高层住宅楼供配电.docx
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高层住宅楼供配电
Preparedon22November2020
高层住宅楼供配电
毕业设计
高层住宅楼供配电系统的设计
姓名：
学号：
班级：
11电气1
专业：
电气工程及其自动化
所在系：
自动化工程系
指导教师:
高层住宅楼供配电系统的设计
摘 要
我国的城市建设过程中，住宅向着高层化趋势发展。
高层住宅楼，因其为住户提供的安全、舒适、高效、节能的居住环境，受到了越来越多人的青睐，也成为现代人主要的居住方式。
与此同时，高质量的高层住宅楼供配电系统的设计就显得尤为重要。
在电气设计时既要考虑用电负荷日益增长的需要，又要满足供电的可靠性及安全性的要求。
本课题以高层建筑的供配电系统为研究对象。
为了达到用户能够安全、可靠、高效用电的目的，我们对高层建筑的供配电系统整体进行设计。
其中包括对建筑负荷的计算，选择恰当地供电方式；进行短路电流的计算，选择合适的导线及低压电器产品；对室内照明进行设计；对防雷接地的设计等。
同时为了提高设计质量及缩短设计周期，本课题采用功能强大的建筑电气软件CAD来设计供配电系统的电路图。
关键词：
电气设计；安全性；负荷计算；防雷接地；软件AutoCAD
TheDesignofHigh-riseResidentialBuildingPowerSupplyandDistributionSystem
ABSTRACT
Intheprocessofurbanconstructioninourcountry,,becauseofitsforresidentstoprovidesafe,comfortable,efficientandenergysavinglivingenvironment,gotthefavourofmoreandmorepeople,,,andtomeettherequirementsofthereliabilityandsecurityofthepowersupply.
reliableandefficientutilization,,chooseproperpowersupplyway;Forthecalculationofshort-circuitcurrent,selecttheappropriateconductorandlow-voltageelectricalproducts;Forindoorlightingdesign;Thedesignoflightningprotectiongrounding,,thissubjectadoptspowerfulbuildingelectricalsoftwareAutoCADtodesignthecircuitdiagramofpowersupplyanddistributionsystem.
KeyWords:
ElectricalDesign；security；Loadcalculation；Lightningprotectionandgrounding；SoftwareAutoCAD
目 录
第一章 绪论
引言
随着社会的发展、科技的进步、人民生活水平的提高，我国的建筑行业突飞猛进，高层建筑应运而生，城市中各类高层超高层建筑如雨后春笋般拔地而起。
由于高层建筑符合了人们对居住环境、科技、娱乐、教育等方面的要求，所以在21世纪高层建筑得以飞速发展。
其中高层住宅楼，因其为住户提供的安全、舒适、高效、节能的居住环境，受到了越来越多人的青睐，也成为现代人主要的居住方式。
与此同时，高质量的高层住宅楼供配电系统的设计就显得尤为重要。
在电气设计时既要考虑用电负荷日益增长的需要，又要满足供电的可靠性及安全性的要求。
供配电系统的设计直接影响着住宅的整体供电性能。
合理的供配电系统，可以给人们的生活带来便利，改善居民的生活质量，使城市生活更加美好。
课题的国内外发展状况
20世纪90年代初至今，随着我国建筑电气行业的管理水平不断提高，新的法令、法规、规范、规程和标准等不断颁布、修订、补充和完善，并逐步与国际标准接轨，使得迅速发展的电气新技术在工程实践中的应用更加规范化[1]。
近50年以来，我国的供配电技术也取得了很大的进展。
由于建筑逐渐向着建筑面积大、功能复杂、建筑设备多、能耗大的方向发展，所以，在对供配电系统进行设计时，对电气设备的要求、供电系统的可靠性等都大大提高了。
随着新一代高性能智能电器的出现，使得建筑供配电系统的设计更加完善。
针对高层建筑的供配电系统的设计，它除了满足一般建筑工程的电气设计、遵循国家有关工程设计的法规和政策之外，还要遵循针对高层建筑的设计规范。
课题的研究内容与方法
本课题以高层建筑的供配电系统为研究对象。
为了达到用户能够安全、可靠、高效用电的目的，我们对高层建筑的供配电系统整体进行设计。
其中包括对建筑负荷的计算，选择恰当地供电方式；进行短路电流的计算，选择合适的导线及低压电器产品；对室内照明进行设计；对防雷接地的设计等。
本课题拟采用的技术路线是通过对高层住宅楼供配电系统的负荷、线路的短路电流计算、室内的照度等进行计算。
并以此来确定供配电系统的供电结构、选择恰当地配电线路及敷设方法、完成照度系统的设计等。
同时为了提高设计质量及缩短设计周期，本课题采用功能强大的建筑电气软件AutoCAD来设计供配电系统的电路图。
课题的研究步骤与依据
第一步：
深入学习高层住宅楼供配电系统的相关知识。
第二步：
熟练掌握AutoCAD软件的使用方法。
第三步：
完成整个住宅楼的负荷计算及短路电流计算。
第四步：
完成低压电器设备的选择。
第五步：
配电系统及防雷接地的设计。
第六步：
使用AutoCAD软件设计出电路图。
其中使用AutoCAD软件设计照明配电箱供电系统图如图所示:
图照明配电箱供电系统图
电源箱供电系统图如图所示：
图电源箱供电系统图
电表箱供电系统图如图所示：
图电表箱供电系统图
配电干线图如图所示：
e
图配电干线图
课题的研究依据
本课题设计是对某高层住宅楼的电气设计，其主要概况是：
地上十八层，地下一层的住宅楼，地下一层为人防间，里面设有防毒室，配电室，供水间。
本设计用到的设计依据有：
1、《民用建筑电气设计规范》JGJ16—2008
2、《建筑物防雷设计规范》GB50016—2006
3、刘介才.工厂供电.北京：
机械工业出版社，2009
4、张九根.高层建筑电气设计基础.北京：
中国建筑工业出版社，2011
5、其他有关国家及地方的现行规程、规范及标准。
第二章 负荷计算
负荷分级
1．电力负荷与电量
在电力系统中，用电设备需用的电动率称为电力负荷或功率。
功率是表示能量变化速率的一个重要物理量。
电功率又分为有功功率，无功功率和视在功率。
电阻性用电设备消耗电能的功率称为有功功率[10]，其用P表示；纯电感（或纯电容）性设备不消耗电能，它与电源进行能量交换的功率称为无功功率，其用Q表示；视在功率在三相交流电路中是
乘以线电压和线电流，其用S表示。
它们之间的关系为：
S=
。
所谓电量，指用电设备所需用的电能数量。
有功电量表示用电设备所消耗的电能数量，无功电量表示用电设备与电源所交换的电能数量。
2．负荷计算的内容和目的
在进行高层住宅楼供电设计时，基本的原始资料为工艺部门提供的各种用电设备的产品铭牌数据，如额定容量，额定电压等，这是设计的依据。
因为所安装的设备并非都同时运行，所以不能用设备额定容量来选择各种用电设备而且运行着的设备实际需用的负荷也并不是每一时刻都等于设备的额定容量，而是在不超过额定容量的范围内时大时小的变化着，所以是不能直接用额定容量（也称安装容量）来选择供电设备和供配电系统的。
因而，供配电设计的第一步，是需要计算全厂和各用电设备的实际负荷。
计算负荷是确定供电系统，选择变压器容量，电气设备，导线截面和仪表量程的依据，也是整定继电保护的重要数据。
计算负荷确定的是否正确，直接影响到电器和导线的选择是否经济合理。
如计算负荷确定过大，将使电器和导线截面选择过大，造成投资和有色金属的浪费；如计算负荷确定过小，又将使电器和导线运行时增加电能损耗，并产生过热，引起绝缘过早老化，甚至烧毁，以致发生事故，同样给国家造成损失。
为此，正确进行负荷计算是供电设计的前提，也是实现供电系统安全，经济运行的必要手段。
负荷计算主要包括：
（1）求计算电流。
目的是为了合理的选择工厂各级电压供电网络，变压器容量和电器设备型号。
（2）计算尖峰电流。
用于计算电压波动，电压损失，选择熔断器和保护元件等。
电力系统应根据对供电可靠性的要求及中断供电在政治、经济上所造成的损失及影响的程度分为一级、二级、三级负荷。
独立于正常电源的发电机组，供电网络中独立于正常的专用馈电线路，以及蓄电池和干电池可作为应急电源。
二级负荷的供电系统，应由两线路供电。
必要时采用不间断电源（UPS）。
1.一级负荷
一级负荷为突然中断供电将造成人身伤亡或会引起对周围环境严重污染的，突然中断供电将会造成经济上的巨大损失，如重要的大型设备损坏，重要产品或用重要原料生产的产品大量报废，连续生产过程被打乱且需要长时间才能恢复生产的；突然中断供电将会造成社会秩序严重混乱或产生政治上的严重影响，如重要的交通与通信枢纽，国际社交场所，高层建筑的消防，安全照明等用电负荷[10]。
特别重要的一级负荷通常称为保安负荷。
保安负荷必须备有应急电源，从而保证在工作电源失去时对保安负荷的供电，以保证企业安全生产及人员安全。
其包括有：
（1）中断供电将发生中毒，爆炸和火灾等情况的负荷；
（2）特别重要场所的不允许中断供电的负荷；
（3）如正常电源中断时，必须设有处理安全停产所必须的应急照明，通信系统，火灾报警系统，保证安全停产的自动控制装置等；
（4）民用建筑中大型金属中心的关键电子计算机系统和防盗报警系统，大型国际比赛场的记分系统及监控系统等。
2.二级负荷
二级负荷为中断供电将在政治上，经济上产生较大损失的负荷，如主要设备损坏，大量产品报废，连续生产过程被打乱需要较长时间才能恢复，重点企业大量减产等；或中断供电将影响重要的用电单位正常的工作负荷，如交通枢纽、通信枢纽用点单位中的重要电力负荷等；或中断供电将造成秩序混乱的负荷等，如大型影剧院，商场等较多人员集中的公共场所，城市主要水源，广播电视，矿井主提升设备，高层建筑的电梯，商业住宅建筑等。
3.三级负荷
不属于一级，二级负荷的均属于三级负荷。
对一些非连续生产的中小型企业，停业仅影响产量或导致少量产品报费的用电设备，以及一般民用建筑的用电负荷等均属于三级负荷。
对这类负荷，突然中断供电造成的损失不大或不会造成直接损失。
电力负荷对供电的要求
1.对一级负荷必须有两个或两个以上的独立电源回路供电，且当任何一个电源失去后，能保证对全部一级负荷不间断供电。
负荷容量较大或有高压用电设备应采用两路高压电源，如一级容量不大，可从电力系统或邻近单位取得第二低压电源。
对特殊重要的一级负荷，除了应由两个独立电源点供电外，还必须增设应急电源。
为确保对特别重要负荷的供电，严禁将其它负荷介入应急供电系统。
根据允许中断供电的时间可分别选择下列应急电源：
（1）蓄电池静止型不间断供电装置（UPS），蓄电池及写出能带年级型不间断供电装置或柴油机电磁储能电机型不间断供电装置，适用于允许中断供电时间为毫秒级的负荷。
（2）带有自动投入装置的独立于正常电源的专用馈电线路，适用于自动装置的动作时间能满足允许中断供电时间为以上的供电系统。
2.对于二级负荷一般要有两个独立电源供电，且供电变压器也应有两台（不一定在同一变电所）。
当任何一个电源失去后，能保证全部或大部分二级负荷的供电迅速恢复。
在负荷较小或地区供电条件因难时，可有一路6KV及以上专用架空线路供电；当采用电缆线路时，采用两根电缆组成的电缆段供电，每根电缆应能承受百分之百的二级负荷；为了解决线路和变配电设备的检修以及突然停电后，设备能安全停产的问题，可采用小容量的柴油发电站，其容量可由实际需要确定。
3.对于三级负荷一般只需一个电源供电。
本设计要求小区内配电室引入一路三相四线制220/380V电源，电缆直接埋地引入，进户穿钢管保护，室外埋深米。
由小区变电所提供的这条220/380V电源进线，承担本小区的全部负荷。
本小区负荷等级为三级。
电力负荷的计算
计算负荷，又称需要负荷或最大负荷。
计算负荷是一个单位的持续性负荷。
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30分钟的最大平均负荷作为按发热条件选择配电变压器，导线以及电气设备的依据，并用来说计算电压损失和功率损耗。
在工程上为了方便计算也可作为电量损耗量及无用功率补偿的计算依据[4]。
计算负荷的定义：
计算负荷是按发热条件选择导体和电器设备时使用的一个假想负荷。
其物理意义为：
按这个计算负荷持续运行的产生的热效应，与按实际变动负荷长期运行所产生的最大热效应相等。
通常规定取30分钟平均最大负荷P30，Q30和S30作为该用户的计算负荷，并用Pjs，Qjs和Sjs分别表示其有功，无功和视在计算负荷。
计算负荷是按发热条件选择导体和电器设备的依据，并有如下关系：
=P30=
=Q30=Qs（）
=S30=Ss
式中
，P30，
分别为最大工作班的有功计算负荷，30min平均最大负荷，最大负荷。
尖峰电流指单台或多台用电设备持续1秒左右的最大负荷电流，一般取启动电流的周期分量作为计算电压损失，电压波形和电压下降以及选择电器和保护元件的依据。
在校验瞬动元件时，还应考虑启动电流的非周期分量。
一二级负荷用以确定备用电源或应急电源。
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。
负荷计算的方法：
目前负荷计算常用的方法有需用系数法（也称需要系数法），二项式法和利用系数法。
前两种方法在国内使用最为普遍。
利用系数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，适用于各种范围的负荷计算，但计算结果繁琐，因此目前还没有更广泛的应用。
在方案设计阶段，需要对用电负荷进行估算，可以采用单位面积功率法或单位容量法。
我国地域宽广，各地经济发展情况不一，单位面积功率，单位指标也各不相同。
1.需用系数法
该计算方法是把设备功率乘以需用系数，直接求出计算负荷。
由于这种计算方法比较简单，因此得到了很广泛的应用。
但当用电设备台数少而功率相差悬殊时，利用需用系数法的得到的计算结果往往偏小，故不适用于低压配电线路的计算。
为此在初步设计或扩大初步设计阶段作为负荷统计或施工图设计确定变配电所的电力负荷时采用[3]。
2.二项式法
该方法是设计负荷包括用电设备组的平均功率，同时考虑数台大功率设备工作时的附加功率。
这种方法比较简便，但计算结果往往偏大，一般用于低压配电支干线和配电箱的负荷计算，在施工图阶段对各种机械加工厂或各种其中电焊设备作配电线路或动力配电箱选型中也经常采用。
上面都是常用的计算方法，根据本设计的特殊情况本设计主要采用需用系数法和单位面积功率法相结合的方法。
由于住宅楼主要的负荷为照明和动力部分，而且以照明为主要。
因此，在统计负荷时，先对整个住宅楼的照明做一个计算负荷的统计。
现在再简要介绍本设计的计算方法和相应的参考。
负荷密度法和单位指标法是目前对民用建筑计算负荷常用的计算方法。
负荷密度法计算有功功率
。
=a×S/1000（KW）（）
式中a：
预计负荷密度（单位面积功率）W/㎡;
S:
建筑面积（㎡）；
利用负荷密度计算有功功率为规划值或为可能发生的最大负荷值，在确定计算负荷时，还应结合具体情况，乘上不同的需用系数。
即：
=
×
（）
式中
：
有功功率（KW）
：
系数
负荷密度法适用于照明功率及非工业负荷功率的计算。
其中部分用电单位负荷密度参考值参考芮静康主编的《现代工业与民用供配电设计手册》。
近年来，在城市电网制订发展规划中，符合预测值多采用负荷密度法来确定。
特别在是在城市中，按功能将建筑划分为不同的等级，根据功能特点，功能区负荷性质，参照已有城市的经验值，结合本市建筑特点，及其具体情况，利用负荷密度法制定将来的拓展计划，是比较接近实际情况的。
此住宅楼负荷计算
本次设计的高层住宅楼，对其的照明负荷统计采用采用负荷密度法（单位容量法）计算。
由于要设计的此高层住宅楼共18层，其中地下一层，作为一个人防的地点，地上十八层，在十层和十一层之间有一个设备间，主要是对水压和气压的一点补偿。
整幢大楼每一层的结构布局基本一致，可按一层的结构面积进行计算。
1.室内照明计算
此高层的每一层均为一梯六户，并且采用对称结构，每户面积分别为135㎡,125㎡,155㎡,135㎡,125㎡,155㎡,所以，每一层平面的面积为：
S=（135+125+155）×2=830㎡
根据照明手册，结合实际，每一层的负荷如表所示：
表每一层负荷表
名称
面积（㎡）
单位负荷密度a（W/㎡）
需用系数
功率因数Cosθ
一层
830
3．5
0．85
=a×S/1000=×830/1000=
=
×
=
=
×tanθ=
=
=
=
=
2.楼梯间及走廊照明
根据实际，每一层的楼梯间及走廊的面积为：
S=+=㎡
单位面积功率为2W/㎡，楼梯及走廊负荷如表所示：
表楼梯及走廊负荷表
名称
面积（㎡）
单位负荷密度a（W/㎡）
需用系数
功率因数Cosθ
楼梯间及走廊
2
0．9
0．85
=a×S/1000=2×1000=
=
×
=
=
×tanθ=
=
=
=
=
3.每个房间其它用电
对每一户内插座的统计按提高型住宅插座计算：
每一户房间要求如表所示：
表每一户房间要求表
插座类型用途
起居室（厅）
主卧室
次卧室
厨房
卫生间
工作室
二、三孔双联插座（组）
4
3
2
1
1
2
三孔插座
3
2
2
2
2
2
每一户内插座总数的统计如表所示：
表每一户内插座总数的统计表
插座类型
135㎡房间（个）
125㎡间（个）
155㎡间（个）
二、三孔双联组合插座
13
12
14
三孔插座
24
23
28
总计
37
35
42
所以插座的总数为：
N=（37+35+42）×2=234（个）
其中，每一个插座的功率按100W进行计算，则有：
=234×100/1000=
其需用系数为1，功率因数cosθ=，所以：
=
=
×tanθ=
=
=
=
=
所以一层的单元的照明总负荷为：
=
=
一层平面总的照明负荷为：
=
=
=
=
4.地下室
此高层住宅楼的地下一层为人防间，里面设有防毒室，，配电室，供水间，对其负荷计算如表所示：
表地下室负荷表
名称
面积（㎡）
单位负荷密度a（W/㎡）
需用系数
功率因数cosθ
地下室
850
2
=a×S/1000=2×850/1000=
=
×
=
=
×tanθ=
=
=
=
=
5.设备层
此高层住宅楼的第十层和第十一层之间有一设备层，主要功能为对消防水压及生活用水水压进行加压。
对其负荷统计如表所示：
表设备层负荷表
名称
面积（㎡）
单位负荷密度a（W/㎡）
需用系数
功率因数Cosθ
设备层
830
2
0．6
0．85
=a×S/1000=2×830/1000=
=
×
=
=
×tanθ=
=
=
=
=
6.消防电梯，生活电梯的负荷统计：
电梯共两部，采用20KW的电动机进行曳引。
单梯：
取，cosθ取，
=380V，
=
×
=20×=12KW
=
×tanθ=12×=
=
=24KVA
=
=
双梯：
=24KW
=
=12×2=48KVA
=
=
7.整个大楼的总负荷统计
照明负荷：
=
=
=
=
动力负荷：
=
=
=
=
总共的负荷统计；
=
=
=
=
第三章 低压配电系统设计
低压配电概述
低压配电系统组成
低压配电由配电变电所（通常是将电网的输电电压降为配电电压）、高压配电线路（即1千伏以上电压）、配电变压器、低压配电[1]线路（1千伏以下电压）以及相应的控制保护设备组成[6]。
低压断路器：
低压断路器又称自动开关，它是一种既有手动开关作用，又能自动进行失压、欠压、过载、和短路保护的电器。
它可用来分配电能，不频繁地启动异步电动机，对电源线路及电动机等实行保护，当它们发生严重的过载或者短路及欠压等故障时能自动切断电路，其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等的组合。
而且在分断故障电流后一般不需要变更零部件，已获得了广泛的应用。
低压配电开关：
1）负荷开关：
负荷开关，顾名思义就是能切断负荷电流的开关，要区别于高压断路器，负荷开关没有灭弧能力，不能开断故障电流，只能开断系统正常运行情况下的负荷电流，负荷开关由此而得名。
（2）隔离开关：
隔离开关是高压开关电器中使用最多的一种电器，它本身的工作原理及结构比较简单，但是由于使用量大，工作可靠性要求高，对变电所、电厂的设计、建立和安全运行的影响均较大。
刀闸的主要特点是无灭弧能力，只能在没有负荷电流的情况下分、合电路措施。
低压配电系统，是指从终端降压变电所的低压侧到用户内部低压设备的电力线路，其电压一般为380/220V。
1.设计低压配电系统时要注意以下各点：
（1）应保证对重要负载的供电可靠性，第一类负荷和重要的第二类负荷应有备用电源。
（2）一般应将动力和照明分别配电。
配电系统要接线简单，操作方便，便于检修。
（3）由建筑外引来的配电线路，应在市内靠近进线处便于操作维护的地方装设进线开关。
（4）单相用电设备应适当配置，力求三相平衡。
对于三相负荷不平衡的场所，由单相负荷不平衡所引起的中性线电流不得超过变压器低压侧额定电流的25%，且任何一项的负荷电流都不得超过额定电流值。
低压配电箱如图所示：
图低压配电箱
一般配电方式
电能通过输配电线路输送到用户，进行合理分配。
电能的输送和分配方式有多种，通常以电流种类，电压高低、相数或线数进行分类。
建筑中常用的有以下4种：
（1）三相三线制用于高压配电线路。
（2）三相四线制用于中性点接地的低压配电线路。
（3）单相二线制用于照明线路或单相电动机的配电。
（4）三相五线制用于基本的建筑电气三相配电系统。
在低压配电网中，输电线路一般采用三相四线制，其中三条线路分别代表A,B,C三相，不分裂，另一条是中性线N（区别于零线，在进入用户的单相输电线路中，有两条线，一条我们称为火线，另一条我们称为零线，零线正常情况下要通过电流以构成单相线路中电流的回路，而三相系统中，三相自成回路，正常情况下中性线是无电流的），故称三相四线制；在380V低压配电网中为了从380V相间电压中获得220V线间电压而设N线，有的场合也可以用来进行零序电流检测，以便进行三相供电平衡的监控。
三相五线制中五线指的是：
3根相线加一根地线一根零线。
一般用途最广的低压输电方式是三相四线制，采用三根相线加零线供电，零线由变压器中性点引出并接地，电压为380/220V，取任意一根相线加零线构成220V供电线路供一般家庭用,三根相线间电压为380V，一般供电机使用。
三相五线制比三相四线
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