写字楼办公楼的供配电系统设计
华北理工大学轻工学院
Qing Gong College North China University of Science and Technology
供配电技术
课程设计报告
设计（论文）题目：某写字楼的供配电系统设计
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2020 年06 月01 日
摘要
本论文主要阐述了某写字楼系统电气设计的设计依据、原则和方法及设计选择的结论。本论文共包括四章内容，可分为四个部分：绪论、配电系统设计、照明系统设计、防雷接地系统设计。
绪论部分包括：建筑电气概况，本设计的内容及设计原则等。
配电系统设计部分包括：配电方案，电力系统相关内容，负荷计算等。
照明系统设计部分包括：光源选择、灯具选择、照度选择、照明方式选择，一般照明与应急照明，相关计算等。
防雷接地系统设计部分包括：建筑物防雷措施
本次设计完成图纸共 4 幅，绘图均采用AUTOCAD 软件绘制。
本写字楼电气工程设计为课程设计，其目的是通过设计实践，综合运用所学知识，理论联系实际，锻炼独立分析和解决建筑电气设计问题的能力，为以后的工作奠定坚实的基础。
关键词照度… …
Abstract
Abstract
This paper describes the design of a building system electrical design basis, principles and methods and design choices conclusions. This thesis includes four chapters can be divided into four parts: introduction, distribution system design, design of lighting systems, lightning protection and grounding system design.
The introduction includes: building electrical profiles, the design of the contents and design principles.
Distribution system design section includes: power distribution solutions power system related content, load calculation.
Lighting system design section includes: a light source selection, fixture selection, illumination choices, lighting mode selection, general lighting and emergency lighting, the relevant calculation.
Lightning protection and grounding system design section comprises: Buildings Lightning Protection
The web design is completed drawing a total of XXX, where strong electric part XX web, graphics are drawn using AUTOCAD software.
The building electrical engineering design for curriculum design, its purpose is to design practice, integrated use of knowledge, theory and practice, exercise independent analysis and problem solving capacity building electrical design and lay a solid foundation for future work.
Keywords illumination ... ...
目录
目录
第1 章绪论 (1)
1.1建筑电气概况 (1)
1.2设计概况 (1)
1.3.设计内容 (1)
第2 章照明系统设计 (2)
2.1总则 (2)
2.2照明灯具选择 (2)
2.3照明灯具计算 (2)
2.3.1单位容量法 (2)
2.3.2照明功率计算 (4)
2.4应急照明灯具选择 (4)
第3 章负荷计算 (5)
3.1负荷等级及供电要求 (5)
3.1.1负荷等级分类 (5)
3.1.2供电要求 (6)
3.2本写字楼的电气主接线 (6)
3.3负荷计算 (6)
3.3.1负荷计算的内容和目的 (6)
3.3.2需要系数法 (7)
3.3.3计算 (7)
第4 章无功功率补偿 (9)
4.1原则 (9)
4.2无功功率补偿的计算 (9)
第5 章变压器选择 (10)
5.1变压器台数的选择原则 (10)
5.2变压器选择的计算 (10)
第6 章短路电流计算 (11)
6.1短路故障原因 (11)
6.2短路故障的种类 (11)
6.3三相短路电流的计算 (11)
第7 章设备选型 (13)
7.1低压断路器 (13)
7.1.1低压母线上断路器 (13)
7.1.2各支路上断路器 (14)
第8 章导线的选择 (14)
8.1导线的选择原则 (14)
8.2变压器低压母线的选择 (16)
8.3电气设备支路导线选择 (16)
第9 章防雷接地 (16)
目录
9.1雷电的产生和危害 (16)
9.2雷击的种类和危害 (17)
9.3建筑物的防雷等级 (17)
9.4防雷设备 (18)
9.5直击雷的防护措施 (18)
9.6雷电入侵的防护措施 (19)
9.7防雷接地 (19)
第10 章总结 (19)
参考文献 (20)
附录
第 1 章绪论
1.1建筑电气概况
现代民用建筑电气技术是以电能、电子、电器设备及电气技术为手段来创造、维持和改善人民居住或工作的生活环境的电、光、声、冷和暖环境的一门跨学科的综合性的技术科学。它是强电和弱电与具体建筑的有机结合。随着科学技术的发展和人民生活水平的不断提高，人们对对有关供配电、照明、消防、防雷接地、通信、有线电视等系统的要求越来越高，使得建筑开始走向高品质、多功能领域，并进一步向多功能的纵深方向和综合应用方向发展。
建筑电气设计是在认真执行国家技术经济政策和有关国家标准和规范的前提下，进行工业与民用建筑建筑电气的设计，并满足保障人身、设备及建筑物安全、供电可靠、电能节约、技术先进和经济合理。
1.2设计概况
本次设计是对某写字楼的电气工程设计。
本工程概况：写字楼，地上五层。设计面积5000 平方米。设计需做到方案合理、技术先进、运行可靠、满足相关规范的要求，还要简捷实用、便于操作、管理和维护，减少综合投资。此次设计的目的是通过对该写字楼的各个系统的设计实践，综合运用所学知识，贯彻执行我国建筑电气行业有关方针政策，理论联系实际，锻炼独立分析和解决电气工程设计问题的能力，为未来的实际工作奠定必要的基础。……
1.3.设计内容
本论文主要阐述了该写字楼各系统电气设计的设计依据、原则和方法及设计选择的结论等。论文共包括十大章内容，前八章主要包括绪论及强电部分设计，第九章主要包括防雷接地系统。
第 2 章照明系统设计
2.1总则
电气照明设计的基本原则主要是安全、适用、经济、美观。环境条件对照明设施有很大影响。要使照明设计与环境空间相协调，就要正确选择照明方式、光源种类、灯泡功率、照明器数量、形式与光色、使照明在改善空间立体感、形成环境气氛等方面发挥积极的作用。
2.2照明灯具选择
灯具的主要功能是合理分配光源辐射的光通量，满足环境和作业的配光要求，并且不产生眩光和严重的光幕反射。选择灯具时，除考虑环境光分布和限制
眩目的要求外，还应考虑灯具的效率，选择高光效灯具。
在各类灯具中，荧光灯主要用于室内照明，汞灯和钠灯用于室外照明，也可将二者装在一起作混光照明，这样做光效高、耗电少、光色逼真、协调、视觉舒适。
在本设计中，办公区选择格栅式荧光灯，单组功率3×20W。洗手间、走廊选择单台功率24W 吸顶灯。以达到照明需求。
2.3照明灯具计算
2.3.1单位容量法
单位容量法的基本公式：
W=P/A 3-5
W—在最低照度下每单位面积的安装功率（W）
P—房间内全部灯泡（管）的总安装功率（W）
A—房间的面积（㎡）
根据已知的面积和所选的灯具形式、最小照度E、计算高度h，由表查得每单位面积的安装容量W，从上式算出全部灯泡的总安装功率P。然后除以灯具的功率，再考虑到室形及对灯具布置的要求即可得灯具数量。
一般办公场所需要照度为200lx，楼道、卫生间所需照度为50lx，大厅要求照度100lx，楼层高度为 3 米，所以可经下表计算办公区所需灯具数量。
荧光灯单位面积安装功率
白炽灯单位面积安装功率
根据楼层布局图（附图2、3）可得：
每间办公区面积100 平方米，所以计算：
N= 15.4 ?100
≈ 27 。为方便布线选择28 组荧光灯。
3 ? 20
每层楼道面积300 平方米，所以计算：
N= 3.4 ? 300
≈ 43。
24
每层每间卫生间面积50 平方米，所以计算：
N= 3.4 ? 50
≈ 8 。
24
一层大厅面积200 平方米，所以计算
N= 6.8 ? 200
≈ 23 。为方便布线选择24 组荧光灯。
3 ? 20
2.3.2照明功率计算
2—5 层每层总功率=办公区功率+走廊功率+卫生间功率=60×28×6+24×43+24×16=11016W
1 层功率=办公区功率+警卫室功率+大厅功率+卫生间功率+走廊功率=60×28×3+60×28+60×24+24×16+24×43=9576W
2.4应急照明灯具选择
消防应急照明灯宜安装在墙面上或顶棚上。自带电源型的消防应急照明灯应接在照明线路上；集中电源同时接有消防应急照明灯和消防应急标志灯，且消防应急标志灯为持续型的，可接到消防配电线路上，如为非持续型的，应接到照明
线路上；集中控制型消防应急照明灯应接在消防配电线路上。消防控制室、消防水泵房、自备发电机房的照明支线应接在消防配电线路上。疏散用的应急照明，其地面最低照度不应低于0.5lx；安全出口的消防应急标志灯宜设在出口的顶部；疏散走道的消防应急标志灯宜设在疏散走道及其转角处距地面高度1.00m 以下的墙面上。疏散走道消防应急标志灯的间距不应大于20m。
在本设计中，选用吊挂式自带电源型应急照明、指示两用灯。每间办公区 5 台。楼道20 米/台。每间卫生间3 台。楼梯间 2 台。每层共40 台。
第 3 章负荷计算
3.1负荷等级及供电要求
3.1.1负荷等级分类
电力负荷应根据供电可靠性及中断供电在政治、经济上所造成的损失或影响的程度，分为一级负荷、二级负荷及三级负荷。
一级负荷
（１）中断供电将造成人身伤亡者。
（２）中断供电将造成重大政治影响者。
（３）中断供电将造成重大经济损失者。
（４）中断供电将造成公共场所秩序严重混乱者。
对于某些特等建筑，如重要的交通枢纽、重要的通信枢纽、国宾馆、国家级及承担重大国事活动的会堂、国家级大型体育中心，以及经常用于重要国际活动的大量人员集中的公共场所等的一级负荷，为特别重要负荷。中断供电将影响实时处理计算机及计算机网络正常工作或中断供电后将发生爆炸、火灾以及严重中毒的一级负荷亦为特别重要负荷。
二极负荷
（１）中断供电将造成较大政治影响者。
（２）中断供电将造成较大经济损失者。
第1 章绪论
（３）中断供电将造成公共场所秩序混乱者。
三级负荷
不属于一级和二级的电力负荷。
3.1.2供电要求
（１）一级负荷的供电“应由两个电源供电，当一个电源发生故障时，另一个电源应不致同时受到损坏”。但在实际设计中为了满足一级负荷的供电，可以采用两路高压供电，但当供电不能满足要求时，应设自备发电机，故可以采用一路高压电源加一路备用电源---应急柴油发电机组供电，当一级负荷容量较大时，应采用两路高压供电。对于特别重要的负荷供电，除了必须采用两路高压外，还必须设置应急电源（应急柴油发电机），并且该电源中严禁接入其他负荷。
（２）二级负荷的供电要求“宜由两回线路供电”，即当发生电力变压器故障或线路常见故障时不致中断供电（或中断后能迅速恢复）。设计中常采用一用一备两路高压电源供电或一路高压，另一路备用电源（柴油发电机组），但当负荷较小或地区供电条件困难时，可由一回6KV 及以上专用架空线供电。
（３）三级负荷对供电无特殊要求。
本工程用电为三级负荷。
3.2本写字楼的电气主接线
写字楼的动力负荷属于三级负荷，但直接影响着人们的工作，为了保证动力负荷的正常运行，采用双回路进线。考虑到线路需要检修，为了使得一些重要负荷在检修时仍然工作，采用单母线分段接线方式。
本办公室的进线及配电系统（由一路市电用线10k V）。见附图1。
3.3负荷计算
3.3.1负荷计算的内容和目的
负荷计算目的是为供电系统设计提供必要的正常状态下系统理论数据(又叫计算数据)，以这些数据为依据来选择、设计一、二次系统，即选设备、导线，进行二次系统整定、校验。
3.3.2 需要系数法
需要系数法是利用设备容量剩上一个需要系数 K d 而求得的有功计算负荷。该方法计算简单，适用于电气设备台数多且各个设备容量相差不是太悬殊的场所。
基本计算公式
用电设备组计算负荷： P 30 = k d P e
Q 30 = P 30 tan ? S 30 =
P 30 cos ?
配电干线计算负荷
P 30 = k ∑ ∑ P 30
Q 30 = k ∑ ∑ Q 30
S 30
=
I =
S 30 30
3U
cos ?
办公楼设备需要系数表及功率因数值表
3.3.3 计算
设计的初始数据：每间办公区主要设备电脑 25 台，单台容量 250W ；空调机组 4 台，单台容量 2000W ；复印一体机 2 台，单台 1000W ；其他设备功率 20KW 。每层照明用电容量共 12KW 。
本设计用电设备分为电气设备组和照明两组，照明组参照荧光灯照明数据。需要系数取值：电气设备 K d =0.8；照明 K d =1
P 2 + Q 2
30 30
N
3 ? 0.22
3 ? 0.22
1）电气设备组（每间办公区）：
电脑： P 30(1) = k d P e = 0.8 ? 25 ? 250 = 5KW Q 30（1）
= P 30 tan ?= 5 ? 0.75 = 3.75kvar
空调机组： P 30(2) = k d P e = 0.8 ? 4 ? 2000 = 6.4KW
Q 30（2）
= P 30 tan ?= 6.4 ? 0.75 = 4.8kvar 复印机： P 30(3) = k d P e = 0.8 ? 2 ?1000 = 1.6KW Q 30
（3）
= P 30 tan ?= 1.6 ? 0.75 = 1.2kvar
其他设备： P 30(4) = k d P e = 0.8 ? 20000 = 16KW
Q 30（4）
= P 30 tan ?= 16 ? 0.75 = 12kvar
2）照明组
P e = 12KW
P 30(5) = k d P e = 1?12000 = 12KW
Q 30（5）
= P 30 tan ?= 12 ? 0.48 = 5.76kvar
S 30 = P
30 cos ? = 12 0.9
= 13.3
I =
S 30 =
13.3 = 34.9 A 30
3U cos ?
3）总计算负荷（每间办公区） 取k ∑ = 1
P 30 = k ∑ ∑ P 30 = 1? (5 + 6.4 + 1.6 + 16)= 29KW Q 30 = k ∑ ∑ Q 30 = 1? (3.75 + 4.8 + 1.2 + 12)= 21.75kvar
S 30 =
I = S 30
= =
36.25 = 36.25k V ? A
= 95.13A 30 3U cos ? P 2
+ Q 2
30 30 292 + 21.752
N
N
3 ? 0.22
4）总计算负荷（全楼）
P 30 = 29 ? 28 + 12 ? 5 = 872kW
Q 30 = 21.75 ? 28 + 5.76 ? 5 = 637.8kvar
S 30 =
I = S 30
= =
1080.4 = 1080.4k V ? A
= 2835.2 A 30 3U cos ?
第 4 章 无功功率补偿
4.1 原则
目前国家供电部门对用电单位的功率因素要求高压供电压者为 0.9 以上，低压供电者为 0.95 以上，当用电单位的自然总平均功率因数较低，单靠提高用电设备的自然功率因数达不到要求，应采用必要的无功功率补偿设备，进一步提高企业的功率因数。因此本写字楼的无功功率补偿采用补偿的办法，即在低压配电室的配电母线上安装若干组电力电容器，从而补偿供电范围内的无功功率以达到提高功率因数的目的，也就是从补偿前的功率因数 cos 提高到补偿后的功率因数 cos ′补偿容量为：
Q c = P 30 (tan ?- tan ?') = ?qc P 30
式中 Q c ——设计电力电容器容量;
P 30 ——总有功计算负荷;
tan ?、 tan ?'——补偿前后功率因数对应的正切值。
4.2 无功功率补偿的计算
变电所低压侧的视在计算负荷为：
S 30 = 1080.4KV ? A
根据选择原则变压器为两台容量为 800kv ·A 的变压器。变电所低压侧的功率因数为：
P 2
+ Q 2
30 30 8722 + 637.82
N
= 30cos?=
确定无功补偿容量
872 1080.4
≈ 0.81
现要求变电所高压侧的功率因数不低于0.9，而在变压器低压侧进行补偿时，考虑到变压器的无功功率损耗远大于其有功功率损耗，可按低压侧补偿后的功率因数为0.92 来计算补偿容量。因此，需装设的电容器容量为
Q
C
= 872[tan(arccos 0.81) - tan(arccos 0.92)]k var = 259.85k var.
选BW0.4—12—1 型电容器，则所需电容器个数为n= Q
c
/qc=259.85/12=21.7;
取n=25,则实际补偿容量为Q
c
= 12 ? 25k var = 300k var 。
补偿后的变压器容量和功率因数
无功补偿后变压所低压侧的视在计算负荷为
' 8722 + (637.8 - 300)2 KV ?A = 935.1KV ?A
第 5 章变压器选择
5.1变压器台数的选择原则
变电所主变压器台数的选择应该根据负荷的大小、负荷对供电可靠性的要
求、经济性级用电发展规划等因素综合考虑确定。变压器台数越多，供电可靠性越
高，但设备投资大，运行费用高。因此在满足用电可靠性的前提下，变压器台数越
少越好。在确定变压器台数时，还应适当考虑负荷的发展，留有一定余地。
车间变电所台数的选择，对有大量一二级负荷的变电所，应满足电力负荷对
供电可靠性的要求，宜采用两台变压器。对只有二级负荷的的变电所，且能从临近
车间变电所获得备用低压电源时，可采用一台变压器。对季节性负荷或昼夜负荷变化
较大时，应使变压器在经济状态下运行，可用两台变压器供电，以便在低谷负荷时
切除一台变压器。且集中负荷较大时，虽为三级负荷，也采用两台或多台变压器。
5.2变压器选择的计算
本设计为三级负荷，但昼夜负荷变化较大且负荷较为集中。所以采用两台变
压器供电。
S
任意一台变压器单独运行时，应满足总计负荷S30 大约70%的需求，即
S T ≈ 0.7S
30
= 0.7 ? 935.1 = 654.6kV ?A
所以选用两台容量为630kv·A 的变压器，满足总设计负荷67%的需求，型号为S9-630/10 型。?p
= 1.2kW ，?p k = 6.2kW，I 0 % = 0.9 ，U k % = 4.5 。
第 6 章短路电流计算
6.1短路故障原因
短路故障是指运行中的电力系统或工厂供配电系统的相与相或者相与地之间发生的金属性非正常连接。短路产生的主要原因是系统中带电部分的电气绝缘出现破坏，而引起这种破坏的原因有过电压、雷击、绝缘材料的老化以及运行人员的误操作和施工机械的破坏、鸟害、鼠害等。
6.2短路故障的种类
在电力系统中，短路故障对电力系统的危害最大，按照短路的情况不同，短路的类型可分为四种，即单相短路k(1)、两相短路k(2)、两相接地短路k(1，1)、三相短路k(3) 。电力系统中，发生单相短路的可能性最大，而发生三相短路的可能性最小，但通常三相短路电流最大，造成的危害也最严重。因而常以三相短路时的短路电流热效应和电动力效应来校验电气设备。
6.3三相短路电流的计算
三相短路电流的计算方法常用的有三种：有名值法、标幺值法、短路容量法。本文将用标幺值法计算系统的三相短路电流。
标幺值法计算短路电流的步骤大致归纳为：选择基准容量、基准电压、计算短路点的基准电流；绘制短路回路的等效电路；计算短路回路中个元件的电抗标幺值；求总电抗标幺值，化简电路；计算三相短路周期分量有效值及其他短路参数；列短路计算表。
第 3 章 负荷计算
3U d 1 3U d 2
1 d d
本办公楼的三相短路电流的计算以变压器低压侧母线段的短路为例。示意图如下：
选取基准容量S d = 100MV ? A ，U d 1 = 10.5kV ，U d 2 = 0.4kV
S I d1 =
=
S I d 2 =
=
100
100
= 5.5kA
= 144.3kA
计算各元件电抗标幺值： 线路 WL1
X * = 0.4
? 5 ? 100
10.52
= 1.81 变压器 T1、T2
X * = 4.5 ? 100 = 7.14
做等效电路图：
2
100 0.63
求 k1 点的总等效电抗标幺值及三相短路电流的短路容量：
*
= 1.81 + 7.14 = 5.38 ∑1 2
I K 1 = I d 2 *
∑1 = 144.3 = 26.82 5.38
3 ?10.5 3 ? 0.4
X X
第 3 章 负荷计算
X
d
i sh = 1.84I k 1 = 1.84 ? 26.82 = 49.35kA
I sh = 1.09I k 1 = 1.09 ? 26.82 = 29.23kA
S S k 1 =
* ∑1
=
100 5.38
= 18.6MV ? A
第 7 章 设备选型
7.1 低压断路器
低压断路器又称空气开关（简称空开）。它不仅能带负荷断电路，而且能在短路过负荷及低电压下自动跳闸。因此，低压断路器广泛用于变配电系统的交、直流低压配电装置中。
额定电压不小于安装地点的电网的额定电压。额定电流( I N )不小于长期通过
的最大负荷电流，即： I N > I JS
低压断路器的级数和结构形式应符合安装条件、保护性能及操作方式的要求。 常见的低压断路器有塑壳式和万能式：塑壳式断路器的全部机构和导电部分都装在一个塑料外壳内，仅在塑壳中央露出操作手柄，供手动操作用；万能式断路器，它敞开地装设在金属框架上，其保护方案和操作方式较多，装设地点灵活。
低压断路器的选用：额定开断电流应不小于实际开断瞬间的短路全电流。额关合电流应不小于冲击短路电流的有效值。
7.1.1 低压母线上断路器
低压母线上断路器的选择，由于采用双回路进线，两路母线同时工作，所以两段母线的负荷、电流等数据都可以视为平均分配。
线路最大负荷电流（最大持续工作电流）I j = 0.71kA ；冲击电流i sh = 49.35kA 。按额定电流、额定电压可选择 DZ20-1250 型。
第 4 章 无功功率补偿
7.1.2 各支路上断路器
每间办公区电气设备断路器的选择：DZ20-100Y 每间办公区照明设备断路器的选择：DZ20-100Y 每层断路器的选择：DZ20-100Y
第 8 章 导线的选择
电气照明工程中常用的导线有架空线、电缆、低压绝缘导线三种。本设计中电力电缆的选择：聚氯乙烯绝缘、聚氯乙烯护套的电力电缆；导线的选择：塑料绝缘导线。
8.1 导线的选择原则
导线和电缆的型号应根据它们所处的电压等级和使用场所来选择。按以下原则来选择导线和电缆 1）发热原则
系统最大负荷电流运行时发热，不至于引起系统的温度超过导线或者电缆的允许温度，不会因为过热而引起导线绝缘损坏或者老化。可按下式计算：
K θI al ≥ I 30
式中 ：
I 30 —通过线路的计算电流；
I al —导体的标准允许载流量
K θ
—温度修正系数
温度修正系数: K θ =
式中
θal —导体正常工作时最高允许温度；
第5 章变压器选择
θ ‘
0 —导体敷设地点实际的环境温度。
2）电压损失原则
由于线路阻抗的存在，因此当负荷电流通过线路时就会产生电压损耗。所谓电压损耗，是指线路首端电压和末端电压的代数差。为保证供电质量，按规定高压配电（6~10KV）的允许电压损耗不得超过线路额定电压的5%；从配电变压器一次侧出口到用电设备受电端的低压配电线路的电压损耗，一般应不超过设备额定电压（220V、380V）的5%；对于视觉要求较高的照明线路，则不得超过其额定电压的2%~3%。如果电压损耗超过了允许值，则应适当加大导线或电缆的截面，使之满足电压损耗的要求。
3）机械强度原则
在配电系统运行条件下，导线应有足够的机械强度，以防导线断裂，保证供
电安全和供电质量。为满足机械强度的要求，对于室内明敷的绝缘导线，其最小
截面不得小于4mm 2 。此外，为了保证安全，规程规定1~10kV 架空线路不得采用单股线。电缆不必校验机械强度。
4）热效校验原则
按系统统计的故障状态时的理论数据，进行导线热效校验。保证导线能够承
受系统短路时的短路电流热效应。
5）经济电流密度原则
对应用于经济截面的导线电流密度，称为经济电流密度，用j ec 表示。我国
现行的经济电流密度规定为
按经济电流密度选择导线截面时，可按下式计算：