某超高層建筑供配電設(shè)計

王海松 /竇春葉(濟南中建建筑設(shè)計院有限公司，山東濟南250101)

某超高層建筑供配電設(shè)計

王海松 /竇春葉(濟南中建建筑設(shè)計院有限公司，山東濟南250101)

0 引言

隨著我國建筑業(yè)不斷發(fā)展，城市發(fā)展水平不斷提高，超高層建筑正成為一個城市發(fā)展水平的體現(xiàn)，甚至是一個城市的標(biāo)志性建筑。然而，超高層建筑就像一條豎立起來的街道，存在著安全、交通、環(huán)境及能源消耗等多種難以妥善解決的問題，越是向高處發(fā)展，安全性、耐久性及適用舒適等問題就愈多，對各個專業(yè)的要求就越高。本文通過工程實例對超高層建筑的供配電系統(tǒng)進行簡要的介紹。

1 工程概況

該項目地上32層，地下1層，建筑高度124.2m，分為 S1、S2雙塔，地上總建筑面積131 260.26m2，地下總建筑面積24 885.58m2。建筑地下1層為車庫，地上1～4層為大型商業(yè)裙房，5層及19層為人員避難層，其余層為辦公用房。

2 負荷分級及供電電源

本工程內(nèi)的火災(zāi)自動報警系統(tǒng)、消防泵、噴淋泵、消防電梯、防排煙設(shè)備、火災(zāi)應(yīng)急照明及航空障礙燈等消防負荷按一級負荷要求供電；商場內(nèi)營業(yè)廳備用照明、弱電機房、生活水泵、客梯電力、排污泵、安防系統(tǒng)及主要通道照明等設(shè)備按一級負荷要求供電；商場經(jīng)營管理用計算機系統(tǒng)用電為一級負荷中特別重要負荷，商場的營業(yè)廳照明及空調(diào)為二級負荷，其他為三級負荷。

經(jīng)計算，本工程總用電容量為8 986kVA，共設(shè)6臺1 250kVA及4臺1 000kVA變壓器，從城市高壓電網(wǎng)引入2路10kV電源 (雙重電源)，當(dāng)一路電源發(fā)生故障時，另一路電源不應(yīng)同時受到損壞，2路電源互為備用，均可以負載全部的一、二級負荷。

本工程中的商場經(jīng)營管理用計算機系統(tǒng)用電為一級負荷中特別重要負荷，此類負荷對供電連續(xù)性要求較高，容量較小，因此采用UPS不間斷電源作為應(yīng)急電源。

3 高壓配電

據(jù)當(dāng)?shù)毓╇姴块T提供的資料顯示，該項目所在區(qū)域的10kV城市電網(wǎng)采用兩個不同區(qū)域變電站(110kV區(qū)域變電站)出線形成的雙環(huán)網(wǎng)，經(jīng)與供電部門及當(dāng)?shù)匦袠I(yè)內(nèi)專家論證后，最終確定從10kV雙環(huán)網(wǎng)中的兩個環(huán)網(wǎng)柜 (分別位于兩不同環(huán)網(wǎng)中)分別引入1路10kV電源。該工程地下10kV開閉所內(nèi)高壓側(cè)選用單母線分段中間設(shè)置聯(lián)絡(luò)開關(guān)的接線方式，兩路電源互為備用，當(dāng)一路電源故障時，分段斷路器自動投入，高壓主進開關(guān)與聯(lián)絡(luò)開關(guān)之間設(shè)電氣聯(lián)鎖，任何情況下只能閉合其中的兩個開關(guān)。

4 變配電所及豎井選址

變配電所是整棟建筑電力系統(tǒng)的心臟，其位置是否合理關(guān)乎整個配電系統(tǒng)的合理性及可靠性，其位置應(yīng)深入負荷中心，以縮短低壓供電半徑，降低電能損耗，節(jié)約有色金屬，減少電壓損失，提高供電質(zhì)量；低壓線路的供電半徑應(yīng)根據(jù)具體供電條件，干線一般不超過200m，否則應(yīng)考慮增設(shè)變配電所[1，3]。

本工程總建筑高度為124.2m，高度遠未達到200m，考慮到設(shè)備的運輸、裝卸及搬運，宜在地下層設(shè)置高壓變配電室。本工程變壓器臺數(shù)較多，若將變壓器集中設(shè)在一處，則變配電所的位置需設(shè)在兩棟塔樓中間 (圖1)，此種方案中高壓變配電室內(nèi)的設(shè)備太多，發(fā)熱量及噪聲較大，橋架管線太集中，供電半徑較大，存在諸多不合理之處。

為此，在地下一層設(shè)置2處高壓變配電室(圖2)，每處變配電室內(nèi)設(shè)5臺變壓器，變配電室分別設(shè)置于S1、S2塔樓下，有效地縮短了供電半徑，同時便于管線敷設(shè)。

圖1 高壓變配電室位置一

圖2 高壓變配電室位置二

豎井宜按防火分區(qū)布置并深入負荷中心，該工程S1、S2塔樓分別在核心筒區(qū)域設(shè)置豎井，商業(yè)裙房按防火分區(qū)及供電半徑設(shè)置豎井，各豎井的配電半徑不超過50m。

5 低壓供配電系統(tǒng)

低壓配電系統(tǒng)應(yīng)滿足較高的供電可靠性和供電質(zhì)量，系統(tǒng)接線應(yīng)簡單、操作安全、方便維修并具有一定的靈活性。

1)為了確保供電可靠性及靈活性，保證當(dāng)供電系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備發(fā)生故障檢修時，影響范圍不致過大，重要的負荷不受到影響，本工程中低壓側(cè)采用單母線分段中間設(shè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)的運行方式。

2)考慮空調(diào)負荷為季節(jié)性負荷，將其單獨設(shè)置變壓器；同時考慮該工程中1～4層為商業(yè)用房，其他為辦公用房，為將來物業(yè)管理的方便性，商業(yè)用電與辦公用電分別單獨設(shè)置變壓器。

3)普通照明、應(yīng)急照明、普通電力、空調(diào)電力、消防電力分別自成配電系統(tǒng)；供電干線按防火分區(qū)、功能分區(qū)、豎向或水平分區(qū)劃分供電區(qū)域。對于單臺容量較大和較重要的用電負荷 (如電梯、水泵等)從低壓柜放射式配電；對于照明及空調(diào)負荷采用樹干式配電。

4)對于辦公層照明及空調(diào)負荷，由于采用樹干式配電且層數(shù)較多、容量較大，因此采用密集型母線槽配電；此種配電方式可以減少電纜的使用量，但事故時影響范圍較大，為減少事故范圍同時方便施工，母線槽容量不易過大，本工程中采用奇偶層交錯的方式配電，每根母線槽配電層數(shù)控制在10層左右，容量控制在1 600A以下。

5)一級消防負荷及一級非消防負荷采用雙電源末端自動切換供電；二級負荷采用專線配電，備用電源由母聯(lián)開關(guān)提供。

6 避難層

超高層建筑中的避難層是為人員暫時躲避火災(zāi)及其煙氣危害所設(shè)的樓層。在發(fā)生火災(zāi)時，要保證避難層內(nèi)的用電設(shè)備可靠地工作且不受其他層用電設(shè)備影響，因此避難層內(nèi)的應(yīng)急照明、消防風(fēng)機等設(shè)備應(yīng)從低壓柜采用單獨的專線配電，如圖3所示。

7 消防與非消防負荷的設(shè)計

建筑的低壓配電系統(tǒng)主接線方案應(yīng)遵循安全、可靠、合理的原則，以保證當(dāng)切斷生產(chǎn)、生活電源時，消防電源不受影響。

目前國內(nèi)主要有兩種設(shè)計方案:不分組方案和分組方案。對于不分組方案，常見消防負荷采用專用母線段，消防負荷與非消防負荷共用同一進線斷路器或消防負荷與非消防負荷共用同一進線斷路器和同一低壓母線段。對于分組設(shè)計方案，消防供電電源是從建筑的變電站低壓側(cè)封閉母線處將消防電源分出，形成各自獨立的系統(tǒng)。

圖3 避難層低壓配電干線圖

對于消防負荷與非消防負荷是否需要分組，國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)均未做具體規(guī)定，從國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn) (IEC 60364-5-56中560.6.5條)可知，消防設(shè)備的供電也可以采用不分組設(shè)計方案:560.6.5. Separate，independent feeders from a supply network shall not serve as electrical sources for safety services unless assurance can be obtained that the two supplies are unlikely to fail concurrently[6]。

2011～2012年筆者參與設(shè)計了毛里求斯西烏薩格拉姆國際機場 (Sir Seewoosagur Ramgoolam International Airport)項目，該項目采用英國標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，其中消防設(shè)備的供電即采用不分組的設(shè)計方案，見圖4。

近年來多起火災(zāi)案例中 (尤其是老舊建筑)曾發(fā)生消防滅火設(shè)備在火災(zāi)初期可啟動滅火，但在滅火過程中發(fā)生主電源跳閘，消防滅火設(shè)備不能正常工作，耽誤了最佳滅火時間。經(jīng)事故分析得知，在發(fā)生火災(zāi)時，非消防負荷沒有被可靠地切除，在救援過程中，消防水四溢導(dǎo)致配電線路發(fā)生接地故障或短路，造成越級跳閘使主進線斷路器無法接通電源。如果消防負荷與非消防負荷不共用同一母線段，在發(fā)生火災(zāi)時，可以在變配電室中直接手動操作總開關(guān)將非消防母線段切掉，避免在滅火過程中消防電源受非消防電源的影響。

經(jīng)與當(dāng)?shù)叵啦块T及行業(yè)內(nèi)專家協(xié)商后，本項目采用負荷分組設(shè)計方案，最終方案如圖5所示。

圖4 毛里求斯國際機場項目低壓配電方案

圖5 負荷分組設(shè)計方案

8 節(jié)能

電能是社會可持續(xù)發(fā)展的重要因素，加強建筑電氣供配電系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計有著長遠的意義。建筑電氣供配電系統(tǒng)中會產(chǎn)生電能損耗的主要因素有供配電線路、變壓器、照明設(shè)備及用能管理不科學(xué)等，若不采取行之有效的節(jié)能措施，會造成極大的電能浪費。針對以上幾種產(chǎn)生電能損耗的因素，本工程采取以下節(jié)能措施。

1)采用10kV電壓等級供電，合理選擇變配電所位置，使其靠近負荷中心，同時選擇合理的配電路徑，使線路盡可能縮短，降低線路損耗。

2)變壓器的負載率在50% ～60%時，其有功功率損耗最低[4]，但負載率太低會造成變壓器的初裝臺數(shù)增多，初始投資增大，短時間內(nèi)難以通過節(jié)能來收回投資費用。本項目中使用低損耗節(jié)能型干式變壓器，有效降低變壓器的空載損耗，同時在設(shè)計時將變壓器的負載率控制在70%～85%，使其接近經(jīng)濟運行方式，不僅節(jié)能且降低初始投資。

3)本工程中空調(diào)負荷為季節(jié)性負荷，且容量較大，因此單獨設(shè)置空調(diào)專用變壓器，在春、秋季空調(diào)不需運行時可以停用，以利于節(jié)能。

4)在變壓器低壓側(cè)采用靜止無功發(fā)生器進行自動無功功率補償，提高配電系統(tǒng)的功率因數(shù)，降低線路損耗，減少變壓器的銅損及電壓損失，提高發(fā)配電設(shè)備的供電能力。

5)電機采取節(jié)能控制方式，如生活水泵采用變頻控制、電梯采用智能控制、排污泵采用液位傳感器控制、排風(fēng)機采用定時及溫度控制。

6)設(shè)置能耗監(jiān)測系統(tǒng)，實時記錄建筑物用能狀況，自動進行能耗數(shù)據(jù)處理，完成建筑能耗結(jié)構(gòu)、建筑用能效率以及建筑節(jié)能潛力數(shù)據(jù)分析，及時發(fā)現(xiàn)、糾正用能浪費現(xiàn)象。

除以上節(jié)能措施外，本工程還采用效率高、能耗低、性能先進、耐用可靠、由綠色環(huán)保材料制成的電氣裝置。

9 諧波治理

1)諧波源

用戶向公用電網(wǎng)注入諧波電流的電氣設(shè)備或在公用電網(wǎng)中產(chǎn)生諧波電壓的電氣設(shè)備，統(tǒng)稱諧波源[5]。民用建筑中常見的諧波源主要有換流設(shè)備 (整流器、逆變器、變頻裝置)、鐵芯設(shè)備、照明設(shè)備及空調(diào)等非線性電氣設(shè)備。

2)諧波危害

電網(wǎng)中的諧波會降低電動機的效率，增加發(fā)熱量，縮短其使用壽命；過大的諧波電流會使變壓器產(chǎn)生附加損耗，從而引起過熱，使絕緣介質(zhì)老化加速；電網(wǎng)中的諧波電流還會引起并聯(lián)電容器過載發(fā)熱甚至導(dǎo)致諧波、諧振等，高次諧波含量較高的電流能降低斷路器的開斷能力，除此之外，諧波還對電子設(shè)備、繼電保護、通信線路產(chǎn)生不同程度的影響。

3)抑制諧波技術(shù)措施

減小諧波影響的措施有很多，本工程中采取抑制諧波的主要措施有: (1)采用接線組別為D，yn11的變壓器，有效抑制配電系統(tǒng)中的3n次諧波電流。(2)在變壓器低壓側(cè)設(shè)置有源電力濾波器，可以有效濾除電網(wǎng)中的諧波，同時實現(xiàn)節(jié)能、降耗。(3)采用靜止無功發(fā)生器，提高功率因數(shù)，克服三相不平衡、消除電壓閃變和電壓波動，抑制諧波污染。(4)設(shè)計時對各個配電箱進行整體負荷分配，以保持三相負荷平衡，可有效地減少3次諧波的產(chǎn)生，有利于設(shè)備的正常用電，減小損耗。

10 結(jié)束語

本文結(jié)合具體的工程實例，詳細地介紹了超高層建筑供配電系統(tǒng)的設(shè)計以及項目中采取的一些節(jié)能及諧波治理措施，并通過國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)及工程實例對比，詳細闡述了消防負荷與非消防負荷是否分組的現(xiàn)狀及各自的利弊。超高層建筑電氣設(shè)計的內(nèi)容較多，如照明設(shè)備、電纜的選擇等，

限于篇幅，本文不再論述。

[1] 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部工程質(zhì)量安全監(jiān)管司，中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院 編.全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施:電氣[M].北京:中國計劃出版社，2009.

[2] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.建筑設(shè)計防火規(guī)范 (GB 50016-2014)[S].北京:中國計劃出版社，2015.

[3] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.20kV及以下變電所設(shè)計規(guī)范(GB 50053-2013)[S].北京:中國計劃出版社，2014.

[4] 鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計手冊編寫組編.鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計手冊(上冊)[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2014.

[5] 中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計研究院等編.工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊 (第3版)[S].北京:中國電力出版社，2005.

[6] IEC 60364-5-56，Low-voltage electrical installations-Part 5-56:Section and erection of electrical equipment-Safety services，Edition 2.0[S].2009-07.

Supply and Distribution Design of a Super High-rise Building

Wang Haisong/Dou Chunye

通過工程實例，對超高層建筑的供配電系統(tǒng)進行簡要介紹，并對避難層的配電設(shè)計提出合理化見解；通過對比國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，詳細分析消防設(shè)備的配電方案；最后對工程中主要采取的節(jié)能及諧波治理措施進行介紹。

超高層建筑 供配電系統(tǒng) 避難層 消防供電 電氣節(jié)能 諧波治理

Through an engineering example，the power supply and distribution system of high-rise building is briefly introduced，and some rationalization suggestions of distribution design of refuge layer are put forward.The distribution scheme of firefighting equipment is analyzed in detail by comparing the domestic and foreign standards.Finally，the major energy-saving and harmonic management measures are introduced.

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