科研实验楼电气设计浅谈

科研实验楼电气设计浅谈

廖广炎

工业和信息化部电子第五研究所 广州广东 510610

【摘要】科研实验楼是进行科学实验及研究工作的关键场地，因其内部实验室的功能不同，建设标准及工艺要求也不尽相同。对于供电可靠性、接地、电能质量、自控等电气设计要求较高，建设标准及复杂性高于普通办公写字楼。本文从科研实验楼方案设计、施工图设计阶段从电气设计角度方面进行探讨。

【关键词】科研实验楼；电气设计；实验室电气；独立接地

引言

科研实验楼在科技推广以及知识创新等多方面扮演着极为关键的角色，大量科技成果以及创新的思维形成均是依托其内部实验室的科研成果，而科研实验楼的顺利建设是科研单位自主创新水平以及核心竞争力得到提升有力的标志。

本人曾参与过高校、科研机构单位的科研实验楼改建、新建及改建工程，总结以往的工程经验，谈一谈科研实验楼在建设过程中，电气设计需要重视的方面和要点。

1、供配电系统

1.1 负荷分级

现行科研楼建设规范主要依据是《科学实验建筑设计规范》JGJ 91-2019、《生物安全实验室建筑技术规范》GB 50346—2011，部分实验室设计涉及前沿学科，设计人员在开展设计前应充分了解实验室分级、工艺需求及设备仪器厂家提供的技术文件资料，结合《供配电系统设计规范》GB50052-20合理确定负荷级别，保障科研实验的用电可靠性、安全性。如涉及生物实验安全实验室设计，根据实验室所处理对象的生物危害程度和采取的防护措施，把生物安全实验室分为四级，其中一级对生物安全隔离的要求最低，四级最高。生物安全实验室的分级见表1。

根据《生物安全实验室建筑技术规范》GB 50346—2011及《供配电系统设计规范》GB50052-2009将上述生物安全实验室的负荷级别划分，见表2。

表2生物实验室的负荷分级

生物实验室建设国家已有相应的建设标准作为指引，而部分专业性实验室现行建设标准为有待健全完善。在开展方案设计阶段，设计单位应尤其重视建设单位对各实验室的工艺提资，收集、分析、消化各专业的提资。而重视“工艺设计先开展、建设专业后配合”，把确保实验室使用功能放在首要位置。如按以往的设计模式“建筑方案——建筑机电设计——工艺设计”后期施工期间将出现诸多问题：楼层层高受限，工艺管道无法安装；电缆出线未考虑电缆沟出线，桥架安装过低；负荷等级分级错误，后期增加发电机容量等等一序列问题。所以设计人员在方案开展前期应重视工艺提资及设计同期介入，积极与建设单位、实验室科研管理工作人员交流，将工艺需求转化成设计图纸。

1.2 供电电源及供电方式

供电对生物安全实验室、环境可靠性实验室、分析检测样品实验室等非常重要，必须保证其用电的可靠性。根据《供配电系统设计规范》GB 50052—2009的规定，一级供电负荷要求两个独立供电电源， 或一个独立电源加备用发电设备。例如《生物安全实验室建筑技术规范》GB 50346—2004中的7.1.1 条对三级和四级生物实验室的供电电源做了如下规定：“三级生物安全实验室应按一级负荷供电，当按一级负荷供电有困难时，应设置不间断电源。四级生物安全实验室必须按一级负荷供电，并设置不间断电源和自备发电设备。”如某科研机构环境可靠性检测楼，二类高层，建筑面积约2.1万，10KV供电电源分别引自不同区域110KV电站，采用“一主一备”10KV结线方案，一路故障另外一路可以承担全部负荷。设置了一台发电机备用电源，供消防负荷及精密电镜实验室等确保负荷。

1.3 负荷计算

科研实验室的实验仪器设备繁多，具有单台机组容量大、实验仪器设备视科研生产需要，无固定工作运行时间、电压等级、电能质量要求不一等特点。在做负荷计算时，根据工艺提资要求，只是简单将用电功率负荷相加，势必将造成变压器容量增加、电缆、桥架等一序列电气安装工程建设成本增加，也给后期的实验室运行成本造成影响。所以在进行合理的负荷计算工作时，应根据实验室工艺用电提资，认真分析，研究，同时向建设单位或同类型的科研机构了解建设情况，如建筑面积、实验室工艺、变压器负载率、用电高峰期、计量要求、变压器安装容量等，经综合考虑及分析比较，估算出单位面积负荷指标、需要系数。根据以往收集各类型科研实验楼的信息及后期设计回访，统计了各类型科研实验楼的单位面积负荷指标（已考虑照明、空调负荷），供各设计人员参考，见表3。

表3 各类型科研实验楼单位面积负荷指标

对于设计类似环境可靠性实验室，实验设备单机组功率大，如采用电缆放射式供电则会造成低压配电房出线回路多，桥架选用规格大，造成后期实验室新增实验设备后，配电安装困难，难于兼顾后期实验室的发展，此种情况可以采用大电流低压母线槽作为干线配电，节省空间。

2、照明设计

实验室的照明设计既要满足实验科研人员的工作需求，又要考虑到特殊实验室对光照的要求及后期维护,因此实验室照明设计需根据各实验室的特点,选择适宜的光源、灯具、照度,同时注重节能和环保,提高照明质量。《科学实验建筑设计规范》JGJ 91-2019也规定工作面的平均照度应符合表 4的规定。

表4 科研实验建筑照度标准值

值得注意的还有，科学实验建筑用房一般照明的照度均匀度要大于 0. 7。采用分区一般照明时非实验区和走道的照度不宜低于实验区照度的1 /3 ～ 1 /5。采用一般照明加局部照明时一般照明不宜低于工作面总照度的 1 /3，宜不应低于 50 lx。实验室除暗室外，不宜用裸灯，通用实验室宜采用开启或带格栅直配光型灯具。

3、接地设计

实验室接地一般分为工作接地、保护接地、特殊防护接地和防雷接地。工作接地包括为保证要求接地的仪器设备稳定工作而设置的接地以及为交流和直流电源系统提供的接地；保护接地是为保障人身及设备安全而设置的接地，在绝缘损坏或漏电等故障条件下才发挥作用；特殊防护接地是为防护静电、防护电磁干扰等提供的接地，一般为独立接地网；防雷接地是为保证建筑物防雷装置可靠工作而设置的接地。

《科学实验室建筑设计规范》JGJ91-2019，第9.4.2规定: “实验室工作接地的接地电阻值，应按实验仪器、设备的具体要求确定。无特殊要求时，不宜大于4Ω。供电电源工作接地及保护接地的接地电阻值不应大于 4 Ω。实验室特殊防护接地电阻值按具体要求确定。防雷接地电阻值应符合现行的《建筑防雷设计规范》GB 50057的规定”。

《电业安全工作规程( 高压试验室部分)》DL560—1995的规定: “ 高压试验室( 场) 必须有良好的接地系统，以保证高压试验测量准确度和人身安全。接地电阻不超过0.5 Ω。试验设备的接地点与被试设备的接地点之间应有可靠的金属性连接。试验室( 场) 内所有的金属架构，固定的金属安全屏蔽遮( 栅) 栏均必须与接地网有牢固的连接。接地点应有明显可见的标志。

综上，实验室选用何种接地应视实验工艺决定，如科研实验楼为计量检测实验楼，内设高压绝缘检测实验室，则按《电业安全工作规程( 高压试验室部分)》DL560—1995，实验室接地电阻不超过0.5 Ω。在设计前应根据勘察报告，估算接地电阻值，如达不到设计接地电阻值，需采取一定的措施降低接地电阻。以广州为例，多为丘陵地区，土壤电阻率较高，因此在设计中经常需要采取有效的降阻措施。一般可采用的降阻方法有: 外引接地、深井接地、接地模块等。

4、谐波治理

在电容补偿柜处安装电抗器，抑制电容补偿器对特定次谐波的放大和限制涌流；在UPS、调光柜及大功率的变频设备等非线性谐波源处采取就地谐波治理措施，如设谐波抑制器、无源滤波器、线路电抗器等。并在变压器低压柜处预留有源滤波柜的安装条件。变压器绕组的连接组别选用Dyn11，抑制3次及其整数倍高次谐波。

5、节能环保措施

采用低损耗、高效节能型变压器，变配电站深入负荷中心。（1）采用带调谐功能的功率因数补偿措施，要求补偿后高压侧的功率因数不小于0.9，提高功率因数，降低无功损耗。（2）选用LED光源，增加灯具的寿命，减少照明耗电量。照明功率密度按《建筑照明设计规范》GB 50034—2013的照明功率密度目标值进行设计。（3）公共区、停车库照明的控制采用智能照明系统，按需求或分时段开/关照明灯具，减少不必要的照明用电。（4）在各功能分区设有远传功能的计量表，可实现能耗报表统计，优化管理。（5）按设备专业要求，部分电机采用电机变频调速技术，提高电机效率达到节能目的。

6、结束语

上述内容为笔者参与实验建筑物电气设计当中一些体会及思考。确保实验科研楼的电气设计质量，需要设计人员在项目开展前，认真分析各实验室需求，积极与建设单位沟通，相互协调、配合，才能减少项目后期变更并提升了实验科研楼的品质。

【参考文献】

JGJ91-2019 科学实验建筑设计规范[S]

GB 50346—2011 生物安全实验室建筑技术规范[S]

[3] GB 50052—2009 供配电系统设计规范[S]

[4] DL560—1995电业安全工作规程( 高压试验室部分) [S]

[5] GB 50034—2013 建筑照明设计规范[S]

[6]高小平 科学实验类建筑供配电设计应注意的问题［J］现代建筑电气