光电建筑一体化工程(电气)施工实施的理论探析

该文章虽讲述光电幕墙在电气施工实施的理论探析,但对于在光电建筑工程中的电气施工都有着指导意义和借鉴的价值,这是光电建筑应用中确保光伏系统的施工质量的根本。郑鸿生总工作为我们光电建筑应用技术专家组成员,这是他多年来在光电建筑施工上的经验和总结。希望施工设计人员能认真学习和参考。

光电建筑应用技术专家组

郑金峰

BIPV光电建筑一体化工程(电气)

施工实施的理论探析

郑鸿生

为了提高光电建筑一体化(电气)工程的施工质量,确保系统的正常运行,对施工工程进行相关的理论剖析和探讨。施工过程可分为光电建筑工程(电气)施工的规范和标准、施工组织设计、施工图的绘制、施工项目的实施。

1. 工程的施工必须严格执行国家有关的标准、规范的规定。光电建筑一体化工程(电气)施工可参考的规范和标准:

JGJ 16-2008《民用建筑电气设计规范》

GB 50016-2008《建筑设计防火规范》

GB 50057-1994(2000)《建筑物防雷设计规范》

IEC-346-5-52 《建筑物电气设备选择和布线系统安装》

ISO/IEC/IS1180 《国际标准化组织的布线标准》

GBJ232-1982《电气装置安装施工及验收规范》

GB50303-2002《建筑电气安装工程质量验收规范》

GB50093-2002《自动化仪表工程及验收规范》

GB50131-2007《自动化仪表工程施工质量验收》

GB 50217-94 《电力工程电缆设计规范》

GB 50054-95 《低压配电设计规范》

GB 12325-90 《电能质量 供电电压允许偏差》

GB/T 14549-93 《电能质量 公用电网谐波》

GB/T 15543-1995 《电能质量 三相电压允许不平衡度》

GB/T 15945-1995 《电能质量 电力系统频率允许偏差》

GB/T 12326-2000 《电能质量 电压波动和闪变》

GB/T 19939-2005 《光伏系统并网技术要求》

及《民用建筑光伏系统应用技术规范》

2. 光电建筑工程(电气)的施工组织设计

施工组织设计按编制的对象和范围的不同,可分为施工组织总设计、施工组织设计和施工方案三类。

施工组织总设计是以工程建设项目的大小为对象进行程序计划。可按图1-1 所示。

图1-2 单位工程施工组织设计图

施工组织设计是在施工组织总设计指导下,以一个具体单位工程为对象,在施工图纸到达后编制的,内容比施工组织总设计详细具体,单位工程施工组织设计可按图1-2所示。

图1-2  单位工程施工组织设计图

图1-2 单位工程施工组织设计图

施工方案是以单位工程中的一个分部工程、分项工程或一个专业工程为编制对象,内容比施工组织设计更为具体,简明扼要为原则,施工方案可按图1-3所示。

图1-3  部分工程施工组织设计或施工方案图

图1-3 部分工程施工组织设计或施工方案图

3. 光电建筑(电气)工程施工图的绘制

3.1 施工图的绘制要求

为了提高光电建筑(电气)系统的工程质量,必须首先做好光伏电气系统施工图的设计和绘制。

施工图的设计必须与幕墙结构密切配合,做好动力的预留、管线的预埋和预留,确保以后能顺利穿线和系统调试。方阵的布置设计要考虑建筑结构,合理的布线利于组件线缆的接驳。

施工图的绘制应认真执行绘图的规定,所有图形和符号都必须符合JGJ16-2008《名用建筑电气设计规范》的规定,不足部分应补充并加以说明。绘图要清晰整洁,字体规整,原则上要求书写宋体字,力图图纸简化,方便施工,详细而又不繁琐地表达设计意图。

绘制图纸要求主次分明,应突出路线敷设,电气元件和组件等为中实线,建筑轮廓为细实线,凡建筑物非光电方阵之外部分,均应标出名称,绘出主要轴线标号。

各类有关的方阵区域,应根据平面图明显标出。汇流箱的布置力求准确,动力配电柜安装的器件标出位置及标高。相同的平面,相同的方阵设计要求,可以绘制一层或单元一层平面,局部不同时,应按轴线绘制局部平面图。

比例尺的规定:尺寸宜采用1:100.如果面积很大,设备又较少,能表达清楚的话可采用1:200。

剖面图复杂的宜用1:20、1:30,甚至1:5,根据比例关系,视细小部分的清晰度而定。

施工图的设计说明要求语言简练、表达明确。凡在平面图上表示清楚的不必在说明中重复叙述,施工图未注明或属于共性的情况,以及图中表达不清楚者,均需加以补充说明。单项工程可以在首页图纸的右下方,图角的侧上方列举说明事项。如果一个系统、子项较多,属于统一性的问题,应编制总说明,排列在图纸的首页。

3.2 设计图纸的规定

(1) 光电建筑(光电)工程系统的总平面图。标出该系统在总建筑图中的位置,标出方阵、汇流箱、配电室的位置、连接线的走向、系统的接地等。

(2) 系统图。系统图确定以下内容:

○1 确定方阵的设备和器材的相互联系。

○2 确定逆变器、动力箱的功能、容量。

○3 确定所有主要设备满足订货的要求。

(3) 系统及分部的平面图。确定汇流箱、逆变器、动力箱的安装位置,注明标号,确立接驳线的走向、管线、线槽数量、规格,埋设方法及标高。

(4) 主要设备材料表。复杂部分安装的剖面图。

3.3 设计图纸的标注

设计图纸的标注图例符号应执行国家统一标准、规定,计量应用公制标准,不作滥行标注,以免混淆不清。标注语言力求简洁,原则上应采用宋体楷书、书写工整,不得潦草。以保证图面清晰,方便施工。一般按下列方法进行标注。

(1)平面图结构曲角变化复杂,应用细线标注轴线编号。建筑轮廓不应过粗,标注位置应选择恰当,不要过度集中。平面图上不同电压线路并列时,应以粗细线严格分精,并分别标注清楚。

(2)在平面上的布线应注明极性、电压等级、导线规格型号、根数、保护管类别、管径、外围尺寸及安装高度等。

(3)各种管型的标注如下(管径均按公称直径):

○1 金属管一律用“G”表示,管径为:15、20、25、32、40、50、70、80、100

○2 硬质塑料管用“VG”表示,管径为:16、20、25、32、40、50、63、75、100

○3 半硬塑料管用“SG”表示,管径为:16、20、25、32、40、50

○4 软塑料管(绝缘套管)用“RG”表示,管径为:16、18、20、22、25、28、30、36、40

○5 PVC波纹管用“BG”表示,管径为:11、13、20、25、32、40、50、80、100

○6 镀锌线槽用“XC”表示,U形尺寸为25×15、35×50、50×70、50×80、100×150、100×200、150×200、150×250

○7 在标注以上各类管型时,凡单项工程中,采用了同一类型是,则在平面图上可以省略,标注不重复。如局部采用不同类,可局部分别标注,如全部采用同一类型管形则在图底说明中加以说明。

(4)动力箱、板的标注供电类别在平面图配电箱、板位置附近的明

显空隙处分别标注。配电箱进出线如图。

1-4 配电箱进出线

1-4 配电箱进出线

4.施工项目的实施

4.1 工程(电气)质量管理

光电工程质量管理要执行ISO9001系统工程质量体系,要贯穿在光电系统的整个工程实施过程中,为保证系统高质量的环节时,要确切做好质量控制、质量检验和质量评定。

质量管理要抓好以下环节:

 施工图的规范化和制图的质量标准;

 管线施工的质量检查和监督;

 配线规格的审查和质量要求;

 配线施工的质量检查和监督;

 现场设备和前端设备的质量检查和监督;

 主控设备的质量检查和监督;

 智能采集系统的监控;

 调整大纲的审核和实施及质量监督;

 系统运行时的参数统计和质量分析;

 系统验收的质量标准;

 系统操作与运行管理的规范和要求;

 系统的保养和维修的规范和要求;

 年检的记录和系统运行总结等。

4.2 光电建筑(电气)工程施工验收规则:

为了提高光电建筑工程的施工质量,确保系统正常运行,做到技术先进、经济合理、可靠和安装维护方便,光电工程要按照施工图纸和安装使用书的规定进行。光电建筑工程的系统电源:光电建筑工程的系统组成包括直流供电方式、交流逆变并网方式和带蓄电能的交流逆变方式。

4.3 光电建筑电气线路敷设的规定

(1)电气线路敷设的一般规定:

1)电缆敷设前,用直流500V绝缘电阻表测量绝缘电阻,其中阻值不应小于5 mΩ。

2) 线路不应敷设在影响操作、妨碍设备检修、运输和运行的位置,应按最短途径集中敷设,横平竖直、整齐美观、不宜交叉(线槽布线除外)。

3)线路周围环境温度超过65℃时,应采取隔热、防水、防火措施。

4)线路与绝热的工艺设备、管道绝热层表面之间的距离应大于200 mm,与其他工艺设备、管道表面之间的距离应大于150 mm。

5)线路不应该平行敷设在高温工艺设备、管道的上方和具有腐蚀性液体介质的工艺设备、管道的下方。

6)线路的终端接线处以及经过建筑物的伸缩和沉降缝处,应留有适当的余度。线缆不应有中间接头,当无法避免时,应在分线箱或接线盒内接线,接头宜采用压接。当采用焊接时应用无腐蚀性的焊药。补偿导线宜采用压接,同轴电缆应采用专用接头。

7)线路敷设完毕,应进行接线及编号,并测量绝缘电阻,测量线路绝缘时,必须将已连接上的设备及元件断开。

(2)线槽敷设规定:

1)线槽需要平整、内部光洁、无毛刺、加工尺寸准确。线槽采用焊接连接时应牢固,不应有显著变形。

2)线槽采用螺栓连接或固定时,宜用平滑的半圆头螺栓,螺母应在线槽外侧,固定应牢固。

3)线槽的安装应横平竖直,排列整齐。垂直排列的汇线槽拐弯时,其弯曲弧度应一致。线槽安装在工艺管架上时,宜在工艺管道的侧面或上方。

4)线槽拐直角弯时,其最小的弯曲半径不应小于槽内最粗电缆外径的10倍。槽与槽之间,槽与倍表盘之间、槽与盖之间的接驳处,应对合严密。

 线槽的长度超过50 mm时,宜采取热膨胀补偿措施,线槽应有排水孔。

 线柄内直接引出电缆时,应用机械加工方法开孔,并采用合适的护圈保护电缆。

(3)电线管敷设规定:

1)电线宜穿保护管敷设,保护管的内部应清洁、无毛刺、管口应光滑、无锐边。

2)电线管弯制时,角度不应小于90°,弯曲处不应有凹陷、裂缝和明显的弯偏。

3)电线管的直径长度超过30m或弯曲角度的总和超过270°时,要在其中加装接地盒。

4)电线管的两端管口应带线箍或打成喇叭形。

5)金属管的连接方式:敷设时采用螺纹连接,管端螺纹长度不应小于管接头的1/2;预设时采用套管焊接,管子的对口处应处于套管的中心位置,焊接应牢固,焊口应严密,并作防腐处理。

6)电线管与检测元件或接地设备之间,应用金属软管连接,并有防水弯。与分线箱、接线盒等连接时应密封,并用锁紧螺母将管固定牢固。防水达到IP 65或以上。

7)电线管的预设应选最短途敷设,离表面的净距离不应小于15mm。电线管应排列整齐,固定牢固。

8) 电线管穿墙时,两端自延伸出墙面的长度不大于30mm,穿过楼板时,电线管要高出楼板1mm。

9)埋设的电线管引出地面时,管口要高出地面200mm,当从地下引入落地式仪表盘时,要高出盘(箱)内地面50mm。

10)在户外和潮湿场所敷设的保护管,引入分线箱或仪表盘(箱)时,要从底部进入。接线盒和分线箱要密封,分线箱应标明编号。

(4)电缆敷设规定:

1)电缆敷设时要合理安排,不宜交叉,防止电缆之间及电缆与其他硬物体之间的摩擦。

2)电缆敷设时的环境温度不应低于-7℃,多芯电缆的完全半径不应小于其外径的6倍。

3)在同一线槽内的不同信号、不同电压等级的电缆,应分类布置;对于交流电源线路和连锁线路,应用隔板及无屏蔽的信号路线隔开敷设。

4)直流电缆线、信号电缆线与电力电缆线交叉敷设时,要成直角,当平行敷设时,其相互间的距离应符合设计规定。

5)数条线槽垂直分成安装时,电缆按照从上到下的顺序排列;仪表信号路线、安装连锁线路、交流和直流供电线路。

6)信号线路、供电线路、连锁线路要分别采用各自的保护管。

7)电缆沿支架或线槽内敷设时规定如下:当电缆倾斜度超过45°或垂直排列时,固定在每一个支架上;当不超过45°且水平排列时,在每隔1-2个支架上固定;在引入仪表盘前300-400mm处固定;在引入接线盒及分线箱前150-300mm处固定。

8)组件安装完毕,进行电力接驳前,应先对组件的向光面用遮光布盖起。待调试时再揭开盖布。

4.4 动力箱安装的相关规定:

1)动力箱二次控制系统规定

a. 继电器、接触器和开关应动作灵活,接触紧密,无锈蚀。

b. 紧固件、接线端子应完好无损且无污物和锈蚀。

c. 设备的附件齐全,性能符合安装使用说明书的规定。

2)动力箱安装规定:

a. 动力箱及设备的安装应该牢固、整齐、美观,端子编号、用途标牌及其他标志应完整无缺,书写正确清楚。

b. 配电箱内安装的供电设备其裸露带电体之间或其他裸露导电体之间的距离应不小于4mm。

c. 动力箱安装在混凝土墙、柱或基础上时,采用膨胀螺栓固定,箱体中心距离地面的高度宜为1.3-1.5m;成排安装的配电箱应排列整齐。

d. 蓄电池及直流控制器、安装完毕,要检查其自动切换装置的可靠性,切换电压值应符合设计规定。

e. 逆变器在使用前应检查其电器特性,电压波动值应符合安装使用说明书的规定;电压值应符合安装使用说明书的规定。

f. 供电设备的带皮部分与金属外壳间和绝缘电阻,用500V兆欧表测量时,应不小于5mΩ。

4.5 光伏建筑(电气)系统接地的规定

(1)光伏设备接地规定:

1)直流电源、汇流箱、中间接驳箱的机架、机壳、连接电缆的金属护套和屏蔽层。

2)交流配电屏、逆变器等供电设备的外露导电部分;直接配电屏的外露导电部分。

3)电缆、架空线路、放电器、避雷器等

4)光伏设备的工作接地,一般要求单独设备,也可与建筑物内变压器的工作接地共用一个接地装置,这样必须通过绝缘的专用接地线与接地装置相连。

5)光伏设备采用共同接地装置时,其接地电阻应不大于1Ω,宜用两根截面不小于25mm2 的铜芯绝缘线穿管敷设到共同接地极上。当采用基础钢筋作为共同接地极时,连接处应有铜铁过渡接头。

(2)数据处理设备接地的规定:

1)数据处理设备的接地电阻一般为4Ω,当与交流工频接地和防雷接地合用时,接地电阻为1Ω。

2)直流工作接地与交流工作接地不采用共同接地时,两者之间的电位差不应超过0.5V,以免产生干扰。

3)直流工作接地的引下线应采用多芯铜导线,截面不小于35 mm2,当改善信号的工作条件时,采用多股铜绞线。

4)数据处理设备泄露电流10 mA以上时,主机室内的金属体应相互连接成一体,连接线可采用6 mm2 的铜导线或25mm×4mm镀锌扁钢,并进行接地,接地电阻不大于4Ω。

4.6 接地装置

(1)埋于土壤中的人工垂直接地体宜采用角钢、钢管及圆钢;埋于土壤中的人工水平接地体宜采用扁钢或圆钢。圆钢直径不小于10mm;扁钢截面不应小于100 mm2,其厚不应小于4mm;角钢厚度不应小于4mm;钢管壁厚不应小于3.5mm。

(2)人工接地体在土壤中的埋设深度不应小于0.5m,接地体应远离由于砖窑、烟道等高温影响使土壤电阻率升高的地方。

(3)人工垂直接地体的长度宜为2.5m, 人工垂直接地体间的距离及人工水平接地体间的距离宜为5m,当受地方限制时可适当减少。

(4)在高土壤电阻率地区,降低防直击雷接地装置接地电阻宜采用下列方法:

1)采用多支线外引接地装置,外引长度不应大于有效长度,有效长度应符合相关规范的规定。

2)接地体埋于较深的低电阻率土壤中。

3)采用降阻剂。

4)换上。

(5)防止击雷的人工接地体距建筑物出入口或人行道不应小于3m,当小于3m时应采取下列措施之一。

1)水平接地体局部深埋不应小于1m。

2)水平接地体局部应包绝缘物,可采用50—80mm厚的沥青层。

3)采用沥青碎石地面或在接地体上面敷设50—80mm 厚的沥青层,其宽度应超过接地体2m。

(6)埋在土壤中的接地装置,其连接应采用焊接,并在焊接处做防腐处理。

4.7 接闪器布置

光伏建筑(电气)系统进行布置接闪器时,根据设计需要,单独或任意组合采用滚球法、避雷网。

滚球法是以hr为半径的一个球体,沿需要防止击雷时的部位滚动,当球体只能触及接闪器(包括被利用作为接闪器的金属物),或只触及接闪器和地面(包括与大地接触并能承受雷击的金属物),而不触及需要保护的部位时,则该部分就得到接闪器的保护。

4.8 防雷接地工程质量要求

防雷接地工程的施工安装质量要符合GB50303-2002《建筑电气工程施工质量验收规范》的规定。主要有:

1)接地装置的施工安装质量。

2)接地电阻值。

3)防雷接地的人工接地装置的接地干线埋设施工安装质量。

4)接地模块的埋设深度、间距和基坑尺寸。

5)接地装置埋设深度、间距搭接长度和防腐措施。

6)接地装置的材质和最小允许规格、尺寸。

7)接地模块与干线的连接施工安装质量。

8)避雷针施工安装质量。

9)避雷网施工安装质量。

10)防雷引下线施工安装质量。

11)支架施工安装质量。

12)接地体施工安装质量。

13)接地干线施工安装质量

附件1 光伏建筑(电气)系统一般的计算方法

1. 根据建筑设计的双玻璃组件的形式、规格、安装位置及安装面积。

2. 根据实际的安装面积确定光伏系统总容量。

3. 根据系统容量、负荷性质及并网电压确定逆变器的形式及数量。

4. 根据逆变器的额定直流工作电压及最大功率跟踪控制范围,结合双玻组件的最大输出工作电压确定双玻璃组件的串联数:

Nn = [Ub/Umax]×θ

式中,Nn :双玻组件的串联数(个);

Ub :逆变器额定直流工作电压(V);

Umax:双玻璃组件最大输出工作电压(V);

θ:根据当地气象条件及安装角度取合适的系数。

5. 根据逆变器的额定容量及串联双玻组件的容量确定双玻璃组件的并联数:

Np = [Pb/Pmax ×Nn]×θ

式中,Np :双玻组件的并联数(个);

Pb:逆变器额定容量(W);

Pmax:单块双玻璃组件最大输出功率(W);

Nn :双玻璃组件串联数(个);

θ:根据当地气象条件及安装角度取合适的系数。

6. 根据光伏系统总容量及单台逆变器额定容量,确定逆变器的个数

N = [P总/Pb]×ηb

式中,N :逆变器的数量(个);

P总:光伏系统总容量(W);

Pb:单台逆变器额定容量(W);

ηb :单台逆变器的有效转换系数;

7. 并网光伏系统的最小输出功率可按如下估算:

Pmin = PZ×(1-Lod) ×ηb×ηp

式中,Pmin——并网光伏系统的最小输出功率(W);

Pz——并网光伏系统的总装机容量(W);

Lod——系统直流损耗(%);

ηb——逆变器的直流/交流转换效率(%);

ηp——并网光伏系统组成后效率(%)。

附件2 光电建筑(电气)系统并网性能需达到指标

1. 电能质量

1.1 工作电压和效率

为了使交流负载正常工作,并网光伏系统的电压和频率应与电网相匹配。电网电压三相为380V,单相为220V,额定频率为50HZ。

正常运行时,电网公共连接点(PPC)处的电压允许偏差应符合GB 123525-2003。 三相电压的允许偏差为额定电压的±7%,单相电压的允许偏差为额定电压的+7%、-10%。并网光伏系统应与电网同步运行。电网额定频率为50HZ,光伏系统的频率允许偏差应符合GB/T 15945-1995, 即偏差值允许±0.5 HZ。频率工作范围应在49.5 HZ¬¬¬—50.5 HZ之间。

1.2 电压波动和闪变

当光伏系统并网工作时,在电网接口处测量电网电压的波动和闪变。按照GB 12326-2000规定进行。

1.3 电压和电流畸变率

并网光伏系统在运行时不应造成电网电压形成过度的畸变,和/或导致注入电网过度的谐波电流。在5%和100%额定输出时电流总谐波畸变率限值为5%,由于电压畸变会导致更严重的电流畸变,满足电流谐波要求的逆变器应视为符合条件,不需要做进一步的电压谐波测试。

1.4 功率因数

光伏系统的平均功率因数在50%额定输出时应不小于0.85,在100%额定输出时应不小于0.9(对功率因数的要求不要与GB/T 19939-2005矛盾)。

1.5 电压不平衡度(仅对三相输出做规定)

光伏系统并网运行时,三相电压不平衡度指标应满足GB/T 15543-1995规定,即电网公共连接点(PCC)处的三相电压允许不平衡度允许值为2%,短时不得超过4%。

2. 电网保护功能

2.1 过/欠电压保护

当并网光伏系统电网接口处电压超出规定电压范围时,过/欠电压保护应在0.2—2秒内动作将光伏系统与电网断开。具体要求列于表1.

表1 异常电压的响应

表1 异常电压的响应

2.2 过/欠频率

当并网光伏系统电网接口处频率超出规定的频率范围时,过/欠频率保护应在0.2—2秒内动作将光伏系统与电网断开。

2.3 防孤岛效应

当并网光伏系统的电网失压时,必须在规定的时限内将该光伏系

统与电网断开,防止出现孤岛效应。防孤岛效应保护应在2秒内动作将光伏系统与电网断开。

2.4 电网恢复

由于超限导致光伏系统离网后,光伏系统应保持离网,直到电网恢复到允许的电压和效率范围后20秒到5min以上才可再并网。

2.5 短路保护

光伏系统对电网应设置短路保护,电网短路时,逆变器的过电流应不大于额定电流的150%, 并在0.1秒以内将光伏系统与电网断开。

2.6 逆向功率保护

对无逆潮流光伏并网发电系统,应当在供电变压器的次级(低压侧)加装逆向电流检测装置。当变压器次级出现光伏系统额定输出5%的逆向电流时,并网光伏系统应在0.5—2秒内停止工作,或将光伏系统与电网断开。

2.7系统设置与接地

并网光伏系统的系统接线和设备配置应符合低压电力系统设计规范和太阳能光伏系统的设计规范。

并网光伏系统与电网在联接处应有明显的带有标志的可视断开点,应通过变压器等进行电气隔离。

2.8 防雷接地

太阳电池方阵如建立在屋(楼)顶部,其建筑物必须有可靠的防雷措施(避雷针、接地网)。

2.9 绝缘性能

2.9.1 绝缘电阻

太阳电池方阵、接线箱、逆变器、保护装置的主回路与地(外壳)之间的用DC1000V欧姆表测量绝缘电阻应小于1MΩ。

2.9.2 绝缘耐压

太阳电池方阵、接线箱、逆变器、保护装置的主回路与地(外壳)之间应能承受AC2000V,1分钟工频交流耐压,无闪络、无击穿想象。

2.10 起动/停止特性

并网光伏系统的起动和停止,应符合设计的功率(电压)值并经一定延时确定后动作,防止出现频繁起动和停止现象。

2.11 交流电压跟踪

当电网电压和频率在设定范围内变化时,并网光伏系统的输出应可跟踪电网电压和频率的变化,稳定运行。交流输出功率,交流输出电流(高次谐波),功率因数应符合设计值。

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