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建筑电气施工中低压配电系统设计与实现

2025-03-17 54 上传者：管理员

摘要：低压配电系统需要保障供电安全、提高系统能效、满足动态负荷需求。现代建筑功能复杂，用电需求多样化且波动明显，对低压配电系统提出智能化和高可靠性的技术要求。文中基于实际应用需求，提出并实现一种低压配电系统设计方案，从配电结构确定、线路布置、保护系统设置到智能控制实现，构建满足多功能建筑需求的分级放射式架构。结合实际案例验证了该设计在供电可靠性、负荷调节能力、电能质量及系统能效上的优越性，展示智能控制算法与优化线路设计在复杂负荷条件下的技术优势，为低压配电系统的工程实施提供可借鉴的设计方案。

关键词：
低压配电系统
保护系统设计
建筑电气
智能控制
负荷调节
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建筑电气系统是现代建筑的重要组成部分,其中低压配电系统作为电力分配的核心环节,承担着供电保障､能耗管理和设备保护的多重任务｡随着建筑类型的多样化以及用电需求的复杂化,低压配电系统设计需要满足负荷分配的精准性,还需符合绿色节能和智能化发展的趋势[1]｡智能化技术的普及使配电系统从单纯的电力分配功能逐步转变为具备监控和调节能力的综合管理平台[2]｡在具体工程实施中,低压配电系统的设计方案往往需要在复杂的施工条件下完成落地,对实际施工提出更高要求[3]｡本文基于建筑电气施工的实际需求,分析低压配电系统的设计原则与实施步骤,并结合工程案例,探讨设计与施工的关键技术问题,为行业技术优化提供参考｡

1、项目概况

某综合性高层建筑总建筑面积约12万m2,包含办公区､商场区和地下停车场三大功能区域,具有复杂的用电需求｡建筑采用10kV高压进线,经两台1250kVA干式变压器降压至380V低压配电系统｡办公区以照明､计算机设备和集中空调为主要负荷,商场区负荷集中于扶梯､电梯和冷冻设备,停车场则覆盖充电桩､排风机和排水泵等设备,负荷波动显著且动态需求强烈｡整体负荷分布表现为多功能､多类型和时段集中,给低压配电系统的设计带来多样化技术挑战｡

2、建筑电气施工中低压配电系统设计

2.1配电结构确定

低压配电系统设计采用分级放射式配电结构,结合负荷特点划分为一级､二级和三级配电,实现层次化管理｡如图1所示,一级配电以干式变压器为核心,低压侧输出额定电压为380V,主开关设备选用空气断路器(ACB),通过母线槽连接至二级配电设备,变压器容量根据负荷计算选择,并设置10%的裕量｡二级配电由低压配电柜组成,主开关选用塑壳断路器(MCCR),分支开关参数依据负荷计算确定,配电柜按功能划分为动力与照明单元,内部布线进行分区隔离,桥架与竖井结合完成电缆敷设,宽度和层数根据电缆数量和截面积计算[4]｡三级配电负责末端分支控制,采用微型断路器(MCB)保护,每条分支线路配置剩余电流保护器以切断漏电和过流,末端负荷点设置分路配电箱,通过分支电缆与二级配电柜连接,覆盖建筑全区域电力需求｡设计充分考虑设备的兼容性与扩展性,开关设备满足分级保护需求,电缆和设备布置严格遵循层次化原则｡

2.2配电线路布置

配电线路从二级配电柜延伸至各负荷点,采用分支布置方式,以满足动力和照明需求为核心设计原则｡如图2所示,主干线路从低压开关柜输出,经空气断路器连接至二级配电柜,电缆选用耐火型铜芯电缆,截面积依据负荷电流密度和压降要求确定｡主干线路敷设采用金属桥架水平布置,桥架宽度和层数根据电缆截面积及密度计算,支架采用镀锌钢材,每隔1.5m固定一次,保障线路稳定性｡从二级配电柜引出的分支线路按照负荷分区布置,施工电梯回路选用BX-3×25+2电缆,塔吊和照明回路分别选用BV-3×16+2和BX-3×6电缆,各回路配置塑壳断路器,额定电流在40A至160A范围内,根据负荷需求逐一设定｡电缆敷设路径严格按照施工环境规划,动力电缆与弱电线路分离敷设,分支线路穿金属管敷设以增强防护性能[5]｡末端负荷点配电箱采用分路设计,负荷点独立布线并清晰编号,终端接头使用耐高温､防潮型接线端子,降低接触电阻,提升运行可靠性｡

图1配电系统的整体结构

图2二级配电线路布置示意图

2.3保护系统设置

保护系统设计以接地保护为核心,结合施工环境进行布置｡主干线路的PE线连接电气设备的外露导电部分,形成保护回路｡接地装置采用TN-S系统,接地电阻值控制在1Ω以内,接地线与中性线在电源端严格分离,故障电流回路独立运行[6]｡电缆桥架全长不大于30m时,应至少有2处与保护导体可靠连接;全长大于30m时,每隔20m至30m应增加一个连接点｡起始端和终点端均应可靠接地｡连接方式应在支吊架上焊接螺栓,并与电缆桥架主体采用两端压接铜鼻子的铜绞线跨接,跨接线的最小截面积应不小于4mm2｡每台设备配置独立接地端子,接地点采用螺栓连接以增强电气和机械强度｡配电柜内部安装剩余电流动作保护装置,动作电流设定为30mA,用于支路保护｡设备间的接地干线采用BV-16铜芯电缆,沿桥架铺设并按竖井方向固定,干线末端与人工接地网可靠连接｡接地网由热镀锌角钢或圆钢组成,埋设深度不少于0.8m,布置于配电室附近｡设备运行前进行接地连续性测试,记录接地电阻值并与设计值核对｡图3展示了保护接地的连接关系与外露导电部分的设计,形成协调的保护体系,满足安全需求｡

图3低压配电系统接地保护示意图

2.4智能控制实现

本文实施集中监控与分布式执行的架构设计,主控设备为PLC控制器,布置于配电室内,与配电柜和末端智能断路器形成上下联动关系｡PLC借助工业总线与各监测模块通信,采用Modbus协议进行数据交互,完成电压､电流､功率等实时数据的采集与上传[7]｡如图4所示,PLC控制器通过输入接口模块与外部设备连接,通过输出接口模块控制配电回路的开关状态｡整个系统的监控数据经过CPU单元处理,并利用通信接口与扩展设备进行信息交互和数据记录｡控制逻辑基于实时负荷变化,采用PID调节模型实现对各回路的精确控制｡

图4PLC智能控制系统架构

控制逻辑以负载动态分配为核心,基于负荷变化情况调整配电回路的开关状态,设定响应阈值函数见式(1):

其中,S(t)为系统实时负荷比;Pi(t)为第i个负载的瞬时功率;Pmax为系统总功率容量｡PLC实时计算S(t)并将信号传递至智能断路器,当S(t)>0.85时触发优先级最低的回路限载操作｡各分支回路的断路器配备智能传感器模块,具备漏电､过载和短路检测功能｡控制算法采用PID调节模型,输入误差为系统目标电压与实际电压的差值,输出控制信号为断路器分合状态,控制公式见式(2):

其中,e(t)为电压误差;Kp,Ki,Kd分别为比例､积分和微分系数;τ为用来遍历误差信号e(τ)的时间变量｡智能断路器借助该模型稳定分支电压,保证负荷侧的电压偏差控制在±5%以内｡布线采用环网结构,控制信号双向传输,数据中心实时接收并记录监测数据,数据保存周期为30d｡各分支设备编号与位置对应,便于后续维护和优化调整｡

3、效果分析

以传统放射式配电系统作为对比对象,选取供电可靠性､负荷调节能力､电能质量和系统能效四个维度进行评估,验证本文系统设计带来的改善效果｡实验数据采集周期为1年,实时记录数据,得到如表1所示的实验结果｡

表1效果对比

结果表明,本文设计在供电可靠性方面表现显著优于传统设计,故障恢复时间从传统设计的26.58min减少至6.81min,得益于智能控制算法对故障定位和动态分配的快速响应功能,结合保护系统中剩余电流动作装置的优化配置,实现故障状态下回路的及时切断与恢复;负载分配误差降低至4.26%,相比传统设计的17.44%大幅改善,动态分配算法基于实时负荷计算,结合分支回路智能断路器的分级调节功能,使分配精度显著提高｡末端电压偏差从5.39%降至2.37%,反映PID调节模型在动态负荷变化中的稳定电压功能,末端配电箱独立回路设计进一步消除分支线路干扰对电压的影响;系统能效分析显示,线路损耗减少34.74%,主干线路和分支线路的截面优化设计､耐火铜芯电缆的选用,以及线路路径的合理规划共同降低传输损耗｡4结语本文基于建筑电气施工中低压配电系统的复杂需求,提出系统性解决方案,实验结果表明,本文设计多指标上均显著优于传统方案｡借助动态分配算法､智能保护装置及高效线路设计等技术手段,低压配电系统在复杂负荷条件下展现出卓越性能,为现代建筑电气系统设计与实施提供参考价值｡

参考文献:

[1]关文,向勋.建筑电气低压配电设计中各种接地系统分析[J].中文科技期刊数据库(文摘版)工程技术,2024(5):84-87.

[2]王俊.建筑电气设计中低压配电系统的研究[J].中文科技期刊数据库(全文版)工程技术,2024(8):50-53.

[3]杨兴盛.10kV变电所及低压配电系统设计研究[J].中州建设,2024(4):20-22.

4]石世勇.盾构机低压配电结构及应用分析[J].中文科技期刊数据库(引文版)工程技术,2024(10):180-183.

[5]靳兆宇.低压配电线路故障的原因分析及防范措施[J].通讯世界,2024,31(10):118-120.

[6]黄助星,谭育同.供电系统低压配电保护电器的选择[J].中文科技期刊数据库(全文版)工程技术,2024(3):180-185.

[7]卢阳.智能低压配电管理系统控制模块的研究及其实现[J].中文科技期刊数据库(全文版)工程技术,2024(1):35-38.

文章来源:叶庭乔.建筑电气施工中低压配电系统设计与实现[J].山西建筑,2025,51(07):105-107.