智能楼宇电气工程

1摘要：随着人们生活水平的不断提高，通讯与信息技术的发展，人们对楼宇设计的要求标准也不断向智能化过渡。出现了住宅中各种通信、家电、安保设备等通过总线技术进行监视、控制与管理的智能楼宇建筑系统，这一趋势势必给现代楼宇设计带来一系列新的问题。正确设计智能楼宇的配电系统和综合防雷，是确保智能楼宇安全、可靠、舒适和有利于发展的前提。科学合理的进行负荷计算是提高楼宇配电系统的可靠性、正确选择各类配电设备容量的前提。本文对负荷计算中相关问题进行了分析和探讨，就重要设备的容量选择作了详细的论述，并提出了进一步提高配电系统可靠性的措施。安全第一，当今电气设计中，人身安全及消防安全已提高到了首位，为摆脱传统低电压供电系统中主要强调过载、短路保护以保护用电设备和供电线路不受损坏的缺点。本文对低压供电系统中出现漏电时的人身触电危险性及漏电引起的火灾危险性原因进行了讨论并给出了相应的防范措施。普通楼宇防雷系统不但不能保护高层楼宇的电子设备和智能系统，反而可能引入雷电，加倍雷击损失。因此智能楼宇对防雷系统要求越来越高，本文对智能楼宇中直击雷和感应雷进行了探索及雷电的电磁兼容性问题进行了讨论分析，提出了楼宇内可靠的电子设备的综合防雷保护措施。同时，为了达到智能控制，提高管理质量、减少管理人员，现代智能建筑系统以大跨度框架式建筑结构为基础，由智能建筑环境内的系统集成中心利用综合布线系统形成标准化强电与弱电接口，连接楼宇自动化系统(BAS)、通信自动化系统(CAS)、办公自动化系统(OAS)，实现3A功能。本文就BAS中相关配电系统智能化的功能及应用作了简单的讨论和研究。关键词：智能楼宇；电气设计；综合防雷。2第一章绪论1.1引言随着人们生活水平的不断提高，通讯与信息技术的发展，人们对楼宇设计的要求标准也不断向智能化过渡，这势必对楼宇供配电系统的安全、可靠性及防雷措施提出了更高的要求，对楼宇内智能系统的环境保护提出了更高的要求。1.2普通楼宇配电系统和防雷措施中存在的主要问题1.2.1用电负荷计算存在的问题在普通楼宇中，为了节约成本、减少开支，每户的用电负荷都定得很低，所配置的电表，开关及导线截面均偏小，根本无法满足现代电气设备的要求，造成经常性的负荷跳闸，超负荷运行而烧坏开关、电表、电线的现象常有发生。于1999年6月1日起正式施行的国家标准《住宅设计规范》（GB50096-1999），它的一些规定已脱离了客观发展的现实。当时规定住宅使用面积最大为682m，而现在许多住宅面积已超过了1002m，特别在一些经济发达地区，新建的住宅套型面积高达100～1602m且已占了相当大的比例，有些面积甚至更大。电视机、空调往往有2～4部，早已超过了每户4kW的设计标准；另一方面，从家用电器的发展趋势来看，今后负荷的增长点将主要在厨房和卫生设备上，如现在市场上见到的即热式电热水器其功率达6kW～10kW，电灶的功率为3kW～12kW……。可见随着目前发展的现状，我们应结合各地的实情加以调整。据有关专家预测，2000～2010年将是住宅用电负荷的快速增长期，其中2000～2005年增长速度适中，大约是前10年的2倍；而2006～2010年住宅电气负荷将进入迅速增长期。这是因为一些高品质的家用电器将会普及而且迅速增长，如智能温控电热膜、电热线，厨房设备，供热设备等。2010～2020年住宅电气负荷将进入缓慢增长期。根据家用电器的寿命规律，现在已进入家庭的传统家电和采用变频技术、数字技术、模糊控制技术的新产品，到2010年以后将逐步进入更新换代时期。经济增长也逐步由过去的增量型转向增值型，由能耗型转向技术节能型。这样一来，采用高新技术武装起来的家电，其产品从高耗能变为低耗能，到那时住户的用电负荷就不会有过快的增长。当经济技术发展到一定水平，用电指标趋于平衡饱和，甚至略呈下降趋势。1.2.2供电系统的安全可靠性方面存在的问题（1）传统的低压供电系统设计主要强调过载、短路保护，用来保护用电设备、供电线路不受损坏；3（2）当接用单相不平衡负荷时，联结组别为Y，yn0的配电变压器要求中性线电流不超过低压绕组额定电流的25%，因而严重地限制了接用单相负荷的容量，影响了变压器设备能力的充分发挥。按《配规》规定，低压为TN及TT系统时，宜选用联结组别为D，yn11的变压器。这种联结组别变压器的中性线电流允许达到相电流的75%以上，对于主要是单相负荷的住宅显得尤为重要。况且，D，yn11联结变压器比Y，yn0联结变压器更有利于抑制高次谐波和单相接地故障的切除；（3）总等电联结作为接地故障保护的重要电气安全措施之一，被广泛实施，《低规》和《防雷规》都有规定。但在某些建筑物内的变电所竟没有总等电位联结，这样难以防止变电所高压侧接地故障引起建筑物内低压用户的电气事故。（4）现代的电气系统中，漏电保护的作用非常重要，能有效的防止接地故障引起的人身电击和电气火灾，但当其选用或接线不正确时，会降低供电系统的可靠性与安全性。（5）《低规》规定，低压保护电器要切断短路故障电流，应满足短路条件下的动稳定和热稳定要求，还必须具备足够的通断能力。但有些变电所内未进行计算就选用微型断路器，而微型断路器的短路分断能力小于它所保护内的短路故障电流，发生故障时，非但不能保护故障线路，反而会因微型断路器的分断能力过小而引起微型断路器的爆炸，危及人身和其它电气设备线路的安全运行。同时规定低压配电系统上下级保护电器的动作应具有选择性，非重要负荷的保护电器可采用无选择切断。可是在许多变电所设计中，无论负荷重要与否，上下级均为非选择性塑壳断路器，也就无法保证保护电器的选择性。1.2.3综合防雷及电磁兼容设计的有关问题作为智能楼宇，电子设备和智能系统不断增加，防雷系统更不可少，然而普通楼宇防雷系统设计考虑不深，即使加强传统防雷，也只能保护建筑物本身，不能完全消除电网中由雷电引起的暂态过电压，感应雷电脉冲一般在千伏以上降低，不但不能对智能化电子设备起保护作用，反而有可能加大其损失。对于现代的智能楼宇，必须采取综合防雷方式，即在常规防雷基础上，针对建筑物、特殊用房和重要设备采取各种相应的防雷保护措施，确保建筑物和建筑物内所有保护对象的防雷安全。电子设备的广泛应用和发展，必然导致它们在其周围空间产生的电磁场电平的不断增加，也就是说，电子设备不可避免地在电磁环境（EME）中工作。因此，必须解决电子设备在电磁环境中的适应能力。电磁兼容性（EMC）技术是一门关于抗电磁干扰（EMI）影响的科学。目前，就世界范围来说，电磁兼容技术是一门迅速发展的交叉学科。电磁兼容的中心课题是研究控制和消除电磁干扰，使电子设备或系统与其它设备联系在一起4工作时，不引起设备或系统的任何部分的工作性能恶化或降低。一个设计理想的电子设备或系统应该既不辐射任何不希望的能量，又应该不受任何不希望有的能量的影响。但许多楼宇的电气设计对电磁兼容的问题并未引起足够的重视。1.3智能楼宇配电系统智能化的相关问题在普通楼宇中，一般都是采用人工操作、人工监控，这样不但不能及时的预见、减少电气事故的发生，也给管理带来了诸多不便，在当今，通讯与信息技术不断发展，人们对楼宇设计的要求标准也不断向智能化过渡。出现了住宅中各种通信、家电、安保设备等通过总线技术进行监视、控制与管理的智能楼宇建筑系统，这样不但能大大的减少楼宇监控人员，为楼宇管理员和业主提供方便，更加能预见事故的发生防范于未然。1.4本文所要研究的主要内容本文研究的重点是智能楼宇的配电系统设计和综合防雷设计，同时也有智能楼宇配电系统智能化管理的讨论研究。在配电系统设计中，主要讨论了电气负荷的计算和用电设备容量的选择，并提出进一步提高配电系统可靠性的措施。针对目前对于小康社会住宅的电气设计首先要考虑到人身安全，并且可靠、舒适、美观和利于发展的原则，还将探讨解决低压配电系统中出现漏电时的人身触电危险性及漏电引起火灾危险性的问题。对于系统的综合防雷，从拦截、屏蔽、均压、分流和接地五种方法上作了比较详细的分析，并对保证电子设备的电磁兼容性提出了适合的措施。楼宇智能化是人们对生存环境要求的一个质的转变。科技进步日新月异，综合国力竞争日趋激烈，现代化水平不断提高，用计算机完全上述各种管理与统计工作就显得十分重要，它能显著减少管理人员工作量和提高科学管理水平。5第二章智能楼宇配电系统的有关问题的研究随着我国经济的发展，居民对用电量的要求越来越高。家用电器从八十年代的黑白电视机、收音机、电风扇、洗衣机，到现在的大屏幕彩色电视机、DVD、微波炉、消毒柜、电脑、电热水器、空调等，有的家庭甚至拥有好几部空调。此外，一些大功率家用电器设备也逐步进入百姓家庭，比如电灶（即热式电热水器）、小型中央空调等。家用电器发展之迅猛，已大大超过人们对住户面积的要求，将来的发展速度更是难以预料。再加上我国人民生活水平的不断提高，对住宅的要求已由满足需要型向电气化、信息化、舒适化转变，作为建筑业的一个主要组成部分的电气设计在如何提高，满足时代的要求，也有了很大的发展。在传统的低压供电系统中主要强调过载、短路保护，其目的是保护用电设备、供电线路不受损坏。近年，已提出了人身安全的观点，住宅的电气设计首先是要考虑到人身的安全，并且可靠、舒适、美观和利于发展。要提高楼宇配电系统的安全可靠性，就必须科学合理的进行负荷计算，正确选择各类配电设备的容量。2.1负荷计算的有关问题2.1.1负荷计算及负荷计算的目的供电系统要能可靠地正常运行，就必须使其元件包括电力变压器、电器、电线电缆等满足负荷电流的要求，因此有必要对供电系统各环节的电力负荷进行统计计算。计算负荷又称需要负荷或最大负荷。是通过对已知用电设备组的设备容量进行统计计算求出的，用来按发热条件选择供电系统中各元件的最大负荷值。它是一个假想的持续性负荷，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30min的最大平均负荷作为按发热条件选择电力变压器、电器、导线及电缆的依据，并用来计算电压损失和功率损耗。如果计算负荷确定过大，将使设备和导线选择偏大，造成投资和有色金属的浪费；如果计算负荷确定过小，又将使设备和导线烧毁，造成事故。在工程上为了方便计算，亦可作为电能消耗及无功功率补偿的计算依据。尖峰电流是指单台或多台用电设备持续1～2S的短时最大负荷电流。一般取启动电流的周期分量作为计算电压损失、电压波动和电压下降以及选择熔断器和低压断路器及整定继电器保护装置等的依据。在校验瞬动元件时，还应考虑启动电流的非周期分量。电力负荷按其对供电可靠性的需求和意外中断供电所造成的损失和影响，分为一级、二级、三级负荷，在楼宇配电系统设计中，用以确定备用电源或应急电源。对于季节性负荷，从经济运行条件出发，用以考虑变压器的台数和容量。62.1.2负荷计算的方法1、需要系统法：需要系数的大小取决于用电设备组中设备的负荷率、平均效率、同时利用系数以及电源线路的效率等因素。实际上，人工操作的熟练程度、材料的供应、工具的质量也对需要系数的大小有影响。应用该方法求计算负荷时，用设备功率乘以需要系数和同时系数。这种方法比较简便，应用广泛，尤其适用于配、变电所的负荷计算。2、利用系数法：采用利用系数法求出最大负荷班的平均负荷，再考虑设备台数和功率差异的影响，乘以与有效台数有关的最大系数得出的计算负荷。这种方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，但因利用系数的实测与统计较难，在民用建筑电气设计中一般不采用。3、二项式法：在设备组容量之和的基础上，考虑若干容量最大设备的影响，采用经验系数进行加权平均计算负荷。4、单位面积功率法、单位指标法。负荷计算方法一般可按下列原则选取：1、方案设计阶段可采用单位指标法：在初步设计及施工图设计阶段，宜采用需要系数法，对于住宅,在设计的各个阶段均可采用单位指标法；2、电设备台数较多，各台设备容量相差不悬殊时，宜采用需要系数法，一般用于干线、配变电所的负荷计算；3、电设备台数较少，各台设备容量相差悬殊时，宜采用二项式法，一般用于支干线和配电屏（箱）的负荷计算。进行负荷计算时，需