同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司 上海 200092
摘要：结合某大型博物馆工程案例，探讨负荷等级划分、负荷计算、供配电系统及应急电源的设计方法。
关键词：大型博物馆；负荷计算；供配电系统；应急电源
Abstract：This paper discussed a design method of load classification，load calculation，power supply and distribution system and emergency power supply based on a large museum project.
Key words：large museum；load calculation；power supply and distribution system；emergency power supply
一、项目概况
某建筑为科学与技术类大型博物馆，一类高层，总建筑面积约4.7万m2，地上五层建筑面积约3.1万m2，地下一层建筑面积约1.6万m2，主要功能为博物馆、配套用房、地下车库。变电所独立于地上主体建筑位于周围绿化带内，通过下方地下室与主体建筑联通。
二、负荷等级
根据GB50052-2009《供配电系统设计规范》第三章负荷分级及供电要求，以及JGJ66-2015《博物馆建筑设计规范》第10.4.1.1条规定“特大型、大型及高层博物馆建筑应按一级负荷要求供电，其中重要设备及部位用电应按一级负荷中特别重要负荷要求工电。”另根据第10.4.4条规定“有恒温恒湿要求的藏品库房、陈列展览区的空调用电负荷不应低于二级负荷。”
本案例负荷等级划分为：公共照明、客梯、生活水泵、排污泵及消防设备用电包括消防水泵、防排烟风机、防火卷帘等按一级负荷配电；珍品馆用电、藏品库房用电、安防系统、火灾自动报警系统、应急照明按一级负荷中特别重要负荷配电；展览用电、恒温恒湿空调用电按二级负荷配电；其他用电按三级负荷配电。
三、负荷计算
对于空调、动力设备等已有明确设备容量的按设备容量计算，照明负荷由于涉及后期装修则按不同场所的单位指标法进行计算。为达到节能目的，照明功率密度值按目标值选取，办公室、会议室、编目室取8W/m2，展厅取12W/m2，藏品库房取3.5W/m2，藏品提看室取4.5W/m2[1]，其他功能区域及房间按常规设计取值。办公性质区域的插座功率密度取30W/m2，其他大厅、走廊、商店等区域视可能的用电情况在5～20W/m2范围内选取。负荷计算采用需要系数计算法，其中展厅预留电量考虑到提资预留的余量因此需要系数不宜选取过大。
本案例用电负荷：空调负荷1906kW、动力负荷597kW、照明负荷673kW、特殊用电负荷2870kW、不计入负荷计算的消防负荷986kW。将各负荷分配到两台变压器中并计算，汇总如表3.1所示：
表3.1 变压器干线负荷计算表
.png)
变电所低压侧装设并联电容器组集中补偿，采用无功功率参数调节，使中压侧功率因数补偿到0.9以上。变压器长期负荷率宜在75%～85%，故选取两台2500kVA变压器，计算得变压器负荷率分别为80.1%及77.3%，满足运行需求。
四、供配电系统
电源由城市上级电网引双重回路20kV中压电源进户，当一路电源故障时，另一路电源不致同时受到损坏。变电所中压主结线采用双电源单母线分段中间不设母联运行方式。主开关真空断路器设过负荷、反时限过流，速断保护、单相接地保护；馈线柜真空断路器设过流、速断、零序保护等。采用综合保护与测控功能合一的微机保护测控装置。中压柜内装设氧化锌避雷器作为操作过电压保护，并带有通讯接口。操作电源为直流110V/40Ah（全封闭铅酸免维护电池），蓄电池浮充电源由变压器低压侧两路电源经自动切换供给。
在中压进线侧设置0.2s级有功电能表和2.0级无功电能表计量。变压器采用SCB12及以上系列低损耗节能型干式变压器，设置高温报警、超高温跳闸保护等。
大容量及重要负荷、消防负荷采用放射式配电，各层普通照明及公共照明采用树干式配电，小容量的次要设备采用链式配电方式。
0.4kV低压侧采用单母线分段中间设母联运行方式，母联开关设手动/电气联锁控制方式。主极开关采用空气断路器，设过载长延时、短路短延时二段保护；其他馈线回路采用空气断路器或塑壳断路器，设过载长延时、短路瞬时或短路短延时动作保护。低压断路器带有通讯接口，部分低压馈电回路设分励脱扣器。
建筑单体低压配电接地保护形式采用TN-S系统。
五、应急/备用柴油发电机系统
根据负荷计算消防负荷1367kW、保供电负荷1147kW，在地下室设一台备用/主用功率为1650/1500kW[2]、400/230V/50Hz/3P4W柴油发电机，供本案例一级负荷中的消防负荷和特别重要负荷以及部分保供电范围内的用电负荷使用。
按最大的单台电动机启动的需要校验[3]
.png)
PΣ——总负荷，取总消防负荷1367kW；Pm——启动容量最大的电动机，取单台消防泵110kW；ηΣ——总负荷的计算效率，取0.88；K——电动机的启动倍数，取6.5；C——采用星三角启动取0.67；cosφm——电动机的启动功率因数，取0.4。最终得计算结果1620kW，选取的柴油发电机容量满足校验要求。
在确认一路市电发生掉电故障时，柴油发电机需在15秒内自启动，并在30秒内达到额定运行参数进入热备用状态；而当另一路市电也发生掉电故障时，经ATSE电源转换，柴油发电机向消防应急馈电母线段及保供馈电母线段供电，并有手动控制功能，且火警时应通过火灾自动报警系统自动切除/手动切除保供馈电母线段的用电负荷。另外在市电电源与发电机电源的切换主开关之间，除电气联锁外同时加装机械联锁，用以保证发电机不向公用电网倒送电。供配电系统简化结构如图5.1所示
.png)
图5.1 供配电系统结构简化图
发动机启动信号采用消防控制室遥控或市电供电中断指令（机组启动信号取自变压器低压出线主开关辅助触点），机组自启动（机组允许三次自启动，每次启动时间8～12s，启动间隔5～10s，在第三次启动失败后发出声光报警信号）。当市电恢复后自动切换负荷，主开关分闸，空载运行1min左右自动停机或进入待机状态。
六、能耗监测系统
本案例建筑物能耗监测系统的分类能耗包括：耗电量、耗水量、燃气量（天然气量或者煤气量）及其他能源应用量。
电量分项能耗包括：空调用电、动力用电、照明插座用电及特殊用电等四项，其中：
1）照明/插座用电：包括建筑物主要功能区域照明和插座用电、走廊和应急照明用电、室外景观照明用电等。
2）空调用电：包括冷热站用电、空调末端用电。
3）动力用电：包括电梯用电、水泵用电、排送机用电。
4）特殊用电：包括展览、信息中心、厨房餐厅、商店用电等。
分项计量系统采用电子式、精度等级为1.0级及以上（0.2、0.5、1.0级）的有功电能表。采用的普通电能表由测量单元和数据处理单元等组成，并能显示、储存和输出数据，具有标准通讯接口。在变压器低压侧（AC230／400V）总进线处设置多功能电能表，具有监测和计量三相电流、电压、有功功率、功率因数、有功电能、最大需量、总谐波含量和2-21次各次谐波分量的功能。并合理设置分项计量回路。
建筑物能耗数据采集子系统包括监测建筑物中各计量装置、数据采集器和数据采集通道。能耗数据一般采用自动采集方式，在无法实现自动采集的情况下，通过人工采集方式输入能耗监测系统。对建筑物能耗监测系统的自动计量装置所采集的能耗数据，应当通过RS485接口，并采用TCP/IP通信协议自动和实时上传能耗数据。
七、总结
变压器及应急电源（柴油发电机）的容量选取设计是大型博物馆供配电系统设计的重点之一，容量选择太大浪费投资，选择过小则影响使用。而设备容量选取的基础在于负荷计算，计算时需注意博物馆建筑内部分特殊设备如恒温恒湿空调的供电要求及大量展厅预留用电等特殊用电的需要系数取值不宜过大。
参考文献：
[1]中华人民共和国国家标准.建筑照明设计标准（GB50034-2013）.北京：中国建筑工业出版社，2013
[2]工业与民用供配电设计手册.第四版.北京：中国电力出版社，2016
[3]国家建筑标准设计图集.《建筑电气常用数据》（19DX101-1）.北京：中国计划出版社，2019
论文作者:顾巍
论文发表刊物:《建筑模拟》2020年第2期
论文发表时间:2020/4/14
标签：负荷论文; 电源论文; 发电机论文; 系统论文; 博物馆论文; 变压器论文; 建筑论文; 《建筑模拟》2020年第2期论文;