智能楼宇电气工程设计

摘 要：随着人们生活水平的不断提高，通讯与信息技术的发展，人们对楼宇设计的要求标准也不断向智能化过渡。出现了住宅中各种通信、家电、安保设备等通过总线技术进行监视、控制与管理的智能楼宇建筑系统，这一趋势势必给现代楼宇设计带来一系列新的问题。正确设计智能楼宇的配电系统和综合防雷，是确保智能楼宇安全、可靠、舒适和有利于发展的前提。科学合理的进行负荷计算是提高楼宇配电系统的可靠性、正确选择各类配电设备容量的前提。本文对负荷计算中相关问题进行了分析和探讨，就重要设备的容量选择作了详细的论述，并提出了进一步提高配电系统可靠性的措施。安全第一，当今电气设计中，人身安全及消防安全已提高到了首位，为摆脱传统低电压供电系统中主要强调过载、短路保护以保护用电设备和供电线路不受损坏的缺点。本文对低压供电系统中出现漏电时的人身触电危险性及漏电引起的火灾危险性原因进行了讨论并给出了相应的防范措施。普通楼宇防雷系统不但不能保护高层楼宇的电子设备和智能系统，反而可能引入雷电，加倍雷击损失。因此智能楼宇对防雷系统要求越来越高，本文对智能楼宇中直击雷和感应雷进行了探索及雷电的电磁兼容性问题进行了讨论分析，提出了楼宇内可靠的电子设备的综合防雷保护措施。同时，为了达到智能控制，提高管理质量、减少管理人员，现代智能建筑系统以大跨度框架式建筑结构为基础，由智能建筑环境内的系统集成中心利用综合布线系统形成标准化强电与弱电接口，连接楼宇自动化系统(BAS)、通信自动化系统(CAS)、办公自动化系统(OAS)，实现3A功能。本文就BAS中相关配电系统智能化的功能及应用作了简单的讨论和研究。关键词：智能楼宇；电气设计；综合防雷。第一章 绪 论1.1 引言随着人们生活水平的不断提高，通讯与信息技术的发展，人们对楼宇设计的要求标准也不断向智能化过渡，这势必对楼宇供配电系统的安全、可靠性及防雷措施提出了更高的要求，对楼宇内智能系统的环境保护提出了更高的要求。1.2 普通楼宇配电系统和防雷措施中存在的主要问题1.2.1 用电负荷计算存在的问题在普通楼宇中，为了节约成本、减少开支，每户的用电负荷都定得很低，所配置的电表，开关及导线截面均偏小，根本无法满足现代电气设备的要求，造成经常性的负荷跳闸，超负荷运行而烧坏开关、电表、电线的现象常有发生。于1999年6月1日起正式施行的国家标准住宅设计规范（GB50096-1999），它的一些规定已脱离了客观发展的现实。当时规定住宅使用面积最大为68，而现在许多住宅面积已超过了100，特别在一些经济发达地区，新建的住宅套型面积高达100160且已占了相当大的比例，有些面积甚至更大。电视机、空调往往有24部，早已超过了每户4kW的设计标准；另一方面，从家用电器的发展趋势来看，今后负荷的增长点将主要在厨房和卫生设备上，如现在市场上见到的即热式电热水器其功率达6kW10kW，电灶的功率为3kW12kW。可见随着目前发展的现状，我们应结合各地的实情加以调整。据有关专家预测，20002010年将是住宅用电负荷的快速增长期，其中20002005年增长速度适中，大约是前10年的2倍；而20062010年住宅电气负荷将进入迅速增长期。这是因为一些高品质的家用电器将会普及而且迅速增长，如智能温控电热膜、电热线，厨房设备，供热设备等。20102020年住宅电气负荷将进入缓慢增长期。根据家用电器的寿命规律，现在已进入家庭的传统家电和采用变频技术、数字技术、模糊控制技术的新产品，到2010年以后将逐步进入更新换代时期。经济增长也逐步由过去的增量型转向增值型，由能耗型转向技术节能型。这样一来，采用高新技术武装起来的家电，其产品从高耗能变为低耗能，到那时住户的用电负荷就不会有过快的增长。当经济技术发展到一定水平，用电指标趋于平衡饱和，甚至略呈下降趋势。1.2.2 供电系统的安全可靠性方面存在的问题（1）传统的低压供电系统设计主要强调过载、短路保护，用来保护用电设备、供电线路不受损坏；（2）当接用单相不平衡负荷时，联结组别为Y，yn0的配电变压器要求中性线电流不超过低压绕组额定电流的25%，因而严重地限制了接用单相负荷的容量，影响了变压器设备能力的充分发挥。按配规规定，低压为TN及TT系统时，宜选用联结组别为D，yn11的变压器。这种联结组别变压器的中性线电流允许达到相电流的75%以上，对于主要是单相负荷的住宅显得尤为重要。况且，D，yn11联结变压器比Y，yn0联结变压器更有利于抑制高次谐波和单相接地故障的切除；（3）总等电联结作为接地故障保护的重要电气安全措施之一，被广泛实施，低规和防雷规都有规定。但在某些建筑物内的变电所竟没有总等电位联结，这样难以防止变电所高压侧接地故障引起建筑物内低压用户的电气事故。（4）现代的电气系统中，漏电保护的作用非常重要，能有效的防止接地故障引起的人身电击和电气火灾，但当其选用或接线不正确时，会降低供电系统的可靠性与安全性。（5）低规规定，低压保护电器要切断短路故障电流，应满足短路条件下的动稳定和热稳定要求，还必须具备足够的通断能力。但有些变电所内未进行计算就选用微型断路器，而微型断路器的短路分断能力小于它所保护内的短路故障电流，发生故障时，非但不能保护故障线路，反而会因微型断路器的分断能力过小而引起微型断路器的爆炸，危及人身和其它电气设备线路的安全运行。同时规定低压配电系统上下级保护电器的动作应具有选择性，非重要负荷的保护电器可采用无选择切断。可是在许多变电所设计中，无论负荷重要与否，上下级均为非选择性塑壳断路器，也就无法保证保护电器的选择性。1.2.3 综合防雷及电磁兼容设计的有关问题作为智能楼宇，电子设备和智能系统不断增加，防雷系统更不可少，然而普通楼宇防雷系统设计考虑不深，即使加强传统防雷，也只能保护建筑物本身，不能完全消除电网中由雷电引起的暂态过电压，感应雷电脉冲一般在千伏以上降低，不但不能对智能化电子设备起保护作用，反而有可能加大其损失。对于现代的智能楼宇，必须采取综合防雷方式，即在常规防雷基础上，针对建筑物、特殊用房和重要设备采取各种相应的防雷保护措施，确保建筑物和建筑物内所有保护对象的防雷安全。电子设备的广泛应用和发展，必然导致它们在其周围空间产生的电磁场电平的不断增加，也就是说，电子设备不可避免地在电磁环境（EME）中工作。因此，必须解决电子设备在电磁环境中的适应能力。电磁兼容性（EMC）技术是一门关于抗电磁干扰（EMI）影响的科学。目前，就世界范围来说，电磁兼容技术是一门迅速发展的交叉学科。电磁兼容的中心课题是研究控制和消除电磁干扰，使电子设备或系统与其它设备联系在一起工作时，不引起设备或系统的任何部分的工作性能恶化或降低。一个设计理想的电子设备或系统应该既不辐射任何不希望的能量，又应该不受任何不希望有的能量的影响。但许多楼宇的电气设计对电磁兼容的问题并未引起足够的重视。1.3 智能楼宇配电系统智能化的相关问题在普通楼宇中，一般都是采用人工操作、人工监控，这样不但不能及时的预见、减少电气事故的发生，也给管理带来了诸多不便，在当今，通讯与信息技术不断发展，人们对楼宇设计的要求标准也不断向智能化过渡。出现了住宅中各种通信、家电、安保设备等通过总线技术进行监视、控制与管理的智能楼宇建筑系统，这样不但能大大的减少楼宇监控人员，为楼宇管理员和业主提供方便，更加能预见事故的发生防范于未然。1.4 本文所要研究的主要内容本文研究的重点是智能楼宇的配电系统设计和综合防雷设计，同时也有智能楼宇配电系统智能化管理的讨论研究。在配电系统设计中，主要讨论了电气负荷的计算和用电设备容量的选择，并提出进一步提高配电系统可靠性的措施。针对目前对于小康社会住宅的电气设计首先要考虑到人身安全，并且可靠、舒适、美观和利于发展的原则，还将探讨解决低压配电系统中出现漏电时的人身触电危险性及漏电引起火灾危险性的问题。对于系统的综合防雷，从拦截、屏蔽、均压、分流和接地五种方法上作了比较详细的分析，并对保证电子设备的电磁兼容性提出了适合的措施。楼宇智能化是人们对生存环境要求的一个质的转变。科技进步日新月异，综合国力竞争日趋激烈，现代化水平不断提高，用计算机完全上述各种管理与统计工作就显得十分重要，它能显著减少管理人员工作量和提高科学管理水平。第二章 智能楼宇配电系统的有关问题的研究随着我国经济的发展，居民对用电量的要求越来越高。家用电器从八十年代的黑白电视机、收音机、电风扇、洗衣机，到现在的大屏幕彩色电视机、DVD、微波炉、消毒柜、电脑、电热水器、空调等，有的家庭甚至拥有好几部空调。此外，一些大功率家用电器设备也逐步进入百姓家庭，比如电灶（即热式电热水器）、小型中央空调等。家用电器发展之迅猛，已大大超过人们对住户面积的要求，将来的发展速度更是难以预料。再加上我国人民生活水平的不断提高，对住宅的要求已由满足需要型向电气化、信息化、舒适化转变，作为建筑业的一个主要组成部分的电气设计在如何提高，满足时代的要求，也有了很大的发展。在传统的低压供电系统中主要强调过载、短路保护，其目的是保护用电设备、供电线路不受损坏。近年，已提出了人身安全的观点，住宅的电气设计首先是要考虑到人身的安全，并且可靠、舒适、美观和利于发展。要提高楼宇配电系统的安全可靠性，就必须科学合理的进行负荷计算，正确选择各类配电设备的容量。2.1 负荷计算的有关问题2.1.1 负荷计算及负荷计算的目的供电系统要能可靠地正常运行，就必须使其元件包括电力变压器、电器、电线电缆等满足负荷电流的要求，因此有必要对供电系统各环节的电力负荷进行统计计算。 计算负荷又称需要负荷或最大负荷。是通过对已知用电设备组的设备容量进行统计计算求出的，用来按发热条件选择供电系统中各元件的最大负荷值。它是一个假想的持续性负荷，其热效应与同一时间内实际变动负荷所产生的最大热效应相等。在配电设计中，通常采用30min的最大平均负荷作为按发热条件选择电力变压器、电器、导线及电缆的依据，并用来计算电压损失和功率损耗。如果计算负荷确定过大，将使设备和导线选择偏大，造成投资和有色金属的浪费；如果计算负荷确定过小，又将使设备和导线烧毁，造成事故。在工程上为了方便计算，亦可作为电能消耗及无功功率补偿的计算依据。尖峰电流是指单台或多台用电设备持续12S的短时最大负荷电流。一般取启动电流的周期分量作为计算电压损失、电压波动和电压下降以及选择熔断器和低压断路器及整定继电器保护装置等的依据。在校验瞬动元件时，还应考虑启动电流的非周期分量。电力负荷按其对供电可靠性的需求和意外中断供电所造成的损失和影响，分为一级、二级、三级负荷，在楼宇配电系统设计中，用以确定备用电源或应急电源。对于季节性负荷，从经济运行条件出发，用以考虑变压器的台数和容量。2.1.2 负荷计算的方法1、需要系统法：需要系数的大小取决于用电设备组中设备的负荷率、平均效率、同时利用系数以及电源线路的效率等因素。实际上，人工操作的熟练程度、材料的供应、工具的质量也对需要系数的大小有影响。应用该方法求计算负荷时，用设备功率乘以需要系数和同时系数。这种方法比较简便，应用广泛，尤其适用于配、变电所的负荷计算。2、利用系数法：采用利用系数法求出最大负荷班的平均负荷，再考虑设备台数和功率差异的影响，乘以与有效台数有关的最大系数得出的计算负荷。这种方法的理论根据是概率论和数理统计，因而计算结果比较接近实际，但因利用系数的实测与统计较难，在民用建筑电气设计中一般不采用。3、二项式法：在设备组容量之和的基础上，考虑若干容量最大设备的影响，采用经验系数进行加权平均计算负荷。4、单位面积功率法、单位指标法。负荷计算方法一般可按下列原则选取：1、方案设计阶段可采用单位指标法：在初步设计及施工图设计阶段，宜采用需要系数法，对于住宅,在设计的各个阶段均可采用单位指标法；2、电设备台数较多，各台设备容量相差不悬殊时，宜采用需要系数法，一般用于干线、配变电所的负荷计算；3、电设备台数较少，各台设备容量相差悬殊时，宜采用二项式法，一般用于支干线和配电屏（箱）的负荷计算。进行负荷计算时，需将用电设备按其性质分为不同的用电设备组，然后确定设备功率。用电设备的额定功率或额定容量是指铭牌上的数据。2.2 电力负荷的相关计算2.2.1 智能化住宅小区住户电力负荷的确定1、智能住宅小区家用电器的分类把智能化小区的家用电器划分为三类，第一台阶的电器具有高普及率，如照明设施、电视机、音响、电冰箱、洗衣机等，这类电器称为类家用电器；第二台阶的电器具有中普及率，如微波炉、电水壶、电饭锅、电热水器、电烤箱等，这类电器称为类家用电器；第三台阶的电器具有低普及率，如电灶、远红外医疗器、电热取暖器、电洗碗机、即热式电热水器等，这类电器称为类家用电器。家用普及率发展规律对应的类别及有关技术参数见下表2-1：表2-1 家用电器普及率发展规律对应的类别家电名称参考容量/KW参考COS类别照明设施0.2-0.81电视机0.1-0.20.7音 响0.2-0.30.6-0.7影碟机（VCD）0.150.7电冰箱0.1-0.20.8排烟机0.20.5洗衣机2.00.6电 斗1.01空调机1.5-4.50.7-0.8电风扇、换气扇0.10.6录像机0.060.7计算机及附件0.50.7电饭锅0.81电烤箱1.01电水壶1.51食品加工机0.30.6吸尘器0.80.6电热水器2.0-3.01微波炉1.01消毒柜0.61电洗碗机1.00.7电 灶1.51带烘干功能的洗衣机3.50.6即热式电热水器3.5-4.51电取暖器1.0-2.01家庭自动化设施0.2-0.512、确定每户计算容量的原则和方法（1）每户用电容量的确定原则：对智能化住宅小区，应按小康型住宅确定每户计算容量。每个家庭一般有照明设备、厨房用电设备、卫生洗浴设备、空调取暖设备和文化娱乐设备、安防设备等。智能化小区在工程设计中，总体上要满足：高度的安全性、舒适的生活环境、足够的通信设备、完善的信息设施和智能化家庭系统。（2）每户用电计算容量： （21）式中： 、类家用电器的需要系数，可取0.50.6；、类家用电器的普及率，目前可近视为：100%200%，25%40%，5%15%；、类家用电器的设备标称容量。（3）每户用电负荷的建议值。根据式（2-1）的计算和有关文献的分析论证，提出智能化小区每户用电容量标准建议值如表2-2：表2-2 智能化小区每户用电容量的标准建议值（P/kW）气象区普通住宅中档住宅高档住宅一类468二类579三类68102.2.2 公共电力负荷的计算居住建筑的公共用电负荷大致可分为照明负荷和动力负荷两部分。1、照明负荷居住建筑公共场所的照明包括一般照明、疏散照明及事故照明。其用电负荷量与控制方法有关。（1）门厅及电梯前室的照明，其灯具安装于居住建筑的重要交通场所，照明对居民的安全感起着较重要的作用，一般采用按键开关控制，夜间长时点亮，照明容量即可按灯泡功率计算。（2）走道，门户的照明，多采用定时开关控制。据测定可节电75%，照明容量可按灯泡功率的25%计算。（3）电梯机房、水箱间、水泵房、值班室一般按办公用房计算功率。（4）应急照明负荷等。居住建筑公用照明负荷可按如下指标估算：多层住宅56W/，高层住宅1015 W/。2、动力负荷公共辅助设施的动力负荷主要有：（1）给水、排水的用电负荷：根据有关文献报道，每人每天供水量一般为0.3t，一般居民区的吨水耗电量在0.1kw以内，按负荷处利用小时4500h计相当于每人用电负荷为0.28W，亦可按0.2-0.25W/估算。排水：在通用的自流排水条件下，用电量可不计。（2）电梯用电负荷：高层住宅建筑中，电梯是关键的垂直运输设备，高层住宅电梯主要与以下因素有关：a、每台电梯的服务人数，一般服务户数越多，电耗越大；b、建筑物的层高及层数越多，电耗越大：c、电梯的速度和载重；d、电梯的电机效率和传动效率。一般情况下，电梯的用电负荷可按每户0.5-0.35kW估算，亦可按1.7-2.0W/估算高层住宅的电梯负荷。（3）北方冬季取暖用电负荷，根据测算，取暖用的动力负荷为0.8W/。2.2.3 单元计算负荷的确定1、单位指标法单位指标法适用于方案设计阶段，用于确定供电方案和选择变压器的容量和台数。（1）住宅小区的总计算负荷： （22）或 （23）式中: 住宅小区总计算负荷，kW；、单位指标，kW/户，；N小区住户数；A小区总建筑面积，。（2）单位指标：单位指标的建议值为：一类气象区：15，1.5KVA/户；二类气象区：16，1.6KVA/户；二类气象区：18，1.8KVA/户。2、需要系数法需要系数法适用于初步设计和施工图设计阶段。（1）每户计算负荷可按下表（23）的建议值确定表2-3 住宅用电负荷需要系数表按单相用电计算时所连接的户数按三相配电时所连接的户数通用值建议值391.101.04120.950.906180.750.708240.660.610300.580.5212360.500.4414420.480.4216480.470.4118540.450.3821630.430.3624720.410.3425100753000.400.331252003756000.330.262603007809000.260.20注：表中的通用值指目前采用的住宅需要系数值。由公式： （2-4）式中： 每户计算电流，A；每户用电容量标准建议值，KW；额定电压，一般取单相0.22KV；综合加权功率因素，取0.9以上。可以根据来确定进线总开关脱扣器的额定电流和进户线截面等。（2）单元计算负荷 （2-5） 配电干线采用0.22KV供电时计算电流： （2-6） 配电干线采用0.38KV供电时计算电流: （2-7）式中： 单元计算负荷，KW；需要系数；单元综合功率因素，见表（24），（25）。表2-4 多层住宅配电干线采用单相220V供电时的需要系数和功率因数组合户数169121.00.750.650.50.90.90.90.9表2-5 多层、高层配电干线采用三相380V供电时的需要系数和功率因数多层住户高层住户12户18户21户24户32户36户0.950.750.730.660.580.500.900.900.900.900.900.902.2.4 住宅小区总计算负荷的确定1、电干线或变电所的计算负荷： （2-8）式中： 同时系数，取0.80.9；公用电力负荷（如走道灯、水泵、消防设施等）。 （2-9）2、住宅小区配电所总计算负荷为变所计算负荷之和再乘以同时系数，取0.850.95，户数多时取下限，户数少时取上限。3、住宅小区供电变压器容量： （2-10）式中： 住宅小区总计算负荷，KW；功率因素，取0.9以上。2.3 供配电设备容量的选择在建筑电气设计范畴里，供配电设备容量的选择是至关重要的一环。在施工图设计阶段，有时设计容量会留有一定的裕度是为了考虑日后用电设备的需要，这是合理的，但如果选得过大或过小，除了直接或间接地增加工程造价外还可能发生配电线路误动作甚至造成电气事故。2.3.1 电力变压器的选择 根据国际JGJ/T16-92：“用电设备容量在250KW或需要变压器容量在160KW以上者应以高压方式供电”的要求，可知凡是具有一定建筑规模的工程都将使用电力变压器。1、电力变压器类型的选择电力变压器类型的选择是指确定变压器的相数、调压方式、绕组形式、绝缘及冷却方式、联贯组别等，并应优先选用技术先进、高效节能、免维护的新产品。对于智能楼宇的配电变压器类型的选择，根据系统的要求，一般采用三相式、无载调压、双绕组形式、绝缘及冷却方式用干式或充气式（少见）、Dyn11联结。随着科技的进步，变压器新产品不断涌现，如为延长变压器使用奉命，做到免维护，油浸式变压器采用全密封结构；为降低空载损耗，变压器采用卷制铁心结构和非晶合金铁心；为提高抗短路冲击能力，变压器低压采用箔式绕组等。2、电力变压器的台数和容量的选择（1）台数选择变压器的台数一般根据负荷等级、用电容量和经济运行等条件综合考虑确定。当符合下列条件之一时，宜装设两台或以上的变压器： 有大量一级或二级负荷，在变压器出现故障或检修时，多台变压器可保证一、二级负荷的供电可靠性。当仅有少量二级负荷时，也可装设一台变压器，但变压器低压侧必须有足够容量的联络电源作为备用。 季节性负荷变化较大，根据实际负荷大小，相应投入变压器的台数，可做到经济运行，节约电能。 集中负荷容量较大，虽为三级负荷，但一台变压器供电容量不够，这时也应该装设两台及以上变压器。当备用电源容量受限制时，宜将重要负荷集中并且与非重要负荷分别由不同的变压器供电，以方便备用电源的切除。当然，在照明负荷容量较大，或动力与照明采用共用变压器供电会严重影响照明质量及灯泡奉命时，宜设专用变压器。（2）容量的选择 变压器的容量首先应保证在计算负荷下变压器能长期可靠的运行。对仅有一台变压器，其容量，考虑到节能和留有余量，变压器的负荷率一般取70%-85%。对有两台变压器运行的，通常采用等容量的变压器，每台变压器应同时满足以下两个条件：a、满足总计算负荷70%的需要，即0.7；b、满足全部一、二级负荷的需要，即。 （2-11）当采用两台不同容量变压器时，每台变压器的容量可按下列条件选择： （2-12）且； （2-13） 变压器的容量应满足大型电动机及其它冲击负荷的起动要求。大型电动机及其它冲击负荷起动时，会导致变压器配电母线电压下降，下降幅度与变压器容量及设备起动方式有关，一般规定电动机非频繁起动时母线电压不宜低于额定电压的85%。 单台变压器容量一般不宜大于1250kV.A，但当用电设备容量较大、负荷集中且运行合理时，也可选用较大容量（1600-2000）的变压器。 应满足今后5-10年负荷增长的需要。当然最后确定变压器容量时还要综合考虑其它一些因素，例如环境温度的影响，降低温度可以提高变压器的输出功率和减少变压器的损耗。应在对负荷资料进行分析、调整的基础上，结合一次接线方案的设计，做出合理的选择。至于变压器的过载能力是和起始负荷率、环境温度和通风散热条件等相关因素有关且只能是应急性质和短时间的。过负载时首先要求不至于损坏变压器的绝缘和降低使用效果为原则，一年四季中高峰用电是可能会超负荷而低谷时又会出现轻载运行。这“超”、“轻”负载两者之间的量和时间基本等同时会起到互补的作用，但最大不要超负荷15%。过负荷百分比（N）计算公式： （2-14）式中： 变压器实际负荷电流； 变压器额定电流。当然对于设置有强迫风冷的变压器其应急过载能力可达40%-50%，而且过载持续时间也可适当延长，但绝不允许过载情况下长期运行，这可由产品的技术条件来确定。2.3.2 电容无功补偿容量的选择和配置我国供电营业规则规定：容量在100及以上高压供电的用户，最大负荷时的功率因素不得低于0.9，如果达不到要求，则必须进行无功补偿。由于用户的大量负荷如感应电动机、电焊机、气体放电灯等，都是感应负荷，使得功率因素偏低，达不到上述要求，因此需要采用无功补偿措施来提高功率因素。无功补偿装置可分为稳态无功功率补偿设备和动态无功功率补偿设备两种。稳态无功功率补偿设备主要有同步补偿机和并联电容器。在智能化楼宇设计中，一般采用并联电容器进行无功功率补偿，并联电容器大多采用三角形接线，以提高电容器组的利用率，它有手动投切和自动调节两种控制方式。自动调节又称无功自动补偿装置，能按系统无功功率的变动随时自动补偿，可避免过补偿或在轻载时电压过高，造成某些用电设备损坏等。动态无功补偿设备又称为“静止型无功功率自动补偿装置（SVC）”，具有响应快，平滑调节性能好，补偿效率高，维修方便及谐波、噪声、损耗均小等优点，因此得到越来越广泛的应用。无功补偿装置的装设位置一般有三种：高压集中补偿、低压集中补偿和分散就地补偿。在智能化楼宇中采用低压集中补偿的办法，即在低压配电室的配电母线上安装若干组电力电容器补偿供电范围内的无功功率以达到提高功率因素的目的，通过减少变压器的视在功率，从而可使变压器容量选得较小，但对于如何正确选择电容器容量的问题上有的设计者错误的认为在作施工图设计时只要根据配电变压器容量（）的1/3来选择补偿容量（Kvar）就可以了。实际上，从以下的功率因素三角形的矢量图（图2-1）可知要使功率因素由提高到就必须装置补偿电容器的容量为： （2-15）式中：设置电容补偿容量，Kvar,P-总有功计算负荷，kW, 、应于补偿前、后、的正切值。当然也可以通过三角子函数表查出和的对应值。IrIc UI2L I2 I1I1L a) 电容补偿原理图 b) 矢量图图2-1 电容补偿原理图及矢量图从上述计算分析可知，电容器的无功补偿容量与用电设备的负荷性质、负荷（有功、无功）大小无关，也与变压器的容量大小无关。近年来一种具有自愈功能且内装有放电电阻，体积小，介质损耗低，安全性能高的无功补偿干式电容已代替油浸式电容器，如国产型号主要有BMMJ型，进口产品有ABB公司的CLMD型等，CLMD更具有高容量和放电速度快的特点，单台容量可达83Kvar，放电速度可在电容器离开电源后一分钟端电压下降到50V。无功补偿电容器投入运行瞬间在配电线路上会产生几十甚至上百倍额定电流的涌流，因此要在配电线路上装设专用的切除电容器接触器，以限制涌流在电容器额定电源20倍之内和保证电容器在下次投入时其端子最大剩余电压50V。2.3.3 智能楼宇内柴油发电机组的选择与设置1、柴油发电机组的配置原则智能楼宇中选择柴油发电机要考虑的主要问题有：（1）智能楼宇的自备发电机组是应急电源设备，供电对象一般是一级负荷或重要负荷，如消防设施等，其容量和选取应按应急负荷大小和投入顺序以及应急设备拖动电动机的起动容量等参数决定。（2）智能楼宇中自备发电机组应选择应急自起动型柴油发电机组或全自动型柴油发电机组，而且要起动性能好、运行可靠、高速小体型机组，其输出功率应按应急备用功率来选择。（3）选择柴油发电机组时，宜选用高速柴油发电机组和无刷型自动励磁装置，高速柴油发电机具有体积小、重量轻、起动运行可靠等优点，无刷型自动励磁装置具有适应各种起动方式、易于实现机组自动化或对发电机组遥控的特点，并且当与自动励磁装置配套使用时，可使静态电压调节率在2.5%以内。（4）所选的机组应装设快速自起动装置和电源自动切换装置，并应具有连续三次自起动的功能，机组一般应采用电起动，不宜采用压缩空气起动。（5）应急柴油发电机组的供电范围有：消防用电、楼梯及客房走道照明用电的50%、大楼各区一台生活水泵，一台或几台客梯、一台服务电梯的用电，所有电梯均应能投入事故电源母线，但每次只能选择部分电梯投入运行。2、柴油发电机组容量的选择选择方法如下：（1）按最大一台电动机起动的需要或成组电动机起动的需要计算柴油发电机组的容量 （kVA） （2-15）式中 发电机组供电范围的总负荷，kW； 起动容量最大的电动机或成组电动机的容量，kW；总负荷的计算效率，一般取0.800.85；K电动机起动的电流倍数；C按电动机起动方式确定的系数；电动机的起动功率因素；电动机的额定功率因素。（2）按稳定负荷计算发电机的容量 （kVA） （2-16）式中： a负荷率，一般取0.81.0。（3）按起动电动机时母线容许电压降计算发电机的容量 （kW） （2-17）式中： 造成发电机母线压降的最大电动机或电动机组容量，kW；发电机的暂态电抗，一般取0.25；应急负荷中心母线允许的瞬时电压降，有电梯时取0.2，无电梯时取0.250.30。2.3.4 高原地区环境对常用电器设备容量的影响根据国家标准，常用低压电器使用环境的海拔高度为2000米，如果超出高度，海拔每升高100m电器的温升要增大0.1-0.5。故在高海拔地区应用低压电器要认真考虑诸如分断能力、工作电流、绝缘强度等的降容或降低使用条件的问题。据了解，ABB公司生产的塑壳式断路器（MCCB）用于海拔5000米的高原地区时其分断能力并不会受到任何影响。2.4 提高智能楼宇配电系统的可靠性措施在智能楼宇中，随着各种用电设备及可编程控制器、计算机信息系统的日益广泛使用，对提高供电系统的可靠性提出了越来越高的要求。就智能楼宇的配电系统而言，首先要确保各类配电设备容量的正确选择，其次要确保低压配电系统主接线的科学合理，再次，选用智能型断路器来提高短路保护动作的可靠性。2.4.1 若干配电设备的设计容量需要注意的问题1、低压并联电容器线路的刀开关和交流接触器的导体截流量应不小于其负荷（电容器额定电流）的1.5倍。2、用于计算机的不间断电源其输出功率应大于计算机及各用电设备额定功率总和的150%。3、单台交流电梯和直流电梯供电导体的连续工作载流量应大于铭牌连接工作额定电流（或交流额定输入电流）的1.4倍。4、非线性负荷的电气设备，如气体放电灯、微波炉、可控硅调光装置等，这类设备的负荷电流含有多次谐波电流，由于3次及其奇数谐波在中性线内不是互相抵消而是叠加的，叠加后的电流最大值接近电流的两倍，能使中性线过载发热，加速老化而短路起火，电气线路的设计安装必须适应电气技术发展的新要求，当配电系统为三相四线配电时，其截面应为相线截面的两倍。5、微型断路器（包括漏电保护器）紧密无间隔安装时要考虑降容和检验其截流能力，通常89台紧密无间隔安装时大约降容20%。环境温度对开关的额定电流影响也不可忽视，这都可以从产品的技术资料和有关资料中核实。6、插座额定电流对已知使用设备都应大于设备额定电流的1.25倍，未知使用设备者不应小于10A。2.4.2 提高柴油发电机组的供电系统可靠性的措施1、一般要求作为应急电源的柴油发电机采用单台机组，其额定容量不宜超过1500kVA，柴油发电机组作为智能楼宇内的自备应急电源，其供电系统应在电网电源中断后，机组立即起动，并在15S内能投入正常运行，以减小停电后造成的经济损失。当发电机起动达到额定转速时，应分批投入负荷，避免消防设备的电动机的同时起动而造成发电机组的熄火停机。一般顺序为先起动大容量的电动机，然后依次起动中小容量的电动机，错开投入时间以减小母线上的起动压降。2、有柴油发电机时的低压主接线图22为深圳市一小区的配电系统示意图，两台变压器T1、T2分别接独立的两路10kV市电电源，并设有一台自备发电机组。GT2T1母线工作母线工作母线工作母线IK5K4K2K3K1一、二级负荷一、二级负荷图2-2 配电系统示意图（一、二级负荷包括消防负荷、电梯负荷及其它特重要负荷）(1)在正常情况下，两路10kV电源同时供电，K1、K2、K4处于闭合状态，K3、K5断开。两台变压器T1、T2不并联运行，发电机G不运行，、段母线由T2供电，与第一段分开运行，保证有两组相对独立的低压电源。(2)当市电因故障造成一路电源停电时，联络开关K3按照检查工作母线或工作母线无压时进行自动投入，保证在市电正常时两台变压器互为备用。(3)当市电停电时，可通过检查工作母线或工作母线均无压时，自动起动备用柴油发电机，并断开两台变压器主开关K1、K2，当备用柴油发电机电压正常后，发电机主开关K5自动闭合使备用母线带电，而在工作上的重要负荷可通过开关K4进行联络。在进行配电系统的电气设计时，可按下列联锁程序设计。(1)K1、K2与K3联锁，保证T1、T2不并列运行。(2)K1、K2与K5联锁，保证发电机不与市电并网运行。(3)K5不与K3、K4联锁，K4的失压脱扣器，应同时检测第、段母线的电压，并且保证在平时非火灾时，当市电停电时，发电机可兼做部分非消防用电的备用电源，充分发挥发电机的作用。2.4.3 提高低压断路器短路保护级间选择性的措施在低压配电系统设计中，多年来一直存在一个悬而未决的老难题，那就是当下级配电回路发生大短路电流的故障时，即使其上级保护装有带短路延时的所不应有的巨额经济损失。这是因为当配电回路阻抗小时下级回路的短路电流超过上级断路器的瞬动整定值，使瞬动保护越级动作而延时保护不起作用。由于技术上存在困难，国际上也长期未能解决这一难题。我国国家标准(GB50054-95)不得不写出这样的规定：“第4.1.2条 配电线路采用的上下级保护电器，其动作应具有选择性：各级之间应能协调配合。但对于非重要负荷的保护电器，可采用无选择性切断”。这一规定实际是说要保证的选择性动作是困难的。除非停电损失十分巨大的重要负荷，对其他一般负荷设计中可以放弃短路保护的动作选择性。这是一条限于当时(该规范1989年报批)技术水平的无可奈何的规定。1、保证选择性的落后做法在未应用ZSI以前，国内的做法多是从电源(变电所的低压配电盘)直接配电至未端用电设备，由于只有一级配电，断路器层次减至最少，两级短路瞬动保护整定值相差十分大，从而保证了上下级瞬动保护的选择性。如此保证选择性的缺点是大大增加了配电回路数，从而耗费大量电缆和配电设备，在经济上是很不合理的。国外保证选择性的做法是按正常要求采用多级配电系统，但除未端断路器外其它各级断路器都只有过载长延时和短路延时保护而取消短路瞬动保护。它靠短延时上下级时间差来保证短路保护动作的选择性。这一做法的系统结构设计比较合理，但也带来了另一个问题，即除未端断路器外，其上各级断路器即使在出口处短路它也不能瞬时动作而只能延时动作。按上述GB5005496规范第4.2.2条规定，发生短路时为满足热稳定要求，流过短路电流的导体的截面S应满足下式要求： (2-18)式中，I、t、k分别是短路电流有效值，短路电流作用时间（也即断路器动作时间）和计算系数。如果断路器延时动作，导体截面将按此式增大。越靠近电源的断路器其出口处短路电流越大，以至大到十分不合理的地步，其结果是大量耗用有色金属和绝缘材料。而断路器也需能承受长时间短路电流的热作用和机械作用，这必然增大断路器的制作成本。所以国外的这种全靠短延时来保证选择性的做法也是难以令人满意的。2、ZSI园满的解决了配电系统短路保护的选择性问题值得欣愉的是现时国际上已得到了较好的采用级间选择性连锁技术，简称ZSI（Zone Selective Interlocking），可以较好的解决这一老大难题。由于电子信息技术的迅猛发展，八十年代后期国际上推出了所谓的智能型断路器，它有许多新功能，从而大大提高了断路器的性能，使配电系统得以设计得更加完善。其中之一就是ZSI，它能圆满地解决短路保护的级间选择性问题，其原理可用图23来说明。图中未端回路上的断路器是带有长延时和瞬动的一般断路器，、和都是带有长延时、短延时和瞬动以及ZSI功能的智能型断路器。采用ZSI时要求在智能型断路器间加设一与主回路平列的信号回路，如图上虚线所示。图2-3 ZSI动作原理图当未端回路上A点发生短路时，瞬时动作，这时也检测出短路电流，它通过信号线给、发出信号（同理，也给发出同样的信号），使、的瞬动元件被锁住而不动作，同时也给自己发出自锁信号，使自己的瞬动元件不动作，只有0.1S的延时动作，以作的后备短路保护，从而在和间实现了选择性动作。当B点短路时，情况相同。仍给、发出连锁信号，短路电流也小，对回路导体截面的影响不大。当C点短路时，检测出短路电流，它发出信号，使不能瞬动而只剩0.5S的延时动作，而本身未自锁，也未接到前级的连锁信号，可瞬时动作，从而大减小了被保护线路的截面。当D点短路时，未接收到前级发来的连锁信号，它可立即瞬时动作，以减轻被保护导体承受的短路能量的冲击。综上所述，可见ZSI具有良好的满足配电系统选择性要求的功能。该瞬动则瞬动，该延时则延时；即不增加配电回路数，也不需增大导体截面。应该说ZSI是现时国际上能满足配电系统选择性要求的一项新技术，能有效地避免大面积停电引起的巨大经济损失，可用在重要负荷上及一般较重要负荷上。换言之，保证配电系统保护选择性的面将因ZSI推广应用而拓宽了。2.5 小结本文对负荷计算中相关问题进行了分析和探讨，就重要设备的容量选择作了较为详细的论述，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，计算结果证明了本文所述的负荷计算方法是正确合理的，可在实际中应用。第三章 智能楼宇电气设计中用电安全问题的研究在传统的低压供电系统中主要强调过载、短路保护，其目的是保护用电设备、供电线路不受损坏，近年，已提出了人身安全、消防安全的观点。所以，目前对于小康住宅和智能楼宇的电气设计首先要考虑到人身的安全。本章主要探讨了低压供电系统中出现漏电时人身触电危险性及漏电引起的火灾危险性的原因，并提出了相应的防范措施。这些问题在以前的楼宇电气设计中容易被忽视。3.1 低压三相供电系统中漏电危险性及其防范措施3.1.1 问题的提出当电气设备发生漏电即碰壳短路时,电流将沿设备外壳、保护接零线（保护接地线）零线（大地）形成闭合回路，但由于下述原因的存在，使过流保护装置并不绝对可靠：1、熔断器规格可能人为加大数倍或被铜丝代替，起不到过流保护的作用；2、电故障点可能发生在系统的足够远的未端，故障回路阻抗较大，漏电短路电流不足以使熔断器动作；3、如果电气设备容量较大，熔体额定电流超过漏电电流时，熔断器也不会动作；4、接地装置不符合要求，造成接在电阻较大，导致漏电短路电流较小时也不会使熔断器动作；5、当采用过电流自动保护开关时，开关失灵，或脱扣电流设置过大，自动保护开关不动作；6、保护接零（接地）线的接线端子连续不实，造成接触电阻过大，限制了故障电流，致使熔断器不动作。上述现象在实际中并不少见，或存在一种或同时存在几种且不被人重视，因此漏电一旦发生，过电流保护装置不能可靠动作而切断电源，这种漏电的触电危险性就不可避免。漏电的持续存在，导致触电，及至发生人身伤亡事故。3.1.2 低压配电系统的接地形式及出现漏电时的触电危险分析国际电工委员会（IEC规定的低压配电系统有三种方式，即IT系统、TT系统、TN系统。目前，我国低压配电系统已与IEC接轨，在民用建筑电气设计规范JGJ/T16-92中也将低压配电系统分为IT、TT、TN系统。这三种形式各有优缺点和适用范围。但是在建筑电气设计及施工过程中，还存在低压配电系统接地形式混用的作法，导致了许多不该发生的人身伤亡事故。为了防止以上事故的发生，在低压配电系统中，广泛采用了剩余电流动作保护电器（RCD），但如果设计、选择不当，同样也会造成事故和损失，只有选择参数合适、适用正确的RCD，方能防患于未然。1、IT系统IT系统是三相三线式接地系统，该系统变压器中性点不接地或经高阻抗接地，无中性线N，只有线电压(380V)，无相电压(220V)，保护接地线PE各自独立接地，受电设备的外露可导电部分通过保护线接至接地装置上，即构成IT系统。如图3-1所示，当发生相线碰壳事故时，短路电流将同时沿