（s）；I：短路電流。

I2t中t的取值，按照瞬時脫扣的時間，一般為10～20 ms。

4.3 如何計算某一點的預期短路電流

預期短路電流公式為：

變壓器P=2 000 kW,Usc=6%,U20=400。計算出變壓器二次側(cè)短路電流Isc=46.9 kA

由于有兩臺變壓器，但其中間有聯(lián)絡(luò)開關(guān)，母線上某一點短路電流可不必計算其并聯(lián)時的短路電流。

所以低壓柜中聯(lián)絡(luò)柜，及主開關(guān)采用50 kA分斷能力的斷路器，滿足要求。

這里忽略了斷路器和母線的阻抗及感抗，雖然有誤差，但計算后得到的精度也完全滿足選型的要求。

KKU采用的是施耐德的產(chǎn)品，屬于高端產(chǎn)品，查看其斷路器時間-電流特性曲線，脫扣時間t=0.01 s是比較合理的。

計算出，S>32 mm2。

兩臺主配電柜MDP1、MDP2出線均為母線，最小規(guī)格都為250 A，截面積比35 mm2的XLPE銅線電纜大許多，完全滿足熱穩(wěn)定性的要求。

4.4 二級配電柜短路電流計算

主配電柜的短路電流已經(jīng)算出，其下級配電柜DP1~DP6的短路電流可采用合成法計算短路電流。

式中：Isc(A):上級短路電流；Isc(B)：線路末端短路電流；Zc：回路阻抗；U：系統(tǒng)標稱相電壓。

以DP4配電柜為例，其到MDP2的距離為10 m。母線的電阻通?？梢院雎圆挥?，這樣低壓母線的阻抗實際上都為感抗，其值約為0.15 MΩ/m(如果母線的間距擴大為原來的2倍，其感抗值僅僅增加10%左右)，即Zc=1.5 MΩ。

計算得Isc（B）=36.6 kA，采用40 kA分斷能力的斷路器符合設(shè)計要求。

DP4出線的熱穩(wěn)定性套用前面的公式，計算出S=25 mm2，考慮到施耐德產(chǎn)品具有限流作用，上級斷路器可幫助下游短路承擔一部分滅弧功能，導線截面采用16 mm2基本能滿足要求。

4.5 末端配電箱短路電流計算

DP低壓柜下一級接末端配電箱，其短路電流與導線截面積及長度有直接關(guān)系，通常采用的是XLPE電纜。采用傳統(tǒng)的套用公式，再查找電阻率的方法，計算出的短路電流精確，但是費時費力。經(jīng)過前人總結(jié)出來一套圖表法，在具體做設(shè)計時可提高工作效率，也可滿足設(shè)計的精度要求。

圖4 低壓柜剖面圖

以PPB1B配電箱為例，其上級配電柜為DP1，電纜長度110 m，截面積為4×150+95，滿足DP1熱穩(wěn)定性要求。前面驗算過，上游DP1配電柜Isc值為40 kA。PPB1B的短路電流Isc=10.6 kA。在滿足載流量的情況下選擇分斷能力為15kA的斷路器作為保護。

5 結(jié)束語

KKU項目中，原設(shè)計圖紙的設(shè)計深度與國內(nèi)工程比較，介于擴初設(shè)計圖與施工圖紙之間。所謂設(shè)計圖紙深化，就是在甲方提供的原設(shè)計圖紙的基礎(chǔ)上，根據(jù)技術(shù)標書、施工規(guī)范的要求和現(xiàn)場實際情況，完善設(shè)計意圖，繪制成能夠正確指導施工的施工圖紙。深化設(shè)計也是對原設(shè)計的一種檢驗,通過深化設(shè)計，及時解決原設(shè)計存在的問題，以及根據(jù)業(yè)主要求進行修改和補充設(shè)計。

在檢驗一些電氣參數(shù)時，國外的電氣設(shè)計與國內(nèi)相比并無不同。短路電流的計算是正確選擇斷路器的分斷能力，進而正確選擇配線柜出線電纜的前提。為提高設(shè)計效率，亦可采用諸如ID-SPEC、ECODIAL這類的軟件優(yōu)化設(shè)計。