變電站建筑電氣標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計方法研究

丁 鈺，吳 楊，王 卓，邢振華

（1.中國電力工程顧問集團華北電力設(shè)計院有限公司，北京 100120；2.內(nèi)蒙古電力勘測設(shè)計院有限責(zé)任公司，呼和浩特 010010）

0 引言

建筑電氣是以建筑為平臺，在建筑物中，利用現(xiàn)代先進的科學(xué)理論及電氣技術(shù)，創(chuàng)建一個人性化生活環(huán)境的電氣系統(tǒng)，建筑電氣是一門綜合性的工程學(xué)科[1]。建筑電氣設(shè)計從狹義上僅指民用建筑中的電氣設(shè)計；從廣義上講，包括工業(yè)建筑、構(gòu)筑物和道路、廣場等戶外工程。傳統(tǒng)建筑電氣設(shè)計僅含供電和照明設(shè)計內(nèi)容，隨著社會發(fā)展，建筑電氣的深度和廣度也得到相應(yīng)拓展，并且滲入到變電站設(shè)計領(lǐng)域，變電站建筑電氣設(shè)計技術(shù)隨著國標(biāo)、行標(biāo)及施工驗收標(biāo)準(zhǔn)等的更新完善[2-9]，也在不斷改進和優(yōu)化。

隨著《國家電網(wǎng)有限公司十八項電網(wǎng)重大反事故措施（修訂版）》《國家電網(wǎng)公司輸變電工程標(biāo)準(zhǔn)工藝》等文件的推行，對變電站設(shè)計內(nèi)容要求進一步細化和深化，之前建筑電氣僅包含的建筑物照明和埋管留洞等設(shè)計內(nèi)容已經(jīng)不能滿足變電站施工、運行、檢修及維護的需要，建筑電氣設(shè)計的不精準(zhǔn)、缺失和失誤，會給變電站安全性、功能性、便利性等方面帶來隱患。有必要對現(xiàn)行變電站建筑電氣涉及的范圍進行擴展和改進，由此造成設(shè)計人員要面臨專業(yè)配合、設(shè)計與廠家界限劃分等一系列新課題，因此對建筑電氣設(shè)計內(nèi)容的合理調(diào)整和規(guī)范化實施勢在必行。標(biāo)準(zhǔn)化、精細化設(shè)計能夠有效提高變電站設(shè)計的效率和質(zhì)量，執(zhí)行建筑電氣標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計成為大勢所趨。

基于此，本文提出變電站建筑電氣設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化概念及方法，使得變電站建筑電氣設(shè)計高效、便捷，并且出錯率低。

1 變電站建筑電氣標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計

在變電站設(shè)計中，建筑電氣部分涉及的專業(yè)較多，內(nèi)容繁瑣龐雜，設(shè)計容易出現(xiàn)紕漏，成品不易校審，很難實現(xiàn)施工配合順暢、業(yè)主滿意的目標(biāo)。對于變電站建筑電氣，每座建筑物內(nèi)的用電負荷類型基本接近，設(shè)計原則比較容易統(tǒng)一，具備引入標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計的條件。主要設(shè)計人在編制建筑電氣卷冊任務(wù)書階段，以表格形式列出設(shè)計關(guān)鍵點的具體要求和各相關(guān)參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，由卷冊負責(zé)人據(jù)此開展設(shè)計，實現(xiàn)卷冊大部分圖紙標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，以減輕設(shè)計人員的工作強度，降低出錯率，提高工作效率。變電站建筑電氣設(shè)計可以從下列幾方面進行規(guī)范要求。

1.1 統(tǒng)一圖紙目錄

標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計的基礎(chǔ)是統(tǒng)一圖紙目錄，統(tǒng)一后的標(biāo)準(zhǔn)卷冊目錄可提綱挈領(lǐng)地反映卷冊內(nèi)容，表1中的圖紙名稱及其對應(yīng)的圖號編制，便于大規(guī)模設(shè)計、查找、校核、修改各卷冊圖紙。

表1 圖紙目錄

1.2 要求具體化，計算簡易化

1.2.1 配電屏接線圖

配電屏接線圖應(yīng)包含屏外形尺寸、斷路器規(guī)格型號、回路名稱、回路負荷容量、回路編號、電纜規(guī)格型號、穿管規(guī)格型號等信息和參數(shù)，明確規(guī)定回路、箱柜等編號原則，并以表格形式明確負荷容量→負荷電流→斷路器額定電流→線纜→管徑對應(yīng)關(guān)系。接線圖內(nèi)的電流值計算采用表2中的簡易估算式。

表2 負荷電流簡易估算[9]

1.2.2 導(dǎo)線護管選擇

導(dǎo)線護管的選擇采用歸類法，各用電回路簡化為正常照明、應(yīng)急照明、消防應(yīng)急照明和動力回路，各回路護管均暗敷。動力回路采用熱鍍鋅鋼管，其他回路采用阻燃塑料導(dǎo)管。設(shè)計中若采用GB 50217—2018《電力工程電纜設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中附錄H電纜穿管敷設(shè)時，允許最大管長的計算方法繁瑣，原始參數(shù)難獲取，在工程標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計中，可選取經(jīng)驗值，具體為：導(dǎo)管沒有彎曲時，長度不超過30 m；導(dǎo)體有一個彎曲（90°~120°）時，長度不超過20 m；導(dǎo)體有兩個彎曲（90°~120°）時，長度不超過15m；導(dǎo)體有3個彎曲（90°~120°）時，長度不超過8 m。如果長度超過上述要求，應(yīng)加設(shè)接線盒、箱或加大管徑。導(dǎo)線護管管徑的選擇參照表3、表4。

表3 不同根數(shù)BV型絕緣線穿阻燃塑料導(dǎo)管外徑選擇mm

表4 不同根數(shù)BV型絕緣線穿熱鍍鋅鋼管內(nèi)徑選擇mm

1.2.3 斷路器選擇

1.2.3.1 選擇方式

低壓斷路器是建筑電氣的主要組成部分，斷路器的選擇計算過程是建筑電氣設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。變電站站用電低壓配電系統(tǒng)常采用TN-C-S系統(tǒng)，斷路器設(shè)置一般不超過三級，斷路器的上下兩級之間的配合，須具備選擇性、快速性和靈敏性[10]。站用變壓器進線采用框架斷路器，設(shè)置短路瞬時保護、短路短延時保護和過載保護，建筑電氣終端配電裝置使用最廣泛的保護電器是微型斷路器，常用于電流125 A以下的回路，僅設(shè)置短路瞬時保護。變電站建筑物內(nèi)主要負荷一般為建筑物照明、空調(diào)、電暖氣、樓宇監(jiān)控及水工用電設(shè)備等，負荷計算電流和不超過125 A，電源統(tǒng)一由配電箱/柜引出，出線斷路器主要用于保護回路內(nèi)用電設(shè)施的過電流及類似用途，無需維修，因此選擇微型斷路器即可滿足要求。設(shè)計人員可根據(jù)短路電流和負荷電流計算結(jié)果對微型斷路器進行選擇。

微型斷路器瞬時脫扣電流范圍為：B型3In~5In（含5In，In為額定電流）；C型5In~10I（n含10In）；D型10In~20I（n含20In）；微型斷路器過電流脫扣器額定電流為：1 A、2 A、4 A、6 A、10 A、16 A、20 A、25 A、32 A、40 A、50 A、63 A、80 A、100 A、125 A。

實際工程中，可以通過標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，將負荷、斷路器、纜線及穿管之間的關(guān)系統(tǒng)計成表格形式，使得整體工程建筑電氣設(shè)計統(tǒng)一，方便設(shè)計人員查詢和校核，負荷容量（三相負荷考慮為電動機類負荷）與各參數(shù)對應(yīng)關(guān)系見表5。

表5 負荷容量與各參數(shù)對應(yīng)表

1.2.3.2 靈敏度校驗

隨著變電站消防等級要求的提高，需保證線路末梢發(fā)生接地故障時，斷路器能夠準(zhǔn)確跳閘。斷路器的靈敏度需滿足規(guī)程要求，根據(jù)DL/T 5155—2016《220 kV~1000 kV變電站站用電設(shè)計技術(shù)規(guī)程》[7]，斷路器作為保護電器時，靈敏度為1.5。接地故障時，最小接地故障電流Ik簡化計算公式為：

式中：U0—相對地標(biāo)稱電壓，V；

S—相導(dǎo)體截面積，mm2；

n—每相并聯(lián)導(dǎo)體根數(shù)；

k1—電纜電抗校正系數(shù)，當(dāng)S≤95 mm2時，取1.0；當(dāng)S為120 mm2和150 mm2時，取0.96；當(dāng)S≥185 mm2時，取0.92；

k2—多根相導(dǎo)體并聯(lián)使用的校正系數(shù)，K2=4（n-1）/n（n≥2）；

ρ—20℃時的導(dǎo)體電阻率，Ω·mm2/m；

L—電纜長度，m；

m—材料相同的每相導(dǎo)體總截面積與PE導(dǎo)體截面積之比。

當(dāng)電纜較長時，接地故障靈敏度很難滿足要求，可采取加大相導(dǎo)體和保護接地導(dǎo)體截面、斷路器采用短延時過電流脫扣器以及接地保護脫扣器等措施。

電纜引發(fā)的火災(zāi)多由電纜電弧性短路造成，電弧性短路阻抗和電壓降都比金屬性短路大很多，保護裝置不能瞬時動作時，幾安的電弧局部溫度可高達2000~4000℃，極易引燃可燃物，造成火災(zāi)。而配電線路電弧性短路大多為接地故障，雷電過電壓、系統(tǒng)操作過電壓等均可能擊穿劣化電纜絕緣外皮，發(fā)生接地故障。300 mA以上的電弧能量即能引燃起火，而剩余電流裝置RCD（Residual Current De?vice）對接地故障的靈敏度可完全滿足要求，即斷路器加裝RCD可以防止金屬接地和電弧接地故障引發(fā)的火災(zāi)。采用該接地保護方式，變電站中性線必須一點接地，多點接地產(chǎn)生的雜散電流可能引起斷路器無法正確動作。對于多級RCD，上級RCD額定動作電流不小于下級RCD額定動作電流的3倍；上級RCD不動作時間大于下級RCD動作時間。多級RCD配置圖如圖1所示。

圖1 多級RCD配置圖

1.2.4 接地平面布置圖

對于接地平面布置圖的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，關(guān)鍵在于明確敷設(shè)室內(nèi)接地干線的房間、接地?zé)徨冧\扁鋼規(guī)格、需要安裝接地端子的房間、做局部等電位的房間、每座建筑物接地引出線的數(shù)量及規(guī)格，列出接地引出線出建筑物的穿管內(nèi)徑與接地材料寬度的匹配表。

1.2.5 照明平面布置圖

照明平面布置圖重點是規(guī)定配置燈具原則。經(jīng)計算和測試，采用相同照明效果的LED燈具可比傳統(tǒng)光源節(jié)能50%以上（見表6），建筑電氣標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計要求戶內(nèi)燈具均采用LED燈。圖紙需列出具體功能間照明功率密度、燈具規(guī)格型號、燈具數(shù)量對應(yīng)表，明確特殊功能房間燈具要求，并規(guī)定配置消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)原則。

表6 LED燈具與傳統(tǒng)燈具主要參數(shù)對比

1.2.6 電纜敷設(shè)圖

合理利用暖通、水工專業(yè)圖紙，避免各專業(yè)采用不同版本圖紙，造成現(xiàn)場用電設(shè)備電源點與電纜敷設(shè)設(shè)計不一致的問題。規(guī)定電暖氣、空調(diào)電源采用插座還是接線盒；每個用電設(shè)備應(yīng)標(biāo)注設(shè)備名稱或設(shè)備編號、電纜及其編號、埋管內(nèi)徑、埋管至終點位置，回路名稱、編號等與接線圖須保持一致。標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計規(guī)定風(fēng)機動力箱、照明箱、動力電源或檢修箱及風(fēng)機戶外控制箱應(yīng)統(tǒng)一尺寸。

1.3 建筑電氣標(biāo)準(zhǔn)化在實際工程中的應(yīng)用效果

建筑電氣標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計依托巨寶莊500 kV變電站工程得以實施，與傳統(tǒng)設(shè)計方式相比，實現(xiàn)了圖紙正確率100%，出圖效率較傳統(tǒng)方式提高了65%以上，建筑電氣各卷冊圖紙質(zhì)量受到現(xiàn)場施工單位和業(yè)主方肯定，應(yīng)用效果顯著。

2 換流站建筑電氣的設(shè)計

直流換流站是具有整流站、逆變站功能的直流系統(tǒng)設(shè)施，是直流輸電的基礎(chǔ)。高壓直流換流站是電力運營的重要裝置，對高壓直流換流站的合理設(shè)計和構(gòu)建對電網(wǎng)安全運行具有重要意義。換流站建筑物較常規(guī)站多，主要建筑物有閥廳、主（輔）控樓、綜合樓、繼電器小室、檢修備品庫、專用品庫、汽車庫、消防間、綜合水泵房等，各種建筑功能性差異較大，因此換流站的建筑電氣設(shè)計有其特殊性和復(fù)雜性。

2.1 主（輔）控樓

2.1.1 電纜敷設(shè)特點

主（輔）控樓動力電纜量很大，在電纜敷設(shè)時，主要通道采用電纜穿管敷設(shè)不能滿足要求，實際工程通常采用電纜橋架、支架或吊架方式，分類、分層敷設(shè)。

2.1.2 防火設(shè)計

隨著消防要求的加強，換流站防火問題得到重點關(guān)注，防火設(shè)計和驗收均采取了嚴(yán)格措施。為防止動力電纜著火后波及控制電纜，在電纜溝范圍內(nèi)同一側(cè)多層支架敷設(shè)時，應(yīng)按照動力電纜、強電至弱電的控制和信號電纜、通信電纜由上而下的順序排列。通信光纜全程利用防火槽盒敷設(shè)。

2.2 閥廳

閥廳一般高度在20 m以上，照明燈具形式的選擇、布置和照明回路纜線路徑的設(shè)置是閥廳建筑電氣的重要內(nèi)容。燈具選用帶熔斷器保護的LED泛光燈，燈具支架焊接在屋頂下弦，根據(jù)閥塔布置情況，燈具間距7 m左右。纜線可采用豎井、穿管、橋架相結(jié)合方式敷設(shè)。

3 戶內(nèi)變電站建筑電氣設(shè)計

3.1 戶內(nèi)變電站設(shè)計特點

（1）戶內(nèi)變電站布置緊湊，電纜通道主要由埋管、豎井和吊（支或橋）架等組成，纜線長度較敞開站短，開關(guān)靈敏度校驗易滿足要求。

（2）戶內(nèi)變電站電纜護管主要敷設(shè)在建筑層，埋管管徑受到限制，戶內(nèi)變電站的用電負荷一般按區(qū)域匯總后，由本地動力箱提供電源，避免出現(xiàn)用電總負荷很大的情況，便于動力電纜和斷路器統(tǒng)一規(guī)格。

3.2 注意事項

（1）根據(jù)國家電網(wǎng)公司通用設(shè)計，戶內(nèi)變電站站用電柜大多布置在公用設(shè)備間，站用電屏進線采用大截面電纜，與控制電纜、光纜共同敷設(shè)在變電樓公用設(shè)備間活動地板下，對電纜通道規(guī)劃和防火要求高。

（2）每個功能房間均需考慮環(huán)房地網(wǎng)，設(shè)備單獨接地線暗敷，土建施工時電氣專業(yè)人員應(yīng)加強現(xiàn)場配合。

4 參考標(biāo)準(zhǔn)的不確定因素

（1）GB 51309—2018《消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》第3.2.1.4.1條“未設(shè)置消防控制室的住宅建筑，疏散走道、樓梯間等場所可選擇自帶電源B型燈具”。對于不設(shè)置消防控制室的變電站如何執(zhí)行沒給出具體指導(dǎo)意見。

（2）GB 50054—2011《低壓配電設(shè)計規(guī)范》第6.2.4條“當(dāng)短路保護電器為斷路器時，被保護線路末端的短路電流不應(yīng)小于斷路器瞬時或短延時過電流脫扣器整定電流的1.3倍”。而DL/T 5155—2016《220 kV~1000 kV變電站站用電設(shè)計技術(shù)規(guī)程》附錄E E.0.1第3條“當(dāng)短路保護電器為斷路器時，被保護線路末端的短路電流不應(yīng)小于斷路器瞬時或短延時過電流脫扣器整定電流的1.5倍”，二者矛盾。

（3）備用照明、疏散照明在GB 51309—2018《消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》和DL/T 5390—2014《發(fā)電廠和變電站照明設(shè)計技術(shù)規(guī)定》中解釋不一致。

5 結(jié)論

（1）變電站施工圖設(shè)計階段采取建筑電氣標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，有助于設(shè)計人員高效、高質(zhì)量完成設(shè)計工作。

（2）變電站建筑電氣的特點滿足標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計的要求，實際工程已經(jīng)取得階段性成果，通過基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的搜集、計算和整理，積累滾動修改版表格，供后續(xù)變電站工程利用和修改完善。

（3）變電站建筑電氣的設(shè)計，結(jié)合設(shè)計經(jīng)驗，可將手冊、規(guī)程內(nèi)的公式和規(guī)定，根據(jù)具體工程情況進行簡化和歸納合并，便利化設(shè)計是高效、正確的保障。

（4）變電站建筑電氣設(shè)計執(zhí)行的國家標(biāo)準(zhǔn)涉及行業(yè)領(lǐng)域范圍寬泛，內(nèi)容繁多，變電站設(shè)計時在采用國標(biāo)和行標(biāo)時存在不確定因素，有需要商榷的內(nèi)容。