Electrical Concept Verification Based on SIMARIS Design

韩愚拙

(中衡设计集团股份有限公司，江苏 苏州 215021)



Electrical Concept Verification Based on SIMARIS Design

基于SIMARIS design软件的电气方案校验

韩愚拙

(中衡设计集团股份有限公司，江苏 苏州 215021)

Taking a preliminary design of Science&Technology Park as an example,In this design are selected unit area power method and unit index method are chose to calculate the equipment load and the capacity of transformer, low-voltage cireuit breakers and cables are slected under rated operating conditions to determine the power distributing.For above scheme,the SIMARIS design software is used to make the module of this system and simulation, and discuss the rationality of the test,upper and lower coordination of breaker,short circuit breaking capacity.

SIMARIS design software， simulation， module， power distribution scheme

0 引言

随着现代项目体量的不断增大，电气设计的工作量也不断增加，在时间紧、任务重的前提下，精细的供配电系统校验及整定往往被简化甚至忽略，而SIMARIS design软件可以对配电系统进行快速建模和仿真，通过与设计顺序相反的建模顺序，可以很好地验证电气方案及各参数的合理性。

1 项目概述

本工程为无锡某科技园一期项目，总建筑面积27 409m2，拟建科研配套塔楼(公寓性质)2栋，面积共计10 680m2；研发办公塔楼(办公性质)2栋，面积共计10 472m2；四座塔楼共用裙房为配套商业用房，面积共计6 257m2。

2 供配电系统设计

2.1 负荷计算

在初步设计阶段，通常采用单位面积功率法和单位指标法估算整个项目的负荷容量。

单位面积法计算有功功率的公式为：

(1)

单位指标法计算有功功率的公式为：

(2)

根据业主需求并结合《工业与民用供配电设计手册》第一章内容可确定本工程的用电指标(见表1)。

表1 某科技园项目有功功率计算表

注：表中的需要系数参考《工业与民用供配电设计手册》表1～13取值。

根据江苏省电力公司规定，在变压器低压侧设置电容补偿后的功率因数应≥0.95，所以此处初步设计时不妨取cosφ=0.95，则本工程的计算负荷为：

(3)

考虑变压器运行的安全、可靠及经济性，取变压器负荷率为0.85，则本项目一期工程变压器安装容量为：

(4)

综上所述，本期工程拟设置2×1 250kVA变电所一座并预留后期变压器位置。

2.2 供配电系统

本工程科研配套塔楼、研发办公塔楼属于二类高层公共建筑，其中应急照明、消防水泵、防火卷帘、消防控制中心等消防负荷属二级负荷，采用双路供电并在末端自投；弱电中心、生活水泵、普通电梯、地下潜污泵、塔楼主要通道等的公共区域照明也属于二级负荷,采用双路供电；其余普通照明、普通动力等负荷属于三级负荷，采用单电源供电。本项目采用两路20kV进线供电，高压侧不设联络开关，平时每路电源各承担总用电负荷的50%左右，当任一路电源因故停电时，则通过0.4kV侧的联络开关将全部一、二级负荷交由另一路20kV电源。本项目的供电系统示意图如图1所示。

图1 供电系统示意图

2.3 变电所低压柜配置

各设备用房由变电所直配；裙房商业按区域设置计量总箱；两栋科研配套塔楼和两栋办公塔楼各配置1根630A三相五线制密集母线，并按楼层设置计量总箱，楼层计量箱直接从母线上插接取电；每栋塔楼设置一个普通照明配电箱、一个保障照明配电箱和一个应急照明配电箱。变电所TA1变压器低压柜1AN1～4分别为低压侧主进线柜、电容补偿柜(三相补偿280kvar)、电容补偿柜(单相分补160kvar)和母联柜；TA2变压器低压柜2AN1～3分别为低压侧主进线柜、电容补偿柜(三相补偿280kvar)、电容补偿柜(单相分补160kvar)。变压器TA1和TA2的出线柜为1AN5～1AN8和2AN4～1AN7，详细内容见表2～3。

3 基于 SIMARIS design的建模仿真

3.1 SIMARIS design软件简介

SIMARIS design是由西门子公司提供的一款专业电力系统设计及仿真软件，能设计从中压开始一直到墙壁开关插座的完整系统。整个设计环境全部基于真实的产品，并严格遵循所有相关标准(VDE, IEC)。同时，该软件提供配电网络计算功能(可以自由定义网络运行方式和开关状态)，内容包括短路电流、负荷电流、电压降、能量消耗的计算，且在网络计算过程中自动考虑了人身电击防护、过载和短路保护。

3.2 配电系统模型搭建

SIMARIS design系统内提供了丰富的组件，如果不计算时间成本，建模可以做到尽可能的接近实际情况，将每个末端点位、每个分配电箱、每根电缆的长度都体现在模型中，但这样的建模过程太过复杂，工作量较大，显然和本文所希望达到的目标相悖。

表2 变压器TA1出线柜参数明细

既然希望提高电气校验的效率，那么，在不牺牲太多精度的前提下，可以做如下简化：1)建模时只到变电所直配的第一级配电箱；2)所有配电箱采用“虚拟负荷”代替；3)所有配出电缆按照本工程内变电所至最远配电箱的距离考虑，取50m；4)将负荷特性都认为是阻抗性负载。

“虚拟负荷”是SIMARIS design中的一个模块，模块的设置如图2所示，仅设置每个直配配电箱总的有功功率及功率因数来代替末端配出的所有点位及分箱。此处规定照明负荷的需要系数取0.8，功率因数cosφ=0.85；动力负荷的需要系数取0.85，功率因数cosφ=0.7。

图2 虚拟负荷设置界面

根据上述规定，将表1及表2的参数用SIMARIS design系统内的模块进行组合，可构成了本项目的仿真模型(部分模型见图3)。

3.3 仿真结果分析

经过软件自动的配电网络选型计算可得整个网络的设备选型、各个节点的短路电流及开关的上下级配合关系。对于仿真结果与初步设计的对比可分为两类，一类是已验证了初步设计，另一类是与初步设计有所出入。

表3 变压器TA2出线柜参数明细

图3 部分仿真模型截图

图4 仿真结果中的变压器选型

1)得到仿真验证的初步设计

根据图4所示的变压器选型可知，初步设计中选择2×1 250kVA的变压器配置是合理的。

以SS1-1AN5-5出线回路断路器为例，图5为该出线断路器和变压器低压总断路器之间的保护选择性曲线图，可以看出，在变压器低压柜这一级，断路器上下级实现了完全选择性。

图5 断路器选择性曲线

通过一一对比仿真和初步设计参数后发现，大多数断路器整定值和电缆截面是吻合的。

以SS1-1AN5-5出线回路为例，图6为配电箱处电压损失的计算，笔者检查后发现，即便所有回路按照最远供电距离50m计算，各回路电压损失仍然能够控制在绝对值的5%以内。

图6 电压损失计算结果

2)经过验证产生出入的初步设计

根据仿真结果，变压器低压柜垂直母排处的短路电流为29.933kA，因此选用短路分断能力为55kA的塑壳断路器偏高，可改为选用36kA分断能力的塑壳断路器。

在对比仿真结果和初步设计时，笔者发现初步设计中所有截面积小于YJV-5×6mm2的电缆在仿真结果中都被改为YJV-5×10mm2，究其原因，笔者认为这是为了方便通过短路热稳定的校验。

低压电缆热稳定允许的最小截面积应按照式(5)计算。

(5)

式中，I为预期短路电流有效值(本文取29.933kA)；k为计算系数(本文取143)；t为短路电流持续时间(即短路分断时间，本文考虑上下级级差后取0.1s)。经过计算可知最小电缆截面积应>6.7mm2，应选择YJV-5×10mm2的线缆作为出线电缆。

SIMARIS design可将详细的仿真结果进行输出，整个仿真所做的计算参照的规范和标准会一一列出作为设计的可靠依据。

3.4 仿真误差分析

由于在仿真时力求便捷，在建模的条件上做了诸多简化，所以仿真的结果会存在一定的误差，此处笔者列举几处做定性分析，供大家讨论。

1)馈线电缆按照最远距离选择，会使得末端配电箱处的短路电流偏小，对末端微型断路器的短路分断能力的选择可能会造成困扰，针对本项目，笔者观察到末端配电箱处的短路电流在2～3.5kA范围内，那么选择常用的6kA分断能力的微型断路器仍然可在满足要求的前提下留有很大的余量。

2)大量使用虚拟负荷对于功率因数的计算会造成影响，尤其是对电动机负荷较多的工业项目，这种方式并不一定适用，但是对于公建项目来说该方式尚可接受。

4 结束语

本文结合笔者所做的某科技产业园项目的初步设计，利用西门子公司SIMARIS design软件对该初步设计进行建模仿真，通过对比并分析仿真结果与初步设计之间异同，达到对本初步设计进行电气校验的目的。笔者水平有限，仅在此提出一些思路供同行探讨，未尽事宜还望指教。

[1] JGJ 16-2008 民用建筑电气设计规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2008.

[2] 中国航空工业规划设计研究院. 工业与民用配电设计手册(第三版)[M]. 北京: 中国电力出版社, 2012.

[3] 葛大麟，戴天鹰，何友林. 西门子SIMARIS design工具软件及其在低压配电系统设计中的应用[J]. 电气应用，2007,26(3)：16-20.

[4] 张宗合，戴天鹰，何友林等. 西门子SIMARIS design工具软件及其在低压配电系统校核中的应用[J]. 低压电气，2007(18)：45-48.

Han Yuzhuo

以某科技园的初步设计为例，采用单位面积功率法和单位指标法进行对设备的负荷计算，确定变压器的容量；按照额定工作条件选择低压断路器及电缆，确定电气供配电方案。针对上述方案，利用SIMARIS design软件进行建模仿真，校验方案的合理性及断路器的上下级配合、短路分断能力等重要电气指标。

SIMARIS design软件 仿真 模型 电气供配电方案