电气工程设计的内容

电气工程设计范围很广泛，它包括发配电系统、输变电系统、变配电系统、电力、照明、防雷、接地、自动控制和弱电部分的有线广播、有线通信、电气消防、保安监控系统等。

9.3.1 设计过程的三个阶段

对于投资规模较大、技术要求高、工艺复杂的大中型工业项目或大型民用建筑工程项目设计通常分为初步设计、技术设计和施工设计三个阶段，也有分为方案设计、初步设计和施工设计三个阶段。对于中小型工程项目或虽然投资较大但工艺较成熟、技术要求不是太高的项目，一般采取初步设计（或扩大初步设计）和施工设计两个阶段。对于规模较小的工程项目，且经技术论证认可的，可直接进入施工设计阶段。

1.方案设计（又称可行性研究报告）

方案设计是基本建设前期工作的重要内容，是项目决策阶段的设计程序之一。方案设计是在项目决策前对建设项目在技术经济上，以及其他方面的可行与否，多个实施方案的对比选择作最终的研究论证，是建设项目投资决策的依据。

（1）设计的步骤。工程项目的建设申请得到批准后，即进入可行性研究阶段。首先选定工程位置，并研讨建设规模、组织定员、环境保护、工程进度、必要的节能措施、经济效益分析及负荷率计算等。其次，要收集气象地质资料、用电负荷情况（容量、特点和分布），地理环境条件等与修建有关的重要资料。并和涉及的有关部门或个人（如电管部门、跨越对象、修建时占用土地等）协商解决具体问题，并取得这些主管部门等的同意文件。设计人员还应提出设想的主结线方案、各级电压出线路数和走向、平面布置等内容，并进行比较和选择。联合其他专业，将上述问题和解决办法等内容拟出“可行性研究报告”，还需协助有关部门编制“设计任务书”。对于规模较小、投资不大的供电设计项目，上述过程也可从简、从略。

（2）达到的要求。根据工程项目的要求，提出技术上先进、可靠，经济上合理的方案，并根据遴选确定的方案编写初步设计文件。初步设计阶段的内容和要求应满足：①计算工程项目的最大用电容量和电能需求量；②确定供电系统方案；③根据供电方案选择主要电气设备和线路器材清单，以满足订货需要；④编写设计说明书；⑤绘制供电系统的总体布置图、主电路图和变配电所的平面布置图等；⑥编制工程概算、控制工程投资额。

2.初步设计（又称扩初设计）

初步设计是基本建设前期工作的重要组成部分，是工程建设设计程序中的重要阶段，是项目决策后，根据设计任务书的要求和有关设计基础资料所作出的具体实施方案初稿。当项目无方案设计阶段，此初步设计为扩大了的初步设计（包含方案设计），简称扩初设计。一般初步设计占整个电气工程设计工作量的30％～40％（施工图设计占50％～60％）。如果说施工图是躯体，则初步设计是灵魂。经批准的初步设计（含概算书）是工程施工图设计的依据。

1）设计的步骤

图9.3.1 （变配电系统）初步设计步骤示例

根据上级下达的设计任务书所给条件，各个专业开始进行初步设计。图9.3.1所示为初步设计步骤示例，是以中型工厂变配电系统为例介绍设计的实施步骤。框图中虚线上部即为电气专业初步设计内容，虚线下部为相关专业后续内容。有可行性研究报告时，尽可能参照报告中的基础资料数据，从各个用电设备的负荷计算开始；无可行性研究报告时，需自行收集基础资料。图中各个环节皆需经过充分的计算、分析、论证和方案选择。最后提出经筛选的较优方案，并编写“设计说明书”。说明书中要详细列出计算、比较和论证的数据、短路电流计算用系统接线图及等效阻抗示意图、选用或设计的继电保护和自动装置的二次接线图、操作电源、设备选择、照明设计、防雷保护与接地装置、电气布置及电缆设施、通信装置、主要设备材料及外委加工订货计划、土地征用范围、基建及设备投资概算等内容。此外，还要提出经过签署手续的必需图纸。初步设计只供审批之用，不做详细施工图。说明书还要求内容全面、计算准确、文字工整、逻辑严谨、词句精练。

2）电气专业的工作

（1）根据建设方使用要求及工艺、建筑专业的设计，按照方案设计的原则绘制供电点、干线分布等简图。根据负荷容量需要系数法计算结果，确定变、配电所设备规模大小，提出平布图及系统图。

（2）按负荷分类计算，确定供电及控制方式，确定采用的变压器，高、低压配电屏型号规格及其安装位置布置。功率因数补偿方式，供电线路、过电压及接地保护。

（3）阐述动力控制方式（几地控制、何方式控制），绘制动力的位置，确定控制屏、箱、台控制范围。动力电压等级及动力系统形式，导线选择与敷设，安全保护及防触电措施。

（4）确定电气照明的标准，主要区域、场所关键部位的单位照度容量及采用灯型，绘成必要的简图或表格，确定应急照明及电源切换的方式。

（5）建筑物防雷保护等级。接闪器、引下线及接地系统形式及作法。

（6）弱电及自控系统构成，主要设备选择，弱电或中央控制室布置。必要时提供控制方案构成。

（7）提出设备材料表及必要图纸，满足工程概算及订货需要。（包括供货时间要求）

3）设计文件

该阶段设计文件以设计说明书为核心，电专业也仅在“施工方案技术”一章提供内容。但设计图纸单独列为设计文件或作为附件。

4）达到的要求

初步设计深度应满足：①经过方案比较选择确定最终采用设计方案；②根据选定的设计方案，满足主要设备及材料的订货；③根据选定的设计方案，确定工程概算，控制工程投资；④作为编制施工图设计的基础。

3.施工图设计

施工图设计是技术设计和施工图绘制的总称。施工图设计阶段是根据已批准的初步设计文件或方案设计文件进行编制，其内容以图纸为主。施工图设计的深度应满足以下要求：①绘制全套施工图纸，包括变配电所平面图、剖面图，有关设备的安装图，以及部件的制作安装图，使其达到根据图纸能进行安装的标准；②编制设备材料型号规格详细清单；③根据图纸修正工程概算或编制工程项目预算；④必要时编写施工说明书。

（1）设计的步骤。初步设计经上级审查批准后，便可根据审查结论和设备材料的供货情况，开始施工图设计。施工图设计说明书中要求编制技术组织措施、各专业间施工综合进度表，协作设计单位的设计分工协议，本工程电气施工图总目录，并简要介绍施工图设计原则及与初步设计不同部分之改进方案的论证，并做出工程预算书。

通用部分尽量调用国家标准图集中对应图纸，这样设计者省时省力、保证质量的同时，也可加快设计进度。非标准部分则需设计者精心设计制图，并说明设计意图和施工方法。

注意协作专业的互相配合问题，注意图纸会签，防止返工、碰车现象等。对于规模较小的工程，也可以将上述三个阶段合并成1～2次设计完成。此时，图纸目录中先列新绘制的图纸，后列选用的标准图或重复利用图。

（2）设计文件。本阶段基本上是以设计图纸统一反映设计思想。设计说明分专业，有时还分子项编写，常在设计图中列出一张设计说明，往往包括对施工、安装的具体要求，且通常为首页。尽管本阶段图纸量最大、最集中。但还得处理好标准图引用、已有图复用问题。

（3）达到的要求。施工图设计应满足以下要求：①指导施工和安装；②修正工程概算或编制工程预算；③安排设备、材料的具体订货；④非标准设备的制作、加工。

9.3.2 设计文件的三组成

整个设计技术文件应包括设计（文字）说明书、设计计算书及设计图纸三大部分。这三部分在上述三个不同的设计阶段占有不同的比重成分。按其比重成分的重要性列出表9.3.1，表中星号越多，对应的重要程度越高。

表9.3.1 设计技术文件在各阶段之比重表

三个设计阶段中，最后落实到施工的是施工图设计阶段。施工图设计阶段中设计图纸是最重要的设计技术文件。因此，在整个设计全过程中，工程设计技术图纸是关键所在，也是设计人员设计思想意图构思和施工要求的综合体现。

1.设计说明书

设计说明书是初步设计阶段必须提出的重要设计文件，而施工设计阶段的设计文件主要是施工图纸，设计说明只是作为施工图纸的补充，凡施工图纸中已表述清楚的，一般不再另写设计说明书。设计说明书一般包括以下几方面的内容。

（1）阐明设计主题。必须说明设计的工程项目名称、任务要求及分工情况；简要说明设计的依据，整个工程项目的批准设计的文件及与当地供电、环保等有关部门的批复协议文件，与本工程其他专业所提供的设计资料、要求等；如属扩建或改建工程，应说明原有工程与新建工程之间的相互关系；整个说明书要反映出设计的指导思想与遵循的设计原则。

（2）突出设计方案。要突出设计方案的选择比较，对主方案（如变配电所的主结线方案）一般要求选择2～3个比较合理的方案进行经济技术比较，从中优选一个最佳方案；方案比较要简明、分析要全面，论述要有理有据。

（3）文字要精练，计算应简明。文字叙述要直截了当，不要滥用修饰词，特别是编写“前言”时要实事求是，切忌夸张；文字说明要简练、准确，符合现代汉语规范，讲究标点符号用法，避免语法、修辞和逻辑错误，字迹要工整清楚，避免错别字；计算应简单明了，力戒烦琐，尽量采用图表。

（4）条理分明，结构层次清晰。除“前言”和“结束语”外，设计说明书的中间主体部分应尽量采用条款分明的形式罗列叙述，或采用图表形式，做到条理分明；按照设计的程序，安排好设计说明书的层次结构，既有层次分明又有逻辑联系。设计说明书要统一编写页码，并要编写“目录”。

2.设计计算书

工程项目的设计计算书是设计过程的重要程序，是设备选型、材料选择的基本依据，此文件不需要交付施工单位，由设计单位作为内部技术档案存档备查和校审之用。电气工程设计计算书一般包括下列内容。

（1）用电负荷的计算。用电负荷的计算分为计算负荷和尖峰负荷两类计算，计算负荷是作为按发热条件选择变压器、开关电器和导线、电线截面，以及确定补偿容量之用；尖峰负荷是作为检验电压水平和选择、整定保护设备之用。

（2）短路电流计算。对一般中小型电力用户来说，供电电源的大型电力系统可看作是无限大容量系统。其基本特点是母线电压维持不变，依此在计算短路电流时，一般采用标么值法或欧姆法。

（3）供配电用母线、输电线、导线主干线的电压降和发热计算。此项计算主要在于检验母线、输电、导线在正常工作和短路时的最高允许温度和短路时的热稳定，以及电压降是否符合规定要求的验算。

（4）变、配电所一次设备的选择。选择变、配电所一次设备时，不应只考虑技术条件，还要满足工作要求、环境条件，以及技术先进性和经济合理性等要求。其一般要求是：首先应满足正常运转、短路过程的动稳定和热稳定，以及过电压情况下的工作要求；其次是按当地环境条件，如海拔高度、化工污染、热带潮湿地区等进行校核；再次应考虑技术上的先进和经济上的合理。

（5）继电保护整定计算。中小型变配电所（站）常用继电器保护的整定计算项目有：带时限的过电流保护、电流速断保护、过负荷保护、单相接地保护和零序电流保护等。在计算上述保护装置的动作电流和动作时间的同时，还需进行灵敏度的计算。

此外还包括照明系统的照度计算、防雷设计计算、接地装置的计算等。

部分计算及相应的设备、材料选择，按表分别列出。

3.设计图纸

初步设计一般应提供下列图纸：变配电所的主电路系统图、平面图、供电系统总布置图、低压及照明配电系统图、弱电系统图及平面布置或其他图纸。

施工设计应绘制全套施工图纸，包括变配电所平面图、剖面图，有关设备的安装图，二次控制和继电保护原理图、结线图，零部件的加工制作安装图等。

9.3.3 设计图的分类

1.电气图的分类

以“图形符号”、“带注释图框”简化外形的方式表示电气专业内各系统、设备及部件，并以单线或多线方式连接起来，表示其相互联系的简图。按GB 6988可分为15种。

（1）系统图：表示系统基本组成及其相互关系和特征，如动力系统图，照明系统图。其中一种以方框简化表示的，又称为框图。

（2）功能图：不涉及实现方式、仅表示功能的理想电路。供近一步深化、细致绘制其他简图作为依据的图。

（3）逻辑图：不涉及实现方式，仅用二进制逻辑单元图形符号表示的图。它是数字系统产品重要的设计文件，绘制前必先作出采用正、负逻辑方式的约定。

（4）功能表图：以图形和文字配合表达控制系统的过程、功能和特性的对应关系，但是不考虑具体执行过程的表格式的图。它实际上是功能图的表格化，有利于电气专业与非电专业间技术交流。

（5）电路图：图形符号按工作顺序排列，详细表示电路、设备或成套装置基本组成和连接关系，而不考虑实际位置的图。此图便于理解原理、分析特性及参数计算，是电气设备技术文件的核心。

（6）等效电路图：将实际元件等效变换形成为理论的或理想的简单元件，表达其功能联系的图，主要供电路状态分析、特性计算。

（7）端子功能图：以功能图、表图和文字这三种方式表示功能单元全部外接端子的内部功能。它是较高层次电路图的一种简化，代替较低层次电路图的特殊方式。

（8）程序图：以元素和模块的布置形式，清楚地表达程序单元和程序模块间的关系，便于对程序运行分析、理解的图。计算机程序图即是这类图的代表。

（9）设备元件表：把成套设备、设备和装置中各组成部分与其名称、型号、规格及数量列成的表格。

（10）接线图表：表示成套装置、设备和装置的连接关系，供接线、测试和检查的简图或表格。接线表可补充或代替接线图。电缆配置图表是专门针对电缆而言的。

（11）单元接线图／表：仅表示成套设备或设备的一个结构单元内连接关系的图或表，是上述接线图表的分部表示。

（12）互连接线图／表：仅表示成套设备或设备的不同单元间连接关系的图或表，也称线缆接线图。表示外连接物性，不表示内连接。

（13）端子接线图／表：表示结构单元的端子与其外部（必要时还反映内部）接线连接关系的图或表，用来表示内部、内与外的连接关系。

（14）数据单：对特定项目列出的详细信息资料的表单，供调试、检修、维修用。

（15）位置图／简图：以简化的几何图形表示成套设备、设备装置中各部件的位置，主要供安装就位的图。应标注的尺寸任何情况下不可少标、漏标。印制板图是一种特殊的位置图。位置图应按比例绘制，简图有尺寸标注时可放松。

以上15种图表中，（1）～（8）重在表示功能关系；（10）～（13）重在表示位置关系；（14）、（15）重在表达连接关系；（9）是统计列表。

2.电气工程图的分类

电气工程图表明建筑中电气工程的构成、功能、原理，并提供必要的技术数据作为安装、维护的依据。它是电气工程中应用特别广泛的图，因工程规范不同，其图纸数量、种类也不同，常用以下几类。

（1）目录、说明、图例、设备材料表。图纸目录包括：图纸名称、编号、张数、图纸大小及图纸序号等，可以通过它对整个设计技术文件有全面的了解。

设计／施工说明：阐述设计依据，建筑方要求和施工原则、建设特点、安装标准及方法、工程等级及其他要求等有关设计／施工的补充说明。主要交代不必用图，以及用图无法交代清楚的内容。

设备材料明细表：列出工程所需设备、材料的名称、型号、规格和数量，供设计预算和施工预算参考。具体要求、特殊要求往往一并表示，与图标不一致的图例此时也表示出来。其材料数量只作概算估计，不作供货依据。

（2）电气系统图。它是表现电气工程供电方式、电能输送、分配及控制关系和设备运行情况的图纸。只表示电路中元件间连接，而不表示具体位置、接线情况等，可反映出工程概况。强电系统图主要反映电能的分配、控制及各主要元件设备的设置、容量及控制作用。弱电系统图主要反映信号的传输及变化，各主要设备、设施的布置与关系都是以单线图的方式表示。

（3）电气平面图及电气总平面图。以建筑平面图为依据，表示设备、装置与管线的安装位置、线路走向、敷设方式等平面布置，而不反映具体形状的图。多用较大的缩小比例，是提供安装的主要依据。常用的有变／配电、动力、照明、防雷、接地、弱电平面图。

电气总平面图是在建筑总平面图（或小区规划图）上表示电源、电力或者弱电的总体布局。要表示清楚各建筑物及方位、地形、方向，必要时还要标注出施工时所需的缆沟、架、人孔、手孔井等设施。

（4）设备布置图。是表示各种设备及器件平面和空间位置，安装方式及相互关系的平面、立面、剖面及构件的详图。它多按三视图原则绘出，常用的有变／配电、非标准设备、控制设备布置图。最为常用且重要的是配电室及中央控制室平剖面布置图。

（5）安装接线／配线图。表示设备、元件和线路安装位置、配线及接线方式，以及安装场地状况的图。用以指导安装、接线和查障、排障。常用的有开关设备、防雷系统，接地系统安装接线图。

二次接线图是与下述原理图配套表示设备元件外部接线和内部接线的图。复杂的接线图还配有接线表，简单的接线图附在原理图侧。

（6）电气原理图。电气原理图依照各部分动作原理，多以展开法绘制，表示设备或系统工作原理，而不考虑具体位置和接线的图，用以指导安装、接线、调试、使用和维修，是电气工程图中的重点和难点。常用的是各种控制、保护、信号、电源等的原理图。

电气原理图要反映设备及元件的启动、信号、保护、连锁、控制和测量这类动作原理及实现功能，通常技术性最强。

（7）详图。它是表示设备中某一部分具体安装和做法的图。前面所述屏、箱、柜和电气专业通用标准图多为此，往往又称为大样图。非标准屏、箱、柜及复杂安装，一般出此图。有条件尽可能利用或参照通用标准图。

9.3.4 电气工程图的特点

1.简图是表示的主要形式

简图是用图形符号，带注释的围框或简化外形表示系统或设备中各组成部分之间相互关系的一种图。

简化指的是表现形式简化，而其含义确是极其复杂和严格的。阅读、绘制，尤其同是设计电气工程图，必须具备综合且坚实的专业功底。

简化也就是一些安装，使用、维修方面的具体要求未一一在图中反映，也没有必要条条注释。这部分内容在有关标准、规范及标准图中有明确表示，设计中可以“参照×××”等方式简略。

并非所有的电气工程图都是这种形式，如配电室、变压器室、中央控制室的平面布置、立面及剖面图应严格按比例、尺寸、形状绘制，这类图更接近建筑图纸；又如安装制造图，则接近机械图作法。

2.设备、元件及其连接是描述的主要内容

电路须闭合，其四要素是电源、用电设备或元件、连接导线、控制开关或设备。因此我们必须以基本原理、主要功能、动作程序及主体结构四个方面去构思。对动作元件、设备及系统的特点、功能往往是从应用角度来构思，相对来说外部特性重于内部特性。

3.功能方式及位置方式是两种基本布局方式

位置布局是表示清楚空间的联系，而功能布局是要注意表示跨越空间的功能联系，这是机械、建筑图比较直观的集中表示法很少出现的。设计时必须充分利用整套图纸，系统图表示关系，电路图表示原理，接线图表示联系，平面布置图表示布局，文字标注及说明作补充。

4.图形符号、文字符号和项目代号是基本的要素

为此必须明确和熟悉各类规程、规范的内容、含义、区别，对比以及相互联系。