小区供配电及其照明系统设计.docx
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小区供配电及其照明系统设计
摘要
建筑业的发展是人类文明与进步的重要标志，从修建遮蔽风雨的洞穴到今天各种风格和功能的大型建筑物，进入21世纪以来,随着城市规模的不断扩大，小区供配电负荷较大，负荷分配分散以与供电回路数量较多的特点，要提高层建筑配电系统的可靠性，要正确选择各类配电设备的容量，就必须科学、合理的进行负荷计算。
在本设计中，要求完成对住宅小区供配电系统设计，主要包括照明系统、低压供配电系统、负荷计算、防雷与接地系统。
论文针对住宅小区电气的设计和使用需要，在重点表述低压供配电系统、负荷计算和防雷与接地系统的同时，侧重于电气基本理论和基本知识。
设计中，总体按照民用建筑设计规范来建立设计的整体思路，并完成低压供配电、负荷计算、设备选型、照明计算，插座选取。
关键词：
负荷计算，配电系统，防雷设计，照明
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摘要I
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1绪论1
1.1前言1
1.2工程概述1
2负荷计算和无功功率计算2
2.1概述2
2.2基本理论与计算公式3
2.3负荷计算和无功功率计算4
2.4无功功率补偿6
2.5年耗电量的估算7
3变压器容量和台数的选择8
3.1概述8
3.2变电所主变压器容量选择8
3.3主变压器相数的选择9
3.4绕组数的选择9
3.5主变调压方式的选择10
3.6连接组别的选择10
3.7容量比的选择11
3.8主变压器冷却方式的选择11
3.9方案的确定11
4变电所主接线方案的选择12
4.1国家对高层建筑的一般规定：
12
4.2低压线路接线方式13
4.3导线和电缆的选择14
4.4基本要求14
4.5具体方案14
5短路电流的计算18
5.1短路电流计算的目的与方法18
5.2短路电流的计算18
5.3确定基准值18
5.4计算短路电路中各主要元件的电抗标么值：
19
5.5计算1点的短路电流总电抗标么值与三相短路电流和短路容量20
5.6计算2点短路电流总电抗标么值与三相短路电流和短路容量20
5.7短路电流计算21
6变电所一次设备的选择22
6.1导线与截面选择的基本理论22
6.2电气设备与导体选择的原则22
6.3高压电气设备的选择22
6.4低压断路器的选择23
6.5选择结果23
6.6母线的选择23
7变电所继电保护的设计28
7.1概述28
7.2变压器继电保护28
7.3变压器的其他保护29
8防雷和接地装置的确定31
8.1防雷基本理论31
8.2防雷装置的确定32
8.3接地基本理论和装置的确定33
9照明设计35
9.1概述35
9.2照明计量单位35
9.3照度方式和种类35
9.4照度计算36
9.5电气照明设计的基本原则37
9.6电气照明详细设计计算37
9.7插座系统的概述41
9.8该小区住宅的插座系统设计43
10设计总结44
参考文献45
致谢46
1绪论
1.1前言
本次设计的题目是小区供配电与其照明设计。
由于现在住宅多高层住宅,本次设计的小区为小高层。
通过具体的实例工程设计，初步掌握小区建筑供配电系统设计的基本方法,更好的将理论和实践相结合,将大学几年来所学的课程与知识应用到自己的专业中去,也为将来的工作打下良好的基础。
同时也可以更加详细地学习建筑规范，提高自己独立完成工程设计的实际操作和研究能力。
本工程为一类高层建筑，按三级负荷供电，二类防雷建筑物、二级防火进行电气系统设计。
在本设计中，要求完成对住宅小区供配电系统设计，主要包括照明系统、低压供配电系统、负荷计算、防雷与接地系统。
论文针对住宅小区电气的设计和使用需要，在重点表述低压供配电系统、负荷计算和防雷与接地系统的同时，侧重于电气基本理论和基本知识。
设计中，总体按照民用建筑设计规范来建立设计的整体思路，压供配电、负荷计算、设备选型、系统构成以与施工图的绘制。
本毕业设计论文共分十章。
其中第1章是绪论；第2章负荷计算和无功功率计算；第3章为变压器容量和台数的选择；第4章变电所主接线方案的选择；第5章为短路电流的计算；第6章为变电所一次设备的选择；第7章为变电所继电保护的设计；第八章为防雷和接地装置的确定；第九章为照明设计；第十章为设计总结。
1.2工程概述
本次设计具体项目为住宅小区项目。
本设计为普通民用高层住宅，为一类高层建筑，按二级负荷供电。
防火等级为二级，按二类防雷建筑物设计防雷。
本设计采用100.4进线形式，接地形式采用系统进户处设重复接地，采用综合接地方式，接地利用建筑物基础作接地极，接地电阻不大于10欧。
电源进线采用4（1*95）（1*50）电缆引入。
本次电气系统设计主要包括：
照明系统设计，低压供配电系统设计，小区负荷计算，防雷与接地系统。
防雷接地设计，根据防雷等级进行设计，对主要建筑物和电气设备采取防雷和接地措施，以保护国家财产免遭损失和保障人身安全。
2负荷计算和无功功率计算
2.1概述
小区住宅的负荷计算是搞好住宅的电气设计，关键问题之一，如何确定住宅小区的电力计算负荷。
电气负荷的估算电气负荷在建筑电气设计中是一个重要参数，他受许多客观因素的制约。
随着人们物质文化生活水平的提高，家用电器在人们生活中的迅速普与，若要准确地计算小区的电气负荷是很困难的。
一般可以采用负荷密度法来对小区的电气负荷进行估算。
由于建筑物的功能不同，其负荷密度也随之不同而不同。
住宅建筑的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。
照明负荷居住建筑公共场所的照明包括一般照明、疏散照明与事故照明。
照明的用电负荷量与控制方法有关门厅与电梯前室的照明。
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的功率计算。
走道、户门外的照明。
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。
电梯机房、水箱间、水泵制，据测定可节电75%，照明容量
可按灯泡功率的25%计算。
电梯机房、水箱间、水泵房、值班室等一般按办公用房计算功率。
应急照明负荷，居住建筑公用照明负荷可按如下指标估算：
多层住宅5~6㎡，高层住宅10~15㎡.
（2）动力负荷公共辅助设施的动力负荷主要有：
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在0.3t，一般居民区的吨水耗电量在0.1以内。
按荷年利用小时4500h计相当于每人的用电负荷约为0.028，亦可按0.2~0.25㎡估算。
排水：
在通用的自流排水条件下，用电量可不计。
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，高层住宅电梯的用电主要与一下因素有关：
a每台电梯的服务户数，一般服务户数越多，耗电越大;建筑物的高度与层数越多，耗电越大；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，电梯的户负荷可按每户0.25~0.35k估算，亦可按1.7~2.0㎡估算高层住宅的电梯负荷。
计算负荷，也称需用负荷。
目的是为了合理的选择供配电系统各级电压供电网络、变压器容量和电器设备型号等。
尖峰电流，用于计算电压波动、电压损失、选择熔断器和保护元件等。
平均负荷，用来计算供配电系统中电能需要量，电能损耗和选择无功补偿装置等。
负荷计算的方法有需要系数法、利用系数法与二项式等几种。
需用系数法，是将用电设备容量乘以需用系数和同时系数，直接求出计算负荷的一种方法。
这种方法由于简单易行，为设计人员普遍接授。
事实上只有当设备台数足够多，总密量足够在，无特大型用电设备，需用系数值才能趋向一个稳定的数值。
因此，需用系数法普遍用于方案估算初步设计和工厂大型车间变电所的施工设计。
表2.1为本次设计住宅的负荷统计表，本设计采用需要系数法确定
表2.1住宅小区的负荷统计
负荷名称
（）
（A）
选用电缆型号规格
1~6F住宅电源
168
0.8
0.9
227
4（1*95）（1*50）
7~12F住宅电源
168
0.8
0.9
227
4（1*95）（1*50）
13~18F住宅电源
168
0.8
0.9
227
4（1*95）（1*50）
消防电梯常用电源与辅助设备
14
1
0.8
30.4
4*1616
普通电梯常用电源与辅助设备
14
1
0.8
30.4
4*1616
生活泵
5.5
1
0.8
11
4*44
消防泵
22
1
0.8
42
4*2516
公用照明常用电源
7
1
0.8
13
4*66
人防照明
5
1
0.8
10
4*66
人防动力
7
1
0.8
13
4*66
2.2基本理论与计算公式
在负荷计算时，采用需要系数法对各个楼层进行计算。
主要计算公式有：
有功功率：
式（2.1）
无功功率:
式（2.2）
视在功率:
式（2..3）
计算电流:
式（2.4）
2.3负荷计算和无功功率计算
（1）1—6F
168
0.8=134.4
134.4
0.48=64.5;
134.4+64.5=149.1
149.11.732/0.38226.5A
（2）712F住宅
168
0.8=134.4
134.4
0.48=64.5;
134.4+64.5=149.1
149.11.732/0.38226.5A
（3）1318F住宅
168
0.8=134.4
134.4
0.48=64.5;
134.4+64.5=149.1
149.11.732/0.38226.5A
（4）消防电梯与辅助设备
14
1=14
14
0.75=10.5
14+10.5=17.5
17.5/1.732/0.3826.6A
（5）普通电梯与辅助设备：
14
1=14
14
0.75=10.5
14+10.5=17.5
17.5/1.732/0.3826.6A
（6）消防泵
22
1=22
22
0.75=16.5
22+16.5=27.5
27.5/1.732/0.3841.8A
（7）生活泵
5.5
1=22
5.5
0.75=4.1
5.5+4.1=6.9
6.9
/1.752/0.3810.5A
（8）公用照明常用电源：
7
1=7;
7
0.75=5.25
7+5.25=8.75
8.751.732/0.38=13.2A
（9）人防照明：
5
1=5;
5
0.75=3.75
5+3.75=6.25
6.25
/1.732/0.38=9.5A
（10）人防动力
7
1=7;
7
0.75=5.25
7+5.25=8.75
8.751.732/0.38=13.2A
取本住宅同时系数：
0.95,0.97,
则全楼计算负荷为：
0.95
0.95
477.7=453.8
0.97
249.4=241.9
=453.8+241.9
=514.2
514.2
/1.732/0.38781.3A
2.4无功功率补偿
由以上计算可得变压器低压侧的视在计算负荷：
这时低压侧的功率因数为：
为使高压侧的功率因数
0.90，则低压侧补偿后的功率因高于0.90，取：
。
要使低压侧的功率因数由0.88提高到0.95，则低压侧需装设的并联电容器容量为：
取
96
则补偿后变电所低压侧的视在计算负荷为：
计算电流变压器的功率损耗为：
变电所高压侧的计算负荷为：
补偿后的功率因数为：
满足（大于0.90）的要求。
2.5年耗电量的估算
年有功电能消耗量与年无功电能耗电量可由下式计算得到：
年有功电能消耗量：
式（2.5）
年无功电能耗电量：
式（2.6）
结合本厂的情况，年负荷利用小时数
为4800h，因为年平均有功负荷系数
，年平均无功负荷系数
。
由此可得本住宅：
年有功耗电量：
；
年无功耗电量：
。
3变压器容量和台数的选择
3.1概述
在各级电压等级的变电所中，变压器是变电所中的主要电气设备之一，其担任着向用户输送功率，或者两种电压等级之间交换功率的重要任务，同时兼顾电力系统负荷增长情况，并根据电力系统5～10年发展规划综合分析，合理选择，否则，将造成经济技术上的不合理。
如果主变压器容量造的过大，台数过多，不仅增加投资，扩大占地面积，而且会增加损耗，给运行和检修带来不便，设备亦未能充分发挥效益；若容量选得过小，可能使变压器长期在过负荷中运行，影响主变压器的寿命和电力系统的稳定性。
因此，确定合理的变压器的容量是变电所安全可靠供电和网络经济运行的保证。
根据国际《16-92》：
“用电设备容量在250或需要变压器容量在160以上者应以高压方式供电”的要求，可知凡是有一定建筑规模的工程都将使用电力变压器，但对于如何选择变压器容量的问题上对有些设计者来说还存在误区。
认为变压器有功负荷能力、容量应按照计算负荷负载或接近蛮负载选择。
其实这是一种错觉，误认为“满负荷”可以做到物尽其用，节省投资，殊不知虽然变压器是一种效率高在95%以上的电气设备。
但只有当变压器的负荷在0.5-0.6时才可能实现，这也是从发挥变压器最高效率的角度出发来选择变压器容量的首要条件和依据。
当然最后确定变压器容量时还要综合考虑其他一些因素，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，又如变压器台数的合理选择和技术经济比较等等都是影响变压器容量选择的考虑因数。
3.2变电所主变压器容量选择
主变容量一般按变电所建成近期负荷，5～10年规划负荷选择，并适当考虑
远期10～20年的负荷发展，对于城郊变电所主变压器容量应当与城市规划相结合，该所近期和远期负荷都给定，所以应按近期和远期总负荷来选择主变的容量，根据变电所带负荷的性质和电网结构来确定主变压器的容量，对于有重要负荷的变电所，应考虑当一台变压器停运时，其余变压器容量在过负荷能力后允许时间内，应保证用户的一级和二级负荷，对一般性能的变电所，当一台主变压器停运时，其余变压器容量应保证全部负荷的70%～80%。
该变电所是按70%全部负荷来选择。
当一台变压器停运时，可保证对60%负荷的供电，考虑变压器的事故过负荷能力为40%，则可保证98%负荷供电，而高压侧220母线的负荷不需要跟主变倒送，因为，该变电所的电源引进线是220侧引进。
3.3主变压器相数的选择
当不受运输条件限制时，在330以下的变电所均应选择三相变压器。
而选择主变压器的相数时，应根据原始资料以与设计变电所的实际情况来选择。
单相变压器组，相对来讲投资大，占地多，运行损耗大，同时配电装置以与断电保护和二次接线的复杂化，也增加了维护与倒闸操作的工作量。
3.4绕组数的选择
在具有三种电压等级的变电所，如通过主变压器的各侧绕组的功率均达到该变压器容量的15%以上，或低压侧虽无负荷，但在变电所内需装设无功补偿设备，主变宜采用三绕组变压器。
一台三绕组变压器的价格与所用的控制和辅助设备，比相对的两台双绕组变压器都较少，而且本次所设计的变电所具有三种电压等级，考虑到运行维护和操作的工作量与占地面积等因素，该所选择三绕组变压器。
在生产与制造中三绕组变压器有：
自耦变、分裂变以与普通三绕组变压器。
自耦变压器，它的短路阻抗较小，系统发生短路时，短路电流增大，以与干扰继电保护和通讯，并且它的最大传输功率受到串联绕组容量限制，自耦变压器，具有磁的联系外，还有电的联系，所以，当高压侧发生过电压时，它有可能通过串联绕组进入公共绕组，使其它绝缘受到危害，如果在中压侧电网发生过电压波时，它同样进入串联绕组，产生很高的感应过电压。
由于自耦变压器高压侧与中压侧有电的联系，有共同的接地中性点，并直接接地。
因此自耦变压器的零序保护的装设与普通变压器不同。
自耦变压器，高中压侧的零序电流保护，应接于各侧套管电流互感器组成零序电流过滤器上。
由于本次所设计的变电所所需装设两台变压器并列运行。
电网电压波动范围较大，如果选择自耦变压器，其两台自耦变压器的高、中压侧都需直接接地，这样就会影响调度的灵活性和零序保护的可靠性，故不选择自耦变压器。
分裂变压器：
分裂变压器约比同容量的普通变压器贵20%，分裂变压器，虽然它的短路阻抗较大，当低压侧绕组产生接地故障时，很大的电流向一侧绕组流去，在分裂变压器铁芯中失去磁势平衡，在轴向上产生巨大的短路机械应力。
分裂变压器中对两端低压母线供电时，如果两端负荷不相等，两端母线上的电压也不相等，损耗也就增大，所以分裂变压器适用两端供电负荷均衡，又需限制短路电流的供电系统。
由于本次所设计的变电所，受功率端的负荷大小不等，而且电压波动范围大，故不选择分裂变压器。
普通三绕组变压器：
价格上在自耦变压器和分裂变压器中间，安装以与调试灵活，满足各种继电保护的需求。
又能满足调度的灵活性，它还分为无激磁调压和有载调压两种，这样它能满足各个系统中的电压波动。
它的供电可靠性也高。
所以，本次设计的变电所，选择普通三绕组变压器。
3.5主变调压方式的选择
为了满足用户的用电质量和供电的可靠性，220与以上网络电压应符合以下标准：
①枢纽变电所二次侧母线的运行电压控制水平应根据枢纽变电所的位置与电网电压降而定，可为电网额定电压的1～1.3倍，在日负荷最大、最小的情况下，其运行电压控制在水平的波动范围不超过10%，事故后不应低于电网额定电压的95%。
②电网任一点的运行电压，在任何情况下严禁超过电网最高电压，变电所一次侧母线的运行电压正常情况下不应低于电网额定电压的95%～100%。
调压方式分为两种，不带电切换，称为无激磁调压，调整范围通常在±5%以内，另一种是带负荷切换称为有载调压，调整范围可达30%。
由于该变电所的电压波动较大，故选择有载调压方式，才能满足要求。
3.6连接组别的选择
变压器绕组的连接方式必须和系统电压相位一致，否则不能并列运行。
全星形接线虽然有利于并网时相位一致的优点，并且全星形接法，零序电流没有通路，相当于和外电路断开，即零序阻抗相当于无穷大，对限制单相与两相接地短路都有利，同时便于接消弧线圈限制短路电流。
但是三次谐波无通路，将引起正弦波的电压畸变，对通讯造成干扰，也影响保护整定的准确度和灵敏度。
如果影响较大，还必须综合考虑系统发展才能选用。
我国规定110以上的电压等级的变压器绕组常选用中性点直接地系统，而且要考虑到三次谐波的影响，会使电流、电压畸变。
采用△接法可以消除三次谐波的影响。
所以应选择△接线方式。
故本次设计的变电所，选用主变压器的接线组别为：
11接线。
3.7容量比的选择
由原始资料可知，110中压侧为主要受功率绕组，而10侧主要用于所用电以与无功补偿装置，所以容量比选择为：
100/100/50。
3.8主变压器冷却方式的选择
主变压器一般采用的冷却方式有：
自然风冷却，强迫油循环风冷却，强迫油循环水冷却。
自然风冷却：
一般只适用于小容量变压器。
强迫油循环水冷却，虽然散热效率高，节约材料减少变压器本体尺寸等优点。
但是它要有一套水冷却系统和相关附件，冷却器的密封性能要求高，维护工作量较大。
所以，选择强迫油循环风冷却。
3.9方案的确定
总上所述每台变压器的容量
应同时满足以下两个条件：
1）任一台变压器单独运行时，宜满足：
2）任一台变压器单独运行时，应满足：
。
考虑到本住宅的实际情况取
=1000
。
故选择两台主变压器。
考虑到安全性和可靠性的问题，确定变压器为3系列箱型干式变压器。
型号：
3-1000/10，其主要技术指如下表所示：
变压器
型号
额定
容量
/
额定
电压
联结组型号
损耗
空载
电流
%
短路
阻抗
%
高压
低压
空载
负载
3-1000/10
1000
10.5
0.4
11
2.45
7.45
1.3
6
4变电所主接线方案的选择
4.1国家对高层建筑的一般规定：
（1）一般应l0电源供电。
住宅小区中的住宅楼和其他公用设施的用电负荷分级应符合现行的《建筑设计防火规范》和《高层民用建筑设计防火规范》等的规定[7]，当住宅小区内同时具有一、二级负荷时，则应根据区域变电所的电源路数和变压器台数确定供电电源，若区域变电所的110~35电源仅为一路，则小区的备用电源应从另外的区域变电所引来。
当住宅小区内的一、二级负荷较小，且设置自备电源比从城市电网取得第二电源更经济合理时，可设置自备电源。
对规模较大的小区，当区域变电所的l0出线走廊受到限制或配电装置间隔不足且无扩建余地时，宜在小区内设置I0开闭所（开关站）。
开闭所宜与l0变电站联体建设。
（2）配电系统设计应根据工程规模、设备布置、负荷容量与性质等综合考虑确定。
（3）配电系统应满足生产和使用所需要的供电可靠性和电压质量；接线简单，并有一定的灵活性；操作安全，检修方便；另外。
还要考虑节省有色金属消耗、减少电能损耗。
（4）自变压器二次侧至用电设备之间的低压配电级数不宜超过三级，但对非常重要负荷供电时，可以超过三级。
（5）由公用电网引入建筑物内的电源线路，应在屋内靠近进线点便于操作维护的地方装设电源开关和保护电器。
若由本单位配变电所引入建筑物内的专用电源线路，可装设不带保护的隔离电器。
（6）在正常环境的车间或建筑物内，当大部分用电设备容量不很大的时候，又无特殊要求时宜采用树干式配电。
当用电设备容量大，或负荷性质重要，或在很潮湿、有腐蚀性环境的车间与建筑物内，宜采用放射式配电。
（7）各级低压配电屏，应根据发展的可能性留有适当的备用回路。
（8）高层建筑低压配电一般应遵循以下原则：
①应满足计量维护管理、供电安全、可靠的要求，应将照明与电力负荷分成不同配电系统。
②确定高层住宅低压配电系统与计量方式时，应与当地供电部门协商，一般可以采用以下几种方式：
a）配电设备的布置应便于安装和维护。
高层民用建筑的地下层通常有两层，宜将总配电室（变电所）设在地下一层。
柴油发电机宜用风冷式机组，且机房最好设置在地下一层;一是便于通风冷却;二是可与变配电室中的设备共用运输通道。
为防火的需要，不宜设置可燃油浸的电力变压器、高压电容器和多油开关，而应采用干式变压器与高压真空开关.各楼层配电室宜设在电气竖井内，一般情况下配电箱与电缆分装在竖井内的不同侧面.b）单元不设总计量表，只在分层配电箱内设分户表，其配电干线、支线的配电方式同上项。
c）分户计量表全布集中于首层（或中间层）电表间内，配电支线以放射式配电至各户。
d）高层住宅照明计量应一户一表。
其公用走道、楼梯间照明计量可以采取：
当供
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